Diseño de una plataforma de control portable para robots continuos paralelos impulsados por varillas

En este proyecto se diseñó e implementó una plataforma portátil, modular y escalable junto con un sistema de control. Se creó una especificación en G-Code para la programación del robot y una aplicación de línea de comandos para interactuar con el sistema. Se desarrolló una solución de montaje versátil y los actuadores lineales que mueven las varillas.

Contexto

Los robots paralelos se caracterizan por tener múltiples cadenas cinemáticas cerradas que conectan y mueven plataformas móviles, en contraste con los robots en serie que operan con una cadena cinemática abierta. Investigaciones recientes en robótica exploran nuevas alternativas en robots paralelos, empujando los límtes del campo y fomentando nuevas posibilidades.

En particular, los robots continuos destacan por su ligereza y flexibilidad, y tienen la capacidad de adentrarse en nuevos campos tales como la medicina o la exploración de lugares de difícil acceso. Estos robots se clasifican según su diseño, distinguiendo entre métodos de actuación extrínseca e intrínseca. La actuación extrínseca implica transmitir el movimiento desde la base del robot a lo largo de su estructura, mientras que la intrínseca utiliza actuadores dentro del marco estructural del robot para producir movimiento. Los robots impulsados por varillas son un ejemplo notable de robots con actuación extrínseca.

Los desafíos actuales en el desarrollo de robots continuos paralelos incluyen la miniaturización de actuadores, la integración con robots rígidos, la exploración de materiales inteligentes, entre otros. Los esfuerzos de modelado se centran en representar entornos de interacción y en mejorar las implementaciones en tiempo real, así como en estandarizar los entornos de simulación. En cuanto a los desafíos que existen actualmente en el control, se encuentran el asegurar una manipulación precisa y la adaptación a entornos dinámicos mediante tecnología avanzada de sensores y estrategias adaptativas.

Estructura robots actuados por varillas

Los robots paralelos continuos actuados por varillas son una clase de robots relativamente nueva. Para el diseño de la plataforma fue necesario limitar las dimensiones y las características generales de la estructura de estos robots. El tipo de robot objetivo consiste en un diseño a menor escala de otro ya desarrollado por unos investigadores, que se tomó como referencia por su versatilidad, simplicidad y amplio rango de movimiento.

Los materiales más utilizados en este tipo de robots son varillas de fibra de vidrio y alambres de acero. Estos materiales se usan debido a su alta rigidez y capacidad para soportar flexiones significativas sin presentar deformación plástica ni fractura. Las aleaciones de acero, como el AISI 302, comúnmente empleado en resortes, ejemplifican estas propiedades. Este fue el material que se escogió debido a su disponibilidad comercial y al hecho de que, a pesar de tener un módulo de elasticidad bastante alto, es posible alcanzar grandes deflexiones con los diámetros con los que se suelen encontrar.

El robot se compone de dos segmentos, ambos formados por alambres, vértebras y uniones entre las vértebras y los alambres. Las uniones son de tipo cerrado, cilíndrico y, además de unir los componentes, también restringen el movimiento de las varillas para poder controlar el robot. Las estructura al igual que la del modelo de referencia, tiene forma de un cono truncado que aporta estabilidad y rigidez.

Actuadores lineales

Una característica de los robots paralelos es que usan actuadores lineales. De hecho, ahí viene su nombre y en este robot se evidencia más este hecho al moverse a partir de actuadores lineales en paralelo: tres por segmento, uno por cada alambre. Sin embargo, los actuadores lineales comerciales cuantan con una distancia de recorrido fija y no modificable, lo que supone una limitación importante a la hora de crear una plataforma portátil y flexible para distintas variaciones de robots actuados de varillas. Afortunadamente, los robots continuos abren un nuevo abanico de posibilidades ya que lo que en realidad se necesita es desplazar linealmente un alambre, lo cual es muy parecido a lo que hace un extrusor de impresoras 3D.

