UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Diseño y construcción de un

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECAATO DE ESTUDIOS PROFESIOALES
COORDIACIÓ DE IGEIERÍA MECÁICA
Diseño y construcción de un prototipo de robot cuadrúpedo
Por:
María Victoria Bastardo Salazar
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Mecánica
Sartenejas, Abril de 2009
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECAATO DE ESTUDIOS PROFESIOALES
COORDIACIÓ DE IGEIERÍA MECÁICA
Diseño y construcción de un prototipo de robot cuadrúpedo
Por:
María Victoria Bastardo Salazar
Realizado con la asesoría de:
Prof. Andrés Clavijo
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Abril de 2009
iii
UIVERSIDAD SIMÓ BOLÍVAR
DECAATO DE ESTUDIOS PROFESIOALES
COORDIACIÓ DE IGEIERÍA MECÁICA
Diseño y construcción de un prototipo de robot cuadrúpedo
PROYECTO DE GRADO presentado por:
María Victoria Bastardo Salazar
REALIZADO CO LA ASESORÍA DE: Prof. Andrés Clavijo
RESUME
En este proyecto se presenta la descripción detallada del proceso de diseño y
construcción de un prototipo de máquina caminante de cuatro extremidades, destinado a
la investigación del equipo de Mecatrónica de la Universidad Simón Bolívar. Se
analizan distintos prototipos existentes, donde no sólo se incluyen robots cuadrúpedos,
para poder establecer las ventajas y desventajas de la configuración seleccionada. Esto
incluye una investigación de los patrones de movimiento de distintos seres vivos, tales
como mamíferos, insectos y reptiles, donde se seleccionó una combinación de los dos
últimos
grupos
para
obtener una mayor
eficiencia en el
desplazamiento,
desencadenando un estudio cinemático del prototipo, que se realizó una vez
determinado el diseño final del mismo. Seguidamente, se presentan las distintas
propuestas de diseño, tanto conceptual como en detalle, de las cuales se eligió la opción
más ventajosa. A partir de esto, se realizó el proceso de construcción, donde se
consideraron los procesos de fabricación más sencillos, y las condiciones de mínimo
costo, para obtener el prototipo idóneo. Este trabajo constituye un avance en el campo
de la mecatrónica, y permitirá desarrollar y crear nuevas opciones para el estudio de las
máquinas caminantes.
Palabras claves: cuadrúpedo, máquina caminante, cinemática, estabilidad.
Aprobado con Mención ____
Postulado para el premio ____
Sartenejas, Abril 2009
iv
AGRADECIMIETOS
A Dios, mi Señor, por darme la vida y todas las oportunidades que he tenido en
la misma, acompañándome en mi camino día a día.
A mis padres, quienes han dedicado su vida a mis hermanas y a mí, por todo lo
que sacrifican por mi cada día de mi vida. Espero que puedan sentirse orgullosos de mí.
A Juancho, mi hermano, por haberme apoyado y ayudado en todo mi proyecto, y
sacrificando sus bienes por mi; gracias por ser parte de este logro.
Al Sr. Manuel Pereira, quien fue uno de mis mejores colaboradores y
patrocinantes, por su apoyo incondicional.
A Ricardo, por ser parte fundamental de mi proyecto, no sólo como apoyo, sino
como el máximo colaborador, en todo el proyecto y en toda hora, y en toda mi carrera.
Al profesor Andrés Clavijo, por confiar en mi y ofrecerme este proyecto, en el
aprendí mucho más de lo que pude en casi la totalidad de mi carrera.
A los profesores José Cappelletto y Raúl Acuña del equipo de Mecatrónica, por
tomarse parte de su tiempo para aclararme dudas.
Al profesor Gustavo Rodríguez por tener toda la paciencia del mundo para
atender mis inquietudes.
Al profesor Marcos Salazar Delfino, por enseñarme las infinitas posibilidades
existentes para combinar el arte con la ingeniería y obtener grandes creaciones.
A mis hermanas, Ale y Ceci, quienes siempre están a mi lado, apoyándome y
animándome, y de una u otra manera han sido colaboradoras en esta investigación.
A mis amigas Mameitas, Vane, Rach, Ana Kats y Mary, que han estado conmigo
siempre, no sólo en este proyecto, en toda mi carrera.
A mis amigos, Marce, Bimbo, Peter, Guillermo, Blanca, Bola, Raúl Ángel, July,
y miles más, quienes de una u otra manera fueron parte de todo este proyecto, y fueron
apoyo incondicional para mi en todo momento.
v
ÍDICE GEERAL
ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS ............................................................................... vi
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 9
1.1 OBJETIVOS ......................................................................................................... 12
MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 13
2.1 Reseña histórica de las máquinas caminantes .................................................... 13
2.2 Características de la robótica .............................................................................. 16
2.3 Prototipos cuadrúpedos existentes ...................................................................... 17
2.4 Cinemática del robot........................................................................................... 23
2.4.1 Método inverso: Denavit y Hartenberg ....................................................... 23
2.4.2 Método directo: dinámica del cuerpo rígido................................................ 24
METODOLOGÍA DE DISEÑO ..................................................................................... 29
3.1 Diseño Conceptual .............................................................................................. 30
3.2 Diseño Básico ..................................................................................................... 30
3.3 Propuestas de diseño........................................................................................... 32
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ......................................................................... 49
4.1. Construcción de la carcasa protectora del Link 2 .............................................. 49
4.2. Construcción de la lámina principal del cuerpo del robot ................................. 57
ESTUDIO CINEMÁTICO Y DINÁMICO DEL PROTOTIPO .................................... 73
5.1 Selección del método de estudio ......................................................................... 73
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................. 79
6.1 Conclusiones......................................................................................................... 79
6.2 Recomendaciones ............................................................................................... 80
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 82
APÉNDICES .................................................................................................................. 83
Planos de taller de las piezas del prototipo ................................................................. 84
Ejemplo de hoja de cálculos de Math Cad ............................................................... 105
vi
ÍDICE DE TABLAS Y FIGURAS
ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS ............................................................................... vi
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 9
Figura 1.1 (a). LAGR, robot de ruedas. ...................................................................... 10
Figura 1.1 (b). Hibiscus, robot tipo oruga. ................................................................. 10
MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 13
Figura 2.1 (a). TITAN-III, Instituto de Tecnología de Tokyo. ................................... 15
Figura 2.1 (b). SILO-6, CSIC de Madrid. .................................................................. 15
Figura 2.2. Robot LAVA, desarrollado en Robotics Research Centre, NTU, Singapur.
.................................................................................................................................... 18
Figura 2.3. Diseño de Tekken, Robot Cuadrúpedo de Kimura, Fukuoka y Cohen. ... 20
Figura 2.4. Robot cuadrúpedo TITAN VIII, de Keisuke Ariwaka y Shigeo Hirose. . 21
Figura 2.5. WRAP1, prototipo cuadrúpedo de Christian Ridderström ...................... 22
METODOLOGÍA DE DISEÑO ..................................................................................... 29
Figura 3.1. Diseño básico de un prototipo cuadrúpedo. ............................................. 30
Figura 3.2. Primera propuesta de diseño. ................................................................... 32
Figura 3.3. Detalle del tobillo de la primera propuesta. ............................................. 33
Figura 3.4. Ubicación del centro de masa del primer diseño del prototipo. ............... 34
Figura 3.5 (a). Representación gráfica del insecto palito. .......................................... 35
Figura 3.6 (a). Imagen de una lagartija indicando las partes de sus patas. ................. 37
Figura 3.6 (b). Representación del movimiento de una lagartija................................ 37
Figura 3.7. Segunda propuesta de diseño del cuadrúpedo. ......................................... 38
Figura 3.8. Detalle de configuración del eslabón 2. ................................................... 39
Figura 3.9. Nuevo sistema de soporte del eje de transmisión..................................... 40
Figura 3.10 (a). Soporte del actuador del eslabón 2. .................................................. 41
Figura 3.10 (b). Nueva propuesta del acople del actuador del eslabón 2. .................. 41
Figura 3.11 (a). Vista lateral del eslabón 3, acoplado con el eslabón 4. .................... 42
vii
Figura 3.11 (b). Vista frontal del eslabón 3, donde se observan las láminas del mismo.
.................................................................................................................................... 42
Figura 3.12 (a). Vista frontal del eslabón 3. ............................................................... 43
Figura 3.12 (b). Vista lateral del eslabón 3. ............................................................... 43
Figura 3.13 (a). Lámina de acople de actuador. ......................................................... 43
Figura 3.13 (b). Lámina lateral del eslabón 3. ............................................................ 43
Figura 3.13 (c). Pieza de acople de láminas laterales. ................................................ 43
Figura 3.14. Ensamblaje del eslabón 3. ...................................................................... 44
Figura 3.15 (a). Vista lateral de lámina del eslabón 4. ............................................... 45
Figura 3.16. Lámina circular del tobillo del robot...................................................... 46
Figura 3.17 (a). Pasador del tobillo. ........................................................................... 46
Figura 3.17 (b). Estructura circular del tobillo. .......................................................... 46
Figura 3.18 (a). Ensamblaje de tobillo para la segunda propuesta de diseño. ............ 47
Figura 3.18 (b). Ensamblaje definitivo del tobillo, propuesta final. ........................... 47
Figura 3.19. Diseño final del prototipo cuadrúpedo. .................................................. 48
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ......................................................................... 49
Figura 4.1 (a). Vista posterior de la carcasa. .............................................................. 49
Figura 4.1 (b). Vista superior de la carcasa. ............................................................... 49
Figura 4.2. Elaboración del molde de poliuretano...................................................... 53
Figura 4.3 (a). Molde cubierto de capa de jabón azul con cera. ................................. 54
Figura 4.3 (b). Molde cubierto con arcilla. ................................................................. 54
Figura 4.4 (a). Molde con cabillas para reforzar el yeso. ........................................... 54
Figura 4.4 (b). Molde de yeso terminado. .................................................................. 54
Figura 4.5 (a). Concavidad obtenida en el molde. ...................................................... 55
Figura 4.5 (b). Proceso de elaboración de la semiesfera con resina y fibra de vidrio. 55
Figura 4.6. Carcasa protectora del eslabón 2 ya construida. ...................................... 57
Figura 4.7. Medidas de la lámina elíptica. .................................................................. 57
viii
Figura 4.8 (a). Lámina elíptica obtenida. ................................................................... 58
Figura 4.8 (b). Tronzadora. ......................................................................................... 58
Figura 4.9 (a). Aro del tobillo. .................................................................................... 59
Figura 4.9 (b). Aro del tobillo ya elaborado. .............................................................. 59
Figura 4.10 (a). Orejas en el ensamblaje del tobillo. .................................................. 60
Figura 4.10 (b). Imagen individual de la oreja del tobillo. ......................................... 60
Figura 4.11 (a). Lámina de acople con eslabón 3. ...................................................... 62
Figura 4.12 (a). Pieza obtenida después de la unión. ................................................. 62
Figura 4.12 (b). Pieza obtenida luego del mecanizado. .............................................. 62
Figura 4.13. Soportes del eje del eslabón 2. ............................................................... 63
Figura 4.14. Ensamblaje del eslabón 1. ...................................................................... 65
Figura 4.15 (a). Diseño de lámina para construir el aro circular. ............................... 65
Figura 4.15 (b). Imagen del aro circular ya construido. ............................................. 65
Figura 4.16. Lámina lateral del eslabón 3. ................................................................. 66
Figura 4.17 (a). Lámina del eslabón 4 en el proceso de diseño. ................................. 67
Figura 4.17 (b). Lámina obtenida en el proceso de construcción. .............................. 67
Figura 4.18. Ejes de rotación del tobillo y rodilla del prototipo................................. 68
Figura 4.19. Bocina de la rodilla. ............................................................................... 69
Figura 4.20. Pieza de acople de actuadores. ............................................................... 70
Tabla 4.21. Lista de materiales utilizados con sus costos. ......................................... 72
ESTUDIO CINEMÁTICO Y DINÁMICO DEL PROTOTIPO .................................... 73
Tabla 5.1. Promedio de velocidades de prototipos existentes. ................................... 75
Tabla 5.2. Selección de motores para los links del prototipo ..................................... 78
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................. 79
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 82
APÉNDICES .................................................................................................................. 83
9
CAPÍTULO 1
ITRODUCCIÓ
Durante años, el ser humano se ha dedicado a la investigación y desarrollo de
nuevas tecnologías, empleando para ello, todas las herramientas posibles. Una de estas
herramientas consiste en la invención, que siguiendo una metodología de diseño y
mezclando la inteligencia con el ingenio y la creatividad, resuelven problemas de toda
índole, especialmente cuando se trata de cubrir necesidades.
Esta búsqueda de nuevas tecnologías ha desarrollado una nueva ciencia, que ha
evolucionado a través del tiempo, y que hoy contribuye significativamente a grandes
avances de la ingeniería. Se trata de La Robótica, ciencia aplicada que comprende el
estudio electrónico de sistemas de señales, que se utilizan para manejar operaciones de
ingeniería de control, siguiendo una metodología específica y programada. Sus
aplicaciones son infinitas, y cada día se descubren nuevos campos donde puede ser
aprovechada la robótica.
Una de las aplicaciones particulares de la robótica, son las comúnmente
llamadas Máquinas Caminantes. Éstas son entidades conformadas por un cuerpo y
extremidades, que funcionan como “piernas” del robot, aportando una considerable
movilidad al prototipo, especialmente en terrenos irregulares. Dichos prototipos nacen
de la necesidad de disponer de vehículos capaces de acceder y de desplazarse de forma
estable sobre terrenos irregulares, donde los robots tradicionales, como los de ruedas o
las orugas no pueden acceder fácilmente, lo que disminuye su eficiencia. Ésta, entre
otras, representa una gran ventaja de las máquinas caminantes con respecto a los
prototipos tradicionales, la gran movilidad que son capaces de aportar mediante el
movimiento de sus patas, resultando en apoyos discretos sobre el terreno, permitiendo
una gran coordinación de movimientos para identificar y evitar las dificultades que
puedan presentarse en las superficies de estudio. Las figura 1.1 (a) muestra la imagen de
LAGR, un robot de cuatro ruedas desarrollado en la Universidad de Nueva York,
mientras que en la imagen 1.1 (b) se observa a Hibiscus, un robot tipo oruga
desarrollado en el Instituto de Tecnología de Chiba en Japón.
10
Figura 1.1 (a). LAGR, robot de ruedas.
Figura 1.1 (b). Hibiscus, robot tipo oruga.
Por otra parte, este tipo de máquinas son accionadas por motores o actuadores,
que son controlados por un sistema central electrónico, lo que requiere de muy poca
intervención humana para su funcionamiento, puesto que las mismas funcionan de
manera autónoma.
La particularidad de las máquinas caminantes radica en que su diseño está
basado en la morfología de seres vivos, generalmente insectos, por su simplicidad y por
la capacidad que tienen los mismos de reproducir patrones idénticos en cada
movimiento que realizan. Sin embargo, los mamíferos pequeños también sirven de
modelo para diseñar máquinas caminantes, puesto que su dinámica y cinemática son
sencillas de estudiar, comparados con mamíferos de gran tamaño, e incluso con los
seres humanos, cuya complicidad de movimientos dificulta el estudio.
Los
diseñadores
de
las
máquinas
caminantes
deben
tomar
ciertas
consideraciones que van a influir en las características técnicas de estos sistemas. Entre
las más importantes, se encuentran: diseño de la estructura mecánica y la elección de la
configuración de las patas del robot, es decir, la cantidad de las mismas, su estructura
cinemática y el diseño de las uniones; la selección de los materiales de construcción, las
especificaciones de los mecanismos de acción y manejo del sistema, la selección de los
motores a utilizar, el diseño de la colocación de motor y la evaluación de consumo de
energía en relación con el peso de la máquina, condiciones de movimiento (suave,
rugoso, inclinado, etc.). Por otra parte, también se debe considerar el diseño del sistema
de control del robot, el Hardware y la arquitectura del Software del sistema de control,
11
distribución de los cables y sensores que influencian las condiciones de estabilidad y
movimiento de la máquina, etc.
