Diseño de un robot autobalanceable por impresión 3D

Sección: Impresoras 3D

Laura Plaza Santacruz es la autora del trabajo 'Diseño de un robot autobalanceable por impresión 3D', presentado en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI) de Madrid.

El objetivo de este proyecto era el diseño y posterior impresión en 3D de un robot autobalanceable, de pequeñas dimensiones y coste reducido, para su uso en la rehabilitación de niños con trastornos vestibulares.

Estos pequeños pacientes con problemas de equilibrio realizan numerosos ejercicios en sus terapias, y este robot tendría como fin amenizar esa experiencia, pudiendo ser programado para realizar los mismos movimientos de balanceo y movimiento de brazos que ellos deben practicar.

Para la realización de este proyecto se diseñaron diversas piezas en un software CAD (Solid Edge ST8), atendiendo a una serie de limitaciones e hipótesis: un peso máximo de 2 kg y una altura máxima de 15 cm, para poder así facilitar la programación, impresión y manipulación del robot.

Este robot debía montarse sobre dos ruedas, y debía seguir el principio del péndulo invertido, por el cual, cuando su centro de gravedad se desplazase del eje vertical, los motores debían reaccionar girando las ruedas y por tanto desplazando el conjunto hasta volver a posicionar el centro de gravedad en la vertical, sin permitir que el conjunto cayera.

Para ello, los motores elegidos debían tener las características necesarias, tanto en par motor como en velocidad angular máxima para poder reaccionar con rapidez ante las perturbaciones. Después de analizar dos tipos de motores diferentes, se eligieron los motores paso a paso NEMA 17. El resto de componentes del robot que debían tenerse en cuenta en el diseño eran dos servomotores para los brazos, un microprocesador Arduino UNO, la batería de 8 pilas AA y el interruptor.

El modelo final del robot contaba con 7 piezas distintas. La estructura era la pieza más compleja, y comprendía diferentes cavidades y espacios para ajustar sin necesidad de utilizar fijaciones adicionales el microprocesador, la batería y el interruptor.

Así mismo, en su parte superior se fijaba una bandeja para poder transportar pequeños objetos. Con el fin de poder disimular y esconder los diferentes cables y partes electrónicas fijadas a la estructura, se diseñaron dos cubiertas, una delantera y otra posterior, que se fijaban a la estructura mediante tornillos M2.

Los motores iban sujetos a la estructura mediante soportes que se encajaban con una solapa de esta, y se unían mediante tornillos M3. Finalmente, se diseñaron las ruedas para encajar con los ejes de los motores, y los brazos para los servomotores. Para comprobar si estas piezas cumplían las hipótesis iniciales, se realizó un análisis por elementos finitos estático simplificado en Solid Edge de la estructura y la bandeja, comprobando así que estas piezas soportaban las cargas que eran requeridas. 

Adicionalmente, debido a que se utilizaron dos impresoras distintas, MakerBot Replicator 5th Generation y Zortrax M200, se realizó un pequeño estudio de la precisión 13 de ambas, comparando las mediciones de las piezas impresas con las dimensiones que se habían diseñado en el software.

Así, se pudo determinar la precisión verídica de ambas impresoras. En cuanto al coste de producción, estableciendo hipótesis relativas a la mano de obra barata por ser parte de un Trabajo de Fin de Grado, se pudo determinar un coste aproximado de 105,93 €, muy económico en comparación con otras técnicas de prototipado. En conclusión, el proyecto se realizó de acuerdo con los objetivos establecidos inicialmente y teniendo en cuenta la aplicación fundamental del robot, listo para ser impreso y programado, para entretener y ayudar a los más pequeños.

*El trabajo puede consultarse en el siguiente enlace:

https://www.iit.comillas.edu/pfc/resumenes/5964bd0823a6d.pdf

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