Diseño, implementación y análisis cinemático de un robot cuadrúpedo de 12 grados de libertad

Abstract

Los robots con patas han tenido un reciente auge en el mundo de la robótica. Por esta razón, en la Universidad del Valle de Guatemala, se está buscando implementarlos en el curso de Robótica. En este trabajo de graduación, se busca realizar el proceso de diseño, implementación y análisis cinemático de un robot cuadrúpedo de 12 grados de libertad para iniciar su implementación en el ecosistema Robotat que se encuentra en la universidad. Para el desarrollo de la estructura del robot, se aplicaron conocimientos de diseño mecánico y modelado en CAD. Además, se aplicaron conocimientos sobre fabricación digital, específicamente la impresión 3D. La movilidad de esta estructura es la parte central de su funcionamiento, lo cual se logró por medio de actuadores en sus articulaciones. Para el control de los actuadores, se implementó un sistema electrónico compuesto por un microcontrolador Unexpected Maker TinyS3 (ESP32-S3) y motores Feetech FT90M. Para una operación inalámbrica, se integró un banco de energía conectado a dos reguladores de voltaje. Estos permiten la alimentación paralela del sistema de motores y el sistema de control. La implementación de las fases mecánica y electrónica permitió el desarrollo del robot cuadrúpedo capaz de ejecutar una marcha estática. El desempeño se pudo validar por medio de un análisis de cinemática directa, y posteriormente se implementó en un algoritmo la cinemática inversa con lo cual se definieron las trayectorias necesarias para el desplazamiento del robot.

Legged robots have seen a recent rise in popularity within the field of robotics. For this reason, Universidad del Valle de Guatemala is considering their implementation in the Robotics course in the future. This graduation project aims to carry out the design, implementation, and kinematic analysis of a 12-degree-of-freedom quadruped robot to initiate the process of its subsequent integration into the Robotat ecosystem at the university. For the development of the robot's structure, mechanical design and CAD modeling knowledge were applied. The robot's creation utilized expertise in the eld of digital manufacturing, specifically 3D printing. The mobility of this structure is the central aspect of its functionality, achieved through the implementation of actuators in its joints. For actuator control, an electronic system was implemented, consisting of an Unexpected Maker TinyS3 (ESP32-S3) microcontroller and Feetech FT90M motors. To enable wireless operation, a power bank was directly connected to two voltage regulators. These regulators allow parallel power supply to the motor system and the control system. The implementation of the mechanical and electronic phases enabled the development of the quadruped robot capable of performing a static gait. The performance was validated through a forward kinematics analysis, and subsequently, an inverse kinematics algorithm was implemented to de ne the trajectories required for the robot's locomotion.