Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 2 (1): 35-39 Enero-Marzo 2019 https://doi.org/10.37636/recit.v213539
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ISSN: 2594-1925
Desarrollo de un sistema mecatrónico para robot
humanoide que permita emular el movimiento
del cuello de los seres humanos
Development of a mechatronic system for humanoid robot that
allows to emulate the movement of the neck of human beings
López Cortés Francisco José
1
, Vergara Limón Sergio
1
, Vargas Treviño María Aurora
Diozcora
1
, Palomino Merino Amparo Dora
1
, Pinto Avedaño David Eduardo
2
, Vilariño
Ayala Darnes
2
1
Facultad de Ciencias de la Electrónica, Maestría en Ciencias de la Electrónica opción Automatización,
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Av. San Claudio y 18 Sur S/N C.U.
Col. Jardines de San Manuel, C.P. 72570, Puebla, Puebla, México.
2
Facultad de Ciencias de la Computación, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla,
Av. San Claudio y 14 Sur S/N C.U. Col. Jardines de San Manuel, C.P. 72570, Puebla, Puebla, México.
Autor de correspondencia: Francisco José López Cortés, Facultad de Ciencias de la Electrónica,
Maestría en Ciencias de la Electrónica opción Automatización, Benemérita Universidad Autónoma de
Puebla. Av. San Claudio y 18 Sur S/N C.U. Col. Jardines de San Manuel, C.P. 72570, Puebla, Puebla.
México. E-mail: lopcorp.z@gmail.com. ORCID: 0000-0002-7427-1386.
Recibido: 01 de Julio del 2018 Aceptado: 20 de Diciembre del 2018 Publicado: 10 de Febrero del 2019
Resumen. - En el presente trabajo se muestra el diseño de un sistema mecatrónico, el cual emula los
movimientos del cuello humano, ya que sostendrá la cabeza de un robot humanoide (Arthur) desarrollado por
la empresa Hanson Robotics. El diseño mecánico se basa en un robot esférico de 3 grados de libertad (3-GDL),
se desarrolla el modelo dinámico a través de las ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange. La etapa de
control es una tarjeta de desarrollo FPGA (arreglos de compuertas programables en campo) de la familia
Cyclone IV, la etapa de potencia se basa en transistores BJT, se implementa el controlador Tangente
hiperbólico y una interfaz de comunicación WiFi para configurar el robot desde una PC con ayuda del software
Labview. Como resultado se muestra la integración del sistema mecatrónico, la interfaz desarrollada junto con
la comunicación FPGA-PC y control de posición. El trabajo futuro será la implementación del sistema en el
robot humanoide.
Palabras clave: Sistema Mecatrónico; Robot Humanoide; Modelo Dinámico; FPGA; WiFi.
Abstract. - The present work shows the design of a mechatronic system, which emulates the movements of the
human neck, as it will support the head of a humanoid robot (Arthur) developed by Hanson Robotics. The
mechanical design is based on a spherical robot of 3 degrees of freedom (3-GDL), the dynamic model is
developed through the Euler-Lagrange equations of motion. The control stage is a FPGA (Field Programmable
Gate Arrays) development board, the power stage is based on BJT transistors, the hyperbolic tangent controller
and a WiFi communication interface are implemented to configure the robot From a PC with the help of
Labview software. As a result, the integration of the mechatronic system, the interface developed together with
the FPGA-PC communication and position control, is shown. Future work will be the implementation of the
system in the humanoid robot.
Keywords: Mechatronic System; Humanoid Robot; Dynamic Model; FPGA; WiFi.
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1. Introducción
Los avances de la robótica en la actualidad no se
limitan a entornos industriales, también se han
revolucionado los semblantes y las funciones de
los robots, logrando introducirlos a un entorno
social, dando pie a los robots de servicio,
denominados humanoides por su apariencia, los
cuales realizarán tareas en beneficio de la
sociedad, labores cotidianas o con fines
terapéuticos, por ejemplo, la rehabilitación de
niños con problemas de lenguaje, la detección de
desórdenes de comportamiento en jóvenes y en
terapia ocupacional geriátrica. Se han desarrollado
robots humanoides capaces de replicar las
expresiones faciales del ser humano y lograr
entablar una conversación, tal es el caso de Arthur,
desarrollado por la empresa Hanson Robotics [1].
Uno de los aspectos importantes para que la
interacción robot-humano sea de forma natural, se
da en los movimientos o acciones que producimos
al hablar. El cuello es una de las áreas más
complejas del cuerpo humano, puede realizar un
gran número de movimientos, los más básicos son
flexión, extensión, inclinación y rotación, cada
uno implica la participación de estructuras
diferentes, que facilitan, controlan y limitan el
movimiento [2].