Es por ello que, motivados por el acelerado desarrollo a nivel mundial de la
robótica, y debido a las innumerables aplicaciones que ésta puede tener, y la
implicación que representa en la evolución de la ciencia, el equipo de mecatrónica de la
Universidad Simón Bolívar inició sus estudios tanto teóricos como experimentales en el
área de las máquinas caminantes, encontrándose con la necesidad de tener diferentes
tipos de robots para realizar actividades de investigación. Debido al alto costo que
representa la adquisición de este tipo de máquinas, se consideró la posibilidad de
desarrollar y fabricar un prototipo dentro de la universidad, lo que, además de
economizar en costos, permitiría un enlace entre los equipos electrónico y mecánico de
nuestra casa de estudios, que conllevaría al desarrollo de nuevos proyectos en el campo
de la mecatrónica.
En este trabajo se desarrollará la metodología necesaria para el diseño y
construcción de un robot cuadrúpedo, una máquina caminante compuesta por cuatro
extremidades, cada una con movimientos independientes, que dispondrá posteriormente
de un sistema de control capaz de manejar, desarrollar y modelar la dinámica de este
prototipo.
Para llevar a cabo este trabajo, primero se realizará una revisión bibliográfica de
la historia de las máquinas caminantes, la evolución de las mismas y las propuestas más
significativas obtenidas por otros grupos de investigación, tomando en cuenta tanto el
enfoque electrónico como el mecánico, especialmente este último. Posteriormente se
realizará el estudio cinemático y dinámico del cuadrúpedo, a partir del diseño
seleccionado; posteriormente se realizará el diseño detallado del robot que permitirá la
culminación del proyecto en el proceso de construcción.
12
1.1 OBJETIVOS
Objetivo General
Diseñar y fabricar un prototipo de robot caminante de cuatro extremidades,
destinado para la investigación en el grupo de mecatrónica.
Objetivos Específicos
•
Realizar un estudio de las capacidades mecánicas que tendrá el cuadrúpedo.
•
Realizar un estudio cinemático y dinámico del robot.
•
Realizar una búsqueda en el estado del arte de los robots caminantes.
•
Plantear diferentes prototipos de diseño del robot caminante.
•
Seleccionar la alternativa más viable o factible.
•
Hacer un diseño de detalle de la alternativa seleccionada, utilizando un software
3D comercial.
•
Elaboración de los planos de taller y lista de materiales del prototipo.
•
Cotización y adquisición de los materiales.
•
Fabricación de las diferentes piezas que conforman el robot caminante prototipo.
13
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 Reseña histórica de las máquinas caminantes
Una máquina caminante es un vehículo que se mueve por medio de piernas o
patas en lugar de ruedas. Las mismas pueden variar en el número de sus extremidades,
que van de una a más de ocho patas. Se clasifican según el número de piernas, donde
por ejemplo, aquellos robots con dos patas son denominados bípedos, con cuatro patas
son llamados cuadrúpedos y con seis patas son conocidos como hexápodos.
Estos prototipos de la robótica presentan ciertas ventajas en comparación con
otras configuraciones desarrolladas, por ejemplo, los robots de ruedas. Una de ellas es
su omnidireccionalidad, es decir, la capacidad que poseen para moverse en cualquier
dirección, independientemente de la orientación del cuerpo, a diferencia de los rodantes,
para los que su eje longitudinal debe estar orientado en la dirección y sentido del
movimiento para poder realizar un desplazamiento efectivo. Esta característica de las
caminantes viene dada por los grados de libertad extras que aportan las extremidades,
que no se tienen en otras configuraciones, lo que permite no sólo versatilidad al
movimiento, sino la capacidad de adaptar distintos tipos de caminar, independencia de
cada extremidad, entre otras.
La idea de reproducir robots con extremidades surgió de las necesidades de
adaptabilidad a distintos tipos de terreno, que no se lograba con los robots de ruedas e
incluso los de oruga. Después de largas investigaciones, los científicos concluyeron que
mientras más parecido fueran los prototipos a seres vivos, mayores probabilidades de
adaptabilidad de superficies tendrían. Así pues se iniciaron estudios exhaustivos a
distintos tipos de animales en cuanto a su forma de caminar, entre ellos mamíferos, tales
como perros, felinos, ratas, conejos, reptiles, especialmente las pequeñas lagartijas, y
una gran variedad de insectos, siendo estos últimos los preferidos para experimentos.
14
La ciencia ha utilizado a los insectos para numerosas investigaciones. Uno de
estos estudios ha sido el análisis del movimiento de estos seres vivos, sus patrones y
secuencias al caminar, de todas las extremidades en conjunto, o de cada una en
particular. Se ha escogido estudiar a los mismos por diversas razones, entre ellas,
porque es fácil de mantenerlos, se reproducen rápidamente y se pueden manipular de
manera práctica. Además, se pueden realizar prácticas con los insectos, que son
consideradas ilegales en otros animales, como la amputación de articulaciones,
sustitución de nervios por electrodos y otras simulaciones artificiales. Por otra parte, el
estudio de distintos animales, entre ellos mamíferos tales como perros, gatos, conejos,
entre otros, dificulta el trabajo de laboratorio, primero porque sus dimensiones son
considerablemente mayores a los insectos, su alimentación es más compleja, y su
intervención en investigaciones científicas está prohibida por distintas sociedades
protectoras de animales a nivel mundial, Lo mismo sucede con distintos tipos de
reptiles, tales como iguanas, lagartos, cocodrilos, etc., que además de ser inapropiado su
estudio experimental, muchos de estos ejemplares se encuentran en peligro de extinción,
por lo tanto, la preservación de los mismos es imprescindible para la ciencia, por
encima de cualquier otra investigación.
Debido a estas ventajas que representa el manejo de insectos en laboratorios,
entre otras aplicaciones, se han utilizado estos animales para el desarrollo de la robótica.
La razón de esto es que es más práctico simular matemáticamente a los insectos, en
comparación con otros seres vivos más complejos.
Sin embargo, al principio de las aplicaciones de estos estudios, a pesar de poder
reproducir modelos matemáticos con facilidad, al momento de construir los robots bajo
estas secuencias, se hacía imposible hacerlos funcionar, porque el requerimiento de
energía era excesivo, y no se conseguía la manera de reducirlo. Posteriormente se
continuaron los estudios para la solución de estos problemas, y con la ayuda de
herramientas tan útiles y fundamentales para la robótica como La Computación, aparte
de un mayor interés por parte de los científicos sobre esta rama de la electrónica, que
conllevó a un aumento en el grupo de investigadores del tema, se comenzó a observar
un avance significativo para el proyecto. Esto se originó en la década de los ochenta,
donde se dio el desarrollo del estudio de las redes neurales de los seres vivos.
15
A partir de esto, diferentes grupos de investigadores en diversos países del
mundo desarrollaron los estudios y propuestas al desarrollo de los robots. Los
japoneses, por su parte desarrollaron algoritmos matemáticos muy completos, pero un
tanto complicados, lo que dificultaba la puesta en práctica del mismo. Propusieron
distintos modelos, algunos de ellos con ruedas y otros con patas, todos en su mayoría
capaces de subir escaleras.
Otros países también desarrollaron modelos de máquinas caminantes,
especialmente países europeos, como Alemania, Francia, Inglaterra y España, entre
otros. La diferencia entre las técnicas japonesas y las europeas radicaba en la manera de
resolver los problemas, tomando métodos científicos o prácticos. Mientras la filosofía
aplicada en Japón consistía en análisis matemáticos exhaustivos y meticulosos, en
Europa se estudiaba la robótica aplicando teorías físicas, que están directamente
relacionadas con la lógica, y la matemática constituía una herramienta en el método
científico aplicado. Sin embargo, ambas tendencias obtuvieron resultados satisfactorios,
que se evidenciaron en los prototipos desarrollados. La figura 2.1 (a) muestra el TITAN
III, robot cuadrúpedo diseñado en el año 2003, en el Instituto de Tecnología de Tokyo,
mientras en la figura 2.1 (b) se puede observar al SILO 6, hexápodo desarrollado por el
Instituto de Automática Industrial, CSIC de Madrid.
Figura 2.1 (a). TITA-III, Instituto de
Figura 2.1 (b). SILO-6, CSIC de Madrid.
Tecnología de Tokyo.
Después de muchos estudios y pruebas por cada uno de los grupos de
investigadores del mundo, se estableció que el progreso de los proyectos de las
máquinas caminantes dependía del método de estudio, siendo más efectivo el “método
práctico”, es decir, el procedimiento ingenieril para resolver problemas, “un punto de
16
vista donde lo único que importa es que se obtenga un resultado útil, sin importar si se
aplicó buena ciencia” (Brooks).
El desarrollo de la tecnología y la computación favoreció enormemente el
estudio de la robótica, puesto que son herramientas básicas para las simulaciones de
ideas y propuestas de los grupos de investigación. De hecho, el impulso de la robótica y
los adelantos que se han podido obtener en las últimas décadas se deben al creciente
avance de la computación; cuando se prescindía de ésta, los proyectos de las máquinas
caminantes y otros más se quedaban congelados por tiempo indefinido. Estos trabajos
son investigaciones en conjunto, se necesita de diversas ramas de la ingeniería para
manejar y llevar a cabo un proyecto de este tipo. Sin embargo, la herramienta más
importante y necesaria, desde el principio de cualquier proyecto, es la invención y la
capacidad de poner en práctica las ideas que, por más inverosímiles que puedan parecer,
podrían ser la clave para la resolución de un problema.
2.2 Características de la robótica
Como parte de la evolución de la electrónica, se ha observado durante los
últimos años el avance y desarrollo en el campo de los robots con inteligencia
alámbrica. Las acciones de este tipo de robots son generalmente llevadas a cabo por
motores o actuadores que mueven extremidades o impulsan al robot. Asimismo, el
término robot ha sido utilizado como un término general que define a una máquina
mecánica o autómata, que imita a un animal, ya sea real o imaginario, pero se ha venido
aplicando a muchas máquinas que reemplazan directamente a un humano o animal en el
trabajo o el juego. Esta definición podría implicar que un robot es una forma de
biomimetismo, es decir, una aplicación directa de la ciencia que estudia las mejores
ideas de la naturaleza, imitando sus diseños y procesos para resolver problemas
humanos.
Los robots exhiben tres elementos claves según la definición adoptada:
•
Programabilidad, lo que significa disponer de capacidades computacionales y de
manipulación de símbolos (el robot es un computador).
17
•
Capacidad mecánica, que lo capacita para realizar acciones en su entorno y no
ser un mero procesador de datos (el robot es una máquina).
•
Flexibilidad, puesto que el robot puede operar según un amplio rango de
programas y manipular material de formas distintas.
Con todo, se puede considerar un robot como una máquina complementada con un
computador o como un computador con dispositivos de entrada y salida sofisticados.
La idea más ampliamente aceptada de robot está asociada a la existencia de un
dispositivo de control digital que, mediante la ejecución de un programa almacenado en
memoria, va dirigiendo los movimientos de un brazo o sistema mecánico. El cambio de
tarea a realizar se verifica ordenando el cambio de programa.
2.3 Prototipos cuadrúpedos existentes
Existen
innumerables
prototipos
de
máquinas
caminantes
de
cuatro
extremidades desarrollados por diversos grupos de investigación a nivel mundial. A
continuación se mostrarán los cuadrúpedos que fueron considerados más relevantes en
el proceso de revisión bibliográfica de este proyecto.
En el año 2002, el grupo de investigación del Robotics Research Centre, NTU de
Singapur, conformado por T. Zieliska y John Heng, diseñaron un robot conocido como
LAVA, basándose en los movimientos de distintos animales cuadrúpedos, incluyendo
insectos, reptiles y mamíferos. La particularidad de este robot es que es multifuncional,
es decir, de acuerdo a la programación del sistema de control que se le aplique, puede
adoptar el caminar de un reptil, o de un mamífero y de distintos tipos de insectos,
pudiendo incluso levantar y sostener objetos.
Su diseño consiste en un modelo de robot que esta constituido por cuatro patas o
extremidades, una base, donde se acoplan estos miembros y donde se coloca el sistema
de control. Cada extremidad tiene tres servomotores, dos en lo que correspondería a la
cadera del robot, y el último en la rodilla. Uno de los motores de la cadera realiza el
movimiento de rotación de la pata y el otro realiza el levantamiento de la misma. El
tercer motor permite la rotación de la parte inferior de la pata del robot, con un rango de
casi 360° de movimiento.
18
Una de las características del LAVA es que tiene la particularidad de girar todo
el cuerpo, de recuperarse de una volcada en caso de que se encuentre con obstáculos que
puedan hacerlo perder el equilibrio, tiene la capacidad de recuperarse de una caída y
volver a su posición de equilibrio.
Los movimientos de este robot son controlados con un diferencial de carga, que
proporciona una condición de ‘autobloqueo’ de carga. Esto es útil puesto que para este
prototipo, se observó en las prácticas que el mayor requerimiento de torque se
necesitaba para manejar el peso del mismo, pero con un ’autobloqueo’ de carga se
puede utilizar este requerimiento de torque para compensar requerimientos energéticos
en cuanto a la movilidad del robot. Esto, para la mayoría de los prototipos anteriores
diseñados por este equipo representaba problemas de eficiencia, es decir, el robot
disminuía el rendimiento al utilizarse este diferencial, sin embargo, se observaron
valores de eficiencia favorables para el LAVA, cercanos al 100%.
El diseño mecánico de este robot es práctico y sencillo pero altamente eficiente,
sin embargo, estéticamente podría mejorarse, sin comprometer el adecuado
funcionamiento del prototipo.
A continuación se presenta una imagen del robot LAVA, donde se puede
apreciar gráficamente la conceptualización del diseño de este equipo de investigación de
Singapur.
Figura 2.2. Robot LAVA, desarrollado en Robotics Research Centre, TU, Singapur.
19
En el año 2006, Hiroshi Kimura, Yasuhiro Fukuoka y Avis Cohen, realizaron
trabajos sobre los movimientos de los robots cuadrúpedos basados en los movimientos
de animales pequeños. El sistema de control asociado a este prototipo establece un
límite de la velocidad del caminar del mismo, puesto que la importancia radica en la
estabilidad del robot en superficies rugosas. Diseñaron un sistema mecánico y otro
neural para repetir los patrones biológicos estudiados con mayor exactitud.
El sistema neural consiste en un CPG (en inglés, Central Pattern Generator), un
generador central de patrones, que permite reproducir los movimientos del robot a
semejanza de los animales analizados por este grupo de estudio, mostrando incluso
como respuesta movimientos reflejos.
Estudiando la generación de movimientos del robot cuadrúpedo de este grupo de
investigación, se observa que el sistema neural tiene una dinámica independiente del
sistema mecánico. Ambos métodos se acoplan durante la acción del robot, adaptándose
e interactuando al mismo tiempo con el medio ambiente, haciéndose ajustes constantes
dependiendo de las condiciones que puedan presentarse en el terreno o superficie sobre
la que se desplaza el cuadrúpedo. Usualmente las mayores dificultades se presentan
cuando se realizan estudios del movimiento del robot sobre superficies irregulares,
debido, probablemente, a las limitaciones mecánicas del prototipo.
