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Período Julio-Diciembre, pp. 21-35
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ISSN: 3073-1305
DOI: https://doi.org/10.70980/teclemas.v1n1.2024.2
Robot para supervisión de zonas de difícil acceso
Robot for monitoring hard-to-reach areas
- Recibido: 2024/03/11 - Aprobado: 2024/05/20 - Publicado: 2024/07/15
Chulde Stefania
Instituto Superior Tecnológico de Tecnologías Apropiadas, Quito, Ecuador
stefania.chulde@insta.edu.ec
Paredes Marcos
Instituto Superior Tecnológico de Tecnologías Apropiadas, Quito, Ecuador
marcos.paredes@insta.edu.ec
Castellanos Anet
Instituto Superior Tecnológico de Tecnologías Apropiadas, Quito, Ecuador
anet.castellanos@insta.edu.ec
Salazar Nelson
Instituto Superior Tecnológico de Tecnologías Apropiadas, Quito, Ecuador
nelson.salazar@insta.edu.ec
Resumen
El presente documento presentó el diseño y construcción de un robot balancín capaz de ingresar a
zonas de difícil acceso o de alto peligro para las personas. El objetivo fue fabricar un robot de dos
ruedas que consiga mantener el equilibrio por sí mismo con la ayuda de un acelerómetro y un
giroscopio, además de un control PID y que pueda ser controlado mediante el microcontrolador
Arduino. Para el desarrollo de este proyecto se tuvo en cuenta conceptos sobre la teoría de control
y de programación, además de considerar que los materiales de construcción fueran asequibles
para la construcción del robot. El estudio concluyó que los robots balancines pueden ser
programados y configurados para adaptarse a diferentes entornos y tareas lo cual los hace
altamente flexibles y adaptables.
Palabras clave: robot, balancín, Arduino, péndulo invertido, programación
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Abstract
This document presented the design and construction of a rocking robot capable of entering areas
of difficult access or high danger for people. The objective was to manufacture a two-wheeled
robot that manages to maintain balance on its own with the help of an accelerometer and a
gyroscope, as well as PID control and that can be controlled using the Arduino microcontroller.
For the development of this project, concepts about control and programming theory were
considered, in addition to considering that the construction materials were affordable for the
construction of the robot. The study concluded that rocker robots can be programmed and
configured to adapt to different environments and tasks which makes them highly flexible and
adaptable.
Keywords: robot, seesaw, Arduino, inverted pendulum, programming
Introducción
La tecnología evoluciona a pasos gigantescos y con el desarrollo de dispositivos más sofisticados,
la creación de nuevos equipos que contribuyan a la sociedad y diversos eventos es una necesidad.
Así surgió la propuesta del presente estudio que buscó diseñar y construir un robot balancín capaz
de desplazarse e ingresar a zonas de difícil acceso.
Dentro del mundo de la robótica, existen diferentes propuestas de robots funcionales para
trasladarse o recoger información. Sin embargo, el robot balancín posee características únicas
como su capacidad de equilibrio, dinamismo, sistemas de identificación, entre otros.
En este estudio, se propuso el diseño, creación y programación de un robot balancín focalizado
en su capacidad de movilizarse en zonas de difícil acceso. Se proyectó diseñar un robot de dos
ruedas capaz de alcanzar el equilibrio tomando como referencia el principio del péndulo invertido.
Este mecanismo trabajó con sistemas como un acelerómetro y un giroscopio, además de un control
PID que pueda ser controlado mediante el microcontrolador Arduino.
Los robots estabilizadores son muy versátiles siendo aplicables en la industria, el hogar o
situaciones de alto riesgo.
Algunas aplicaciones útiles de este tipo de robots en zonas de difícil acceso podrían ser:
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- La inspección y mantenimiento de lugares peligrosos para humanos como plantas
químicas, tuberías subterráneas, entre otras.
- Entrega de suministros en emergencias a áreas aisladas.
- Logística en almacenes.
- Monitoreo de infraestructura, tales como puentes, plantas de energía, refinerías,
plataformas marítimas.
- Transporte de herramientas y materiales
Los robots balancín poseen diversas características ventajosas como su tamaño compacto que
en combinación con un mecanismo de estabilización inteligente le permite un acceso singular a
todo tipo de espacios estrechos y confinados, a los cuales una persona o un robot convencional no
podrían ingresar. Dichos entornos van desde rincones difíciles de alcanzar dentro de un hogar; para
inspeccionar el interior de maquinarias en entornos industriales o para acceder de forma segura a
todo tipo de entornos peligrosos, estrechos o irregulares donde resulta complejo o riesgoso el
desplazamiento humano (casas destruidas, estructuras irregulares, etc.). Su configuración con dos
grandes ruedas a los costados, dotadas de motores eléctricos independientes, en conjunto con
sofisticados sistemas de giroscopios, le permiten mantener el equilibrio y una tracción superior
para transitar sin dificultades sobre todo tipo de pisos.
