Design and Construction of Mini-Robot for Gas LP Detection Using a Mobile Device

1Abstract— In this paper, we present the design and construction of a mini-robot for gas LP detection with concentrations from 200 to 10,000 ppm. An application on a mobile device (tablet) to manipulate the mini-robot system, when it is not able to avoid an obstacle by itself, was carried out successfully. Also, this application recipes a signal when the mini-robot has detected an LP gas concentration and then, the mobile device activates an alarm and it sends automatically a signal to put the mini-robot in fully stop mode. The LP gas concentration for its detection is established in the control system, and this can be modified according to user needs. The communication between the mobile device and the mini-robot system was carried out by means of wireless protocol Bluetooth. In addition, the mini-robot can detect obstacles using an ultrasonic sensor, and also remember its last turn. The results show the effective implementation of this kind of mini-robot system, it has advantages such as: low cost, small, simple, and it uses a mobile device.

Keywords— Autonomous Mobile Mini-robot, Application for Mobile Device, LP Gas Detection.

I. INTRODUCCIÓN A MINI-ROBÓTICA se ha convertido en una disciplina científica importante tanto en el ámbito de la investigación,

como en el desarrollo tecnológico en el mundo entero. Esto es debido a las diferentes aplicaciones que encuentran utilizando estos sistemas mecatrónicos modernos de bajas dimensiones y de bajo costo [1-3]. Los mini-robots se dividen en cuatro categorías: terrestres, acuáticos, aéreos y espaciales, en este trabajo solo nos limitaremos a los mini-robots terrestres, específicamente a los dotados con ruedas, ya que son los más utilizados debido a su simplicidad, fácil construcción, por su capacidad de carga, mayor control y estabilidad mecánica, aunque tienen un desventaja a que se limitan a terrenos planos y que los posibles obstáculos que se presenten no deben ser mayores al tamaño de las ruedas [2-3]. Un robot diferencial se componen de dos ruedas en un eje común, cada rueda se controla independientemente, puede realizar movimientos en línea recta, en arco y sobre su propio eje de contacto de rodamiento, requiere de una o dos ruedas adicionales para balance o estabilidad, para lograr un movimiento en línea recta requiere que las dos ruedas de tracción giren a la misma 1 A. G. Barrientos, Universidad Politécnica de Pachuca, México, [email protected].

J. C. G.Vidal, Universidad Politécnica de Pachuca, México, [email protected].

E. S. E. Quesada, Universidad Politécnica de Pachuca, México, [email protected].

J. P. O. Oliver, Universidad Politécnica de Pachuca, México, [email protected].

F. R. T. Macotela, Universidad Politécnica de Pachuca, México, [email protected]

M. O. Dominguez, Universidad Politécnica de Pachuca, México, [email protected].

velocidad [1-5]. Un robot autónomo puede ser definido como un mecanismo autónomo completo o parcial, que es capaz de operar de diferentes modos para la ejecución de las tareas programadas, puede ser de manera autónoma cumpliendo sus objetivos sin la ayuda humana o de manera teleoperado, estos últimos son manipulados a distancia por un ser humano mediante una interfaz hombre máquina, por lo que esta clase de robots pueden realizar una amplia variedad de tareas industriales, científicas, domésticas y comerciales, sin embargo aún es necesario optimizar estos sistemas mecatrónicos modernos [6-9]. El impulso en el uso de robots móviles se expresa en la necesidad de extender el campo de aplicaciones de la robótica, empezando principalmente en poseer un espacio de trabajo ilimitado, a diferencia de los robots manipuladores fijos los cuales están restringidos a cumplir tareas dentro de un espacio de trabajo determinado por sus dimensiones físicas [1-3]. Por lo tanto, con la finalidad de aumentar la movilidad del robot y de esta manera su capacidad de trabajo, se requiere desarrollar un robot de bajo costo y robusto para la detección de gas LP en zonas de gasoductos. Además, estos robots deben tener la capacidad de adaptarse a una gran diversidad de terrenos y actuar en ambientes no estructurados, ya sea en modo autónomo o por medio de teleoperación. En el término autonomía se hace referencia principalmente a la capacidad del robot para responder ante situaciones cambiantes, ambiguas o impredecibles sin necesidad de la supervisión humana, esto se lleva a cabo utilizando sensores, dando así una mayor capacidad al mini-robot de adaptación a diferentes escenarios. Aunque ya se han ya desarrollado algunos robots de este tipo [6-18] ninguno ellos ha sido manipulado con un dispositivo móvil y más aún como interfaz hombre-máquina usando un dispositivo móvil.

