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 MarÃa Aurora
Diozcora
1
, Palomino Merino Amparo Dora
1
, Pinto Avedaño David Eduardo
2
, Vilariño
Ayala Darnes
2
1
Facultad de Ciencias de la Electrónica, MaestrÃa 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,
MaestrÃa 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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ISSN: 2594-1925
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. MetodologÃa
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 centrÃpetas y de coriolis tienden a cero
cuando el centro de masa se encuentra sobre el
punto donde se intersectan los ejes de rotación.