Ortiz et al., Diseño e implementación de un robot manipulador de cinco Grados  
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN ROBOT  
MANIPULADOR DE CINCO GRADOS DE LIBERTAD PARA  
UNA ESTACIÓN DE TRABAJO DIDÁCTICA  
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J. Ortiz-Mata , Alberto León-Batalla  
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Facultad Ciencias de la Ingeniería, Universidad Estatal de Milagro (UNEMI), Km 1.5 vía Km 26, Ciudadela  
Universitaria Milagro 09150, Ecuador; jortizm2@unemi.edu.ec; orcid.org/0000-0003-0466-4093  
Facultad Ciencias de la Ingeniería, Universidad Estatal de Milagro (UNEMI), Km 1.5 vía Km 26, Ciudadela  
Universitaria Milagro 09150, Ecuador; aleonb2@unemi.edu.ec; orcid.org/0000-0001-6643-4694  
Recibido (18/01/18), aceptado (18/03/18)  
Resumen: Este artículo se basa en el diseño y construcción de un robot manipulador o  
antropomórfico de cinco grados de libertad para una estación de trabajo con fines didácticos.  
El robot manipulador puede ser operado de manera local, desde la estación de trabajo y de  
manera remota mediante una aplicación móvil. El diseño constructivo se desarrolló usando  
herramientas CAD (Computer-Aided Design) y su control se realizó mediante programación  
desarrollada en software libre. Además, se presenta la descripción del modelo cinemático directo.  
Palabras Clave: Cinemática directa, grados de libertad, robot antropomórfico, robot manipulador.  
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A  
MANIPULATOR ROBOT WITH FIVE DEGREE  
OF FREEDOM FOR A DIDACTIC WORKSTATION  
Abstract: This article is based on the design and construction of an anthropomorphic or manipulator  
robot of five degrees of freedom for a workstation with didactic purposes. The manipulator robot can  
be operated locally from the workstation, and remotely through a mobile application. The constructive  
design was developed using CAD (Computer-Aided Design) tools and its control was realized by  
programming developed in free software. In addition, the description of the direct kinematic model is  
showed.  
Key words: Anthropomorphic robot, direct kinematics, degrees of freedom, robotic manipulator.  
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ISSN 2542-3401  
UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 22, Nº 87 Junio 2018 (pp. 4-9)  
Ortiz et al., Diseño e im Jp ul ea mn eS ne tg au c ri aó 1n , dF er au nn y er ol i bt oS tu mà r ae nz 2i p, uJ ul aa dn o rC da es i ce ir nr ac o2 G. rados  
I. INTRODUCCIÓN  
dos modos de operación: local y remoto. La operación  
Eláreadelarobóticahaidocreciendoconperspectivas local se la realiza en la estación de trabajo por medio  
brillantes para el futuro, por ello es necesario que los de potenciómetros y la operación remota se ejecuta  
jóvenes estén familiarizados con la tecnología del siglo mediante una aplicación móvil.  
XXI para hacer frente a los desafíos. Para este propósito  
es muy importante desarrollar metodologías y equipos II.DESARROLLO  
que permitan actualizar el proceso de enseñanza-  
1. Diseño del robot  
aprendizaje. Existen varios trabajos previos donde  
Para la construcción de la estación de trabajo  
se utilizan diversos medios para la enseñanza de la son necesarios varios elementos, que debidamente  
robótica, algunos utilizan plataformas de software de implementadospermiten la correcta interacción entre los  
bajo costo, la cual permite una transición fluida desde mismos. La Tabla I, muestra el listado de componentes  
un entorno virtual hasta un robot manipulador real [1]. utilizados.  
Para la enseñanza de la robótica, también se utilizan  
la estructura flexible y la interfaz gráfica, donde los Tabla I. Lista de elementos de la estación de  
parámetros del sistema se pueden cambiar fácilmente trabajo.  
a distintos puntos de operación [2]. Otro enfoque de  
la enseñanza de la robótica, se basa en el desarrollo de  
modelos matemáticos mediante software [3].  