En este trabajo de investigación se presenta el diseño y construcción de un mini-robot para la detección de fugas de gas LP en zonas de gasoductos para concentraciones de 200 a 10,000 ppm. Para llevar a cabo la manipulación exitosamente del mini-robot se desarrolló una aplicación en un dispositivo móvil, un tableta. Esta interfaz se utiliza cuando el mini-robot no es capaz de esquivar un obstáculo por sí mismo, y más aún ésta aplicación activa una alarma cuando el robot ha detectado una concentración de gas LP y automáticamente activa el robot en modo de paro total. La detección de la concentración de gas LP es establecida en el control del sistema, y esta puede ser modificada de acuerdo a las necesidades del usuario. La comunicación entre el dispositivo móvil y el mini-robot fue llevada a cabo por medio de una comunicación inalámbrica por el protocolo Bluetooth. Además, el mini-robot es capaz de detectar obstáculos mediante un sensor ultrasónico, así como también recordar su último giro, esto es para poder seguir con la ejecución de su tarea específica en este caso buscar la fuga de gas LP. Los resultados muestran una aplicación efectiva de esta clase de mini-robots de bajo costo, así como también la incorporación de un dispositivo móvil para su manipulación efectiva.

Design and Construction of Mini-Robot for Gas LP Detection Using a Mobile Device

A. G. Barrientos, J. C. G.Vidal, E. S. E. Quesada, J. P. O. Oliver, F. R. T. Macotela and M. O. Domínguez

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II. DISEÑO DEL MINI-ROBOT MÓVIL El primer diseño mecánico del mini-robot móvil se llevó a

cabo utilizando el programa de computadora de Solidworks. En esta parte se definieron dimensiones del robot mini-robot, tomando en cuenta algunas especificaciones tales como las dimensiones de los actuadores y sensores, la forma de locomoción, necesidades que demanda la aplicación, entre otras. Además, se asumieron las siguientes hipótesis: el robot móvil se mueve sobre una superficie plana horizontal, es decir, la energía potencial es constante, los ejes de guiado son perpendiculares al suelo, no existen elementos flexibles en la estructura del robot, incluyendo las ruedas. El contacto entre cada rueda y el suelo se reduce a un solo punto y no existe deslizamiento. El diseño mecánico del mini-robot final se muestra en la Fig. 1.

