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Robot hexápodo para la academia y la industria

  • Escrito por Israel Pérez Valencia
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Santiago de Querétaro, Querétaro. 27 de septiembre de 2018.- Investigadores y estudiantes pertenecientes a la Dirección Adjunta de Investigación, Desarrollo e
Innovación del Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (Cidesi) desarrollan el proyecto de un robot paralelo hexápodo de alta precisión, rigidez y capacidad de carga, con utilidades académicas, de investigación e industriales.
 
El robot, técnicamente conocido como plataforma Stewart-Gough, llamado HxCf1, que fue desarrollado por investigadores Cátedras del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), así como estudiantes de la maestría germano mexicana en ciencias en mecatrónica (master of science in mechatronics) del Cidesi en conjunto con la Aachen University of Applied Science, de Alemania, tiene diferentes aplicaciones que van desde simuladores de ajetreo, marinos, aeronáuticos y de entretenimiento; sistemas industriales, así como subsistemas para grandes telescopios, de acuerdo con el especialista de este centro en mecatrónica y sistemas inteligentes, doctor Gengis Toledo Ramírez.
“El proyecto comienza en 2012, mientras me encontraba en el Cidesi de Nuevo León. Dadas nuestras capacidades en diseño mecánico, electrónica y control, consideramos la creación de un robot propio. Estábamos haciendo un sistema de manufactura reconfigurable y para ello se adquirieron robots profesionales de tipo industrial. No obstante, nos dimos cuenta que, aunque son muy precisos, su costo es muy alto, además de que son de arquitecturas cerradas, por lo que para cuestiones de investigación y desarrollo es muy complicado adaptarlos o acceder a sus interiores, tomando en cuenta que se involucran cuestiones de patentes y garantías”.
Recordó que a su llegada al Cidesi de Querétaro en 2015, se retomó como proyecto interno donde colaboró el doctor José Antonio Estrada Torres, que es experto en control, con el apoyo del entonces director de Sistemas Automatizados, Noé Reyes Elías.
 
 
 
 
 
 
 
El Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial, a través de la Dirección Adjunta de Posgrado, oferta el programa de estudios de maestría en ciencias en mecatrónica de doble titulación germano mexicana. El programa se desarrolla de manera conjunta con la Universidad de Ciencias Aplicadas de Aachen (FH-Aachen). Está dentro del Programa Nacional de Posgrados de Calidad (PNPC) del Conacyt.
En torno al desarrollo de este robot, se han generado dos tesis de maestría, dos reportes técnicos de especialidad y cinco proyectos finales de licenciatura.
“La idea es llegar a un producto funcional y mostrarlo al exterior, para demostrar que en México somos capaces de hacer tecnología propia y de primer nivel. Para los proyectos que desarrollamos aquí en el Cidesi, utilizamos robots y tenemos mucha experiencia en ese sentido”.
Puntualizó que en el sector industrial se suelen desconocer las capacidades para desarrollar esta tecnología en México, principalmente por la falta de demostradores, es decir, equipos reales que funcionen y que se puedan ver en acción. 
“A los empresarios les interesa producir. La idea es hacer un robot con la misma calidad y precisión que los industriales. Tenemos planeadas tres fases de desarrollo, cada una implica el diseño de un prototipo con tecnología más avanzada que el anterior. La fase uno, que es la que ya trabajamos, es este robot preliminar, de bajo costo pero funcional, es decir, que ya pueda ejecutar algunas aplicaciones”.
La fase dos del proyecto consiste en hacer un robot similar pero con prestaciones de mucho mayor nivel en cuanto a repetitividad y precisión.
“La tercera fase es la calidad industrial plena. Un punto clave de este robot son los actuadores, que en la primera etapa son comerciales, aunque tenemos ya la tesis de una estudiante de la maestría germano mexicana que trabajó un diseño propio. En robótica, los actuadores son de los elementos más importantes. Toda la demás tecnología fue desarrollada en el Cidesi”.
La estudiante encargada del diseño de los actuadores para el robot es Tiare Hernández Aguirre, de la maestría germano mexicana en ciencias de la mecatrónica, que estudió un año en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Aachen (FH-Aachen), Alemania.
“Estoy trabajando en el desarrollo de un actuador lineal, que es uno de los componentes más críticos del hexápodo, se planea que el actuador lineal se implemente en la fase dos o tres del robot. Un actuador lineal es un dispositivo que convierte un tipo de energía rotatoria para lograr un movimiento lineal por medio de un engranaje y un tornillo que se encarga de convertir el movimiento rotacional en lineal. He estado trabajando en este proyecto entre cuatro y cinco meses, desde que regresé al Cidesi. Ahorita estoy haciendo uso de Matlab Simulink para simulaciones mecatrónicas, ese programa lo estuvimos usando también en Alemania”.
 
