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P.A.C.E “Aprendizaje de la electrónica a través de la robótica” 1

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1.1. INTRODUCCIÓN A LA MICROBÓTICA ................................................................................................ 2

1.2. NIVEL FÍSICO ............................................................................................................................................... 3 MOTORES ............................................................................................................................................................... 3 ESTRUCTURAS .................................................................................................................................................... 11 MOVILIDAD DE NUESTRA ESTRUCTURA..................................................................................................... 18

1.3. MONTAJE DE LA ESTRUCTURAD DE MONIBOT ............................................................................. 21

capítulo

INTRODUCCION A LA MICROROBOTICA

Proyecto de agrupación de Centros Docentes: “Aprendizaje de la electrónica a través de la robótica”

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1.1. INTRODUCCIÓN A LA MICROBÓTICA

La robótica es una de las aplicaciones más apasionantes de la electrónica y hasta hace poco tiempo había que ser todo un experto tanto en electrónica analógica como en digital para poder adentrarse en esa rama de la electrónica, pero ahora gracias al imparable avance de la microelectrónica, no es difícil construir un micro robot o microbot, que es un pequeño robot de investigación que normalmente se controla con un microcontrolador y que se diseña para realizar tareas concretas.

A la hora de analizar la construcción de nuestro microbot utilizaremos la clasificación que la empresa Microbótica, una de las pioneras en este campo en España, que denomina la torre de Bot o torreBot, que es una clasificación en la cual desde el nivel uno al seis, indica un paso en el diseño y construcción del microbot.

Nivel 6 Nivel de Cooperación

Nivel 5 Nivel de comunicación

Nivel 4 Nivel de Inteligencia

Nivel 3 Nivel de Control

Nivel 2 Nivel de Reacción

Nivel 1 Nivel Físico

Nivel Físico: Comprende la estructura física, las unidades motoras, y las etapas de potencia. Es posible encontrar desde sistemas sumamente sencillos basados en un único motor, hasta estructuras sumamente complejas que buscan emular las capacidades mecánicas de algunos insectos.

Nivel de reacción: Está formado por el conjunto de sensores, así como los sistemas básicos para su manejo (circuitos de polarización). Estos transductores cubren un amplio margen de posibilidades, así podemos encontrar desde simples “bumpers” ( finales de carrera), hasta microcámaras digitales con sistemas de reconocimiento.

Un microbot que haya superado en cuanto a su construcción tanto el nivel físico como el de reacción, se denomina microbot reactivo.

Este tipo de unidades, trabajan cumpliendo la premisa, “acción-reacción. En este caso, los sensores son los propios controladores de las unidades motoras, sin ningún tipo de control intermedio.



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Nivel de Control: Incluye los circuitos más básicos que relacionan las salidas de los sensores con las restantes unidades. Partiendo de una simple lógica digital hasta potentes microcontroladores, se busca dotar al microbot de la capacidad para procesar la información obtenida por los sensores, así como actuar de una manera controlada sobre las unidades motoras.

Nivel de Inteligencia: Abarca la planificación a largo plazo; en este nivel, se introducen los objetivos del microbot que tienen relativa independencia de los sensores. Este es el más alto nivel de inteligencia que puede alcanzar un microbot como una unidad individual.

Nivel de comunidad: Se trata de la puesta en funcionamiento de más de un microbot dentro de un mismo entorno de forma simultánea y sin que ninguno de ellos tenga conocimientos explícitos de la existencia de otros en su mismo entorno. A estos recintos se los denomina granjas.

Los centros de investigación utilizan las granjas como entornos de observación de los microbot. Dichos establecimientos pueden contar con sistemas sofisticados que permitan a un operario monitorizar el comportamiento de la comunidad así como alterar las condiciones externas del sistema (agregar obstáculos, cambiar la temperatura, etc...)

Nivel de Cooperación: Comprende los sistemas donde a partir de un nivel de comunidad, se planifican o programan los microbot para que tengan conocimiento de la existencia de otros, de manera que posean la capacidad de cooperar para el buen desarrollo de una tarea.