Para la instrumentación electrónica se utilizaron los siguientes dispositivos: un microcontrolador PIC16F1826 por su gran desempeño en su alta velocidad, la capacidad de conectar periféricos y aún más pueden funcionar a 1.8 V. Se utilizó un sensor de gas LP MQ-5, el cual detecta bajo ciertas características ambientales como temperatura, presión y gravedad, el flujo o masa de aire que contenga gas propano, butano o metano. El sensor MQ-5 es usado para detección de fugas de gas en equipos industriales al igual en algunas áreas del hogar, son adecuados para la detección de gas LP, butano, propano, gas natural, alcohol y humo de cigarrillo. También se utilizó el sensor ultrasónico XL-MaxSonar-EZ MB1240, éste se caracteriza por tener alta potencia en sus salidas, cuentan con calibración automática en tiempo real para poder ajustarse a diferentes condiciones como temperatura, voltaje y ruido acústico o eléctrico, con esto se puede asegurar de que recibe la mayor parte confiable de los datos de cada lectura tomada. Esta clase de sensor detecta objetos desde 0 cm a 765 cm con una resolución de 1 cm. Las principales características que tiene este sensor son sus diferentes salidas de lectura, ya que cuenta con una salida PWM, salida analógica y una salida serial RS232. Este sensor ayuda a detectar los obstáculos del mini-robot, ya que está embarcado sobre un servomotor, por lo que tiene un grado de libertad, moviéndose de 0 a 180 grados. Para los actuadores se utilizaron dos motorreductores B01, los cuales son ligeros y de gran calidad, cuenta con un eje de 5.3 mm de diámetro aplanado por ambos lados a 3.6 mm y orificios para facilitar su montaje con tornillos, también cuenta con reducción 1:87. El motorreductor tiene un rango de voltaje de alimentación de 3 a 12 V DC y su característica principal es el bajo consumo de corriente, por lo que se requiere un driver de bajas prestaciones para operarlo, en este caso se utilizó el circuito integrado L293, el cual es capaz de transferir corrientes en dos direcciones de hasta 1 A y con voltajes que van desde los 4.5 hasta los 36 V.

2.1 Programación del Algoritmo de Control

Se identifica la idea principal de la lógica del programa mediante un diagrama de flujo y posteriormente se interpretara en un lenguaje de programación para el microcontrolador PIC16f1827. En la Fig. 2 se muestra la lógica del programa que se realizó en el microcontrolador del robot, en el cual se tiene un inicio y es ahí donde se encienden los motores, después checa si existe una concentración de gas LP mayor a 3000 ppm, esta cantidad puede ser elegida por el usuario, si esto es cierto entonces enciende la alarma del dispositivo móvil y manda la instrucción de paro total y termina el programa. En caso contrario avanza hacia adelante hasta encontrarse con un obstáculo, en este caso el robot gira a la derecha hasta esquivar dicho obstáculo, después de esto checa el sensor de gas LP y nuevamente vuelve a

preguntar si existe una concentración de gas LP mayor a la cantidad programada, si esto es afirmativo entonces enciende la alarma del dispositivo móvil y finaliza el programa. En caso contrario, el robot sigue hacia delante, checando la concentración de gas LP en todo instante, y cuando el robot vuelve a encontrar un obstáculo, éste gira a la izquierda hasta evadir dicho obstáculo y nuevamente vuelve a checar la concentración de gas LP. Cuando el robot se mueve en línea recta checa la concentración de este gas cada 2 segundos.

Figura 1. Diseño mecánico final del mini-robot.

Un algoritmo para detectar la difusión de olor real es complicado, sin embargo si la estrategia de búsqueda de la fuente no depende de su gradiente de concentración, por lo tanto, es relativamente fácil encontrar dicha fuente. Así que, una gran parte de la información del sensor necesita ser procesada rápidamente por el robot móvil durante la búsqueda de gas LP en tiempo real. Para realizar esta tarea se utilizó el algoritmo descrito en la ref. [10], donde la distribución de gas de una fuente puntual está dada por:

( )

( ) ( )( ) ( ) θθ

π

sincos

2exp

2),(

22

yyxxxyysxxd

xdKv

Kdqyxc

ss

ss

s

−+−=Δ−+−=

Δ−−=

(1)

donde ds es la distancia de la fuente (m), Δxes la proyección de distancia de ds sobre la dirección del viento, c es la concentración (ppm), q es la razón emitida por el gas (mL/s), v es la velocidad del flujo del aire (m/s), K es el coeficiente de difusión turbulento (m2/s) y θ es el ángulo del eje x a la dirección del viento.

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Figura 2. Diagrama de flujo del programa desarrollado en el microcontrolador del mini-robot.