Estos robots representan soluciones ideales gracias a su tamaño compacto pero destaca su
capacidad todo terreno, de carga y acceso para los más diversos propósitos en la vida diaria y
laboral.
En este proyecto se aplicaron conceptos y teorías de diseño, fabricación, control y
programación, además de conceptos. A continuación, se presentaron algunas revisiones
bibliográficas y explicaciones para comprender mejor el proceso de construcción del robot
balancín.
1.1. Marco Teórico
Un robot balancín es parte de la serie de robots móviles que tienen la capacidad de desplazarse por
diferentes entornos de forma estable y recolectar información (Servín et al. 2022) Su uso es
extendido, desde aplicaciones diarias como en rincones de difícil acceso en una casa hasta
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exploraciones espaciales. El punto más importante es su funcionalidad en lugares de difícil acceso
para humanos o robots más grandes.
Al ser utilizado en superficies irregulares, el mayor principio de un robot balancín es mantener
el equilibrio de forma autónoma, es decir, mantenerse en vertical evitando caerse. El sistema que
se aplica para cumplir este principio es el sensor de variación de ángulo de giro que cuando el
sensor detecta variación en el ángulo ideal, el cual es el ángulo exacto para que el vehículo se
mantenga equilibrado, reaccionan los motores moviéndose hacia la dirección indicada para evitar
la caída.
Figura 1
Estabilidad del sistema y diagrama de bloques del funcionamiento del robot
Como se puede apreciar en la Figura 1, este sistema estará compuesto por tres etapas: control,
sensado y potencia.
• Control. El microcontrolador es el encargado de recibir y gestionar correctamente la
información recibida. También se encarga de generar la señal de control PID.
• Sensado. Ayudan a obtener la información de la posición y orientación del robot.
• Potencia. Con la ayuda de driver controlador de los motores se transmite a los mismos la
potencia para mantener el equilibrio (Mazzone, 2022).
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Dentro del sistema de desarrollo del robot balancín, se han necesitado varios componentes que
permiten su construcción. En el presente estudio se explicaron de forma detallada cada uno de estos
y su función dentro del dispositivo.
1.2. Puente H
Es un circuito electrónico que se utiliza para controlar el movimiento de motores, en particular,
motores de corriente continua (DC). Su nombre se debe a la forma típica del circuito, que se
asemeja a la letra «H». El principal objetivo del puente es permitir que un motor gire en ambas
direcciones: hacia adelante y hacia atrás. Este circuito es ampliamente utilizado en robótica,
vehículos eléctricos y otras aplicaciones que requieren el control bidireccional de motores. Está
compuesto por transistores y diodos que permiten el control de la dirección y la velocidad del
motor (Guamán y Villalba, 2013).
1.3. Giroscopio MPU6050
El MPU6050 es un sensor de movimiento que combina un acelerómetro de tres ejes y un giroscopio
de tres ejes en el mismo chip. El acelerómetro mide la aceleración lineal, mientras que el giroscopio
mide la velocidad angular. Se utiliza en aplicaciones de navegación, goniometría, estabilización,
entre otras. El MPU6050 posee una librería muy difundida para su uso inmediato, por esta razón
para su programación en Arduino, se pueden utilizar las librerías correspondientes y configurar los
rangos de medición para el acelerómetro y el giroscopio (Naylamp, s.f.).
También gracias a su interfaz permite controlar sensores externos adicionales como
magnetómetros o barómetros. El sensor proporciona lecturas de velocidad de rotación y
aceleración en los tres ejes de movimiento. Su uso se ha popularizado en el ámbito de la electrónica
y la robótica (Rojas, 2019).
1.4. Batería LiPo 11,1V
Las baterías LiPo (iones de litio polímero) de 11.1V son comúnmente utilizadas en aplicaciones
de airsoft y otros dispositivos electrónicos. Estas baterías son ampliamente usadas en proyectos de
RC y Robótica pues ofrecen un destacable equilibrio entre volumen, potencia, tensión y
rendimiento (Turbo Hoby, sf).