Si bien el sistema de control de este cuadrúpedo es altamente desarrollado, se ve
limitado porque el mismo tiene sólo grados de libertad actuados, que permiten dos
rotaciones de la extremidad en el mismo plano, cuando debería haber al menos uno o
más en un plano perpendicular a éste, y al menos un grado de libertad no actuado en lo
que correspondería al tobillo de la pata del robot. Tomar en cuenta estas consideraciones
mecánicas permitiría obtener un mejor aprovechamiento del sistema de control
desarrollado por Kimura, Fukuoka y Cohen y conseguirían una mejor interacción entre
el sistema electrónico y el sistema mecánico del prototipo.
La figura 2.3 visualiza el diseño de Tekken, Robot cuadrúpedo propuesto por
este grupo de investigación.
20
Figura 2.3. Diseño de Tekken, Robot Cuadrúpedo de Kimura, Fukuoka y Cohen.
Igualmente en el 2006, Keisuke Ariwaka y Shigeo Hirose, del Instituto de
Tecnología de Tokyo, publicaron sus estudios realizados a distintos cuadrúpedos,
enfocándose en el diseño mecánico de los mismos.
En su modelo TITAN VIII, estos científicos desarrollan su propuesta, basada en
la simplicidad del sistema del control de los robots, explicando que mientras más
actuadores se incluyan en cada extremidad de cada robot, más complicado se vuelve su
movimiento, además se complica el diseño mecánico pues se vuelven imprácticos, les
cuesta cargar su propio peso y consumen altos niveles de energía.
Ariwaka e Hirose proponen su teoría del GDA (siglas en inglés, Gravitationally
Decoupled Actuation), desacople gravitacional de actuación, en donde exponen que este
desacople favorece el ahorro de energía del robot, puesto que se aprovecha el campo
gravitacional para mantener ciertas posiciones de equilibrio del prototipo sin tener que
utilizar la potencia de los actuadores. Esto mejora la eficiencia de la máquina y alarga
la vida de los motores actuadores.
Para el TITAN VIII, se utilizaron tres actuadores por cada pierna del robot, dos
de ellos ubicados en lo que corresponde al cuerpo del robot y sólo uno en la pierna del
mismo. Esta configuración permite que las extremidades sean lo más livianas posibles,
comparadas con el peso del cuerpo del prototipo, por lo tanto el consumo energético
para levantarlas es menor.
21
Esta configuración arrojó muy buenos resultados a este equipo de trabajo, por lo
que se consideró adoptar una configuración similar, donde los actuadores estén ubicados
en su mayoría en el cuerpo del robot. Sin embargo, como punto a mejorar para el
TITAN VIII es el peso total del mismo, que supera los 80 Kg. La figura 2.4 muestra una
imagen de este prototipo, desarrollado por Ariwaka y Hirose. Ambos científicos han
dedicado gran parte de sus investigaciones al estudio de las máquinas caminantes,
desarrollando cierta cantidad de proyectos, de ahí la numeración presente en los
nombres de los robots, puesto que hasta ahora se han desarrollado más de ocho modelos
de TITAN, siendo en su gran mayoría, ejemplares cuadrúpedos.
Figura 2.4. Robot cuadrúpedo TITA VIII, de Keisuke Ariwaka y Shigeo Hirose.
Igualmente en el año 2006, Christian Ridderström culmina su tesis doctoral en la
Universidad de Estocolmo, Suecia, titulada “Locomoción de patas: Equilibrio, control y
herramientas. De la ecuación a la acción”. En este trabajo, Ridderström realiza un
estudio del comportamiento de 6 máquinas caminantes, y a partir de ello, diseña y
construye WRAP1, un robot cuadrúpedo que cumple con las especificaciones
requeridas.
WRAP1 fue construido con la capacidad de caminar en terrenos rugosos, por lo
tanto es indispensable mantener el balance del prototipo y el control del mismo. Realizó
estudios en cuanto a la mecánica, la electrónica y el sistema de control del robot,
además del análisis matemático desarrollado para explicar la dinámica del mismo.
22
Su enfoque principal fue el desarrollo de las ecuaciones matemáticas que
gobiernan el movimiento del robot, puesto que esto es la base del sistema de control y el
diseño mecánico del prototipo.
El sistema de control de WRAP1 es complejo, controla no sólo los movimientos
del robot, sino la velocidad a la que se mueve el mismo y los sensores que están
ubicados en lo que corresponde al pie del prototipo, que percibe la distancia a la que se
encuentra del suelo cada extremidad para evitar altos impactos a la máquina.
El sistema mecánico consiste en un diseño de robot de cuatro extremidades, cada
una de ellas con tres grados de libertad actuados, y posee un sistema de transmisión de
potencia hacia cada link de las piernas del robot. Consta de una configuración de poleas
y correas, lo que no sólo es poco práctico, considerando la vida útil de una correa, sino
que ocupan espacio que podría ser aprovechado. La sugerencia en este caso sería
considerar una configuración de transmisión de potencia por medio de engranajes.
En la figura 2.5 se puede apreciar la configuración final del prototipo culminado
de Ridderström, el WRAP1.
Figura 2.5. WRAP1, prototipo cuadrúpedo de Christian Ridderström
23
2.4 Cinemática del robot
Los robots, por pertenecer al grupo de máquinas en general, específicamente a la
sección de las caminantes, se caracterizan por ser sistemas dinámicos, es decir, aquellos
que pueden variar su estado físico o su estado de movimiento en un período de tiempo
determinado. Es por esto que es necesario hacer un estudio dinámico y cinemático a la
configuración de cada robot, tal que permita conocer las capacidades y limitaciones del
mismo, además de plantear las ecuaciones que gobiernan el movimiento del sistema.
La cinemática del robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un
sistema de referencia. Así, la cinemática se interesa por la descripción analítica del
movimiento espacial del robot como una función del tiempo, y en particular por las
relaciones entre la posición y la orientación del extremo final del robot con los valores
que toman sus coordenadas articulares. Existen dos problemas fundamentales para
resolver la cinemática del robot, el primero de ellos se conoce como el problema
cinemático directo, que consiste en determinar cuál es la posición y orientación del
extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como
referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de
los elementos del robot; el segundo es el denominado problema cinemático inverso, que
consiste en resolver la configuración que debe adoptar el robot para una posición y
orientación del extremo conocidas.
2.4.1 Método inverso: Denavit y Hartenberg
Denavit y Hartenberg propusieron un método sistemático para descubrir y
representar la geometría espacial de los elementos de una cadena cinemática, y en
particular de un robot, con respecto a un sistema de referencia fijo. Este método utiliza
una matriz de transformación homogénea para descubrir la relación espacial entre dos
elementos rígidos adyacentes, reduciéndose el problema cinemático directo a encontrar
una matriz de transformación homogénea 4 X 4 que relacione la localización espacial
del robot con respecto al sistema de coordenadas de su base. De igual modo, la
cinemática del robot busca encontrar las relaciones entre las velocidades del
movimiento de las articulaciones y las del extremo. Esta relación viene dada por el
modelo diferencial expresado mediante la matriz Jacobiana.
24
Al analizar la cinemática de una extremidad de un robot, que para este proyecto
corresponde a la pata del robot (dado que las 4 patas poseerán la misma cinemática es
suficiente con realizar el estudio sólo una vez) se realiza el estudio analítico de la
geometría del movimiento del robot con respecto a un sistema de coordenadas fijo como
una función del tiempo, sin considerar las fuerzas o momentos que originan dicho
movimiento. Así pues, el estudio cinemático comprende la descripción analítica del
desplazamiento espacial del robot como función del tiempo, en particular las relaciones
entre variables espaciales de las articulaciones y la posición y orientación final del
robot.
2.4.2 Método directo: dinámica del cuerpo rígido
La cinemática clásica, derivada de las Leyes de Newton, permite definir los
movimientos de los cuerpos rígidos en el espacio. Al conocer ciertas variables de un
sistema, tales como la masa, las dimensiones geométricas y los grados de libertad, se
pueden determinar las variables cinemáticas, tales como las velocidades y aceleraciones
lineales y angulares, y los momentos externos que actúan en el movimiento del cuerpo
estudiado. Se le conoce como método directo, puesto que se inicia el estudio a partir de
un origen o punto de referencia asociado a un sistema de coordenadas, y a partir del
mismo se analizan los movimientos con respecto a dicha posición, estableciendo nuevos
sistemas de coordenadas móviles, para estudiar los movimientos relativos de cada
sección del cuerpo de estudio con respecto al origen. Para desarrollar este análisis es
necesario conocer ciertas variables tales como el centro de masa y el momento de
inercia de cada segmento, esenciales para poder aplicar la Segunda Ley de Newton para
cuerpos rígidos.
Centro de masa
Se conoce como centro de masa de un cuerpo rígido al punto geométrico donde
se puede concentrar toda su masa, es decir, es la posición promedio de todas las
partículas de masa que forman el cuerpo rígido. Cuando se estudia el movimiento de un
cuerpo rígido se puede considerar la fuerza neta aplicada en el centro de masa y analizar
el movimiento de este último como si fuera una partícula.
25
Luego, si se considera que la masa de un segmento, o de varios segmentos de un
cuerpo están divididos en n secciones, la masa total M del mismo queda determinada
por la siguiente expresión:
(2.1)
Donde mi es la masa de cada segmento i-ésimo, di es su densidad y Vi su
volumen. Luego, asumiendo la densidad constante queda:
(2.2)
Por otra parte, si se quiere conocer la ubicación del centro de masa, es necesario
calcular el promedio ponderado de los centros de masa de cada segmento, para lo cual
se tienen las siguientes expresiones:
(2.3)
(2.4)
(2.5)
26
Donde xi, yi, zi son las coordenadas particulares de cada segmento, mientras que
xcm, ycm, zcm son las coordenadas del centro de masa.
Momento de Inercia Cuando se tiene un sistema que se encuentra en movimiento, y
tiene asociadas aceleraciones, siendo éstas lineales o rotacionales, es necesario conocer
el momento de inercia para poder aplicar las leyes de Newton para cuerpos rígidos en el
espacio. Se puede definir al mismo como una magnitud escalar que representa la
relación entre la distribución de masa de un sistema y el eje de giro.
La integral de momento de inercia para un medio continuo se expresa de la
siguiente manera:
(2.6)
Esta integral constituye una parte fundamental en la ecuación del momento
resultante respecto a un eje normal al plano de movimiento de un cuerpo rígido en
movimiento plano.
Dinámica de un cuerpo rígido
Sea un cuerpo rígido que se mueve en el espacio, se establece un sistema XYZ
asociado al mismo. La matriz de inercia asociada queda de la siguiente forma:
(2.7)
Donde,
(2.8)
27
Y,
(2.9)
Las cantidades Ixx, Iyy, Izz representan los momentos de inercia para los ejes X,
Y, Z, respectivamente, mientras que las cantidades Ixy, Ixz, Iyz representan los productos
de inercia con respecto a los pares de planos de coordenadas.
Ahora, la Segunda Ley de Newton queda expresada de la siguiente manera:
(2.10)
Donde
es el momento externo aplicado en el punto P, [I]P es la matriz
de inercia en el punto P,
y
corresponden a la aceleración y velocidad angular
respectivamente, Rcm son las coordenadas del centro de masa del cuerpo de masa M,
mientras que
corresponde a la aceleración del punto P.
Esta ecuación se utilizará para calcular los momentos que actúan en cada una de
las articulaciones del prototipo, para poder seleccionar los actuadores que cumplan con
los requisitos mínimos del sistema.
Se puede decir que el estudio cinemático es imprescindible para cualquier proyecto de
robótica por las siguientes razones:
•
Permite simular de manera exacta el movimiento del robot, que posteriormente se
compara con el movimiento real del prototipo.
•
El análisis de la misma permite la evaluación del diseño mecánico del prototipo, pues
se espera la correspondencia del estudio teórico con el resultado experimental.
28
•
A partir de la evaluación cinemática se obtienen los torques necesarios para el
movimiento de cada link, lo que permite la selección de los actuadores necesarios.
•
Luego de culminado el proceso de verificación del diseño mecánico gracias a la
cinemática, se procede a diseñar y evaluar el control dinámico del robot.
Expuesto todo lo anterior, es necesario trabajar rigurosamente en el análisis
cinemático del prototipo a estudiar, puesto que la confiabilidad plena del diseño
depende del mismo. Una vez culminado este estudio, estableciendo previamente la
cantidad de extremidades que tendrá el robot, que para este caso serán cuatro, y los
grados de libertad de cada uno, que para este proyecto serán tres actuados y dos libres,
se procede a desarrollar la fase de diseño del prototipo, y posteriormente su
construcción.
29
CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA DE DISEÑO
Entendiéndose diseño como el proceso previo a la búsqueda de soluciones a un
problema, que implica el desarrollo de ideas, se requiere la implementación de una
metodología de trabajo para llevar a cabo el mismo. El proceso de diseño implica, en
esencia, las siguientes etapas:
1. Observación: consiste en percibir y analizar el medio en que se desenvuelve el
ser humano para encontrar alguna necesidad, que se convierte en el problema de
investigación.
2. Planificación: propuesta de soluciones al problema, mediante el desarrollo de
ideas y elaboración de bocetos, planos, maquetas, etc., que permitan seleccionar
la o las propuestas más viables, que dependen de la funcionalidad, confiabilidad,
y creatividad de las mismas. Ésta es la fase más larga del proceso de diseño, y
tal vez la más importante, pues en ella se decide la conceptualización definitiva,
que va a caracterizar el diseño como tal.
3. Construcción: fabricación de las piezas y elementos que van a conformar el
prototipo diseñado, realizando la selección adecuada de materiales y procesos de
fabricación necesarios para la culminación del proyecto
4. Evaluación: realización de pruebas de resistencia de materiales, pruebas
dinámicas y cualquier otra que sea pertinente al prototipo ya construido, para
garantizar el funcionamiento óptimo del mismo.
Todo lo anterior constituye las etapas desarrolladas en este proyecto de diseño y
construcción de un prototipo de robot cuadrúpedo, haciendo énfasis en la elaboración de
un diseño innovador y a la vez funcional, que combinara distintos tipos de procesos de
fabricación que simplificaran la construcción del mismo.
Aún y cuando el proceso de diseño en este proyecto es esencialmente mecánico,
es necesario considerar en todo momento las características y necesidades de la
electrónica del robot, puesto que ambas ciencias, mecánica y electrónica, deben
compenetrarse para conseguir la mejor eficiencia del prototipo. Esto permitirá que el
30
diseño mecánico se acople a la estructura electrónica, lo que radicará en la obtención de
un modelo de estudio para ambas ramas de la ingeniería.
3.1 Diseño Conceptual
Para definir el proyecto, se establecieron ciertos parámetros necesarios para el
desarrollo del mismo. Principalmente, la máquina caminante a desarrollar debe ser un
modelo cuadrúpedo, y a partir de esto se consideran las demás variables. El diseño debe
permitir la adaptabilidad a distintos tipos de caminar, que serán posteriormente
comprobados con pruebas automatizadas, debe ser funcional, es decir, que cumpla con
las características para las cuales fue desarrollado, preferiblemente debe ser liviano,
para reducir costos en cuanto a la selección de los actuadores y aumentar la vida útil del
prototipo en cuestión, y, por último, se debe considerar la estética del mismo, dado que
la misma aportaría un valor agregado al proyecto.
3.2 Diseño Básico
Una vez definidos los parámetros, se da inicio al proceso de diseño, donde se
proponen soluciones al problema planteado. Para esto se propone un diseño básico,
donde se define la estructura fundamental que debe tener el prototipo para cumplir con
las necesidades establecidas previamente.
Figura 3.1. Diseño básico de un prototipo cuadrúpedo.
31
La figura 3.1 muestra una imagen de lo que correspondería a un prototipo
elemental de robot de cuatro patas, evidenciándose un cuerpo con cuatro extremidades,
donde cada una de ellas posee al menos dos grados de libertad.