2.2. Desarrollo de la Interfaz Gráfica con Android

La interfaz gráfica se utilizará para tener el control de encendido y apagado del mini-robot móvil, al igual se podrá visualizar la alerta que nos mande el mini-robot móvil cuando éste haya detectado una fuga de gas LP. Esta clase de interfaz de usuario en Android se puede desarrollar e implementar de varias formas. Una de ellas es definirla en la propia clase de la actividad, aunque esta forma, aparte de ser poco elegante y poco estructurada, no proporciona una diferenciación clara entre el propio código de la aplicación y el de la interfaz. Por lo que la forma más recomendada y la que se utilizó en este desarrollo de

interfaz es mediante XML. Esta interfaz gráfica se construyó a través de controles llamados Views que son el punto de interacción con el usuario. Los Views son la clase base para la creación de widgets como por ejemplo botones, campos de texto, checkbox, etc. Por otro lado tenemos la clase ViewGroup que son contenedores de Views o incluso de otros ViewGroup. Un diagrama a bloques de esta interfaz desarrollada en este proyecto se puede observar en la Fig. 3a. Al inicio, activa el módulo de Bluetooht y pregunta si esta visible, si la respuesta es verdadera entonces se conectan ambas, una vez conectados pregunta un código de 4 números para como código de seguridad. Al conectar el mini-robot con el dispositivo móvil, la interfaz tiene la opción de inicio y de salir, ver Fig. 3b. Al iniciar la tarea de búsqueda, el robot móvil realiza cualquier trayectoria y es capaz de evadir obstáculos, y una vez localizada la fuga de gas LP, este manda un mensaje en la pantalla del dispositivo móvil indicando que ha encontrado la fuga y en automático desactiva cualquier conexión y el robot móvil entra en estado OFF, ver Fig. 4.

III. RESULTADOS En esta sección se muestran los resultados obtenidos de cada

etapa del robot móvil, así como también los resultados experimentales del mismo y finalmente el funcionamiento por completo del mini-robot desarrollando su tarea específica, el de encontrar la fuga de gas LP en un terreno adverso. Las dimensiones físicas del mini-robot están dadas en la tabla 1, estas dimensiones son dadas en centímetros. Para el movimiento del robot se utilizaron dos moto-reductores, los cuales son activados mediante una señal de PWM, con un ciclo de trabajo del 20% a una frecuencia de 50 Hz, tal como se muestra la Fig. 5, donde se puede observar un tiempo en alto de 2 ms. Los resultados experimentales muestran que el robot puede encontrar la fuga de gas LP en un corto tiempo. La velocidad de búsqueda es rápida, ya que el robot es ligero y opera bajo una condición de flujo de aire constante. Si se incrementa la velocidad del robot al doble, por ejemplo, éste no podrá encontrar la fuga de gas LP debido a que no tendrá el tiempo suficiente para encontrar la concentración deseada. El tiempo de búsqueda del robot puede ser un poco más de 2 horas, esto es debido al bajo consumo de potencia y a la incorporación de una batería de alto rendimiento. Debido a sus dimensiones físicas, el robot tiene la capacidad de explorar zonas donde para el ser humano es inaccesible, por lo tanto este clase de robots también puede encontrar aplicación en tareas de búsqueda.

Tabla 1: Dimensiones físicas del mini-robot. Dimensión

Largo 15 cm Ancho Alto

Diámetro en las ruedas Velocidad máxima

Tiempo máximo de operación

12 cm 18 cm 10 cm

10 cm/s 2 horas

GARCIA et al.: DESIGN AND CONSTRUCTION OF MINI 1297

(a)

(b)

Figura 3. Diagrama a bloques del desarrollo e implementación de la interfaz de usuario en Androi (a). Pantalla de incio al conectar el mini-robot con el dispsotovo móvil mediante el protocolo Bluetooht (b).

Figura 4. Pantalla de aviso del dispositivo móvil cuando el robot ha encontrado la fuga de gas LP.

Figura 5. Señal PWM con ciclo de trabajo del 20% para el control de los motorreductores.