Se desarrolló un actuador lineal inspirado en el mecanismo de actuación de los extrusores de impresoras 3D, pero con unas dimensiones menores. Este modelo se concibió para fabricación mediante impresión 3D. En el diseño también se tuvieron en cuenta las restricciones geométricas para miniaturizar los actuadores. Se usó un micromotor reductor DC con codificador magnético de efecto Hall para contar y controlar el número de revoluciones del mismo.

Plataforma

El ensamble de la plataforma comprende la integración de un arreglo de actuadores en una estructura que soporte la estructura y la electrónica necesaria para el control de la plataforma. La estructura tiene tiene seis actuadores, una base hexagonal hecha con acrílico y la unidad de control se encuentra en una caja. Tiene una altura de 30 cm y toda la plataforma entera pesa alrededor de 1 kg.

Para la caja de electrónicos se usó un Arduino MEGA 2650 y las conexiones se hicieron en una protoboard. Esta cuenta con un power plug, un puerto serial, un botón de emergencia, un botón de encendido, una conexión de 5 pines para conectar un joystick y dos puertos IDC para conectar la unidad con los actuadores lineales. El microcontrolador recibe comandos de un ordenador por medio de un puerto serial y se alimenta con una fuente de 9 voltios que va conectada a los puentes H, que a su vez alimentan a los motores y controlan la polaridad y la velocidad.

Interfaz de sistema de control

Uno de los objetivos del proyecto fue idear un protocolo para controlar el robot. Aunque el robot cuenta con una entrada para un joystick, esta no sería suficiente para controlar el robot en un espacio tridimensional. Además, la plataforma se concibió como una que pudiese adaptarse a cualquier requerimiento del usuario, lo que resalta la necesidad de desarrollar dicho protocolo. El sistema de control es directo, es decir, se especifica la distancia o posición de cada actuador. Se desarrolló una especificación basada en G-Code para el envío de comandos, ya que es un estándar usado ampliamente en la industria y que, además, se ajusta al control directo, la adaptabilidad y la simplicidad de la plataforma.

Se realizaron pruebas para determinar la función de transferencia y ajustar los parámetros del controlador PID que se utilizó para controlar la posición de los motores de los actuadores lineales. Por otro lado, además del firmware del microcontrolador, también se desarrolló una aplicación de línea de comandos para establecer comunicación con la plataforma y para el envío de comandos en tiempo real de manera manual o por medio de un archivo de instrucciones de G-Code. De esta manera, se espera que de esta manera el usuario tenga la posibilidad de programar y adaptar el robot a sus necesidades.

Resultados y conclusiones

El desarrollo de la plataforma robótica integró el diseño mecánicao, la teoría del control y el desarrollo de software en su proceso. Mediante pruebas, se comprobó que el diseño y el prototipo podrían sentar las bases para la experimentación y el control de robots paralelos continuos actuados por varillas. Se encontraron ciertas dificultades en su construcción, pero se logró el objetivo principal de diseñar un sistema robótico flexible y programable.

Las dificultades encontradas en la fabricación de actuadores lineales pusieron de manifiesto la necesidad de un método de manufactura preciso y de mejoras iterativas en el diseño. El método de fabricación empleado, que fue la manufactura aditiva mediante impresión 3D, presentó ciertos defectos de fabricación que afectaron la calidad y el rendimiento de los actuadores lineales. Esto es algo que ha de tenerse en cuenta en futuras iteraciones dirigidas a optimizar el rendimiento y la fiabilidad de estos actuadores. Por otro lado, también se debe mejorar la caja de electrónica, ya que el uso de una protoboard y jumpers no es lo más apropiado a la hora de crear una unidad de control fiable y robusta, ya que es propensa a errores y de difícil ensamble.

No se llegó a implementar el método de control análogo mediante un joystick y algunos aspectos del firmware no se implementaron por completo. Sin embargo, la arquitectura establecida proporciona una base sólida para ampliar la funcionalidad tanto en software como en hardware. La naturaleza modular del sistema permite incorporar sensores, actuadores y periféricos adicionales con facilidad. El firmware se diseñó de manera que se puedan añadir nuevos comandos y características con un mínimo de reconfiguración. Se espera que esta flexibilidad inherente sirva para futuros desarrollos y aplicaciones.