Luego es necesario definir los grados de libertad que se van a agregar al
prototipo, divididos entre grados actuados y grados libres de movimiento. Mientras
mayor sea el número de grados de libertad del robot, mayor es su capacidad de
movimiento, lo que se traduce en una mayor eficiencia mecánica de la máquina. Sin
embargo, el aumento de los grados de libertad complican la cinemática del robot, una de
las variables principales a considerar en este tipo de proyectos, además de elevar el
costo del proyecto, puesto que cada grado de libertad actuado comprende la adquisición
de un motor electrónico más por cada extremidad del robot, lo que en ámbito general,
afecta la validez del proyecto como tal.
Considerando estos factores, y de acuerdo a referencias de otros proyectos
mencionados previamente, se decidió establecer un número determinado de grados de
libertad, que permitieran una adecuada movilidad al prototipo pero evitando la inclusión
de gran cantidad de actuadores para evitar un aumento excesivo en el costo del
proyecto. Así, se estableció que el número adecuado de grados de libertad actuados
debía ser de tres, mientras que los grados libres debían ser dos. Esto se decidió puesto
que, de acuerdo a la bibliografía revisada de prototipos anteriores, un mayor número de
grados de libertad actuados presenta mayores complicaciones a la cinemática del
prototipo, y por consiguiente requiere de un sistema de control mucho más complejo; y
el caso contrario, un menor número de grados de libertad es insuficiente para la
obtención de desplazamientos adecuados y similares a movimientos observados en la
naturaleza.
Ya definidos estos límites cinemáticos, se procedió a elaborar las distintas
propuestas para el diseño del prototipo cuadrúpedo. Se utilizó un software de diseño
mecánico comercial para realizar este proceso, llamado Solid WorksTM.
32
3.3 Propuestas de diseño
Para establecer la configuración definitiva del prototipo, se realizaron distintas
propuestas, que fueron evaluadas de acuerdo a distintos parámetros y luego se
seleccionó la más adecuada.
La primera propuesta fue una configuración que imita al movimiento de un
mamífero cuadrúpedo, donde el cuerpo del robot se encuentra en la posición más alta
del arreglo, y las patas o extremidades se ubican debajo del cuerpo del robot, alineadas
con el mismo, lo que permite que las mismas soporten todo el peso del cuerpo del
prototipo. Este tipo de configuración, similar a los mamíferos, permite que el
cuadrúpedo adquiera altas velocidades al momento de desplazarse, y los pasos sean más
largos, permitiendo un avance relativamente rápido comparado con otro tipo de
configuraciones. Teniendo en cuenta todo lo anterior, la primera configuración quedó
establecida de la siguiente manera:
Figura 3.2. Primera propuesta de diseño.
En la figura 3.2 se observa la primera propuesta de diseño para el robot cuadrúpedo
a construir. Está compuesto de 3 links o eslabones por cada extremidad, cada uno tiene
un grado de libertad (GDL) de rotación, los cuales funcionan gracias a los actuadores
previamente seleccionados, uno por cada GDL. Los actuadores se encuentran ubicados
de la siguiente manera:
33
•
Cuatro actuadores en el cuerpo del robot, que aportan un grado de giro al eslabón 1
perpendicular al suelo.
•
Un actuador por cada pata, ubicados en el eslabón 1, que permiten otro grado de giro,
en este caso al eslabón 2, perpendicular al eje de giro del los actuadores
anteriormente mencionados.
•
Un tercer actuador por cada extremidad, ubicado en el eslabón 2, que permite un
último grado de giro actuado para el eslabón 3.
La transmisión de potencia por parte de los actuadores se realiza gracias a sistemas de
engranajes cónicos, ubicados en las articulaciones de los eslabones 2 y 3.
Adicionalmente, lo que correspondería al tobillo del robot, éste posee 2 GDL
libres, en dos ejes de rotación. El detalle del tobillo se muestra en la figura 3.3:
Figura 3.3. Detalle del tobillo de la primera propuesta.
En la figura anterior, la lámina flexible permite que el pie del robot gire con
respecto a la Barra 2, mientras que el Eje le permite el segundo GDL libre sobre sí
mismo.
El problema que presentaba esta configuración, en cuanto al tobillo, es que la
lámina flexible, después de un tiempo, podría fallar, y su vida útil sería más corta que
otro tipo de mecanismo, que incluso al momento de diseñar fuese más sencillo.
Igualmente sucede con los flejes izquierdo y derecho, que aún y cuando cumplen con la
función para la cual fueron diseñados, que es permitir el movimiento giratorio con
respecto al eje, podrían tener una vida útil corta. Por estas razones se decidió
reestructurar el diseño planteado.
34
Aún y cuando la configuración de un robot cuadrúpedo basado en los parámetros
de los mamíferos sea una de las más comunes, depende de las necesidades que se tengan
para considerarla como la más eficiente. Este primer diseño presenta algunas
características que podrían ser mejoradas.
En primer lugar, se tiene la distribución de actuadores. Para mejorar la eficiencia
del prototipo, las patas del robot deben ser lo más livianas posibles en comparación con
el cuerpo del mismo. En este caso, cada pata posee dos actuadores, por lo tanto el peso
de cada una es mayor en proporción, comparado con el peso del cuerpo.
Seguidamente, posee tres links o eslabones, relativamente largos, lo que genera
un alto torque por parte de los actuadores, pues aparte de tener la resistencia de la
longitud, tienen que mover el peso del eslabón y su propio peso al mismo tiempo.
Por último, se tenía un inconveniente adicional en cuanto a la cantidad de
eslabones. Uno de ellos es innecesario si se agrega el grado de libertad que éste aporta a
otro de los links, modificando por supuesto la configuración. Adicionalmente, este
arreglo dificulta la flexibilidad del robot, es decir, la capacidad a tomar distintas
posturas que sean más convenientes de acuerdo al estudio que se esté realizando, así
como también podría presentar ciertos tipos de inestabilidad al caminar, por tener su
centro de masa muy elevado. En la figura 3.4, se puede apreciar la ubicación del CDM
de este primer diseño. Lo esperado es que el mismo se encuentre localizado en una
posición cercana a la superficie de desplazamiento sobre la que se probaría el robot.
Figura 3.4. Ubicación del centro de masa del primer diseño del prototipo.
35
Por estas razones mencionadas anteriormente, se decidió modificar el primer
diseño y proponer otras configuraciones. La propuesta para el segundo diseño fue
mejorar los problemas que presentaba la primera propuesta.
Se propuso considerar otra configuración de cuadrúpedo, basado en otro patrón
biológico diferente al mamífero. Se estudiaron los casos de los insectos y los reptiles,
también comunes en el estudio de las máquinas caminantes.
En el caso de los insectos, tomando como ejemplo al insecto palito, sus patas son
muy livianas con respecto al peso de su cuerpo (cada pata tiene la capacidad de levantar
4 ó 5 veces su propio peso), tiene dos articulaciones en cada pata, pero una de ellas, la
que se acopla al cuerpo del animal, posee dos grados de libertad, permite rotación sobre
dos ejes, lo que da un total de tres GDL en el insecto. La postura que emplea para
desplazarse es manteniendo siempre el cuerpo en la posición más baja, esto debido a
que sus patas se encuentran a los lados del cuerpo, y no debajo, como resulta en la
configuración de los mamíferos, por lo tanto, su centro de gravedad se encuentra en el
punto más bajo de la configuración, aportándole estabilidad al moverse. En la figura
3.5(a), se puede observar una representación gráfica del insecto palito, mostrando sus
seis extremidades en una posición genérica, mientras que la figura 3.5 (b) muestra una
imagen del animal en su hábitat.
Figura 3.5 (a). Representación gráfica del
Figura 3.5 (b). Imagen del insecto palito.
insecto palito.
La cinemática del insecto palito, y de los insectos en general, es más sencilla de
estudiar en comparación con la de un cuadrúpedo mamífero, por lo que su aplicación en
la robótica es quizás más ventajosa. Sin embargo, su dificultad se presenta al momento
de estudiar la cantidad de extremidades. La mayoría de los insectos, incluido el palito,
36
presentan seis patas. Éstas presentan patrones de movimiento en pares, es decir, cada
insecto presenta tres modalidades de movimiento, que se dividen en: movimiento de las
patas delanteras, movimiento de las patas intermedias y movimiento de las patas
traseras. Las extremidades frontales actúan como sensores, para identificar los
obstáculos en el camino, las intermedias actúan como puntos de apoyo, mientras que las
traseras aportan el empuje necesario para el movimiento.
Debido a que el prototipo de este proyecto consiste en un robot cuadrúpedo, no
un hexápodo, no se puede aplicar literalmente el patrón morfológico y cinemático del
insecto palito, sin embargo, no es descartable. Asimismo, se decidió estudiar también el
movimiento de los reptiles y tal vez, hacer una combinación entre ambas alternativas
para buscar el diseño más adecuado.
Para los reptiles se presentan ciertas características particulares. Por una parte,
los mismos son cuadrúpedos, por lo que su estudio cinemático es más práctico de
adaptar que el de los insectos. Muchos de ellos arrastran su cuerpo, pero no se
consideraron estos casos para el estudio, puesto que no se busca el roce del cuerpo del
robot con el suelo, el contacto sólo debe ser con lo que correspondería a los pies del
robot. Por lo tanto, se seleccionó a un miembro perteneciente a la familia de los reptiles,
la lagartija, para analizar su morfología y locomoción.
Las lagartijas presentan la disposición física general que presentan los reptiles:
una cabeza, un tronco, cuatro patas y una cola. Las patas se encuentran ubicadas a los
lados del cuerpo, tienen al igual que los insectos, tres grados de libertad, sin embargo,
cada una de sus extremidades se divide en tres partes, el fémur, la tibia y el pie. Se
diferencian de los insectos en que sus patas se encuentran extendidas casi en su
totalidad, el fémur se muestra paralelo al suelo, lo que le aporta una gran estabilidad al
moverse, pero también le limita movimientos rápidos.
La figura 3.6 (a) muestra una imagen de una lagartija común donde se pueden
identificar las partes de sus patas, siendo éstas el fémur, la tibia y el pie, mientras que la
figura 3.6 (b) muestra una representación gráfica del movimiento de una lagartija,
donde, al mover una pata, se evidencia el movimiento del cuerpo.
37
Figura 3.6 (a). Imagen de una lagartija
Figura 3.6 (b). Representación del
indicando las partes de sus patas.
movimiento de una lagartija
La locomoción de la lagartija consiste en una serie de movimientos por pasos.
Los reptiles mueven una pata a la vez, y al mismo tiempo, cambian la postura de su
cuerpo. Al mover una segunda extremidad, la postura del cuerpo vuelve a cambiar, y así
sucesivamente. Esto quiere decir que al momento de desplazarse, el reptil genera
también movimientos alternos. La utilidad de esto es evitar que el centro de gravedad se
desplace con cada avance del animal, por lo tanto su estabilidad es óptima. Sin
embargo, este tipo de desplazamiento impide que pueda moverse a altas velocidades,
sobre todo porque al moverse, se presionan órganos del sistema respiratorio, lo que
dificulta la respiración de la lagartija, es por esto que la misma sólo se limita a realizar
desplazamientos rápidos en caso de sentirse amenazada o en situación de peligro.
Dadas entonces las características de los insectos y los reptiles, más
específicamente el insecto palito y la lagartija, se decidieron tomar las ventajas de
ambos y combinarlas para obtener un mejor diseño.
Para el segundo modelo, se propuso un sistema donde el mayor porcentaje del
peso de robot estuviera localizado en el cuerpo del mismo y no en las patas, para que
éstas sean lo más livianas posibles. Por otra parte, se decidió eliminar un link,
agregando el grado de libertad que éste aporta a otro link, como sucede con el insecto
palito. Por lo tanto, lo que corresponde a la cadera del robot tendría dos grados de
38
rotación, mientras que el siguiente grado de libertad se ubicaría en la rodilla. Se
mantiene la propuesta del pie, puesto que el mismo aporta dos grados de libertad (libres,
no actuados) al sistema, lo que se traduce en una mayor eficiencia en el movimiento, y
lo asemeja al movimiento de la lagartija. El cuerpo debe estar paralelo o por debajo de
las rodillas, para que el centro de gravedad sea lo más bajo posible.
Al momento de decidir cuál sería la posición más adecuada para el cuerpo del
robot, se estudiaron ambas posibilidades, la del insecto palito y la de la lagartija. La del
insecto permite desplazamientos más largos, debido a que sus extremidades son de
mayor longitud comparadas a un reptil; por otra parte la morfología y locomoción de la
lagartija le permite una estabilidad mucho mayor que la que podría tener cualquier otro
animal, de insecto o mamífero. Se decidió entonces realizar una combinación entre
ambas opciones, donde el cuerpo se ubicaría por debajo de las rodillas del prototipo,
pero buscando la posibilidad de que las patas se puedan extender lo más posible en caso
de que sea necesario obtener una mayor estabilidad en momentos determinados. Es
importante destacar que para el momento del diseño de cualquier máquina caminante, la
posibilidad de volcamiento, caída o desequilibrio de la misma, debe ser evitada y
minimizada, puesto que no sólo compromete la seguridad del sistema, sino que
originaría problemas adicionales al estudio, como falla de piezas, lo que se traduce en
un aumento de costos y de tiempo de investigación. Es por esto que la estabilidad es tan
importante y se hace necesario considerarla entre las prioridades del diseño.
Figura 3.7. Segunda propuesta de diseño del cuadrúpedo.
39
La figura 3.7 muestra el segundo diseño de robot cuadrúpedo que se realizó, y el
que posteriormente pasará a ser el diseño definitivo con algunas modificaciones. En el
eslabón o Link 1, se ubica el primer actuador, que permite el giro o la rotación del Link
2, esto se realiza por medio de un sistema de engranajes cónicos que posteriormente
será detallado. El eslabón 2 almacena un segundo actuador que permite el movimiento
del eslabón 3, por un sistema de poleas. Luego, en el eslabón 3 se ubica el tercer
actuador que permite el movimiento del eslabón 4, por un sistema de engranajes
cónicos. Por último, se observa el sistema tobillo-pie, que aporta dos grados de libertad
no actuados al sistema.
Detalladamente, el eslabón 1 se constituye de una configuración que consta de
un actuador que transmite su potencia a través de un sistema de engranajes cónicos. La
idea de realizar un ensamblaje para esta sección del arreglo fue mantener protegido el
motor, en caso de que se realizaran pruebas al prototipo al aire libre, donde estaría
expuesto a distintos factores, tales como agua, polvo, barro, etc. Lo mismo sucede para
el eslabón 2, al cual se le diseñó una carcasa que cumple la función de cubierta. La
misma consiste en un cascarón semiesférico, que permita la rotación del eslabón 3
libremente. El sistema de transmisión consiste en un diagrama de poleas acopladas por
una correa sincrónica. La primera propuesta para esta configuración resultó como se
muestra en la figura 3.8:
Figura 3.8. Detalle de configuración del eslabón 2.
40
El agarre del actuador consiste en una lámina de aluminio atornillada a ambos
lados del motor; el sistema de transmisión de poleas consiste en dos poleas, una
acoplada a la salida de potencia del actuador, mientras que la otra se conecta al eje que
permitirá el movimiento del eslabón 3. Ambas están unidas entre sí por una correa
sincrónica. Los puntos de apoyo del eje son dos orejas, una a cada lado de la
configuración del eslabón 3.
Estudiando esta propuesta, surgieron algunos inconvenientes. En primer lugar,
se analizó que las orejas que soportan el eje podrían no ser suficientes para soportar el
peso, por lo tanto, haría falta sustituirlas por un acople más resistente, quedando como
se muestra en la figura 3.9.
Figura 3.9. uevo sistema de soporte del eje de transmisión.
