Diseño e implementación de un brazo robótico educacional con

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Vector 6 (2011) 45 - 53
ISSN 1909 - 7891
Diseño e implementación de un brazo robótico
educacional con aplicaciones culinarias
Juan Lópeza, Fabián Padillaa, MiguelLunaa, CésarPeñaa*
a
Departamento de Ingeniería Mecánica, Mecatrónica e Industrial, Universidad de Pamplona.Villa del Rosario, Colombia.
Recibido: 12 de septiembre de 2012. Aprobado: 30 de marzo de 2015.
Resumen
Este artículo propone el desarrollo de una aplicación robótica de tipo educacional en el campo de la culinaria. Algunas de las premisas
del diseño del robot fueron el bajo costo de fabricación, una fácil replicación por parte de estudiantes de robótica, uso de elementos de
fácil adquisición, la posibilidad de implementar y verificar algoritmos típicos en un curso básico de robótica tales como la cinemática
directa e inversa, planeación de trayectorias, control cinemático, entre otros. En la aplicación propuesta el robot es capaz de realizar una
rutina para preparar un perro caliente, lo que incluye desde la cocción de la salchicha, la preparación del pan, la elaboración del mismo,
hasta el punto de dejarlo listo para servir.
Palabras clave: robótica, culinaria, educación.
Design and implementation of an educational robotic arm with culinary applications
Abstract
This article proposes the development of an educational type robotic application in the field of culinary. Some of the robot design assumptions were: low manufacturing cost, easy replication by students of robotics, use of readily available components, the possibility to
implement and verify some typical algorithms in a basic course in robotics such as direct and reverse kinematics, path planning, kinematic control among others. In the proposed application, the robot was able to perform a routine to prepare a hot dog, which includes
everything from cooking the sausage, bread making, preparing the hot dog to the point of having it ready to be served.
Key words: software Robotics, culinary, education.
1. Introducción
Uno de los campos donde la tecnología ha avanzado
y que se puede ver a simple vista, es el campo del
hogar, más específicamente la sección de cocina o
culinaria. Hace unas décadas muchas cocinas estaban
dotadas solamente por estufas de leña, recipientes de
barro con capas de arena humedecida con agua para
preservar los alimentos. Ahora se puede observar una
gran cantidad de artilugios que hacen estas tareas
domésticas mucho más amigables, tales como: estufas
de gas, vitro-cerámicas, extractores de olores, neveras,
microondas, hornos, procesadores de alimentos,
exprimidores eléctricos de naranja, lavavajillas,
trituradores de basura, entre muchos otros. Hoy en
día, gracias a la expansión de los robots en diversos
campos, se pueden ver en este tipo ambientes, por lo
cual se les ha denominado: robots de cocina.
* Autor de correspondencia.
E-mail: [email protected] (C. Peña)
Un robot de cocina, también llamado procesador
de alimentos, multiprocesadora o simplemente
procesadora, es un electrodoméstico usado para
realizar diversas tareas repetitivas en el proceso de
preparación de la comida (Liaet al., 2011). Actualmente
el término alude casi siempre a un aparato eléctrico,
aunque existan algunos dispositivos mecánicos que
realizan la misma función(Erzincanli y Sharp, 1997b).
Dependiendo del modelo de robot, estos pueden
preparar una gran variedad de recetas entre las cuales
se destacan: jugos naturales, salsas, cócteles, helados,
pizzas, postres. Además, posee diferentes funciones
como batir, triturar, rallar, picar, amasar o mezclar
(Wang et al., 2009). Las capacidades más comunes son:
cortar verduras, picar frutos secos, semillas, carne,
o fruta seca, rallar queso y verdura, elaborar purés,
mezclar y amasar (Jazbec et al., 2007).
Existen múltiples tipos de robots de cocina que se
pueden encontrar en el mercado, algunos ejemplos son:
Batidoras de vaso: Son perfectas para picar frutos
secos, mezclar, hacer batidos espumosos, mayonesa.
Su espacio es reducido, no ocupa mucho en la cocina.
Juan López, Fabián Padilla, Miguel Luna, CésarPeña / Vector 6 (2011) 45-53
Robots de cocina básicos: Hacen todas las
funciones de las batidoras de vaso y además pueden
llevar exprimidor, licuadora, discos para rallar, picar
y cortar en rodajas de distinto grosor o en tiras, brazos
para amasar. De ahí que ocupen más espacio por los
distintos accesorios que lleva.
Amasadoras: Sirven para batir, amasar. Ocupan un
lugar fijo en la cocina porque son bastante voluminosos.
Procesadores de alimentos: Son los robots de
cocina más complejos. Además de realizar funciones
básicas como cortar, triturar, licuar, moler, algunos se
pueden programar, cuentan con recetas en la memoria
y, dependiendo de los accesorios que se les añada, sus
funciones pueden multiplicarse (Erzincanli y Sharp,
1997a).