El mini-robot tiene embarcado un sensor ultrasónico XL-

MaxSonar-EZ MB1240, el cual le dice al robot a que distancia se encuentran los obstáculos. Éste sensor esta sobre un servomotor para poder girar de 0 a 180 grados y así detectar un obstáculo, entonces el robot decide a donde girar o inclusive retroceder. Para posicionar el sensor, el servomotor es manipulado para mediante una señal PWM para tener las posiciones de 0, 45, 90 grados con un tiempo en alto de 1, 1.5 y 2 ms, respectivamente. El diseño electrónico, así como también el ensamble del sistema con la interfaz gráfica en un dispositivo móvil para la manipulación del robot se muestran en la Fig. 6. La interfaz de usuario del dispositivo móvil es amigable y fácil de entendimiento para que cualquier usuario pueda operar fácilmente el robot. Para verificar el desempeño del mini-robot móvil, una ejecución se realizó sobre una superficie lisa con obstáculos. El recorrido inicia al momento que emparejamos el módulo Bluetooth del mini-robot móvil con el modulo Bluetooth del dispositivo móvil por medio de la interfaz y cuando se ha realizado el emparejamiento nos despliega un botón para iniciar la tarea de búsqueda. Una vez puesto en marcha el robot, se pudo probar el desplazamiento en línea recta, ya que para esto las dos ruedas deben girar a la misma velocidad. Cuando además de realizar una trayectoria, el robot utiliza el sensor ultrasónico, este mismo ya puede desplazarse en línea recta y lograr esquivar cada uno de los obstáculos. Al momento que tiene que escoger a que dirección debe desplazarse, ya sea girar hacia el lado derecho o izquierdo cuando éste se encuentra de frente con un obstáculo, lo realiza correctamente tomando en cuenta especio físico de cada lado y así como también elegir la distancia adecuada, dando como resultado un sistema autónomo perfecto. Para completar todo el proceso, y más aún la detección de fugas de gas LP, se suministro una cantidad de gas sobre un área de trabajo del robot y el resultado fue que el mini-robot detecto la concentración de gas LP después de 2 minutos en operación y automáticamente envió la alerta al dispositivo del operador, tal como se muestra en el video en youtube (http://www.youtube.com/watch?v=DY2-Vee4r_k&feature=em-upload_owner). Los resultados muestran que el mini-robot móvil puede resolver el problema de una detección de gas LP y aún más posicionarse donde existe la mayor concentración, es decir donde se tiene una fuga de éste, la detección de la concentración puede ser programa por el usuario. Este robot también puede encontrar otras aplicaciones tales como

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en el rescate de personas después de un desastre natural donde es imposible el acceso.

Figura 6. Prototipo final, junto con la interfaz de usuario.

IV. CONCLUSIONES El diseño y construcción de un mini-robot móvil autónomo

aplicado para detectar fugas de gas LP en zonas de gasoductos para concentraciones de 200 a 10,000 ppm utilizando un dispositivo móvil para su manipulación fue llevado acabo exitosamente. Cuando este mini-robot móvil detecta una concentración de gas LP establecida en el control, inmediatamente transmite una notificación de alerta, por medio de la comunicación inalámbrica Bluetooth, a un dispositivo móvil en este caso una tableta. El mini-robot es capaz de detectar obstáculos mediante su sensor ultrasónico y recordar su giro anterior, esto para evitar obstáculos y así poder seguir con su tarea específica. Este dispositivo mecatrónico tiene costos muy bajos de fabricación y un desempeño excelente.

AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido realizado parcialmente gracias al apoyo

del CONACYT-México bajo el proyecto CB-CONACYT 169062, y mediante el financiamiento de SEP-PROMEP-México bajo el proyecto de la red temática de fuentes de Energías Alternas UPPACH-CA-10.