Para la figura 3.10 (a) se muestra el detalle del acople del actuador que fue
propuesto inicialmente para este segundo modelo. El mismo presentaba algunos
inconvenientes, puesto que resultaba insuficiente para impedir movimientos y
desplazamientos del motor. Se decidió entonces modificar esta propuesta por una más
estable, como se muestra en la figura 3.10 (b), donde se aprovecharon los orificios del
actuador que permiten la incorporación de tornillos para un ajuste firme.
Igualmente, se decidió que agregar sólo un soporte al eje de transmisión podría
resultar inestable, por lo que se decidió colocar un soporte adicional, también para
aportar simetría al sistema, lo que genera mayor seguridad. Este nuevo arreglo se puede
observar en la figura 3.10 (b).
41
Figura 3.10 (a). Soporte del actuador del
Figura 3.10 (b). ueva propuesta del acople
eslabón 2.
del actuador del eslabón 2.
Por otra parte, el sistema de poleas y correa sincrónica fue propuesto debido a la
geometría seleccionada para el eslabón 2, donde se tienen ciertas limitaciones de
espacio. Se consideró sustituir esta propuesta por un tren de engranajes, que aportara
mayor confiabilidad, sin embargo luego de estudiar ambas propuestas se decidió
mantener la configuración de transmisión de potencia por medio de una correa
sincrónica, pues no sólo cumple la misma función que los engranajes, sino que aporta
un menor peso al sistema, lo que es muy importante considerar para evitar un aumento
en los requerimientos de potencia del prototipo.
En el caso del eslabón 3, se propuso una estructura conformada por dos láminas
dobladas acopladas, unidas mediante tornillos, que funcionarían como carcasa de
protección del tercer actuador, al mismo tiempo que cumple la función de lo que
correspondería al fémur de la pierna del robot. Esta propuesta se puede observar en las
figuras 3.11 (a) y (b).
42
Figura 3.11 (a). Vista lateral del eslabón 3,
Figura 3.11 (b). Vista frontal del eslabón 3,
acoplado con el eslabón 4.
donde se observan las láminas del mismo.
La figura 3.11 (a) muestra una vista lateral del eslabón 3, mientras que la figura
3.11 (b) muestra una vista frontal. El problema de esta configuración radica en que el
proceso de fabricación de estas láminas no resultaba sencillo, por lo tanto, se hizo
necesario modificar la misma y proponer otra pieza, que cumpliera la misma función y
no alterara el diseño general planteado. Por otra parte, se tenía un problema estético,
ubicado en el punto de acople entre el eslabón 3 y el eslabón 4, donde las terminaciones
rectas de las piezas aportan rigidez innecesaria al diseño, pudiendo ser suavizada por
líneas curvas, que no comprometen en ningún momento la funcionalidad del diseño, al
contrario, aportan un valor agregado al mismo.
Otro defecto que se percibía en esta configuración fue el exceso de espacio
considerado entre ambas láminas, puesto que no es necesario ni conveniente agregar
volumen al prototipo si no se va a utilizar. Los tamaños de los actuadores,
independientemente de la potencia que transmitan, son relativamente estándar, por lo
tanto se sugirió reducir la distancia entre láminas de este eslabón, sin comprometer el
espacio destinado al motor. Ésta última, y la modificación del punto de acople con el
eslabón 4, fueron las primeras transformaciones que se hicieron al eslabón 3. Las
mismas pueden observarse en las figuras 3.12 (a) y (b), donde se aprecian dos vistas de
este ensamblaje.
43
Figura 3.12 (a). Vista frontal del eslabón 3.
Figura 3.12 (b). Vista lateral del eslabón 3.
Finalmente, para culminar le modificación de este eslabón, se decidió sustituir
las láminas laterales por un ensamblaje de tres piezas, de tal manera que el proceso de
fabricación resultara lo más sencillo posible, y su acople será mediante tonillos.
Las piezas propuestas para este nuevo diseño se muestran a continuación, en las
figuras 3.13 (a), (b) y (c).
Figura 3.13 (a). Lámina de
Figura 3.13 (b). Lámina
Figura 3.13 (c). Pieza de
acople de actuador.
lateral del eslabón 3.
acople de láminas laterales.
La figura 3.13 (a), muestra la lámina a la que se acoplará el actuador para un
mayor soporte, y se une a las láminas laterales por medio de tornillos. Esta pieza, así
como la mayoría de las piezas del prototipo, se diseñaron para ser construidas en
aluminio, puesto que es un material liviano que no aportará peso innecesario al robot, y
aún así es resistente.
44
Por otra parte, se observa en la figura 3.13 (b), la lámina lateral modificada que
resulta más sencilla que la propuesta anterior, pues carece de dobladuras. Por supuesto
para este caso, se necesitan dos láminas laterales, para cada pierna del robot, que a su
vez serán acopladas entre sí por medio de la pieza mostrada en la figura 3.13 (c), que
resultará de la unión de dos láminas a 90 grados por medio de un proceso de soldadura.
Finalmente, el ensamblaje total del eslabón 3 tendrá una configuración como la
mostrada en la siguiente figura 3.14.
Figura 3.14. Ensamblaje del eslabón 3.
En cuanto al eslabón 4, no se hicieron cambios significativos con respecto a la
segunda propuesta, puesto que el proceso de fabricación y ensamblaje del mismo resulta
sencillo. Esta sección se compone de dos láminas de aluminio de 4mm, dobladas en sus
extremos para dar un aporte estético al diseño. Los detalles de diseño de estas piezas
puede observarse en la Figura 3.15 (a), donde se indican los ángulos de inclinación en
los extremos, siendo éstos de 175º, mientras que la figura 3.15 (b) muestra una vista
frontal de la pieza, observándose las zonas de acople con el eslabón 3 y el tobillo.
Por otra parte, tal como sucedió para el eslabón 3, las terminaciones rectas de las
láminas del eslabón 4 aportan rigidez al diseño, por lo que se modificó por líneas curvas
más estilizadas. El detalle del diseño anterior puede observarse en la figura 3.11,
mientras que el nuevo diseño se muestra en la figura 3.15.
45
Figura 3.15 (a). Vista lateral de lámina del
Figura 3.15 (b). Vista frontal de lámina del
eslabón 4.
eslabón 4, mostrando detalles de acople.
Para el tobillo del robot, se propuso un diseño sencillo, que aportará dos grados
de giro libres al prototipo, es decir, no actuados, que permitirán una mayor flexibilidad
al movimiento de las piernas. A esta propuesta no se hicieron cambios significativos
con respecto a la segunda propuesta, porque desde un principio resultó práctica, efectiva
y sencilla de fabricar.
Esta última sección de la pata del robot, consiste en un aro de aluminio que está
atravesado por un pasador, acoplado con una lámina circular que actúa como “tapa” del
aro, y permite un grado de giro. Luego, sobre esta lámina se acoplan dos orejas que
permitirán el paso de una barra circular, sobre la cual girará el eslabón 4, lo que resulta
en un segundo grado de giro. Finalmente, al aro de aluminio se une una goma que será
la que realice el contacto con el suelo, y aportará una mayor amortiguación al
movimiento, al mismo tiempo que evita que el aro de aluminio haga contacto con las
superficies y por lo tanto no se desgaste.
46
Figura 3.16. Lámina circular del tobillo del robot.
La figura 3.16 muestra la lámina circular, con dos gomas de apoyo, que impiden
el contacto de la lámina con la superficie base del pie del robot, para evitar su desgaste.
Por otra parte, se observa la sección de acople con el pasador, pieza que va soldada a la
lámina y permitirá la rotación del pasador, figura 3.17 (a), dentro de la misma.
Asimismo, la figura 3.17 (b) muestra el aro de aluminio que conforma la tercera pieza
fundamental del ensamblaje del tobillo, mostrando los orificios que atraviesa el pasador,
que son sujetados con tuercas en los extremos.
La modificación significativa que se hizo a la segunda propuesta de diseño fue
agregar topes de goma a la lámina circular del tobillo para restringir el grado de giro del
eslabón 4, puesto que al no limitar el mismo, se podrían presentar inconvenientes tales
como tropiezos, golpes e incluso daños a la pierna del robot. Se decidió establecer un
límite de 60º de giro, tal que permita movilidad al tobillo, pero impidiendo dificultades
innecesarias.
Figura 3.17 (a). Pasador del tobillo.
Figura 3.17 (b). Estructura circular del
tobillo.
47
La figura 3.18 (a) muestra el ensamblaje del tobillo para la segunda propuesta de
diseño, identificándose las piezas que conforman el mismo, sin incluir la goma de la
base; Asimismo, la figura 3.18 (b) muestra el tobillo definitivo del diseño final, donde
se observan las gomas de restricción de ángulo y la goma de apoyo sobre superficies.
Figura 3.18 (a). Ensamblaje de tobillo para la
Figura 3.18 (b). Ensamblaje definitivo del
segunda propuesta de diseño.
tobillo, propuesta final.
La evolución de este diseño, luego de todas las modificaciones realizadas,
permitió obtener un prototipo mucho más estilizado, y considerando en todo momento
los procesos de fabricación de piezas, la disponibilidad de materiales en el mercado y el
tiempo de elaboración de cada elemento del robot, tal que permita el desarrollo de un
proyecto integral, eficiente y útil. Cabe señalar que la etapa de construcción, se llevará a
cabo en el Laboratorio de Prototipos de la Universidad Simón Bolívar.
La figura 3.19 muestra una imagen del diseño definitivo, antes de iniciar el
proceso de construcción. Es importante destacar que aún y cuando se haya definido
completamente el diseño, el proceso de construcción puede originar algunos cambios al
mismo, principalmente por facilitar procesos de fabricación o para reducir costos de
materiales.
48
Figura 3.19. Diseño final del prototipo cuadrúpedo.
49
CAPÍTULO 4
COSTRUCCIÓ DEL PROTOTIPO
4.1. Construcción de la carcasa protectora del Link 2
Una vez determinado el diseño definitivo, se inicia el proceso de construcción
del prototipo. La misma se realiza por etapas, dada la configuración del robot, puesto
que es necesario construir las distintas piezas para su posterior ensamblaje. Asimismo,
es importante establecer y definir los procesos de fabricación necesarios para la
elaboración de los elementos del prototipo.
La mayoría de las piezas que constituyen el prototipo comprenden procesos de
fabricación sencillos, puesto que casi en su totalidad, el material a utilizar para el
proceso es aluminio, en distintas presentaciones, puesto que se necesitan barras y tubos
de distintos diámetros y láminas de distintos espesores. Por lo tanto, los procesos a
llevar a cabo para la elaboración de piezas son fresado, torneado y soldadura.
Sin embargo, al momento de iniciar la construcción de la carcasa que actúa
como recubrimiento del eslabón 2, se observó que su elaboración resultaba complicada.
Considerar algún metal para su construcción y realizar un proceso de mecanizado sería
costoso, pues se perdería gran cantidad de material que no se podría utilizar
posteriormente. Es por esto que se decidió iniciar la construcción con esta pieza, puesto
que representaban un estudio de posibilidades para su elaboración. Las figuras 4.1 (a) y
(b) muestran el diseño de la carcasa del eslabón 2, una semiesfera hueca con una ranura
de medio círculo para permitir que el eslabón 3 se desplace a través de la misma.
Figura 4.1 (a). Vista posterior de la carcasa.
Figura 4.1 (b). Vista superior de la carcasa.
50
Dado que el diseño de la carcasa resultaba complicado de reproducir en los
procesos conocidos de mecanizado, se consideraron otras alternativas que pudieran
satisfacer las necesidades requeridas. El material a seleccionar debería cumplir con dos
requisitos básicos: ser resistente, para que tenga mayor vida útil y sea capaz de soportar
los esfuerzos a los que podría ser sometido, y liviano, para evitar la pérdida de potencia
del motor de manera innecesaria. Por tanto, los materiales derivados de polímeros,
utilizados en la industria de acrílicos, pasaron a ser una opción relevante.
Además de cumplir con las necesidades mecánicas, se esperaba que la carcasa
pudiera satisfacer las necesidades electrónicas del robot, entre ellas, el mantener
cubierto el motor para evitar que el mismo pudiera presentar fallos ante fenómenos
naturales cotidianos cuando se realicen prácticas del robot a la intemperie, tales como
lluvias, pantanos, charcos, etc. Adicionalmente, se esperaba obtener un diseño estético
que aportara cierto valor conceptual al prototipo. Por esto, se inició el proceso de
construcción de esta pieza en el taller de “Técnicas de Escultura Aplicadas al Diseño
Industrial” del edificio de Pabellón 5 de la Universidad Simón Bolívar.
Inicialmente el bosquejo de la carcasa no estaba totalmente definido, y el trabajo
de construcción de la misma se inició en un proyecto intermedio entre el que fue el
diseño inicial del cuadrúpedo y el que luego pasó a ser el proyecto definitivo. Esta
propuesta era tal vez la evolución del diseño inicial, puesto que, aún y cuando este
proyecto cumplía con todas las necesidades tanto mecánicas como electrónicas, carecía
de estética, y esta fue la principal razón por la que se decidió modificar el modelo inicial
del cuadrúpedo.
Una vez analizado lo anterior, y con la intención de realizar una mejora en el
diseño, se seleccionó la propuesta definitiva, como se explicó en la sección de diseño,
que posteriormente se llevó a construcción. Entones se inició la construcción de las
cuatro semiesferas huecas del eslabón 2, cada una de ellas cumpliendo la función de
protección de un motor, mientras que conforma el acople para el siguiente link. El
funcionamiento de este sistema es similar al de los telescopios de los observatorios
astronómicos, donde se tiene una semiesfera con una abertura radial sobre la que se
desplaza el telescopio en esa dirección, mientras que, al mismo tiempo, la esfera puede
rotar sobre su centro, lo que le aporta al telescopio dos grados de libertad. Entendiendo
51
este sistema se puede explicar el utilizado para el prototipo a construir, donde cada
semiesfera rota sobre su propio centro, y a la vez permite que el eslabón se desplace a
través de una ranura en forma radial.
La construcción de estas esferas se realizó con materiales poliméricos, puesto
que los materiales convencionales resultaban poco prácticos para los procesos de
fabricación de las mismas. Adicionalmente, los polímeros aportan ciertas ventajas al
material; éstos, aún siendo livianos, son capaces de soportar grandes esfuerzos de
compresión e incluso de tracción. El polímero seleccionado para trabajar es el
Poliuretano, una combinación formada por la mezcla de poliol con isocianato,
compuestos químicos esenciales en la formación de distintos polímeros.
Teniendo todo esto en cuenta, se inició el proceso de modelado de las carcasas
semiesféricas. Se decidió que el diámetro de las semiesferas debía medir 180 mm o más,
puesto que la longitud máxima de los actuadores es de aproximadamente 150 mm. Para
iniciar el proceso de elaboración de las piezas se necesitó la preparación del equipo de
trabajo y el molde con el que se iba a trabajar posteriormente.
Los materiales a utilizar para este proceso son los siguientes:
•
Tabla de MDF de 50x50 mm
•
Alambres de 2 mm de diámetro
•
Pegamento UHU
•
Cartón reciclado
•
Poliol
•
Isocianato
•
Bolsas plásticas
•
Arcilla para moldear
•
Yeso
•
Resina rígida preacelerada
•
Tela de fibra de vidrio tipo Mat
•
Masilla
•
Panelas de jabón azul
•
Cera para limpiar pisos de uso doméstico
52
•
Lavapoliéster
•
Catalizador
•
Vaselina
La primera etapa consistió en realizar una “red” con los alambres, moldeados de tal
manera que constituyeran el “esqueleto” de una semiesfera. Esta malla se unió a la tabla
de MDF por medio de tiras de cartón reciclado que fueron adheridas a la tabla con el
pegamento UHU. Una vez realizado esto, se procedió a realizar el proceso del relleno
del armazón de alambres con el poliuretano.