Los nuevos modelos de robots de cocina no solo
realizan múltiples labores en la cocina, sino que al
programarse de forma adecuada pueden comenzar a
preparar la comida a la hora solicitada, y trascurrido el
tiempo indicado de cocciónla mantienen caliente y lista
hasta el momento de su consumo. Además de facilitar
las tareas de procesado en las cocinas, algunos robots
son capaces de cocinar los alimentos, prepararlos para
su consumo y mantenerlos en estas condiciones hasta
entonces (Gravotet al., 2006; McDonaldy Sun,2001).
Entre los modelos más exitosos, se encuentran:
Thermomix: Quizás sea el robot alemán más
conocido en el área. Fabricado por Vorwerk, tiene
funciones tales como: báscula de peso, amasa, bate,
ralla y muele, tritura, licua, exprime, cuece y todo en
un solo aparato. Permite hacer auténtica comida casera
y cuenta con numerosas recetas que se amplían día a
día. Tiene una capacidad de 2 litros.
Chef 2000: Este robot de cocina fríe, cuece,
hornea, cocina a presión y prepara las recetas con
solo introducir los ingredientes en crudo dentro de la
cubeta y apretar un botón. Es rápido, limpio y fácil de
manejar y ocupa muy poco sitio, además no ensucia
nada. Tiene una capacidad de 5 litros o para unas 10
personas. Consumo de energía mínima.
Cookfast: Puede cocinar todo tipo de platos gracias
a sus funciones: hervir, cocinar al vapor, guisar,
hornear, calentar, etc. Tan solo deberá introducir los
ingredientes en crudo y programar a qué hora quiere
tener la comida preparada.
[ 46 ]
Di4 turbochef: Cuenta con 23 velocidades, un único
mando, zona de cocinado o de cocción y un fichero con
300 prácticas recetas (Nakauchi et al., 2005).
A pesar del avance en tecnología, y de los
electrodomésticos que ayudan al momento de cocinar,
aún no se cuenta con un control total sobre tareas fijas
como cocinar, asar o freír alimentos, lo que hace pensar
o buscar la forma de cómo suplir esta necesidad en el
hogar.
En este campo se propone desarrollar algún tipo
de brazo robótico que cumpla la función de “chef”, es
decir, que cocine algún alimento o receta específica,
bajo una serie de parámetros y que además cumpla
con las normas de higiene y sanidad, propias de un
elemento de cocina.
El objetivo de la aplicación robótica propuesta en
este artículo es la preparación de perros calientes,
donde el brazo llevaría una salchicha hasta un freidor
o calentador, le da vueltas para una cocción uniforme,
posteriormente el brazo pondrá el pan a calentar para
luego colocarle la salchicha y proseguir a servirlo.
Esta aplicación proporcionaría grandes ventajas a este
tipo de proceso, como son:
·
·
·
Realización de tareas sin la presencia de humanos,
lo cual bajaría el riesgo de accidente.
Ahorro en personal, puesto que el proceso estaría
completamente automatizado.
100% de higiene, puesto que las herramientas
estarían esterilizadas y no hay contacto con ningún
otro agente, durante la elaboración.
Cabe resaltar que este proyecto está enfocado como
una aplicación educativa que motive a los estudiantes
de esta disciplina a su replicación y, de esta forma,
adquieran o fortalezcan los conocimientos adquiridos.
2. Materiales y Métodos
2.1. Características del robot
Para el diseño del brazo robótico, se utilizó el
software de simulación SolidWorks, en el cual se
tuvieronen cuenta todas las medidas reales de los
componentes del brazo, tales como servomotores,
eslabones, pinza y tornillería. Este modelo, se puede
apreciar en la siguiente figura:
Diseño e implementación de un brazo robótico educacional con aplicaciones culinarias
que los de mayor capacidad, se utilizaron en la base
y el codo del robot. En la Tabla 1 se pueden apreciar
las principales características de los servomotores
seleccionados.
Tabla 1
Características de servomotores
SERVO
HS-645MG
HS-322HD
HS-422HD
Piñonería
Karbonita
Nylon
Nylon
Voltaje (V)
Velocidad
(Sec/60°)
Torque (kg.
cm)
4,8/6,0
4,8/6,0
4,8/6,0
0,24
0,21
0,23
7,7
3
3,3
2.2.Características del dispositivo (prototipo)
Figura 1. Modelo del brazo robóticosimulado en un CAD.
Posteriormente, se utilizó el archivo de dibujo
asistido por computador, para cortar las piezas
del robot en una fresadora CNC (control numérico
computarizado). El material seleccionado para la
construcción del brazo robótico fue el acrílico, debido
a su fácil manufactura, búsqueda y adquisición en
el mercado; además de las propiedades físicas tales
como la ligereza y resistencia mecánica. Los materiales
escogidos son reciclables, cumpliendo las normas de
diseño de productos sostenibles (diseño verde) con el
fin de colaborar con el medio ambiente.