Las baterías LiPo vienen en diferentes capacidades, como 1200mAh, 1500mAh y 2300mAh, y
con diferentes tasas de descarga. La designación 11.1V se refiere a su voltaje nominal, que es
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adecuado para dispositivos que requieren una fuente de alimentación de 11.1 voltios. Estas baterías
vienen en varios formatos, como tipo stick, tipo lápiz, tipo nunchaku y tipo PEQ, lo que las hace
aptas para diferentes espacios de alojamiento en distintos dispositivos.
Una de las características más destacables de las baterías es su capacidad y duración. Se
presentan como baterías más ligeras con menos volumen y con mayor capacidad.
En el caso de este proyecto, se utilizó dicha batería con 1800mAh ya que esta puede proporcionar
una estimación de tiempo de duración de 1,30 horas (Paguay y Quinatoa, 2018).
1.5. Control PID
El Control PID es una de las piezas clave que se está usando ampliamente en el mundo de los
controladores. Su sistema de predicción automática ofrece la posibilidad de dominar el tiempo de
respuesta y aumentar la precisión en la respuesta (Rethinking, 2022).
El control PID tiene un algoritmo de control que consta de tres parámetros: proporcional,
integral y derivativo. Se utiliza para controlar procesos y sistemas, y su respuesta puede describirse
en términos de la reacción del controlador ante un error, el sobrepaso del punto de ajuste y la
oscilación del sistema.
Entre sus principales ventajas está la disminución del tiempo para una respuesta, además de
obtener respuestas más precisas. Además, reduce fallos como vibraciones o falta de equilibrio y
también alcanza un ajuste preciso de forma automática.
Estas características son fundamentales para su aplicación en el diseño del robot balancín
propuesto en esta investigación.
No obstante, cabe señalar que aunque el control PID es ampliamente aplicable, puede tener
limitaciones en ciertas situaciones y su desempeño puede mejorarse combinándolo con otros
sistemas de control (Bencomo, 2008).
1.6. Arduino UNO
El Arduino UNO es una placa de microcontrolador de código abierto basada en el microchip
ATmega328P. Arduino está basada en hardware y software libre, flexible y fácil de utilizar para los
creadores y desarrolladores (Arduino, 2022).
Esta placa es la más usada y documentada del mundo, cuenta con 14 pines de entradas/salidas
digitales, 6 entradas analógicas, un cristal de cuarzo, conexión USB y botón de reinicio.
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Los microcontroladores de Arduino consisten en una serie de circuitos integrados en los que se
pueden grabar instrucciones. Las instrucciones se escriben en lenguaje de programación y permiten
crear programas que interactúan con los circuitos de la placa. La información ingresada se llevará
a un interfaz de salida como pantallas o altavoces para ejecutar las instrucciones (Fernández, 2022).
Arduino UNO es ampliamente utilizado para el desarrollo de objetos autónomos e interactivos,
prototipos y proyectos de electrónica y robótica debido a su facilidad de aplicación. El dispositivo
tiene toda la electrónica necesaria para que el microcontrolador opere, simplemente hay que
conectarlo a la energía por el puerto USB o con un transformador AC-DC (Gutierrez, 2007).
Metodología
Esta investigación se realizó a partir de la revisión bibliográfica que apoyó la construcción del
marco teórico y una investigación de tipo experimental donde se realizó la aplicación técnica de
los conceptos en el desarrollo del robot balancín. El marco teórico consistió en recopilación de
antecedentes, investigaciones previas y consideraciones teóricas en las que se sustenta un proyecto
de investigación. Así, también se definió a qué disciplina pertenece el objeto de estudio, los
conceptos relevantes y el fenómeno que se desea investigar (Fernandes, 2023).
La investigación hizo una descripción detallada de los componentes que integran el robot
balancín a construirse. En el marco teórico, se recopilaron las funcionalidades de cada elemento
para comprender su rol dentro del funcionamiento del dispositivo.
Para el desarrollo del robot para supervisión de zonas de difícil acceso, se hizo un trabajo
práctico que puso en práctica las principales áreas de la robótica como los principios de péndulo
invertido, teoría de control y programación, para construir el sistema y someterlo a pruebas. A
continuación, se presenta la lista de materiales utilizados en el proyecto.
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Tabla 1
Presupuesto de Materiales
Materiales
Can.
