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Proyecto 11

Brazo Robótico

Diseño, construcción y programación de un brazo robótico de 6 grados de libertad (seis servomotores) que simula operaciones de procesos productivos: primero se conectan y calibran los seis servos y se ensambla el brazo del kit para automatizar un movimiento simple; luego se suman seis potenciómetros que funcionan como un mando a distancia para controlar cada articulación; por último se programa una secuencia automática de pick-and-place que traslada objetos de una cinta transportadora a otra.

Dificultad:
Nivel educativo:
Secundario. Ciclo Básico.
Plataformas:
Arduino UNO R3 ESP32 DevKit
Mecánica Electrónica Programación Fabricación digital Sensor: 6 potenciómetros (mando a distancia, uno por articulación, desde el nivel intermedio) Actuador: 6 servomotores estándar (las 6 articulaciones del brazo: base, hombro, codo, muñeca, rotación y pinza)

Así funciona

Mirá el comportamiento del proyecto funcionando. Más abajo tenés la guía paso a paso para construirlo y programarlo.

La simulación arranca sola cuando llegás. Podés pausarla cuando quieras.

Empezá el proyecto

Elegí un nivel para arrancar. Cada uno retoma el anterior y sube la complejidad: si es tu primera vez, empezá por el inicial — ahí se arma la base del circuito.

  1. Inicial Conectar, calibrar y armar el brazo de 6 servomotores
  2. Intermedio Comandar el brazo a distancia con seis potenciómetros
  3. Avanzado Automatizar una secuencia de pick-and-place
Descargar manual completo (PDF)

Objetivos

  • Aproximarse al conocimiento de dispositivos automatizados que tienen una programación similar a la de insumos y máquinas de distintos sectores de la industria.
  • Analizar los escenarios donde la robótica puede generar beneficios, tanto para optimizar procesos como para la seguridad de los operarios.
  • Conocer los componentes mecánicos de un brazo robótico y entender cómo se genera un movimiento articulado que imita el de un brazo humano usando servomotores y piezas mecánicas (nivel inicial).
  • Comandar un dispositivo automatizado mediante distintas interfaces, usando potenciómetros como mando a distancia (nivel intermedio).
  • Analizar la programación de la estructura secuencial de un programa que realiza una operatoria compleja de tomar y colocar objetos, o pick-and-place (nivel avanzado).
  • Aproximarse al funcionamiento de la impresión 3D para fabricar las piezas de soporte del brazo y la carcasa del mando.

Antes de empezar

  • Arduino IDE 2.x instalado en la computadora

Insumos

La lista se ajusta a la plataforma elegida en el selector del encabezado.

  • Foto de Servomotor
    Servomotores estándar (de 3 cables) × 6

    Son las seis articulaciones del brazo (base, hombro, codo, muñeca, rotación de la pinza y apertura/cierre de la pinza). Vienen incluidos en el kit del brazo. Cada uno tiene tres cables: señal (naranja/amarillo), VCC (rojo) y GND (marrón/negro). En el UNO se controlan con la librería Servo; en el ESP32, con ESP32Servo.

  • IO Expansion Shield DFRobot (V7.1) × 1
    Solo Arduino UNO R3

    Se apila sobre el Arduino UNO y agrupa, para cada pin, una fila de señal + VCC + GND: así los seis servos se enchufan sin cablear la alimentación uno por uno. Está pensado para el formato del UNO: NO encaja en un ESP32, donde los servos se cablean directo a los GPIO.

  • Foto de Potenciómetro
    Potenciómetros × 6

    Desde el nivel intermedio: cada uno comanda una articulación, como un mando a distancia. Se conectan sus extremos a VCC y GND y la pata central (cursor) a una entrada analógica de la placa.

  • Foto de Fuente de alimentación
    Fuente de alimentación externa de 5V 2A × 1

    Obligatoria. Seis servos consumen demasiada corriente para tomarla del puerto USB: se alimentan desde esta fuente, con GND común a la placa. Alimentar por USB puede resetear la placa o dañar el regulador.

  • Foto de Protoboard
    Protoboard de 830 puntos × 1

    Desde el nivel intermedio: sobre ella se montan y cablean los seis potenciómetros del mando.

  • Foto de Cables dupont macho-macho
    Cable dupont macho-hembra × 20
  • Filamento para impresora 3D (PLA) × 1

    Para imprimir las piezas de soporte que estabilizan la base del brazo y la carcasa donde se montan los potenciómetros del mando.

  • Foto de Arduino UNO R3
    Arduino UNO R3 × 1
    Solo Arduino UNO R3

    Placa de control primaria del proyecto, junto con el IO Shield de DFRobot.