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Dr. Abel Garcia Barrientos was born in Tenancingo, Tlaxcala, Mexico, in 1979. He received the Licenciatura degree in Electronics from the Autonomous University of Puebla, Mexico, in 2000, and the M.Sc. and Ph.D. degree in Electronics from the National Institute for Astrophysics, Optics, and Electronics (INAOE), Tonantzintla, Puebla, in 2003 and 2006, respectively. Since 2007 he joined as a researcher at the Mechatronics Department at the

Polytechnic University of Pachuca, Mexico. In 2009 he was a Post-Doctoral Fellow at the Micro- and Nano-Systems Laboratory at the McMaster University, Ontario, Canada and in 2010 Dr. Garcia-Barrientos was a Post-Doctoral Fellow at the Advanced Materials and Device Analysis group of Institute for Microelectronics, Technische Universitat Wien, too. His scientific interests include device simulation, semiconductor device modeling, high-frequency electronics, and nanoelectronics. He has been member of SNI since 2008 until 2014, level 1.

Julio Cesar Gonzalez Vidal received the Engineering degree in Mechatronics from Universidad Politecnica de Pachuca, Zempoala, Hidalgo, Mexico, in 2012, and now he is a Master student in Mechatronics in the same University. His current research interests are applications of computacional, robotics, and biomechatronics.

GARCIA et al.: DESIGN AND CONSTRUCTION OF MINI 1299

Dr. Eduardo Steed Espinoza Quesada was born in the "Estado de México", México, in April 1981. He got the bachelor’s degree in Electronic and Telecommunications Engineering in August 2004 and the M.Sc. degree in Automation and Control in September 2006 from Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. He is

actually studying the Ph.D. degree in Automatic Control in the Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Departamento de Control (LAFMIA UMI CNRS 3175 - CINVESTAV), México, from January 2010 to December 2012. Since September 2006, he holds a post as researcher professor in the Universidad Politécnica de Pachuca, Hidalgo, México. His research interests are in process automation, design, modeling and control of mini UAV (Unmanned Aerial Vehicles), linear control theory and non-linear control with applications in automation and Real-time control applications (Electronic Instrumentation, Microcontrollers, Microprocessors and Motor Control) and Digital signal processing.

Dr. Patricio Ordaz Oliver nació en México en 1980. Recibió el grado de Licenciatura en Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones así como el grado de Maestro en Ciencias en Automatización y Control por la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo en 2005 y 2007, respectivamente. Obtuvo el grado de Doctor en Ciencias en Control Automático por el Centro de

Investigaciones y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional en 2012. Actualmente es profesor Investigador en la Universidad Politécnica de Pachuca. Sus áreas de interés son en los campos de modelado y análisis de Robots, análisis no lineal, teoría de control, teoría de realimentación de salida, diseño de control robusto y adaptable. Es miembro del S.N.I de CONACyT nivel C. E-mail: [email protected]

Dr. Francisco Rafael Trejo Macotela was born in Alfajayucan, Hidalgo, Mexico, in 1976. He received the Licenciatura degree in Electronics from the Instituto Tecnologico de Queretaro, Mexico, in 1999, and the M.Sc. and Ph.D. degree in Electronics from the National Institute for Astrophysics, Optics, and Electronics (INAOE),

Tonantzintla, Puebla, in 2001 and 2006, respectively. In 2006 he joined as a researcher at the Mechatronics Department at the Polytechnic University of Pachuca, Mexico. In 2007 he became Head of Mechatronics Department at the same University. Since 2008, he joined as a researcher at the Telematics Department at the Polytechnic University of Pachuca, Mexico. His scientific interests include Integrated Circuits design, Analog and Digital design, RF and Low Voltage design.

Martin Ortiz Dominguez was born in Naucalpan, Estado de Mexico, in 1979. He received the Licenciatura en Física y Matemáticas, especialidad en Física from Escuela Superior de Física y Matemáticas, Instituto Politécnico Nacional and the Master degree from the same institute, in 2004 and 2007, respectively. He recived his PhD degree in Mechanical Engineering from Escuela Superior de

Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Zacatenco, Instituto Politécnico Nacional in 2012. His scientific interests include materials, mechanical desing, and wear. Since 2012, he is a full professor in the Universidad Politecnica de Pachuca.

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