Para esta etapa, fue necesario calcular la cantidad exacta de poliuretano e isocianato
que se debía agregar para crear el molde de la semiesfera. Para esto, se calculó el
volumen de la semiesfera así como las cantidades específicas de polietileno e isocianato
necesarias para crear la figura deseada.
La mezcla de los componentes, poliol e isocianato debe ser equitativa, es decir, se
debe agregar la misma cantidad de cada uno para poder obtener el molde de poliuretano.
Cada 100 gramos de esta mezcla, donde la mitad de la misma correspondería al poliol y
la siguiente mitad al isocianato, se expande un litro en volumen. El volumen de la
semiesfera es de 1,53 litros, por lo tanto, teóricamente se necesitan 153 gramos de la
combinación de los compuestos para obtener un molde del tamaño deseado. Sin
embargo, se decidió agregar una mezcla de 60 gramos, en iguales cantidades tanto el
poliol como el isocianato, en caso de que por algún error de cálculo pudiera faltar
material. Luego se quitaría el exceso del mismo mediante un proceso sencillo.
La figura 4.2 muestra una imagen del proceso de expansión del poliuretano. La
bolsa plástica limitó la extensión del poliuretano en distintas direcciones, para que el
mismo se expandiera en la forma requerida y predeterminada por la malla de alambres.
Los trozos de cartón reciclados, y cortados con el mismo diámetro de la semiesfera,
ayudaron a la sujeción de la bolsa plástica, al mismo tiempo que definía el límite
inferior de crecimiento del poliuretano. Es importante destacar que este proceso es
completamente artesanal, por lo tanto, las medidas obtenidas no serían exactas, sin
embargo, con un proceso de moldeo a continuación se pudo obtener un molde bastante
adecuado a las necesidades que se tenían.
53
Figura 4.2. Elaboración del molde de poliuretano.
Debido a los defectos que se presentaron en el molde de poliuretano, se hizo
necesario el proceso de moldeado, que consiste simplemente en lijar los excesos
presentes en el molde hasta obtener la forma deseada. Sin embargo, esto no fue
suficiente para conseguir la figura semiesférica, por lo tanto fue necesario aplicar una
capa de recubrimiento al poliuretano, que permitiera alisar la superficie.
Para hacer la preparación de esta capa se realizó una mezcla de jabón azul con
cera para limpiar pisos de uso doméstico. Para esto, se utilizó una licuadora de uso
común, en la que se agregaron pequeños trozos de jabón con suficiente cantidad de cera
que permitiera lograr una pasta espesa. Un vez obtenida la misma, se colocó en un
envase y se procedió a cubrir el molde de poliuretano con la misma, con la ayuda de
paletas de plástico o incluso manualmente.
La figura 4.3 (a) muestra una imagen del molde de poliuretano cubierto con la
capa de la mezcla preparada. Aún y cuando la misma pudo cubrir algunas de las fallas
de la semiesfera polimérica, se hizo necesario realizar una capa de arcilla para moldear
para poder afinar el acabado. Con esta última, se conseguiría una superficie más lisa y
uniforme, que es lo que se requería. La figura 4.3 (b) muestra el molde cubierto por
arcilla, siendo ésta la etapa final del modelado.
54
Figura 4.3 (a). Molde cubierto de capa de
Figura 4.3 (b). Molde cubierto con arcilla.
jabón azul con cera.
Finalmente, una vez mejorada la superficie del molde, se procedió a realizar el
molde de yeso. Para esto se combinó el yeso en polvo con agua y se mezcló hasta
obtener una consistencia uniforme. Luego, en pequeñas cantidades, se agrega el yeso
sobre la semiesfera hasta conseguir cubrirla completamente. Seguidamente, se agregan
3
4 cabillas de /8” perpendiculares dos a dos, para reforzar el molde. Lo anterior puede
apreciarse en la figura 4.4 (a), donde se observa la disposición de las cabillas sobre una
pequeña capa de yeso. Posteriormente se espera a que el molde de yeso se solidifique
para poder extraer la figura. El molde final de yeso se muestra en la figura 4.4 (b). Es
importante recordar que el acabado del molde debe ser uniforme, puesto que esto es
determinante en una mejor resistencia del mismo.
Figura 4.4 (a). Molde con cabillas para
reforzar el yeso.
Figura 4.4 (b). Molde de yeso terminado.
55
Ya una vez obtenido el molde de yeso, se procedió a despegar el mismo de la
semiesfera, por medio de un cincel y un martillo. Una vez hecho esto se inició el
proceso de elaboración de la pieza con resina y fibra de vidrio. La figura 4.5 (a) muestra
la concavidad obtenida en el molde, que permitirá la creación de las semiesferas en
resina.
La preparación de la resina consiste en agregarle a la misma una pequeña
cantidad de catalizador, por cada 100 gramos de resina, se agregan 2 gramos de
catalizador. Previo a la preparación de la mezcla, la tela de fibra de vidrio es cortada en
pequeños trozos para poder adaptarse adecuadamente a la forma del molde. Teniendo
todos los implementos necesarios, se agrega una capa de vaselina a la superficie interna
del molde de yeso para facilitar la extracción de la pieza final. Se colocan los trozos de
fibra dentro de la concavidad, y se agrega una capa de resina con la ayuda de una
brocha, hasta completar la semiesfera. Se repite esto dos veces más, para obtener una
capa resistente. La imagen de la figura 4.5 (b) muestra parte de este procedimiento.
Luego se espera a que se solidifique la pieza y se enfríe, puesto que se alcanzan altas
temperaturas en este proceso.
Figura 4.5 (a). Concavidad obtenida en el
Figura 4.5 (b). Proceso de elaboración de la
molde.
semiesfera con resina y fibra de vidrio.
Una vez solidificada la pieza, se extrae del molde, no sin antes retirar los
excesos de resina y fibra de vidrio que sobresalen del borde, para obtener la forma
deseada. Esto se hizo con un Dremel®, herramienta giratoria que permite, entre otras
funciones, cortar, lijar, contornear, alisar y rebajar superficies. Posterior a esto, se
56
extrajo la semiesfera, con la ayuda de un cincel y un martillo, para poder conservar el
molde y reproducir las tres piezas restantes, sin embargo, no fue posible puesto que el
yeso cedió ante la presión del cincel y fue necesario cortarlo por la mitad para poder
retirar la pieza. Esto generó un nuevo inconveniente, puesto que se necesitaría un nuevo
molde o una nueva opción para las siguientes piezas. Una vez obtenida la pieza, se
realizó la ranura necesaria para permitir el paso del eslabón 2, esto se hizo con el
Dremel®, y con una lija 180 se dio un mejor acabado a la superficie de toda la
semiesfera. Sin embargo, persistían las zonas irregulares, por lo que se necesitó agregar
una capa de masilla en pasta de uso común, pero la misma aumentó considerablemente
el peso de la carcasa, que había resultado ser liviana y resistente, así que se decidió
buscar otra opción para resolver este problema.
Teniendo entonces tanto el inconveniente de haber perdido el molde de yeso y
ahora la dificultad para obtener un buen acabado superficial, se decidió considerar otra
opción más práctica. Fue entonces cuando se consiguieron distintos materiales de
reciclaje, entre ellos ciertas esferas de plástico huecas, cuyo diámetro era
aproximadamente el previamente seleccionado en el diseño del proyecto, por lo que se
decidió utilizar las mismas para realizar las carcasas necesarias. Sólo se necesitaron dos
de las mismas, puesto que al cortarlas a la mitad, se obtenían cuatro semiesferas. La
ventaja de esta opción es que se garantizó que las medidas fueran iguales para las cuatro
piezas, así como sus espesores, puesto que en el proceso anterior, por ser artesanal, se
descuidó la exactitud de las proporciones.
Sin embargo, las esferas plásticas no tenían suficiente resistencia, además de ser
flexibles, lo que permitía su fácil deformación, por lo tanto se decidió mejorar las
condiciones de las mismas aplicando dos capas de resina y fibra de vidrio a las mismas.
Esto implica que el proceso anterior no fue del todo descartado, puesto que los
conocimientos y métodos aplicados en el mismo fueron necesarios para la evolución de
la construcción de esta pieza. Finalmente se obtuvieron cuatro semiesferas resistentes,
rígidas y con un mejor acabado que la pieza obtenida con el molde de yeso. Para el
afinamiento de su capa externa sólo fue necesario el proceso de lijado. La figura 4.6
muestra una de las carcasas finalmente obtenidas.
57
Figura 4.6. Carcasa protectora del eslabón 2 ya construida.
4.2. Construcción de la lámina principal del cuerpo del robot
Una vez terminadas las carcasas semiesféricas, se continuó con el proceso de la
construcción, esta vez, se utilizaron las instalaciones del Laboratorio de Modelos y
Prototipos. Para este caso, la primera pieza a elaborar fue la que corresponde al cuerpo
principal del robot, compuesto simplemente por una lámina de aluminio de 4 mm de
espesor, de forma elíptica, con una diagonal mayor igual a 500 mm, mientras que la
diagonal menor mide 250 mm. El diseño básico de esta pieza puede observarse en la
figura 4.7.
Figura 4.7. Medidas de la lámina elíptica.
58
Luego de definidas las dimensiones de la pieza y ya adquirido el material, se
procede a elaborar la misma. Esto se hizo con una sierra caladora, una herramienta que
permite trabajar a velocidad variable y facilita los cortes curvos. Realizar esta pieza fue
un proceso sencillo, sin embargo, la caladora no aporta un buen acabado superficial a la
zona de corte, por lo que fue necesario el uso de una lima para mejorar el borde de la
elipse. El resultado fue una pieza muy similar al diseño realizado. La figura 4.8 (a)
muestra una imagen de la elipse obtenida, mientras que la figura 4.8 (b) muestra una
imagen de la sierra tronzadora utilizada para este proceso.
Figura 4.8 (a). Lámina elíptica obtenida.
Figura 4.8 (b). Tronzadora.
A esta lámina se acoplan las cuatro patas del prototipo. Como se estableció en el
diseño, el eslabón 1 se ensambla en la cara inferior de la elipse, mientras que el eslabón
2 se ubica en la cara superior.
Para asegurar que los ensamblajes sean precisos entre los links y la lámina del
cuerpo del robot, se decidió esperar a elaborar las piezas de acople entre los mismos,
para evitar errores en la construcción, por lo tanto, la elipse fue terminada al final del
proyecto.
Cabe destacar que la elaboración de piezas se realizó sin un orden específico,
puesto que este proceso dependía de ciertos factores, tales como: disponibilidad de
materiales en el mercado, costo de los materiales, acceso a maquinaria necesaria para la
fabricación de piezas, así como la dificultad del proceso de fabricación asociado a cada
una de los elementos a desarrollar. Esto representaba algunos inconvenientes,
especialmente en la incertidumbre que representaba el no poder verificar que las piezas
59
acopladas directamente entre sí, coincidían en medidas, por lo que era necesario revisar
el diseño constantemente para estudiar las posibles modificaciones en caso de
presentarse errores o discordancias entre el mismo y las piezas ya elaboradas.
Las siguientes piezas que se elaboraron fueron las correspondientes al pie del
robot. Éstas constituyen cuatro aros de aluminio, cada uno de ellos con 80 mm de
diámetro exterior por 50 mm de alto, con orificios laterales que permiten el acople de
una barra que permitirá un movimiento de rotación del tobillo. Inicialmente, se diseñó
esta pieza para ser acoplada con una lámina de aluminio de 2 mm de espesor en su cara
inferior, tal que permita luego la unión de la goma que permitirá la amortiguación de las
patas. Sin embargo, al momento de la construcción se decidió modificar esta idea, así,
en vez de utilizar láminas de aluminio, se prefirió sustituirlas por círculos de madera,
que no sólo son más livianas, sino que son menos costosas, y por las características de
la madera, entre ellas su porosidad, permitirían una mejor adhesión con la goma. A
pesar de esta modificación, el diseño de este elemento del tobillo se mantuvo, sólo fue
modificado uno de sus materiales de elaboración. La imagen 4.9 (a) muestra una imagen
de la pieza en el proceso de diseño, en comparación con la imagen 4.9 (b) que muestra
la pieza ya elaborada.
Figura 4.9 (a). Aro del tobillo.
Figura 4.9 (b). Aro del tobillo ya elaborado.
En cuanto a la barra que actúa como pasador para el aro del tobillo, tiene un
diámetro de 8 mm en el diseño original, sin embargo, al momento de adquirir los
materiales, no se consiguió esta medida, sino barras de 10 mm de diámetro. Por lo tanto
se consideraron dos opciones, modificar los orificios del aro, o rebajar el diámetro de la
60
barra hasta obtener el deseado. Se decidió tomar la última opción puesto que ya los
orificios se habían elaborado. Esto se realizó en un torno, máquina que permite el
mecanizado de piezas por medio de giros de revolución a distintas velocidades y con la
utilización de las herramientas necesarias para el acabado que se requiere.
Las siguientes piezas a elaborar fueron las orejas del tobillo, que son las que
actúan como puntos de apoyo y permiten el giro de la barra que se acopla con el eslabón
4. La figura 4.10 (a) muestra las orejas en el ensamblaje del tobillo, mientras que la
figura 4.10 (b) muestra una imagen individual de esta pieza, donde se perciben los
detalles de la misma, tales como un agujero de 8 mm de diámetro que permite el paso de
la barra del eslabón 4, y dos orificios de 3 mm de diámetro para tornillos.
Estas piezas fueron elaboradas en una fresadora, máquina que permite realizar
mecanizados mediante el movimiento de una herramienta rotativa de varios filos de
corte denominada fresa. Para este caso fue necesario utilizar distintas fresas, una para
hacer los cortes rectos de la pieza, otra para realizar los orificios de los tornillos, una
adicional para realizar el orificio que permitirá el paso de la barra, y una última para
realizar el radio exterior de 8 mm para la superficie superior de la oreja.
Figura 4.10 (a). Orejas en el ensamblaje del
Figura 4.10 (b). Imagen individual de la oreja
tobillo.
del tobillo.
A continuación se elaboraron las láminas de acople ubicadas en el eslabón 3.
Para cada pata, corresponden dos piezas de 50x50 mm con un espesor de 8 mm para el
61
diseño inicial. Sin embargo, al momento de adquirir los materiales, no se consiguió una
lámina con el espesor requerido, y se decidió sustituir las mismas por piezas de un
espesor menor, ahora 6 mm. Esta variación no compromete el funcionamiento o la
resistencia de la pierna del prototipo, puesto que la medida de 8 mm escogida
inicialmente, se estableció para permitir el paso de tornillos laterales de 4 mm. Sin
embargo, al tener la lámina de 6 mm se decidió optar por tornillos más pequeños, esta
vez de 3 mm cada uno, cumpliendo la misma función, puesto que éstos no están
sometidos a esfuerzos, y las ranuras de las láminas laterales del eslabón 3 (mostrado en
los detalles de diseño) permiten mayor estabilidad en la unión de las piezas, lo que
representa una mayor resistencia a posibles esfuerzos.
La primera de estas piezas de 50x50 mm, corresponde a la lámina sujetadora del
actuador del eslabón 3. Ésta comprende una lámina cuadrada con las medidas
especificadas, con 5 agujeros que permiten el acople del motor, 4 para el paso de los
tornillos que permitirán el ajuste del motor con la lámina, y un orificio central que
permite el paso de la salida del motor.
Es necesario recordar que tanto ésta como las demás piezas nombradas en este
proceso de diseño, aún y cuando se hable de las mismas de forma individual, existen al
menos cuatro ejemplares de las mismas, puesto que son en total cuatro extremidades del
robot. Sin embargo, como el proceso de elaboración y de diseño es idéntico para cada
pata del prototipo, es posible hablar del mismo en modo singular. Por consiguiente, para
el caso de esta pieza de unión con el actuador del eslabón 3, se desarrollaron 4
ejemplares, una para cada extremidad.