El uso de nuevas tecnologías debe estar presente  
en las asignaturas de las carreras de ingeniería de  
manera sistemática, para ello se requiere tener en los  
laboratorios la Base Material y Técnica que permita  
mostrarlas, para fomentar el desarrollo de habilidades  
en los estudiantes al resolver problemas de ingeniería y  
de investigación [4].  
En el desarrollo de una clase de robótica, una  
preocupación muy importante es trabajar con  
presupuestos limitados [5]. Por lo cual se sugiere  
implementar componentes de bajo costo y software  
libres.  
El Laboratorio de Automatización de la Facultad  
de Ciencias de la Ingeniería (FACI) de la Universidad  
Estatal de Milagro, UNEMI, Ecuador, no cuenta con Las especificaciones del Servomotor MG996R se  
robots manipuladores que permitan realizar prácticas describen en la Tabla II, y sus dimensiones se muestran  
con respecto al área de la robótica y automatización. Por en la Figura 1.  
lo cual se desarrolla una estación de trabajo didáctico  
de bajo costo, que cuenta con un robot manipulador Tabla II. Especificaciones del Servomotor MG996R.  
de cinco grados de libertad y será utilizado como una  
herramienta de aprendizaje.  
Un robot manipulador es un mecanismo integrado  
por una serie de articulaciones, que tienen como  
principal objetivo el desplazamiento y orientación de  
objetos [6].  
Este artículo muestra el diseño de las piezas y  
los elementos utilizados para la construcción del  
manipulador.  
La cinemática directa describe la posición y  
orientación del efector final tomando en cuenta la  
geometría del robot, se plantean matrices homogéneas,  
las cuales representan la posición y orientación de un  
elemento en el espacio [7].  
El robot tiene un control manual, el cual cuenta con  
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Ortiz et al., Diseño e im Jp ul ea mn eS ne tg au c ri aó 1n , dF er au nn y re ol i bt oS tu mà rae nz 2i p, uJ ul aa dn o rC da es i ce ir nr ac o2 G. rados  
En el modelo cinemático directo del robot  
manipulador, se reconocen las trayectorias de cada  
una de las articulaciones, identificando los grados de  
libertad con la finalidad de encontrar la posición del  
efector final del manipulador [8].  
Figura 1. Dimensiones del Servomotor MG996R.  
Fuente: Hoja de especificaciones MG996R.  
Para el planteamiento del modelo cinemático directo  
se establece el esquema de la Figura 5, que describe la  
configuración y distribución de las articulaciones de los  
El manipulador está compuesto por una base, cinco diferentes grados de libertad.  
articulaciones y el efector final o pinza; estos están  
enlazados por piezas que sirven de unión, entre estos  
elementos y los servomotores. Se utilizó AutoCAD®  
como herramienta para el diseño del robot. La Figura  
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, muestra las piezas de unión que interconectan las  
articulaciones del manipulador.  
Figura 2. Piezas de unión en articulaciones.  
Las dimensiones de la base, eslabones y efector final, Figura 5. Ejes de las articulaciones.  
del robot manipulador se especifican en la Figura 3.  
Una vez definido el esquema de articulaciones, se  
ejecuta el algoritmo de Denavit– Hartenberg [9], que  
incluye la posición de los ejes de cada articulación y su  
orientación. Se plantea un sistema de referencia en cada  
articulación, con el objetivo de realizar los movimientos  
necesarios para trasladar el sistema de coordenadas,  
de la base hacia el efector final. Estos parámetros se  
describen en la Tabla III.  
Tabla III Parámetros Denavit – Hartenberg  
Figura 3. Dimensiones del robot manipulador.  
El diseño de la estación de trabajo didáctica en  
donde interviene el robot manipulador, se muestra en  
la Figura 4.  
Se obtiene una matriz de transformación homogénea  
por cada grado de libertad, que representan los  
desplazamientos de los sistemas de referencia [10].  
(1)  
Figura 4. Estación de trabajo didáctica.  
