Diseño, construcción y control de un brazo robótico SCARA de código abierto con capacidad de posicionamiento en cuatro puntos, como base para futuras aplicaciones en automatización

Abstract

Este trabajo propuso el desarrollo de un brazo robótico tipo SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) como parte del proceso de formación académica en Ingeniería Mecatrónica. El objetivo principal fue diseñar, construir y programar un prototipo funcional que fuera capaz de posicionarse en cuatro ubicaciones predeterminadas. A diferencia de proyectos industriales completos, este trabajo no contempló la implementación total de una línea de automatización, sino que se enfocó en sentar las bases mecánicas, electrónicas y de control que permitieran su uso para fases futuras, como la integración con sistemas automatizados. El desarrollo del prototipo inició con el diseño del sistema mecánico del brazo, tomando en cuenta parámetros como alcance, límites, materiales accesibles y facilidad de ensamblaje. Para ello, se emplearon herramientas de diseño asistido por computadora (CAD), específicamente Autodesk Inventor, a fin de modelar cada componente del sistema y asegurar la compatibilidad y funcionalidad entre las partes. Posteriormente, se procedió a la fabricación del prototipo utilizando técnicas de impresión 3D y mecanizado básico, con el objetivo de mantener bajos costos sin comprometer la calidad estructural ni la precisión mecánica del sistema. En cuanto al sistema de control, se implementó en un microcontrolador Arduino Pro Portenta machine control, para aplicaciones industriales y sobre todo educativas. Este se encargó de recibir instrucciones y ejecutar los movimientos mediante motores paso a paso, controlados por drivers adecuados para garantizar exactitud en el posicionamiento. El algoritmo de control fue desarrollado en un lenguaje de programación de manera que permitiera la ejecución de trayectorias predefinidas hacia las cuatro posiciones establecidas y, sobre todo, que pudiera ser fácilmente editado para futuras modificaciones del proyecto. Durante el proceso de validación del prototipo, se aplicaron pruebas de precisión y repetibilidad. Se documentaron posicionamientos fallidos y tiempo de respuesta de los actuadores, con el fin de evaluar la calidad del diseño y la robustez del sistema de control implementado. Aunque esta etapa no incluyó la interacción con procesos externos, como visión por computadora o bandas transportadoras, se dejaron recomendaciones técnicas para que estas integraciones pudieran realizarse en etapas posteriores del megaproyecto. Este brazo robótico pudo utilizarse como plataforma de enseñanza, prototipo de investigación o base para el desarrollo de sistemas automatizados dentro del entorno universitario. El proyecto representó un ejercicio integral de diseño, manufactura y control que permitió consolidar habilidades clave del perfil profesional del ingeniero mecatrónico, y promovió el uso de tecnologías accesibles y replicables en entornos educativos.

This work proposes the development of a SCARA-type robotic arm (Selective Compliance Assembly Robot Arm) as part of the academic training process in Mechatronic Engineering. The main objective is to design, build, and program a functional prototype capable of positioning itself in four predetermined locations. Unlike full industrial projects, this work does not include the total implementation of an automation line but focuses on establishing the mechanical, electronic, and control foundations that will enable its use in future phases, such as integration with automated systems. The development of the prototype begins with the design of the arm’s mechanical system, taking into account parameters such as reach, limits, accessible materials, and ease of assembly. For this purpose, computer-aided design (CAD) tools will be used, specifically Autodesk Inventor, to model each system component and ensure compatibility and functionality between parts. Subsequently, the prototype will be manufactured using 3D printing and basic machining techniques, with the goal of keeping costs low without compromising the structural quality or mechanical precision of the system. Regarding the control system, it will be implemented using an Arduino Portenta machine control microcontroller, intended for industrial and educational applications. This controller will be responsible for receiving instructions and executing movements through stepper motors, operated by appropriate drivers to ensure accurate positioning. The control algorithm will be developed in a programming language that allows the execution of predefined trajectories toward the four established positions and can be easily edited for future project modifications. During the prototype validation process, precision and repeatability tests will be applied. Failed positionings and actuator response times will be documented in order to evaluate the design quality and robustness of the implemented control system. Although this stage will not include interaction with external processes, such as computer vision or conveyor belts, technical recommendations will be provided to enable these integrations in later stages of the megaproject. This robotic arm may be used as a teaching platform, research prototype, or foundation for developing automated systems within the university environment. The project represents a comprehensive exercise in design, manufacturing, and control that consolidates key skills within the professional profile of a mechatronic engineer and promotes the use of accessible and replicable technologies in educational settings.