En cuanto a los accionamientos del brazo, se
escogieron servomotores HITEC, debido al buen
desempeño, su alta confiabilidad, par de salida y
buen precio. Cabe resaltar, que se utilizaron diferentes
tipos de servos, cada uno con un par diferente, siendo
El brazo culinario básicamente cuenta con los
materiales propios de un expenso de perros calientes.
Se tiene a un costado la parrilla donde se calientan las
salchichas, también posee una bandeja donde serán
servidos los perros calientes una vez terminados.
También cuenta con una caja de calentamiento, que es
donde se lleva el pan para que eleve su temperatura,
permitiendo que este siempre permanezca caliente y
pueda consumirse en cualquier momento.
En la Figura 2 se muestra el esquema general
de funcionamiento del dispositivo. Como se puede
observar, el usuario desde el PC ejecuta la rutina que
previamente estaba programada para ser ejecutada a
una hora determinada (también podrá ser invocada
desde vía telefónica o por internet), luego de esto el
brazo robótico realiza los pasos necesarios para dar
resultado a un perro caliente.
Figura 2. Esquema general del dispositivo.
El control del dispositivo se implementó utilizando
la herramienta computacional Matlab, donde fueron
programadas las trayectorias y las acciones que seguirá
el brazo, para la preparación de los perros calientes.
Además, también está programada la respectiva
cinemática directa e inversa del brazo, la cual permite
ir a un punto determinado, dentro del espacio de
trabajo del brazo, o mover las articulaciones un ángulo
determinado para llegar a un punto deseado.
[ 47 ]
Figura 3. Diagrama de funcionamiento del prototipo.
La parte de la comunicación o enlazamiento
entre el mando (computador) y el brazo, se realizó
por medio de la comunicación serial a través de un
microcontrolador PIC 16f877a, el cual permite una
adecuada velocidad de transmisión de datos y alta
confiabilidad en la comunicación.
2.3. Cálculo del problema cinemático directo e inverso
Para implementarla trayectoria del robot se
desarrolló un análisis cinemático de su estructura, con
el fin de estudiarlos movimientos del efector final del
robot con respecto a un sistema de referencia ubicado
en la base del mismo.
En este análisis se llevan a cabo las soluciones del
problema cinemático directo y el problema cinemático
inverso.
El problema cinemático directo permite obtener la
posición y orientación del extremo final derobot, con
respecto a un sistema de coordenadas de referencia,
conocidos los valores de las articulaciones y los
parámetros geométricos de los elementos del robot.
En este caso se utilizó el método de DenavitHartenberg (D-H), el cual es ampliamente conocido
en robótica.
Figura 4. Sistema de coordenadas según el procedimiento D-H.
[ 48 ]
T=0A11A22A33A4
Los parámetros D-H obtenidos fueron:
Tabla 2
Parámetros D-H
ARTICULACIÓN
1
2
3
4
A4=
0
Θ
90+q1
q2
q3
q4
D
L1
0
0
0
A
0
L2
L3
L4
Α
90
0
180
0
Donde:
Con estos parámetros se calculan las matrices de
transformación homogéneas de cada articulación con
respecto al sistema anterior.
A1=
0
A2 =
1
A3=
2
=
A4=
3
Por último,se calcula la matriz de transformación
homogénea del efector final con respecto al sistema
cero (sistema de referencia fijo ubicado en la base del
robot).
La matriz T define la orientación (submatriz
de rotación) y posición (submatriz de traslación)
del extremo referido a la base en función de las 4
coordenadas articulares.
Ahora se procede a ilustrar el desarrollo del
problema cinemático inverso, el cual permite determinar
la configuración articular que debe adoptar el robot
para alcanzar una posición y orientacion del extremo
conocida.
Se calcula q1, q2, q3 y q4, los cuales son los ángulos
de las articulaciones del robot.
Figura 5. Vista superior del robot donde se
aprecia el ángulo q1.
[ 49 ]
Como se aprecia en la Figura 5, se pueden tomar
los valores necesarios para hallar q1:
Según el teorema de Pitágoras se obtiene (Ec.2) y
por la ley de cosenos (Ec. 3):
(Ec.2)
q1: (Ec. 3)
Sabiendo que:
(Ec. 1)
(Ec. 4)
Remplazando (Ec.4) en (Ec.3) y aplicando el
teorema de los cosenos, se obtiene:
(Ec.5)
Conociendo la identidad trigonométrica, se llega a:
(Ec.6)
La expresión codo, indica la forma de abertura de
la articulación, siendo así que:
+ Codo arriba: la articulación giraen sentido
contrario a las manecillas del reloj.