  • Foto de Cable USB tipo B
    Cable USB tipo B × 1
    Solo Arduino UNO R3
  • Foto de Placa ESP32 DevKit
    Placa ESP32 DevKit v1 × 1
    Solo ESP32 DevKit

    Variante sin shield: los seis servos se cablean directo a los GPIO y se manejan con ESP32Servo. Su conversor analógico (ADC) es de 12 bits (0 a 4095), no de 10 bits (0 a 1023) como el UNO, lo que cambia la cuenta del mapeo de los potenciómetros.

  • Foto de Cable micro USB
    Cable micro USB (con línea de datos) × 1
    Solo ESP32 DevKit

Equipamiento del taller

  • Computadora
  • Kit Brazo Robótico (DFRobot)
  • Destornilladores Phillips
  • Llave francesa
  • Soldador
  • Estaño
  • Alicate
  • Pinza de punta
  • Pinza brusela

Fabricación digital

  • Impresión 3D Archivos en preparación

    PLA · stl, 3mf

    Piezas de soporte para estabilizar la base del brazo cuando no se dispone de una superficie donde fijarlo. Se imprimen en PLA y se lastran con material de descarte para dar peso. El original las ofrecía en enfoco.net.ar/sd; a preparar para esta reedición.

  • Impresión 3D Archivos en preparación

    PLA · stl, 3mf

    Carcasa para montar y ajustar los seis potenciómetros del mando a distancia del nivel intermedio. Permite operar el brazo con comodidad y, con un cableado más largo, comandarlo a distancia. A diseñar para esta reedición.

Presentación

Se propone el diseño, el armado y la programación de un brazo robótico capaz de desarrollar movimientos simples que imitan operaciones de procesos productivos reales. El brazo tiene 6 motores (servomotores) que le dan 6 grados de libertad: tres de traslación y tres de rotación, de modo que puede moverse en el espacio casi sin restricciones, como un brazo humano. El servomotor del extremo comanda una pinza que sujeta objetos para cambiarlos de posición o manipularlos por un tiempo determinado.

El brazo viene como un kit para ensamblar (el Kit Brazo Robótico de DFRobot): trae las piezas mecánicas y los seis servomotores, y se arma siguiendo su instructivo. Es un semi-kit: el cuerpo del brazo y el IO Shield son de DFRobot, pero los servos y los potenciómetros son componentes estándar y el control se programa en C++ como cualquier otro proyecto de esta colección, sobre una placa Arduino (o su equivalente ESP32).

A lo largo de toda la guía vas a encontrar términos técnicos resaltados: al tocarlos se despliega su definición, tomada del glosario original del proyecto. Allí está la información técnica necesaria para poner el proyecto en funcionamiento.

Cómo está organizado

  • Nivel inicial: conectar los seis servomotores al IO Shield con su fuente externa, calibrarlos todos a 90°, ensamblar el brazo del kit y programar su primer movimiento sincronizado. Simula reemplazar el trabajo forzado de operarios que se lesionaban haciendo acopio de materia prima.
  • Nivel intermedio: comandar el brazo a distancia con seis potenciómetros, uno por articulación, como un mando a distancia, para manipular sustancias peligrosas sin contacto humano.
  • Nivel avanzado: automatizar una secuencia completa de pick-and-place (tomar y colocar) que traslada objetos de una cinta transportadora a otra, para un puesto de control de calidad.

Esta reedición web conserva la estructura y la propuesta didáctica del material original de 2019, con las actualizaciones registradas en la ficha del proyecto: se programa directamente en C++ (mBlock3 fue discontinuado), se agrega la variante ESP32 (que no usa el shield y cablea los servos directo a los GPIO), y el nivel avanzado usa una máquina de estados no bloqueante para la secuencia automática.

Cierre y extensiones

Una vez finalizado este proyecto, si se quiere continuar, es posible extenderlo. Algunas opciones sugeridas por el material original son:

  • Modificar la trayectoria del brazo robótico (reordenar o sumar poses de la secuencia).
  • Agregar un sensor de color para hacer una selección diferenciada de los objetos.
  • Incorporar un sistema de control inalámbrico, por bluetooth o WiFi.

El proceso de resolución de problemas como el que se plantea aquí permite la movilización y la integración de distintos saberes en la búsqueda de soluciones posibles a una situación dada. Si bien la información se presenta a modo de instructivo, se espera que sean los estudiantes, organizados en pequeños grupos, quienes vayan encontrando las mejores formas de construir los dispositivos. Esto implica preparar los materiales para que cada grupo cuente con todo lo necesario, y que dentro de cada grupo se distribuyan los roles y las tareas según las demandas de la actividad.

Basado en la obra original Saberes Digitales — INET / EDUCAR, Ministerio de Educación, Cultura, Ciencia y Tecnología de la Nación Argentina (2019).