1.2. NIVEL FÍSICO

MOTORES

Dentro del nivel físico comenzaremos a hablar de los motores. A la hora de elegir un motor para aplicaciones de microbótica, debemos tener en cuenta que existen varios factores como son la velocidad, el par, el frenado, la inercia y el modo de control.

Si lo que queremos es utilizar un motor de corriente continua, existen varias posibilidades en el mercado

• Motores de corriente continua. Dentro de la gran variedad de tipos existentes en el mercado, los más económicos son los que se utilizan en algunos juguetes, pero tienen el inconveniente de que su numero de Revoluciones Por Segundo (RPS) es muy elevado, lo que no les hace muy apropiados para la construcción de un microbot que por ejemplo siga una línea, si no se utilizan reductores adicionales o un sistema de regulación electrónico.

• Motores de corriente continua con reductores, en los juguetes del tipo Mecano o Lego, podemos encontrar motores con reductores o sistemas reductores para acoplar a los motores. Esta es una buena opción si se dispone de ellos, en caso contrario,



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existen en el mercado motores reductores como los que se muestran en la Tabla 1 con las fotos correspondientes, que además de disminuir la velocidad le dan más potencia al microbot para mover por su estructura y la batería (que proporcionalmente pesa mucho) y otros objetos para lo cual se necesita disponer de motores con buen par de arranque.

TABLA 1.- TIPOS DE MOTORES DE CC COMERCIALES CON REDUCTORAS

Motor reductor de relación 194:1 con doble eje φ 2,4x6 mm, tensión de trabajo entere 1,5 V y 12 V (www.microlog.es)

Motor reductor de relación 23:1 con doble eje φ 4x40 mm, tensión de trabajo entere 1,5 V y 12 V. (www.microlog.es)

http://www.microlog.es/




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Motor con reductor de relación 17:1 con doble eje de φ 4x20 mm, tensión de trabajo entere 1,5 V y 12 V. (www.microlog.es)

Motor reductor de relación 10:1 con doble eje de φ 2x20 mm, tensión de trabajo entere 1,5 V y 4,5 V (www.microlog.es)

Motor reductor de corriente continua de 12V 120 RPM modelo S330120 (www.superrobotica.com)



http://www.superrobotica.com/



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Doble motor con distintas configuraciones de reductotoras. Este tipo de actuador dispone de distintos engranajes que se montan en la misma carcasa en la configuración adecuada a la aplicación. www.pololu.com

• Sevomotores de los utilizados en modelísmo y radiocontrol, se trata de unos motores con un circuito electrónico, estos servomotores cumplen una características que les hacen idóneos para la construcción de nuestro microbot, tales como un buen par de salida, potencia suficiente para trasladar objetos o una batería , baja inercia, son capaces de mover 3,5 Kg x cm, incluyen multitud de accesorios para poder fijar las ruedas del microbot, son fáciles de fijara a una estructura plana al ir dentro de una carcasa de platico rectangular con soportes para fijar los tornillos.

Pero tienen un pequeño inconveniente y es que hay que “trucarlos” para que el eje del motor pueda girar los 360 º ya que normalmente giran entre 180º y 270º, dependiendo de los fabricantes, por motivos de seguridad en las aplicaciones para las que están diseñados. El trucar los servomotores los hará inservibles para su uso en las aflicciones típicas de radiocontrol, ya que se convertirá en un motor de corriente continua con una caja reductora, pero desde luego para nuestro fin no tiene ningún

http://www.pololus.com/



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problema. Seguidamente se muestra los pasos a realizar para convertir los servomotores en motores con desmultiplicadores es decir, como trucar el servomotor. Casi todos los servomotores son iguales, nosotros vamos a trucar el que tenemos a mano que es Hitec modelo HS-300BB.

TABLA 2.- SECUENCIA PARA TRUCAR UN SERVOMOTOR EN MOTOR DE CC CON CAJA REDUCTORA

Los servomotores de origen son tan solo capaces de girar como mucho entre 180º y 270º como es requerido para las aplicaciones para las que están pensadas inicialmente, esta restricción viene impuesta por unos topes mecánicos que limitan el giro a 180º-270º y un circuito electrónico. Si eliminamos las dos cosas podemos conseguir el giro de 360º y por lo tanto que se comporte como un motor de DC con caja reductora

Quitamos el tornillo que sujeta el soporte de la rueda tractora al eje que es estriado, por lo que habrá que sacarla después a presión.