- Codo abajo: la articulación giraen el sentido delas
manecillas del reloj.
Figura 6. Vista frontal del robot indicando las
coordenadas q2 y q3.
q3:
De la Figura 6, se obtiene el análisis y las variables
necesarias para hallar q3.
(Ec.7)
Figura 7. Ángulos auxiliares Alfa y Beta.
De la Figura 7 se obtiene la información necesaria
para realizar el análisis geométrico, además de
variables auxiliares tales como los ángulos y .
(Ec.8)
Remplazando (Ec.9) y (Ec.10), se obtiene:
q2:
(Ec.9)
[ 50 ]
(Ec.10)
(Ec.11)
Teniendo en cuenta que ya se tiene el sistema de
coordenadas 3 y 4, se procede a calcular q4.
Conociendo que el producto punto entre dos
vectores unitarios, resulta igual al coseno del ángulo
entre ellos, entonces:
(Ec.12)
Observe que en la figura hay un desfase de 90° entre
y
por lo tanto:
(Ec.13)
Resolviendo (Ec.12), se obtiene:
(Ec.14)
Por lo tanto, se tendrá que:
q4:
an2 (
,
3. Resultados y Discusión
Para la verificación del buen funcionamiento del
sistema, se propuso la realización de diferentes pruebas
que incluyen el desarrollo de rutinas que exigen
el cumplimientode las especificaciones planteadas
al inicio del proyecto. A continuación, se muestra
la secuencia o rutina que realiza el prototipo para
preparar los perros calientes.
En la Figura 8, el robot se encuentra en la posición
inicial, listo para comenzar a hacer la rutina. Primero, el
brazo sujeta a la salchicha, tal como lo muestra la Figura
9, posteriormente lleva la salchicha hasta la parrilla
donde se cocinará (Figura 10). Mientras se cocina la
salchicha, el brazo va hasta donde se encuentra el pan
(Figura 11), y luego procede a transportarlo hasta la
caja donde será servido (Figura 12). Luego de dejar el
pan, el brazo va por la salchicha que ya está cocinada
(Figura 13), y la trae para introducirla dentro del pan
(Figura 14). Al terminar esto, se tiene listo un perro
caliente, listo para comer (Figura 15).
Figura 8. Posición inicial de la rutina.
Figura 9. Sujeción de una salchicha cruda.
Figura 10. Cocción de la salchicha en la parrilla.
Figura 11. Sujeción del pan.
[ 51 ]
Figura 12.Calentamiento del pan.
Figura 14.Postura de la salchicha.
En la Figura 16, se observa la evolución del
comportamiento de cada articulación mientras que el
dispositivo realiza la rutina de la elaboración de los
[ 52 ]
Figura 13. Transporte de la salchicha hasta el pan.
Figura 15. Finalizado.
perros calientes. Además, se muestra la posición del
efector final en el espacio de trabajo, el cual se puede
observar en la Figura 17.
Figura 16. Cambios de las coordenadas articulares.
Figura 17.Cambio de posición del efector final en el espacio.
4. Conclusiones
El robot planteado cumple con las características
para la realización de prácticas de fundamentos de
robótica, principalmente las correspondientes al
análisis cinemático, debido a que permite evidenciar
una tarea real por medio de la evolución temporal de
las coordenadas articulares y la trayectoria del efector
final. Se pudo evidenciar que la aplicación culinaria
genera motivación en los estudiantes haciéndoles ver
que los conocimientos adquiridos se pueden aplicar
rápidamente a pesar de contar con bajos recursos
económicos y tecnológicos para su implementación.
Adicionalmente, el desarrollo detallado del análisis
cinemático del robot (sección 2.3) permite a otros
estudiantes la comprensión rápida de los conceptos de
fundamentos de robótica (por lo general estos detalles
no son mencionados en los artículos, lo cual puede ser
perjudicial para las personas que hasta ahora se están
iniciando en el campo).
Durante el desarrollo del proyecto se evidenció
a los estudiantes, además de adquirir y afianzar
conocimiento de robótica, se les fomentó a repasar
conceptos básicos de materias anteriormente vistas,
tales como mecánica, estática, dinámica, diseño
de elementos de máquinas y materiales, así como
electrónica, especialmente los conceptos y fundamentos
de programación de microcontroladores.
El sistema desarrollado estimuló a los estudiantes
a la propuesta de nuevos proyectos en el campo de la
robótica, demostrando el alto grado de flexibilidad que
suelen tener estos sistemas, donde se dieron cuenta
de que con solo unas pequeñas modificaciones y una
reprogramación el robot podrá ser implementado
para la realización de otras tareas, como lo pueden
ser: clasificación de objetos, empaque, recolección,
entre otras.
Referencias
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