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.Cinemática directa  
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Ortiz et al., Dis Te ño ol e en ti imn po l eS m. ye nC t aa cr ai óbn a dl l eo uS n. Sr iomb ou tl amc iaó nn i pn uu l ma dé or ri c da ed ce i ln flc ou j Go rda ed ao is re.  
(
(
(
(
2)  
3)  
4)  
Figura 6. Componentes de la estación del robot  
manipulador.  
5)  
4
.Descripción de funcionamiento  
Elcontrolmanualdelrobotmanipuladorinteracciona  
El producto de todas las matrices de transformación directamente con los servomotores que permiten el  
homogénea da como resultado final la matriz de movimiento de las articulaciones; el robot puede ser  
traslación T [11].  
operadodeformalocalpormediodepotenciómetrosode  
forma remota mediante una aplicación en un dispositivo  
6) móvil. La selección de operación se da mediante un  
interruptor de dos estados que se encuentra conectado  
a una de las entradas digitales del microcontrolador.  
7) Si la entrada digital programada para el selector es  
uno, entra en modo de operación local realizando el  
posicionamiento mediante potenciómetros, si es cero  
se activa el modo de operación remoto, que se ejecuta  
(
(
Donde:  
•T: representa la orientación y posición de un mediante una aplicación móvil. La Figura 7, muestra  
sistema rotado y trasladado con respecto al sistema de el diagrama de flujo que describe la programación que  
referencia.  
ejecuta el microcontrolador.  
•[n, o, a] es una terna ortonormal que representa la  
orientación y p es un vector que representa la posición.  
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.Diagrama de componentes  
El robot manipulador se alimenta con 5 y 12 VDC.  
La primera fuente alimenta al servomotor y la segunda  
a la tarjeta Arduino MEGA. Se instala un selector para  
elegir el modo de operación local o remota. Para el  
modo de operación local se instalan seis potenciómetros  
de 10kΩ. Para el modo de operación remota se conecta  
el módulo de Bluetooth a la tarjeta de Arduino, esto  
permitirá recibir la señal de posición, que es enviada  
mediante un dispositivo móvil. La tarjeta de Arduino  
envía los pulsos para posicionamiento de 0 a 180  
grados a los servomotores [12]. La Figura 6 muestra  
la interacción entre los componentes de la estación de  
trabajo.  
Figura 7. Diagrama de flujo del funcionamiento.  
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Ortiz et al., Dis Te ño ol e en ti imn po l eS m. ye nC t aa rc ai óbn a dl l eo uS n. Sr iomb ou tl amc iaó nn i pn uu l ma dé or ri c da ed ce i ln flc ou j Go rda ed ao is re.  
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.1. Modo de operación local  
robot manipulador.  
Para la operación local, los terminales uno y  
tres de los potenciómetros de 10kΩ son polarizados  
por la fuente de 5VDC, los terminales “2” de los  
5.Prototipo  
Los elementos del robot manipulador están sobre  
potenciómetros van conectados  
a
las entradas una base de madera. Los potenciómetros, la tarjeta  
analógicas del microcontrolador, desde A0 hasta A5. Arduino MEGA y el módulo HC-05 de Bluetooth, se  
Mediante la programación se escala la señal de los ubican en una caja plástica. Los cables de alimentación  
potenciómetros de 0-1024 a 0-180 grados. La Figura 8 y de control van por canaletas. Los dispositivos de  
muestra el diagrama esquemático de las conexiones de protección contra sobre-corriente de los servomotores  
los potenciómetros con la tarjeta Arduino.  
son fusibles de 5 amperios. La estación de trabajo que  
se muestra en la Figura 10, será aplicada para prácticas  
de robótica y automatización.  
Figura 8 Diagrama de conexión de potenciómetros para  
operación local.  