Seguidamente, se elaboraron las 4 láminas de 50x50 mm restantes, que
corresponden al acople del Link 3 con el eslabón 2. El diseño de esta lámina comprende
una ranura de 4 mm de ancho por 1 mm de espesor para permitir la unión por medio de
soldadura con la siguiente pieza que será la responsable del acople con el eslabón 2.
Asimismo, esta pieza contiene orificios laterales de 3 mm cada uno, para luego ser
ensambladas con las láminas laterales del eslabón 3. La figura 4.11 (a) muestra la
imagen de esta lámina en el proceso de diseño, mientras que la figura 4.11 (b) muestra
la pieza a la que será soldada esta lámina, que permitirá el acople entre el eslabón 2 y
eslabón 3.
62
Figura 4.11 (a). Lámina de acople con
Figura 4.11 (b). Lámina de acople.
eslabón 3.
Tanto para estas dos láminas anteriores, como para la lámina cuadrada de la
figura 4.12, se realizaron los procesos de mecanizado necesarios mediante la fresadora,
utilizando para ello distintas fresas según el detalle a realizar. Para cada extremidad
corresponde una de las nuevas piezas formadas por la unión de las láminas de la figura
4.11, Obteniendo un total de cuatro elementos. Sus detalles finales se muestran en la
figura 4.14, donde para la figura 4.12 (a) se muestra la unión de las láminas en el
proceso final de diseño, mientras que la figura 4.12 (b) muestra la pieza final ya
mecanizada.
Figura 4.12 (a). Pieza obtenida después de la
Figura 4.12 (b). Pieza obtenida luego del
unión.
mecanizado.
Las siguientes piezas a elaborar fueron los soportes del eje del eslabón 2, piezas
similares en cuanto a forma a las orejas del tobillo, pero de mayores dimensiones.
63
Ambas piezas pueden observarse en la figura 4.13, en una vista superior, donde puede
identificarse la función de las mismas, siendo ésta el apoyo del eje de transmisión de la
potencia del actuador de este eslabón 2, al eslabón 3. La longitud de la más cercana al
sistema de transmisión, que estará conformado por poleas y una correa sincrónica, es de
40 mm, mientras que la más lejana al mismo es de 30 mm. La variación de las
longitudes entre una y otra se debe a que para la primera sección del eje, éste debe
soportar, además de parte del peso del acople con el eslabón 3 (figura 4.12), la presión
del sistema de transmisión, mientras que la segunda sección del mismo sólo soporta la
segunda mitad del peso del eslabón 3.
Figura 4.13. Soportes del eje del eslabón 2.
El proceso de fabricación de estas piezas fue también por medio de la utilización
de la fresadora, utilizando un procedimiento similar al de las orejas del tobillo, pero para
este caso, el diámetro interno de los soportes es de 10 mm, al igual que el externo, sin
embargo se utilizan herramientas distintas para cada paso. Por otra parte, estas piezas
corresponden a cada pierna del robot, por lo tanto dan un total de cuatro soportes de 40
mm de longitud y cuatro soportes de 30 mm de longitud para el prototipo completo.
Es necesario recordar que tanto estos elementos de acople del eslabón 2, como la
mayoría de los elaborados en esta sección, son de aluminio, a excepción de las tapas de
64
madera para el tobillo mencionadas anteriormente, las gomas de las patas, y las bocinas
plásticas.
Para la pieza que corresponde al eje de transmisión en este eslabón 2, el proceso
de fabricación fue muy sencillo, puesto que sólo fue necesario cortar cuatro segmentos
de 120 mm de longitud cada uno, de una barra de aluminio de 10 mm de diámetro. Para
obtener las medidas necesarias de las cuatro barras, se realizaron los cortes aproximados
con una tronzadora de disco, máquina que permite hacer cortes de piezas. Sin embargo,
como los acabados con esta herramienta no son uniformes, es necesario realizar un
proceso de refrentado en el torno, que consiste en alisar las caras de las barras, logrando
un buen acabado superficial. Este mismo proceso se realizó para las barras del tobillo
que van acopladas con el aro del mismo.
Seguidamente, se realizó la pieza externa del eslabón 1, que en un principio
estaba constituida por un segmento de tubo de 190 mm de diámetro externo, y 50 mm
de largo. Sin embargo, no fue posible conseguir esta pieza al momento de la compra de
materiales por lo que se consideró un proceso de fabricación alterno, el cual consistió en
cortar cuatro láminas (una para cada pata) con la longitud del perímetro del tubo
seleccionado inicialmente, que es igual a 597 mm, que luego serían llevadas a una
forma redondeada por medio de la utilización de una calandra, máquina que permite
generar curvas en láminas, y luego se soldaron sus extremos. Como estos aros serían
posteriormente atornillados a tapas circulares para crear una superficie cerrada, se
decidió agregar pestañas al diseño de las láminas antes de ser dobladas, para facilitar
cualquier otro tipo de proceso de fabricación. Adicionalmente, se realizó el agujero que
serviría de acople para el actuador de este eslabón, con un taladro, máquina que permite
realizar cortes profundos a piezas por medio de herramientas giratorias. La figura 4.14
muestra el ensamblaje del eslabón 1, donde se aprecia la lámina circular, el actuador,
que es ajustado tanto por la lámina como por el acople del mismo.
65
Figura 4.14. Ensamblaje del eslabón 1.
La figura 4.15 (a) muestra la imagen de la nueva pieza diseñada para sustituir al
aro de 190 mm. Se construyó con una lámina de aluminio de 2 mm de espesor, 597 mm
de largo, 50 mm de ancho, sin contar los 15 mm adicionales que constituyen las
pestañas. En la figura 4.15 (b) se puede observar la pieza ya elaborada, con las pestañas
perforadas con agujeros de 3 mm, para permitir el paso de tornillos auto-roscantes. Esta
pieza se realizó en las instalaciones del Laboratorio E de la Universidad Simón Bolívar.
Figura 4.15 (a). Diseño de lámina para
construir el aro circular.
Figura 4.15 (b). Imagen del aro circular ya
construido.
Aún y cuando las piezas no se hicieron con un orden específico, se trató de
elaborar todos los elementos del prototipo que requerían ser maquinadas en la fresadora
66
en la primera etapa, para tener una segunda etapa de trabajos en el torno, para
simplificar el proceso de construcción.
Las piezas siguientes a construir fueron todas aquellas que requerían como
material láminas de aluminio de 4 mm de espesor. Éstas corresponden a las láminas
laterales que conforman el eslabón 3 y el eslabón 4.
Para las láminas del eslabón 3, se necesitaban dos piezas para cada extremidad,
dando un total de ocho elementos para el prototipo completo. Primero se hicieron cortes
de piezas de medidas 250x50 mm, que luego serían mecanizadas para obtener la forma
requerida. Esto se hizo en la fresadora, donde también se realizaron los orificios para los
tornillos y para los acoples con el eslabón 2. Igualmente, se realizaron las ranuras que
corresponden a la sección de ensamblado de las piezas cuadradas de 50x50 mm
mostradas en las figuras 3.14 (a) y 3.14 (b). La figura 4.16 muestra la imagen de este
elemento en el proceso de diseño.
Figura 4.16. Lámina lateral del eslabón 3.
Seguidamente se realizó la fabricación de las láminas laterales del eslabón 4, que
van acopladas a las piezas anteriores. Las mismas tienen una longitud de 305 mm por
un ancho de 50 mm, sin embargo, al igual que los elementos laterales del eslabón 3, sus
67
acabados no son rectos sino curvos, por eso es necesario un proceso de mecanizado para
conseguir la forma exacta de las mismas. Adicionalmente, estas piezas requirieron un
proceso de doblado de lámina, que se realiza en una máquina cuya función es crear
ángulos en láminas previamente definidos, denominada dobladora. Este proceso se
realizó en los extremos de dichos componentes, con un ángulo de inclinación de 5º con
respecto a la longitud central, como se explicó en la etapa de diseño en detalle.
Exceptuando este último paso, todos los detalles realizados para este eslabón se hicieron
en la fresadora. La imagen de la figura 4.17 (a) muestra la pieza en el proceso de diseño,
y la figura 4.17 (b) muestra la pieza en el proceso de construcción.
Figura 4.17 (a). Lámina del eslabón 4
en el proceso de diseño.
Figura 4.17 (b). Lámina obtenida en el
proceso de construcción.
Unas de las piezas más sencillas de fabricar fueron las que siguen a
continuación, que son las correspondientes a las láminas circulares que actúan como
‘tapas’ del ensamblaje del eslabón 1. Éstas son simplemente piezas redondas, con un
diámetro de 190 mm, e, inicialmente, con un espesor de 4 mm. Sin embargo, al
momento de revisión del diseño antes de iniciar la construcción, se analizó que estas
tapas no están sometidas a esfuerzos, por lo tanto, su espesor no es importante, ya que
aporta peso extra al prototipo, y la función de estas piezas es simplemente la protección
del compartimiento interno de este eslabón en cuestión, donde se encuentra almacenado
68
uno de los actuadores con sus respectivos engranajes cónicos que permitirán la
transmisión de potencia al siguiente eslabón. Para cada extremidad corresponden dos
tapas, una superior y una inferior. La pieza superior tiene la función de acoplar el
actuador del eslabón 1 con la lámina del cuerpo del robot, que corresponde a la pieza
elíptica. Mientras tanto, la pieza inferior sólo tiene como objetivo proteger el
ensamblaje de este link.
Posteriormente se inició la construcción de la pieza faltante del tobillo, que es la
responsable del segundo grado de libertad del mismo, mostrada en la figura 3.17. Se
diseñó una pieza única, sin embargo, como su proceso de fabricación resultaba
complicado, se decidió elaborar la misma en la máquina de CNC, siglas en inglés para
una herramienta mecánica de control numérico, que permite realizar piezas complejas
de manera práctica y eficiente.
Se elaboraron las piezas que actúan como ejes de rotación tanto en el tobillo
como en la rodilla. Aún y cuando difieren en medidas, la estructura de ambas
es similar, puesto que son barras con dos cambios de sección. Éstas fueron realizadas
íntegramente en el torno. La figura 4.18 muestra uno de estos elementos en el proceso
de diseño.
Figura 4.18. Ejes de rotación del tobillo y rodilla del prototipo.
En procesos de diseño y construcción en general, es recomendable trabajar con
bronce o latón como materiales de construcción de las bocinas, elementos cuya función
es permitir la rotación de otras piezas evitando su desgaste. Sin embargo, debido a que
69
estos materiales son costosos, se analizaron diferentes alternativas, optando finalmente
por el plástico, puesto que resultaba mucho más económico. Esta modificación no
compromete en gran medida la vida útil de las piezas del prototipo, puesto que, debido a
las bajas velocidades a las que trabaja el robot, sus elementos no se ven sometidos a
grandes esfuerzos, por lo que el desgaste por roce o fricción de componentes es bajo.
En general, la estructura de todas las bocinas requeridas en el diseño es similar,
teniendo diferencias en las medidas. Se necesitaron, en total, una bocina para el tobillo,
dos para la rodilla y tres para el eslabón 2. Esto, por supuesto, es para cada pierna del
robot. La figura 4.19 muestra la imagen de la bocina de la rodilla, como ejemplo
ilustrativo de una de estas piezas, en el proceso de diseño.
Figura 4.19. Bocina de la rodilla.
Finalmente, las últimas piezas a construir fueron los acoples de los actuadores de
los eslabón 1 y eslabón 2, ambas exactamente iguales, por lo que corresponden dos para
cada extremidad, para un total de ocho elementos de ensamblaje de motores. Estas
piezas fueron elaboradas al final puesto que su proceso de mecanizado resultaba más
complicado que todas las anteriores, y se necesitaba precisión en las medidas. Para
obtener un mejor acabado, estos elementos fueron desarrollados en la máquina de CNC.
La figura 4.20 muestra el diseño de esta pieza de acople.
70
Figura 4.20. Pieza de acople de actuadores.
Todo lo anterior explica detalladamente el proceso de fabricación de las piezas
que componen el prototipo cuadrúpedo desarrollado. Sin embargo, no todos los
componentes del mismo fueron elaborados, como los engranajes cónicos y el sistema de
poleas y correa sincrónica que permiten la transmisión de potencia. Estas piezas no se
distribuyen a nivel nacional, lo que dificultó su adquisición, y por otra parte, las
dimensiones de estos elementos dependen directamente de los cálculos cinemáticos, que
permitirán obtener la potencia requerida para el movimiento de cada link del prototipo,
y posteriormente estructurar el sistema de transmisión.
Debido a la falta de las piezas nombradas, no fue posible realizar pruebas al
prototipo. Aún y cuando se espera que el mismo cumpla con los objetivos para los
cuales fue diseñado, las pruebas experimentales son indispensables para comprobar la
confiabilidad del robot, por lo que se sugiere que este proyecto sea continuado a la
brevedad posible.
Es necesario recordar que un proceso de construcción requiere de la adquisición
de los materiales necesarios para el mismo, y el costo de éstos es uno de los factores
determinantes en la elaboración de cualquier tipo de proyecto. Para este caso, se hizo un
estudio de mercado, con la finalidad de adquirir los materiales en los precios más
económicos posibles. Afortunadamente en algunos casos se pudieron utilizar elementos
reciclados, como algunos trozos de láminas de aluminio, recortes de madera MDF y
plásticos, entre otros, lo que significaron costos nulos para el proyecto, sin embargo, fue
71
necesario adquirir la gran mayoría de los materiales en los establecimientos pertinentes,
lo que requirió la inversión de Bs. 1343,40.
La tabla 4.21 muestra en detalle todos los materiales utilizados para el prototipo
cuadrúpedo y sus costos individuales.
Adicionalmente, se debe destacar que la continuación de este proyecto requiere
la adquisición de los actuadores y los elementos mecánicos encargados de la
transmisión de potencia, que por ser importados, generarán altos costos para el
desarrollo del prototipo.
72
Tabla 4.21. Lista de materiales utilizados con sus costos.
Ítem Cant.
Descripción
Tabla de MDF de 50x50 mm reciclada
Unidad
Total
(Bs)
(Bs)
0,00
0,00
0,80
16,00
1
1
2
20
3
2
Barras de Pegamento UHU de 60 ml
18,50
37,00
4
1
Cartón reciclado
0,00
0,00
5
1
Poliol 0,5 gal
23,50
23,50
6
1
Isocianato 0,5 gal
30,40
30,40
7
1
Bolsas plásticas recicladas
0,00
0,00
8
2
Arcilla para moldear 500 g
6,20
12,40
9
6
Yeso 1 Kg
3,00
18,00
10
1
Resina rígida preacelerada 1 gal
56,30
56,30
11
1
Paquete de tela de fibra de vidrio tipo Mat
40,20
40,20
12
1
Lata de Masilla 500 g
35,20
35,20
13
2
Panelas de jabón azul
3,50
7,00
14
1
Cera para limpiar pisos de uso doméstico 1 L
26,70
26,70
15
1
Lavapoliéster 0,5 gal
21,00
21,00
16
1
Catalizador 0,1 gal
4,50
4,50
17
1
Vaselina 100 g
3,20
3,20
18
2
Barra redonda de aluminio de 3/8", largo 50 cm
15,00
30,00
19
1
Barra redonda de aluminio de 1/2", largo 50 cm
32,00
32,00
20
1
Barra redonda de aluminio de 7/8", largo 50 cm
60,00
60,00
21
1
Barra redonda de aluminio de 1", largo 50 cm
85,00
85,00
22
1
Barra redonda de aluminio de 1 1/2", largo 50 cm 120,00
120,00
23
1
Tubo redondo de aluminio de diámetro 3"
65,00
65,00
24
1
Tubo redondo de aluminio de diámetro 7 1/2"
110,00
110,00
25
1
Lámina de aluminio 1,20x2,40 m; espesor 4 mm 450,00
450,00
26
1
Alambres de 2 mm de diámetro x 50 cm de
largo
Tornillos varios
TOTAL GASTOS
60,00
60,00
1270,00 1343,40
73
CAPÍTULO 5
ESTUDIO CIEMÁTICO Y DIÁMICO DEL PROTOTIPO
5.1 Selección del método de estudio
Para el estudio de los movimientos de partículas y cuerpos rígidos en el espacio,
se han utilizado las Leyes Fundamentales de la Mecánica Clásica, siendo éstas el
resultado de los años de investigación de Sir Isaac Newton razón por la cual es también
llamada Mecánica Newtoniana. Para esto, es necesario establecer un sistema o varios
sistemas de referencia inerciales, a partir de los cuales se formulan las ecuaciones
derivadas de las Leyes de Newton.