2. Metodología
El sistema mecatrónico presentado en este trabajo
se conforma de una interfaz desarrollada en el
software Labview, donde se utiliza la
comunicación WiFi para la programación, inicio-
paro y extracción de datos del sistema
mecatrónico generados por la acción de control
del robot esférico de 3 GDL. El sistema digital
está basado en un microprocesador implementado
en un FPGA Cyclone IV de la familia Altera, el
cual se desarrolló en la facultad de ciencias de la
electrónica (FCE) de la Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla (BUAP), tiene la función de
obtener los datos de posición de cada grado de
libertad, con ayuda de los sensores del sistema
mecatrónico (encoders de cuadratura),
posteriormente realiza la acción de control a través
del controlador tangente hiperbólico y genera la
señal para los actuadores del sistema (motores
CD), que en este caso es una señal PWM, el
sistema digital también cuenta con una interfaz
WiFi. La etapa de potencia está formada por
trespuente H, basados en transistores BJT, los
cuales entregan la potencia requerida por los
actuadores para generar los movimientos del
sistema. Se muestra en la figura 1 el diagrama
general del sistema mecatrónico.
Figura 1. Diagrama general del sistema mecatrónico.
3. Diseño Mecánico
El diseño mecánico que se muestra en la figura 2
se basa en un robot esférico de 3 grados de libertad
(3-GDL) provisto con contrapesos para reducir la
distancia del centro de masa de la cabeza al punto
de rotación del mecanismo, esto minimiza el
torque demandado por los actuadores ya que las
fuerzas centrípetas y de coriolis tienden a cero
cuando el centro de masa se encuentra sobre el
punto donde se intersectan los ejes de rotación.
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Figura 2. Ensamble de la estructura mecánica acoplada con
la cabeza del robot humanoide.
4. Modelo Dinámico
Para desarrollar el modelo dinámico se utilizaron
las ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange,
por tanto, se definen los parámetros Denavit-
Hartenberg como se muestran en la tabla 1.
Tabla 1: Parámetros D-H.
Eslabón
𝒍
𝒊
𝜶
𝒊
𝒅
𝒊
/𝜷
𝒊
𝒒
𝒊
1
𝑙
1
90º
0
𝑞
1
2
𝑙
2
0
0
𝑞
2
2a
0
0
0
90°
2b
0
90°
0
0
2c
0
0
𝛽
1
0
3
0
0
𝛽
2
𝑞
3
3a
0
0
0
90º
4
𝑙
3
0
0
0
La ecuación (1) expresa el modelo dinámico del
robot esférico de 3 GDL en su forma compacta y
con notación utilizada en el área de robótica [3].
( ) ( , ) ( ) M C g τ q q q q q q
Donde:
Vector de par aplicado.
n
q R
Vector de coordenadas generalizadas
n
q R
Vector de velocidades articulares.
n
q R
Vector de aceleraciones articulares.
()
nn
M
q R
Matriz de inercia.
( , )
nn
C
qq R
Matriz de fuerzas centrípetas y de
coriolis.
()
n
g q R
Vector de par gravitacional.
5. Electrónica de Control y Potencia
La etapa de control consta de un microprocesador,
donde se realiza la programación en lenguaje
ensamblador de la acción de control, el código de
programa se almacena en una memoria ROM y
también se cuenta con una memoria RAM para
almacenar variables y datos calculados por el
mismo, además cuenta con periféricos de entrada,
que son decodificadores para la adquisición de
datos de los encoders de cuadratura, y registros
donde se almacenan los datos enviados desde la
interfaz gráfica de la PC, tanto la programación
como la comunicación de datos es realizada
mediante un módulo externo WiFi, los periféricos
de salida son generadores de señal PWM, lo
anterior fue implementado en un FPGA Cyclone 4
y se realizó el firmware en lenguaje AHDL. Se
diseñó un puente H para la etapa de potencia de
cada motor, las señales de control solo pueden
entregar hasta 1mA a 3.3v, por este motivo se
requiere un circuito con transistores BJT en
configuración Darlington.
6. Resultados
Se observa en la figura 3 la interfaz gráfica
desarrollada en el software Labview, en la cual se
cargó el programa del microprocesador y se
proporcionó la posición y ganancias para cada
grado de libertad, el módulo WiFi genera una
conexión punto a punto con la PC, fue necesario
que la comunicación se realizara por protocolo
TCP/IP desde la interfaz gráfica.
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Figura 3. Interfaz gráfica de control, la cual se encarga de
programar el micro controlador, enviar los parámetros
deseados y adquirir los datos calculados.