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.2. Modo de operación remota  
La operación remota inicia con el envío de las  
señales de posicionamiento a los servomotores, por III. CONCLUSIONES  
Figura 10. Estación de trabajo.  
medio de la aplicación móvil que fue desarrolla en  
Se realizó el diseño y la implementación de un robot  
un Software libre denominado App Inventor®. Con manipulador de cinco grados de libertad ubicado en una  
esta aplicación el usuario podrá elegir que servomotor estación de trabajo, consiguiendo la operación en modo  
desea mover, se hace el ingreso en grados por medio local por medio de potenciómetros y operación remota  
de una barra de desplazamiento que podrá tener como mediante una aplicación móvil. Este trabajo tiene como  
valor máximo 180 grados y como valor mínimo 0 finalidad generar un recurso didáctico, el cual puede ser  
grados; posteriormente las señales serán enviadas por aplicado para realizar prácticas y estudios en las áreas  
Bluetooth, las cuales serán receptadas por el módulo de: robótica, automatización, análisis de mecanismos y  
HC-05 conectado al microcontrolador  
control automático.  
El trabajo elaborado con respecto al diseño del  
manipulador se realizó de manera sencilla. El uso de  
herramientas CAD para el dimensionamiento de las  
piezas, hace que el proyecto sea fácilmente replicable.  
Además, se utilizaron componentes de fácil adquisición  
y software libre, por lo cual el proyecto resulta factible  
debido a su bajo costo, en comparación a manipuladores  
comerciales.  
Se desarrolló el modelo cinemático directo del robot  
manipulador tipo serie, utilizando los parámetros de  
Denavit–Hartemberg, la matriz de traslación obtenida  
nos permitirá implementar posteriormente el control  
cinemático.  
Figura 9. Aplicación móvil para operación remota del  
La construcción de la estación de trabajo robótica  
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Ortiz et al., Diseño e im Jp ul ea mn eS ne tg au c ri aó 1n , dF er au nn y re ol i bt oS tu mà rae nz 2i p, uJ ul aa dn o rC da es i ce ir nr ac o2 G. rados  
incentiva al estudio y ejecución de futuros proyectos, 2005.  
por lo cual se plantea la implementación de sistemas de [5]S. Jung, “Experiences in developing an experimental  
secuencia automatizada.  
robotics course program for undergraduate education,”  
IEEE Trans. Educ., vol. 56, no. 1, pp. 129–136, 2013.  
[6]K. Subir, Introducción a la Robótica. México: Mc-  
Graw, 2008.  
IV. REFERENCIAS  
[1]L. Cehovin, A. Rezelj, and D. Skocaj, “Open-  
Source Robotic Manipulator and Sensory Platform,”  
vol. 457, 2017.  
[7]A. Ollero, Robotica Manipuladores y robots moviles.  
Barcelona, España: Alfaomega - Marcombo, 2001.  
[
6
2]M. Cakir and E. Butun, “An educational tool for [8]J. J. Craig, Robótica, 3era Ed., vol. 1, no. 8020.  
-DOF industrial robots with quaternion algebra,” México: Pearson Education, 2006., 2006.  
Comput. Appl. Eng. Educ., vol. 15, no. 2, pp. 143–154, [9]J. Denavit and R. S. Hartenberg, “A kinematic  
007. notation for lower pair mechanisms based on matrices.,”  
3]A. Gil, O. Reinoso, J. M. Marin, L. Paya, and J. J. Appl. Mech., vol. 77, pp. 215–221, 1955.  
Ruiz, “Development and deployment of a new robotics [10] A. Barrientos, L. Penín, C. Balaguer, and R.  
toolbox for education,” Comput. Appl. Eng. Educ., vol. Aracil, Fundamentos de Robótica. Madrid, España:  
3, no. 3, pp. 443–454, 2015. McGraw de España, 2007.  
4]A. H. Odorico and M. Teórico, “La robótica desde [11] M. Song, S. Hutchinson, and M. Vidsayagar,  
una perspectiva pedagógica,” vol. 2, no. 5, pp. 33–48, Robot Modeling and Control, First Edit. New York:  
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ISSN 2542-3401  
UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 22, Nº 87 Junio 2018 (pp. 4-9)