Precio
Total
Arduino
1
$12.00
$12.00
Motores DC
2
$4.00
$8.00
Ruedas de tracción
2
$3.00
$6.00
Bateria 9V
1
$6
$6.00
Puente H
1
$5.00
$5.00
Protoboard
1
$2.50
$2.50
Giroscopio
1
$10.00
$10.00
Bateria Lipo
1
$15.00
$15.00
Tabla 10x10cm
1
$3,00
$3.00
TOTAL
$67.50
Resultados
3.1. Desarrollo del Robot
Previo al desarrollo y construcción del robot balancín, se deben considerar varios aspectos como
los diámetros de las ruedas, el material del dispositivo, su correcto peso, entre otros.
Para la construcción de las ruedas, se tomó en cuenta que las dimensiones de las mismas no
podían ser demasiad altas y bajas pues esto afectaría la movilidad del robot en los espacios de
difícil acceso y, siendo este el objetivo principal del proyecto, fue un aspecto muy importante a
considerar.
Asimismo, para facilitar la traslación del sistema robótico se debió planificar la disposición de
los diferentes componentes. En el caso de las baterías, estas no podía quedar en la parte inferior
del robot, pues al deslizarse en superficies irregulares podrían caerse, golpearse y dejar de
funcionar. En esta lógica, también se evaluó la calidad y peso del material. El robot balancín es un
dispositivo cuya mayor característica consiste en su capacidad de equilibrarse de forma autónoma
para lo cual se requiere construir un dispositivo ligero que facilite el cambio de rotación y
reprogramación del eje cuando sea necesario. Materiales pesados podrían dificultar el balance del
sistema.
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Durante la fase de diseño se realizó un prototipo gráfico del robot balancín tomando en cuenta
la estructura del sistema y asegurando que los pesos estén bien repartidos para que no afecte el
centro de gravedad. El diseño se puede apreciar en la Figura 2.
Figura 2
Esquema de centro de gravedad estable
Para diseñar el control adecuado, se requiere contar con un modelo preciso del mismo, ya que
debido al peso o la mala posición de los elementos puede ser relevante para el funcionamiento del
robot. Por eso, se deben considerar los aciertos y errores al momento del armado del proyecto.
Una vez que el diseño estuvo se listo, se procedió a la construcción material del robot balancín
tomando como componentes todos los materiales descritos anteriormente. En la Figura 3, se
presenta el robot visto desde su perspectiva frontal.
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Figura 3
Robot balancín parte frontal
Aquí se puede apreciar que las ruedas y la batería cumplen las disposiciones descritas al inicio
de este apartado.
También se cuenta con la vista lateral del prototipo en la Figura 4.
Figura 4
Robot balancín parte lateral
Finalmente, en la Figura 5 se muestra la parte trasera del dispositivo construido.
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Figura 5
Robot balancín Parte trasera
Por otra parte, se realizaron los procesos de control y programación del dispositivo para su
funcionamiento vía bluetooth. Vemos parte del proceso en las figuras 6 y 7.
Figura 6
Control Bluetooth
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Figura 7
Configuración del control Bluetooth
Conclusiones
La implementación de un robot balancín para realizar tareas peligrosas puede ayudar a proteger la
seguridad de los trabajadores al evitar que se expongan a situaciones de riesgo. El robot puede
realizar tareas en entornos peligrosos o difíciles de alcanzar, lo que reduce la posibilidad de
accidentes o lesiones. La investigación comprobó que el centro de gravedad de la estructura del
robot balancín es fundamental ya que de eso depende la estabilidad del sistema de control. También
se estableció que para proyectos de este tipo es importante conocer el concepto de péndulo
invertido.
Un robot balancín bien implementado puede realizar tareas de manera más eficiente y rápida
que los seres humanos. Esto puede resultar en una mayor productividad y un menor tiempo de
ejecución de las tareas peligrosas, lo que a su vez puede llevar a una mayor eficiencia en general.
Asimismo, la implementación de un robot balancín puede ayudar a reducir los costos asociados
con la realización de tareas peligrosas. Al automatizar estas tareas, se pueden reducir los gastos
relacionados con la seguridad y la protección de los trabajadores.
Haciendo referencia al proceso de construcción del robot, se concluyó que los materiales para
su desarrollo deben ser ligeros para que su control sea fácil. Además, el centro de gravedad de la
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estructura del robot es necesario ya que de eso depende el equilibrio del robot. Finalmente, se debe
considerar que durante la programación se debe tener cargadas las librerías en el sistema de
software Arduino.
Los robots balancines pueden ser programados y configurados para adaptarse a diferentes
entornos y tareas. Esto los hace altamente flexibles y adaptables. Además, pueden ser equipados
con sensores y sistemas de detección para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente.
Referencias
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