En la figura 4 se muestra la integración del sistema
mecatrónico, donde se observa la estructura
mecánica, etapa de control y la etapa de potencia,
conectadas entre sí mediante un arnés de 12
cables. La etapa de control y potencia se
integraron en un clúster, así, la electrónica
utilizada se presenta de manera compacta.
Figura 4. Integración del sistema mecatrónico, conectado y
en comunicación con la PC.
El control de posición se llevó acabo con un
controlador tangente hiperbólico. En la figura 5 se
ilustra la respuesta del controlador al simular el
modelo dinámico obtenido previamente, las
posiciones articulares son: 20º, 10º y 10º (grados)
para q
1
, q
2
y q
3
respectivamente, utilizando
ganancias proporcional (Kp) de 0.45 y derivativa
(Kv) de 0.35, cabe resaltar que este sistema debe
de compensar el peso de 3.32 kg de la cabeza del
robot humanoide, por tanto se observó que el
comportamiento del torque calculado se
determinaba por el par gravitacional en su
mayoría, además se propone una aproximación de
los parámetros físicos del robot para lograr
realizar la simulación. Por tanto, se tiene un error
de posición para q1 de 20. 59º grados, para q2 y
q3 se encontró un error de posición de 0.11º
grados, en un tiempo de 1.5seg. de simulación.
Figura 5. Simulación en Matlab del controlador tangente
hiperbólico, con parámetros físicos aproximados.
Para realizar el experimento de control en el
sistema físico, se emulo la cabeza del robot
humanoide con un peso de 3.32kg, se
consideraron los parámetros físicos propuestos en
la simulación para efectos de comparación. Se
obtuvieron los datos calculados y se graficaron en
el software Matlab, como se muestra en la figura
6, encontrando que, para las mismas posiciones
deseadas y ganancias propuestas en la simulación,
para q1 en el tiempo 1.5seg se observa un error de
0.337º grados, para q2 se tiene un error de
posición de 0.162º grados y para q3 el error de
posición es de 0. 3348º grados. Se aprecia que el
comportamiento de q1 es diferente a la
simulación, debido a la estimación de los
parámetros físicos, en este caso la acción de la
fuerza de gravedad es mayor en esta articulación,
y las ganancias propuestas necesitan ser mayores
para que la acción de control se presente de
manera suave y no genere el sobre impulso que se
muestra en la gráfica. Se aprecia que los errores de
posición son pequeños, pero tomando en cuenta la
resolución de los encoders del sistema que es de
0.04285º grados, se tiene que el error de lectura en
valor incremental del encoder para q1 es de 7.864,
para q2 es de 3.78 y para q3 se tiene un error de
7.813. Por tanto, se debe de realizar una prueba de
estimación paramétrica, como lo puede ser
mínimos cuadrados, para conocer de forma exacta
los parámetros físicos del robot.
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Figura 6. Control de posición del sistema mecatrónico,
implementando en software un controlador tangente
hiperbólico.
7. Conclusiones
Se logró diseñar una estructura mecánica que
emule los movimientos del cuello de los seres
humanos, que es de gran importancia para la
interacción robot-humano. Se desarrolló una
interfaz gráfica, la cual se comunica por protocolo
WiFi a una computadora donde el usuario
programa el micro controlador, proporciona la
posición deseada y las ganancias para cada
actuador, por último se realiza una comparación
entre una simulación en Matlab y el control de
posición del sistema, ambos con un controlador
tangente hiperbólico, concluyendo que el modelo
dinámico obtenido es de gran ayuda para el
control del sistema real, ya que, por medio de este
se obtuvo el par gravitacional, es decir, la
compensación de gravedad, aunque los
parámetros físicos fueron aproximados, es una
base sólida para obtener los parámetros reales con
ayuda un algoritmo de identificación paramétrica.
Como trabajo futuro se implementará el sistema
mecatrónico en el robot humanoide.
Referencias
[1] Hanson Robotics. (2016, 15 Marzo). Meet Arthur a
Humanoid Robot (Hanson Robotic News). [Página web].
Disponible en: http://hansonrobotics.com/slate-fr-blogger-
meets-arthur-dld-conference/
[2] J. L. Guerra, Manual de fisioterapia (2a. ed.).
Editorial El Manual Moderno, 2018.
https://tienda.manualmoderno.com/manual-de-fisioterapia-
9786074487107-
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[3] F. Cortés, “Robótica: Control de Robots
Manipuladores”, Alfaomega Grupo Editor, 1era. Edición,
México, 2011.
https://www.alfaomega.com.mx/default/robotica-control-
de-robots-manipuladores-4645.html
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