Diseño y construcción de brazo robótico delta de operación manual para el Laboratorio de Diseño de Procesos de la Universidad del Valle de Guatemala

Abstract

En el presente trabajo se desarrolló el diseño y construcción de un brazo robótico tipo Delta con modalidad de operación manual, orientado al fortalecimiento de las capacidades prácticas del Laboratorio de Diseño de Procesos de la Universidad del Valle de Guatemala. Este proyecto tuvo como propósito principal la manipulación de objetos livianos, mediante el control directo del brazo, lo cual permitió realizar tareas simples, como levantar un objeto desde una posición inicial y trasladarlo a una posición final definida, lo cual simuló aplicaciones industriales. El proyecto se justificó por la necesidad de contar con sistemas reales que permitieran la enseñanza práctica de principios fundamentales de robótica aplicada, como el diseño mecánico, la cinemática inversa, el control de servomotores y la integración de sistemas electromecánicos. Este diseño y construcción buscó mantener un nivel de complejidad académico para futuras implementaciones o modificaciones, orientadas a una posible experimentación e integración en una línea automatizada en los próximos años. Por todo esto se eligió un brazo Delta por sus ventajas en precisión, ligereza y velocidad y por representar una arquitectura robótica paralela de alto interés académico. A diferencia de otros manipuladores, el brazo robótico Delta permitió una construcción más compacta, movimientos repetitivos más estables y una estructura más eficiente para operaciones tipo “pick and place”. El desarrollo del sistema abarcó el diseño mecánico del brazo mediante CAD Inventor, la selección de sus componentes eléctricos o mecánicos compatibles con el sistema de control integrado Arduino Portenta, y la implementación de un modo manual basado en un control físico local para su operación. La plataforma de Arduino fue seleccionada por su versatilidad y potencia dentro de sistemas de control embebido. Por otro lado, se diseñó un código de análisis en MATLAB que implementó cinemática inversa con el objetivo de calcular los ángulos de las articulaciones, lo cual permitió analizar y evaluar la precisión posicional y la fiabilidad de las mediciones del sistema. Si bien el proyecto no contempló la automatización ni clasificación de productos, se buscó que el mismo contribuyera a la futura optimización de los procesos dentro del laboratorio y a su vez, sirviera como base para futuras investigaciones y el desarrollo continuo del modelo e integración de nuevas funcionalidades. Asimismo, se esperó que los resultados contribuyeran al fortalecimiento de la formación de futuros ingenieros, brindando un entorno y sistema para la aplicación de sistemas controlados y robótica aplicada.

This project involved the design and construction of a manually operated Delta-type robotic arm, aimed at strengthening the practical capabilities of the Process Design Laboratory at the Universidad del Valle de Guatemala. The main purpose of this project was to manipulate light objects through direct control of the arm, which allowed simple tasks to be performed, such as lifting an object from an initial position and moving it to a defined final position, simulating industrial applications. The project was justified by the need for real systems that would allow for the practical teaching of fundamental principles of applied robotics, such as mechanical design, inverse kinematics, servomotor control, and the integration of electromechanical systems. This design and construction sought to maintain a level of academic complexity for future implementations or modifications, aimed at possible experimentation and integration into an automated line in the coming years. For this reason, a Delta arm was chosen for its advantages in precision, lightness, and speed, and because it represents a parallel robotic architecture of high academic interest. Unlike other manipulators, the Delta robotic arm allowed for a more compact construction, more stable repetitive movements, and a more efficient structure for pick-and-place operations. The development of the system included the mechanical design of the arm using CAD Inventor, the selection of electrical and mechanical components compatible with the Arduino Portenta integrated control system, and the implementation of a manual mode based on local physical controls for its operation. The Arduino platform was selected for its versatility and power within embedded control systems. In addition, an analysis code was designed in MATLAB that implemented inverse kinematics to calculate joint angles, which allowed for the analysis and evaluation of the system's positional accuracy and measurement reliability. Although the project did not include automation or product classification, it was hoped that this work would contribute to the future optimization of processes within the laboratory and, in turn, serve as a basis for future research and the continuous development of the model and integration of new functionalities. Likewise, it was hoped that the results would contribute to strengthening the training of future engineers, providing an environment and system for the application of controlled systems and applied robotics.