Modelos matemáticos para el desarrollo del robot
El integrante de Cátedras Conacyt adscrito al Cidesi, José Antonio Estrada Torres, explicó que se trabaja en un modelo matemático para el cálculo de las posiciones, tanto para la plataforma Stewart-Gough como para los actuadores.
“Esto es necesario para el movimiento, el análisis de la precisión y confiabilidad del sistema a la que se quiere llegar. Existen dos espacios de coordenadas que se deben relacionar, que son las de la plataforma y aquellas con las que trabaja al fin el control, que son las longitudes de los actuadores. El ingeniero Edgar Eduardo Arciniega Torres nos ha estado apoyando con el desarrollo del análisis cinemático y un modelo dinámico basado en software comercial; este nos permite tener una relación directa con el modelo mecánico que se diseñó específicamente, con todas las dimensiones y características materiales y mecánicas”.
El ingeniero con especialidad en mecatrónica del Cidesi, Edgar Eduardo Arciniega Torres, explicó que se han generado estimaciones numéricas para hacer modelaciones del espacio de trabajo del robot, dependiendo su orientación y las restricciones que existen en cuanto a longitudes de los actuadores.
“Ha sido un reto muy importante porque es otro paso profesional en mi carrera, me permitió conocer a detalle cómo trabaja un manipulador paralelo de este tipo. Implicó datos de programación y, respecto a la parte matemática, nos permitió conocer cómo debería comportarse ideal y realmente el robot. A través de software se hizo la modelación matemática y dinámica del sistema. El desarrollo que se llevó a cabo permite comprender cómo funciona el robot en cada punto de su espacio de trabajo donde lo queremos controlar, hacia dónde y cómo es posible comandarlo”.
Innovación en software
El estudiante de la maestría germano mexicana en ciencias de la mecatrónica, José Luis Germán Félix, puntualizó que la propuesta de este robot comprende la innovación en software que se está diseñando en el Cidesi.
“Es una aplicación desarrollada bajo el sistema operativo Linux. Lo que se buscó es que se puedan realizar funciones que se encuentran normalmente en un robot industrial, como por ejemplo el movimiento en su espacio de trabajo, que el programa sea capaz de detectar si el usuario lo quiere llevar a una posición que lo dañe o que no pueda alcanzar, guardar puntos para funciones posteriores y rutinas preprogramadas, entre otras”.
 
Para el diseño del programa se buscó una plataforma abierta, es decir, basada en código libre, para que después se puedan seguir haciendo otros desarrollos, además de que fuera modular y extendible.
“Si se requiere integrar otros elementos de hardware, seguridad u otra cosa, la idea es que solo se afecte un módulo y no se tenga que reescribir todo el programa. Se hizo de esa manera porque en futuros desarrollos se contempla el uso de otros actuadores y drivers”.
Germán Félix reconoció la experiencia académica y profesional vivida durante esta maestría en ciencias de la mecatrónica.
“Este posgrado es muy interesante porque es un reto, desde el punto de vista académico, estudiar un año en Alemania. Es un programa máster, donde hay alumnos de diferentes partes del mundo. Te permite corroborar el gran nivel que se tiene en México y que los conocimientos que adquirimos aquí son muy útiles allá. Se aprenden nuevas formas de estudiar y trabajar”.
El ahora líder de la división de Industria 4.0 de este centro público de investigación, Juan Noé Reyes Elías, destacó el carácter multidisciplinario de este proyecto, donde participan especialistas en áreas como ingeniería mecánica, electrónica, control, software, planeación de proyectos y hasta negocios, ya que se tiene el objetivo de comercializar, en esta fase, un prototipo para la investigación.
“Se trata de desarrollar un producto, no dejarlo todo en un paper o una investigación, sino realmente tener un prototipo enfocado en uso real. En esta primera etapa se trabaja para comercializarlo en un nivel académico, de investigación y experimental. No es un modelo estudiantil, sino semiindustrial; las siguientes versiones van a tener aplicaciones más específicas con mayor rigidez y precisión, pensando en procesos de manufactura mecánica, simuladores de movimiento de alto peso, sistemas de guiado de telescopios, entre muchas otras”.