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Analisis de circuitos para diseño de robots

Overview
Curriculum

Curso práctico–intensivo para dominar los fundamentos de electricidad y electrónica aplicados a robótica. Inicia con Ohm y Kirchhoff, continua con amplificadores operacionales, señales digitales, binario/hexadecimal, transistores y sensores, y culmina con microcontroladores PIC (E/S, ADC, PWM, UART) sobre placa de desarrollo. Cada unidad incluye laboratorio con multímetro/osciloscopio y un proyecto integrador orientado a un robot móvil.

Formato sugerido: 60 h (12 unidades × 5 h)

Unidad 1. Fundamentos de la eléctrica en robótica (6 h)

  • Conceptos clave: voltaje, corriente, potencia y energía en robots. Ley de Ohm y potencia Leyes de Kirchhoff

  • Tipos de robots educativos e industriales: necesidades eléctricas comunes.

  • Mapeo de subsistemas eléctricos en un robot: alimentación, control, potencia, sensores y actuadores.

  • Actividad práctica: diagrama eléctrico de un Rover sencillo.


Unidad 2. Fuentes de alimentación y distribución de energía (8 h)

  • Baterías: Li-Ion, LiPo, NiMH, Pb–ácido. Cálculo de autonomía.

  • Regulación de voltaje: reguladores lineales (LM7805) y conmutados (buck, boost).

  • Distribución segura: fusibles, protecciones, condensadores de desacoplo.

  • Actividad práctica: diseño y montaje de un módulo de alimentación con regulador.

  • Simulación: caída de tensión y consumo en diferentes cargas.


Unidad 3. Interfaces de potencia y actuadores (10 h)

  • Motores DC, servomotores y paso a paso: requerimientos eléctricos.

  • Drivers de motores: L293D, L298N, MOSFETs y relés.

  • Puentes H y control bidireccional de motores.

  • Actividad práctica: análisis de datasheet de un driver y conexión de un motor DC.

  • Prueba de laboratorio: medición de consumo y eficiencia de un actuador.


Unidad 4. Sensores y acondicionamiento de señal (6 h)

  • Sensores más comunes: ultrasónicos, infrarrojos, temperatura, corriente.

  • Acondicionamiento: divisores de voltaje, filtros RC, protección con diodos.

  • Interfaces analógicas y digitales. Amplificadores operacionales (configuraciones)

  • Actividad práctica: conexión de un sensor ultrasónico a un microcontrolador con acondicionamiento eléctrico.


Unidad 5. Etapas de control e integración con microcontroladores (8 h)

  • Microcontroladores en robótica: Arduino, ESP32, Raspberry Pi.

  • Interfaces de control: entradas analógicas/digitales, PWM, comunicación serial.

  • Conexión segura de sensores y actuadores al controlador.

  • Actividad práctica: diseño de la etapa de control de un brazo robótico con servos.


Unidad 6. Mecánica básica para robots (6 h)

              Cinemática básica: principios de movimiento en robots móviles y brazos manipuladores.

    • Ruedas y engranajes: análisis de transmisión de potencia, relaciones de reducción y eficiencia.

    • Torque, velocidad y potencia en motores: cálculo para seleccionar el motor adecuado según la carga y la aplicación.

    • Relación eléctrica–mecánica: cómo los cálculos de voltaje, corriente y potencia influyen directamente en la fuerza, velocidad y autonomía del robot.

    • Geometría y montaje de llantas en rovers marcianos:

      • Configuraciones de tracción (2WD, 4WD, 6WD y 8WD).

      • Tipos de ruedas: convencionales, con labrado, omnidireccionales y de diseño especial para terrenos irregulares.

      • Suspensión rocker-bogie y ventajas en exploración espacial.

      • Adaptación de estas geometrías a rovers educativos y prototipos de bajo costo.

    • Actividad práctica:

      • Cálculo de torque necesario para mover un Rover con diferentes configuraciones de ruedas.

      • Selección de motor y análisis de consumo según el tipo de llanta y terreno (piso liso, grava, arena).

      • Diseño comparativo: Rover 4 ruedas vs. Rover 6 ruedas tipo marciano.


Unidad 7. Integración de un sistema robótico (6 h)

  • Unificación de las etapas: alimentación → potencia → control → mecánica.

  • Identificación de fallos comunes: caídas de tensión, sobrecorrientes, ruido eléctrico.

  • Proyecto final:

    • Opción A: Rover eco-explorador con motores DC y sensores de proximidad.

    • Opción B: Brazo robótico con servos básicos.

  • El estudiante entrega un reporte eléctrico-mecánico con diagramas, cálculos de consumo y análisis de funcionamiento.

Evaluación y productos

  • Prácticas de laboratorio (40%)

  • Quizzes cortos (10%)

  • Proyecto integrador documentado (50%): esquema, cálculos (Ohm/Kirchhoff), elección de op-amp, driver de motor, lectura de sensor, código PIC, video demo.

Requisitos y kit

Multímetro y (si es posible) osciloscopio; fuentes 5–12 V; resistencias/capacitores; op-amps (LM358/LM324), BJT/MOSFET (2N2222, IRLZ44N), diodos (1N4148, 1N5819), L298N o puente H, motores/servo; sensores (LDR, NTC, HC-SR04, DHT11/22, BMP280); PIC16F887/16F877A con PICkit o placa Curiosity; MPLAB X + XC8. (Alternativa: Arduino para equivalencias si no hay PIC).

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