La mecánica permite estudiar el movimiento de un cuerpo o sistema de
partículas, dependiendo de las condiciones del mismo. Se conoce como Estática a la
rama de la mecánica que analiza las fuerzas en equilibrio, donde se asume que la
variación de posición del elemento en estudio es nula con respecto al tiempo.
Seguidamente, la Cinemática considera el movimiento del o los cuerpos sin tomar en
cuenta las causas que lo producen, y por último, la Dinámica permite detallar el
movimiento considerando las variables que lo generaron.
Para este proyecto, es necesario el estudio dinámico del movimiento del
prototipo cuadrúpedo, puesto que el mismo permitirá conocer el torque necesario para el
movimiento de cada eslabón o link del robot, valores indispensables para realizar la
selección de actuadores con la potencia necesaria para generar el movimiento de cada
sección del robot.
Sin embargo, aún y cuando la Mecánica Clásica ha sido utilizada y generalizada
para innumerables casos de la física, algunos científicos dedicados al estudio de la
robótica consideraron que la aplicación de la Segunda Ley de Newton para el análisis
dinámico de sus prototipos era muy amplia, y el movimiento de una extremidad de un
robot tiene infinitas soluciones, por lo tanto el razonamiento newtoniano no generaría
los valores requeridos para la definición del movimiento en un procedimiento breve. Por
esto, Jaques Denavit y Richard S. Hartenberg propusieron en 1955 un método matricial,
conocido como Método D-H, que permite establecer de manera sistemática un sistema
de coordenadas ligado a cada link de una extremidad de un prototipo determinado,
74
pudiéndose determinar a continuación las ecuaciones cinemáticas de la extremidad
completa.
Según la representación D-H, escogiendo adecuadamente los sistemas de
coordenadas asociados para cada link, es posible pasar de uno al siguiente mediante
cuatro transformaciones básicas que dependen exclusivamente de las características
geométricas del link. A este método se le conoce como Inverso, puesto que se define la
posición del extremo de lo que sería la pierna del robot, y a partir de ésta se obtienen las
posiciones del resto de las secciones del mismo, mientras que la Mecánica Clásica es
conocida como método Directo, puesto que a partir de un sistema de referencia ubicado
en lo que corresponde al cuerpo del robot, se calculan las posiciones de cada uno de los
links que componen la pierna del robot.
Aún y cuando el método de Denavit y Hartenberg pueda resultar más práctico
para el estudio cinemático de un prototipo robótico, para este proyecto se aplicó la
Segunda Ley de Newton, puesto que es un método válido para el análisis del
movimiento de cualquier cuerpo o partícula, y no es limitativo, es decir, debido al
reporte de infinitas soluciones a partir del mismo, la Dinámica del Cuerpo Rígido
permitirá obtener un análisis más completo del movimiento. Las ecuaciones necesarias
para aplicar el mismo se enunciaron en el Capítulo 2 de este libro.
Tomando en cuenta la amplitud de soluciones que aporta la Dinámica del
Cuerpo Rígido, se realizó un proceso iterativo para obtener los valores necesarios de
torque para poder seleccionar los actuadores. Para esto fue necesario determinar un
rango de valores de las variables utilizadas, para reportar valores útiles de momento
angular. Para conseguir este promedio, se hizo una revisión bibliográfica de prototipos
existentes, y se tomaron los datos de velocidad y aceleración lineal, velocidad y
aceleración angular.
Para el caso de la velocidad lineal, se obtuvo un promedio de los valores de las
mismas para el total de prototipos analizados, y este valor medio fue el seleccionado
como punto de partida para el cuadrúpedo de este proyecto. Ésta es la velocidad del
centro de masa del robot, que coincide con el cuerpo central del mismo. La tabla 5.1
muestra algunos de los prototipos estudiados, y el valor final de la velocidad promedio
utilizado para el análisis cinemático.
75
Tabla 5.1. Promedio de velocidades de prototipos existentes.
Autor(es)
Mc Ghee
Okhotsimski
y Platonov
Gurkinfel
Año de
investigación
1977
Ohio State
1976
-------
1980`s
Moscú
2006
comunicaciones
Kimura,
Fukuoka y
Universidad
Estados
Nombre del
robot
de Tokyo
Boston
Boston
2005
Company
Peso del
Velocidad
robot (Kg) lineal (m/s)
Hexapod
Hexápodo
100
0,1
Rusia
Hexapod
Hexápodo
56
0,2
Rusia
MASHA
Hexápodo
22
0,25
Japón
TEKKEN1
Cuadrúpedo
18
0,5
LittleDog
Cuadrúpedo
25
0,3
1
0,18
Unidos
Dynamics
Company
Estados
Unidos
Laboratorio de
Neveu
Tipo de robot
Electro -
Cohen
Dynamics
País
2001
Robótica de
Cuadrúpedo
Francia
Hedgehog
España
SILO 6
Hexápodo
60
0,03
España
REST 2
Cuadrúpedo
40
0,02
España
SILO 4
Cuadrúpedo
30
0,03
España
RIMHO
Cuadrúpedo
65
0,02
Japón
TITAN VIII
Cuadrúpedo
25,6
0,2
París
VIRTUAL
Instituto de
-----
2005
Automática
Industrial CSIS
Madrid
Instituto de
-----
2005
Automática
Industrial CSIS
Madrid
Instituto de
-----
2004
Automática
Industrial CSIS
Madrid
Instituto de
-----
2003
Automática
Industrial CSIS
Madrid
Takemura,
Deguchi,
Ogasawara y
Matsumot
Instituto de
2004
Ciencia y
Tecnología de
Nara
Promedio
de
velocidad
0,1664
76
m
El valor promedio de la velocidad lineal obtenido se aproximó a 0,2 /s para
obtener un mejor ajuste de resultados. Posteriormente fue necesario suponer distintas
posiciones de la pata del robot para conseguir el punto crítico donde fuese necesario
aplicar el torque máximo, valor necesario para seleccionar el actuador para cada link.
Igualmente fue necesario establecer los valores de velocidad y aceleración
angulares, para comenzar el proceso de iteraciones, y en este caso se seleccionaron los
valores máximos obtenidos por otros proyectos de grupos de investigación, para acercar
los valores al punto crítico en menor cantidad de tiempo, puesto que de lo contrario, el
proceso iterativo hubiese sido muy extenso, y determinar conclusiones a partir del
mismo sería más complicado.
Para cada link, se probaron posiciones angulares entre 15º y 80º, rango en el cual
se realizó el proceso iterativo. Con esto, los valores de velocidades y aceleraciones, y
las inercias calculadas de cada link, se obtuvieron resultados de torque que permitieron
seleccionar los motores.
Aplicando las ecuaciones del cálculo de momento de inercia mostradas en el
capítulo 2, se obtuvo la matriz del Link 3, que se llamó Idc por el diagrama de cuerpo
libre asociado al sistema para realizar el análisis cinemático, y la matriz del Link 4,
llamada Ibc. Estas matrices se muestran a continuación:
−4
−3

0.035
4.7 × 10
−5.332 × 10 

− 3  m2⋅ kg
Idc =  4.7 × 10− 4
0.036
3.078 × 10



−3
−3
−3 
1.086 × 10
 −5.332 × 10 3.078 × 10

−3
−3 
 0.041
1.259 × 10
9.399 × 10



− 3 2
Ibc = 1.259 × 10− 3
0.043
−5.426 × 10  m ⋅ kg


−3
−3
−3 
−5.426 × 10
2.908 × 10
 9.399 × 10

(5.1)
(5.2)
Luego, se llamó Φ al ángulo de giro que proporciona el actuador del Link 1, θ23
al ángulo de giro que el Link 2 aporta al Link 3, y θ34 al ángulo del Link 4 con respecto
al Link3. Por otra parte, se llamó ω12 a la velocidad angular del Link 2, ω23 a la
77
correspondiente al Link 3, y ω34 a la asociada con el Link 4, y así mismo se enumeraron
las aceleraciones angulares, con la misma definición que las velocidades angulares, α12,
α23, α34. Teniendo en cuenta lo anterior, los valores utilizados para la última iteración
fueron los siguientes:
Φ=30º
ω12=1,5
rad
α12=0,15
/s
rad 2
/s
θ23=80º
ω23=2
rad
α23=0,25
/s
rad 2
/s
θ34=15º
(5.3)
rad
/s
(5.4)
rad 2
/s
(5.5)
ω34=3,5
α34= 0,35
Seguidamente, lo valores máximos de momento obtenidos a partir de los datos
anteriores se muestran a continuación, donde MD corresponde al momento del Link 3 y MC
al Link4.
 −0.094
MD =  0.403  J


 0.05 
 0.089 
MC =  −0.135 J


 0.039 
(5.6)
(5.7)
Finalmente, se seleccionaron tres tipos de actuadores, marca Faulhaber, de la serie
DC Micromotors, y los modelos se muestran en la tabla 5.2. Esta marca fue escogida por
sugerencia del equipo de Mecatrónica de la Universidad Simón Bolívar, puesto que es
considerada una de las mejores en el mercado.
78
Tabla 5.2. Selección de motores para los links del prototipo
Modelo de
Modelo de caja
Actuador
reductora
1
3863 ... C
.30/1
2
3242 ... CR
.32/1
3
3557 ... CS
.30/1
Link
79
CAPÍTULO 6
COCLUSIOES Y RECOMEDACIOES
6.1 Conclusiones
El estudio de las máquinas caminantes permite un gran avance para la robótica,
y sus aplicaciones colaboran en la solución de innumerables problemas de la ingeniería,
por lo que el desarrollo de la misma es necesario para evolucionar en el campo de la
mecatrónica.
Los robots cuadrúpedos son estables dinámicamente, y por tener menos
extremidades que un hexápodo o un octápodo, tienen una cinemática asociada más
sencilla, lo que simplifica el proceso de control del prototipo.
El análisis de los distintos tipos de caminar de distintas especies conocidas en el
mundo animal, es necesario para poder seleccionar la más apropiada al prototipo a
diseñar, tal que permita satisfacer las necesidades y objetivos propuestos.
Para este proyecto, se determinó que la combinación entre el caminar de los
reptiles y los insectos, específicamente una lagartija común y el insecto palito, aportan
una configuración estable, práctica y confiable para la adaptación a un prototipo
cuadrúpedo. Asimismo, el seleccionar este modelo, permitió trasladar peso de las
extremidades del robot al cuerpo del mismo, lo que significó un aumento de eficiencia
en el movimiento, y una reducción de momento de inercia innecesario en las piernas
que dificultaba el caminar del prototipo.
Continuando la idea anterior, mientras el centro de masa del robot se encuentre
en una posición más baja, es decir, más cercano al suelo, el prototipo será más
confiable, puesto que sus movimientos serán más estables, lo que impedirá pérdidas
innecesarias de potencia.
80
El proceso de diseño, no sólo de un robot, sino de cualquier proyecto en general,
requiere de una fase de conceptualización y desarrollo de ideas, que si no es delimitado,
puede volverse muy extenso y perderse el objetivo inicial. Igualmente, el tiempo que se
debe dedicar a esta fase es fundamental, puesto que en ésta se determina la
configuración del prototipo.
Para el proceso de construcción, deben ser considerados y analizados los
distintos procesos de fabricación a llevarse a cabo, puesto que los mismos influyen
considerablemente en el análisis de costos del prototipo. En la medida de lo posible, es
necesario simplificar la elaboración de piezas, para obtener una disminución en el costo
del proyecto, y la posibilidad de obtener las piezas en un menor tiempo posible gracias a
la aplicación de procesos sencillos y prácticos en la construcción.
Igualmente, se debe tomar en cuenta que al momento de la construcción, algunos
detalles del proceso de diseño deben ser modificados. Por lo tanto, se realiza un trabajo
continuo y constante durante todo el proyecto, donde una buena interacción de las
etapas de desarrollo del prototipo permitirá la obtención de un ejemplar óptimo.
La propuesta de distintas opciones en cuanto a la selección de materiales a
utilizar, permite añadir versatilidad al prototipo, además de abaratar costos y reducir
peso al mismo, sin embargo, es necesario prestar atención a la resistencia de éstos,
puesto que no se puede comprometer la confiabilidad del cuadrúpedo.
6.2 Recomendaciones
Para obtener prototipos posteriores más eficientes, es necesario realizar el
proceso de diseño y construcción del robot con asistencia de un equipo de Ingeniería
Electrónica, puesto que al analizar todas las etapas de la máquina en conjunto, se
pueden resolver los problemas e inconvenientes, tales como ciertas incompatibilidades,
de manera rápida y efectiva. Por otra parte, esto permite la realización de pruebas de
movimientos dirigidos por los actuadores y el sistema de control, lo que permite un
análisis integral del prototipo.
81
Al crear un equipo de trabajo, es posible dividir el proyecto entre los miembros
del mismo. Esto permite un avance más acelerado en el proyecto, puesto que los
alcances de cada objetivo están previamente delimitados, y el equipo puede organizarse
de manera que se resuelvan las actividades en conjunto.
Una vez culminado el proceso de elaboración de todos los elementos que
conforman el prototipo, se sugiere realizar pruebas dinámicas del mismo, para
comprobar su funcionalidad. Igualmente, al ser agregados los motores de los links para
permitir los movimientos actuados, es posible comprobar la compatibilidad entre el
sistema mecánico y el sistema electrónico del robot, que es controlado por un sistema de
control. Esto implica la continuación inmediata de este proyecto.
La utilización de otro tipo de materiales para la elaboración de las piezas del
prototipo podría resultar más práctico, e incluso más económico. Se sugiere analizar la
posibilidad de que ciertos compuestos poliméricos puedan sustituir al aluminio, puesto
que ciertas categorías de los mismos poseen alta resistencia a la aplicación de fuerzas
externas. Éstos poseen la ventaja de ser muy livianos, lo que mejoraría la eficiencia del
prototipo, sin embargo, es necesario hacer pruebas y ensayos de esfuerzos en los
laboratorios pertinentes para comprobar la confiabilidad de los mismos, y seleccionar el
más adecuado.
Se recomienda hacer una comprobación del estudio cinemático del prototipo a
través del medio de Denavit y Hartenberg, para establecer los parámetros fijos de
potencia requerida para cada link del robot. Los valores obtenidos por medio de la
cinemática clásica aportan resultados aproximados, puesto que este método puede
arrojar infinitas soluciones.
Además de realizar pruebas para comprobar la funcionalidad mecánica del
cuadrúpedo, es posible experimentar otras alternativas, tales como el transporte de masa
adicional, lo que genera fuerzas externas al prototipo, movimiento sobre superficies
irregulares, e incluso en condiciones climáticas adversas, en caso de ser posible.
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83
APÉDICES
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APÉDICE A
Planos de taller de las piezas del prototipo
105
APÉDICE B
Ejemplo de hoja de cálculos de Math Cad