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Se quitan los cuatro tornillos de la tapa posterior y al quitarla se pueden ver un circuito electrónico que en nuestro caso está metido a presión, para poder quitarlo hay que quitar el tornillo que sujeta el eje potenciómetro por la parte de los engranajes que están en la cara opuesta a la que hemos abierto.

En esta figura podemos apreciar los engranajes de la etapa reductora cuya misión es reducir la velocidad del motor y dar mayor potencia y par de arranque al sistema.

Desmontar las ruedan dentadas, teniendo mucho cuidado de no perder ninguna de ellas prestar atención al pequeño eje que hay entre las ruedas intermedias, en algunos modelo de servomotores es móvil, en nuestro caso está fijado a la carcasa. Con unos alicates de punta plana, podemos quitar ahora la tuerca que sujeta el potenciómetro.



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Ahora ya podemos desmontar la placa del circuito impreso y el potenciómetro ayudándonos con un destornillador haciendo un poco de palanca.

Desoldamos el los cables que están conectado al motor para desprenderlo del circuito impreso.

Hacemos lo mismo con los cables que conectan el exterior a la placa de circuito impreso para poder reutilizarlos. Seguidamente conectaremos dos de estos tres cables al motor, conectar el rojo al terminal con el punto rojo y el negro al otro, eliminando el tercero que no se utiliza

Ahora eliminamos el limitador mecánico que consiste en una pestaña de la rueda dentada, para utilizamos unos alicates de corte tal y como se muestra en la figura. Utilizar una lima para eliminar los restos de la pestaña. Tener mucho cuidado para no romper la rueda por que se volvería inservible el servomotor. En caso de partir la rueda se puede intentar pegar con un pegamento de contacto.



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Volver a montar las ruedas dentadas de la caja reductora fijándose en la figura para no confundirse y tener mucho cuidado de no forzar ninguno de los engranajes, de manera que puedan deteriorarse. La tapa superior deberá de entrar sin forzarla, en nuestro caso tener cuidado con el eje de las ruedas superior e inferior que está en la propia carcasa.

Atornillar nuevamente la tapa inferior pero es aconsejable hacer antes un nudo en los cables del motor y dejar el nudo en el interior para que proteja las soldaduras en el caso de tirar del cable.

Pues bien, ya tenemos uno de los motores preparados para nuestro microbot, deberemos hacer lo mismo con el otro para tener la pareja necesaria.

Para fijar esta estructura al chasis de nuestro microbot, tan solo tendremos que conseguir unas escuadras con unos taladros o hacerlas nosotros mismos con un trozo de aluminio y la ayuda de un tornillo de banco. En nuestro caso hemos utilizado los tubos de conexión de unas clemas eléctricas.

Si se utilizan cualquiera de los otros tipos de motores de corriente continua que se han mostrado la fijación al chasis puede ser más o menos compleja, Si el motor tiene una carcasa redonda, que es lo normal, se puede utilizar una grapa de las utilizadas para fijar el tubo de las instalaciones eléctricas de superficie, tal y como se muestra en la Foto 1.



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FOTO 1.- FIJACIÓN DE UN MOTOR A UNA ESTRUCTURA PLANA

ESTRUCTURAS

Para la construcción de nuestro microbot podemos utilizar muchos tipos de estructuras, que dependerán de la función que queramos realizar, no es lo mismo diseñar un robot bípedo que un rastreador.

Unas de las estructuras más utilizadas es la de los juegos educacionales de construcción tipo Lego, Mecano o Eitech interesantes por su flexibilidad, y de forma un poco más “profesional” las estructura de los Fischertechnik que fueron diseñadas originariamente para aplicaciones técnicas tanto estáticas como de estructuras mecánicas con movimiento.



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FIGURA 1.- ESTRUCTURA DE UN MICROBOT CON UNA ESTRUCTUDA FISCHERTCHNIK

Una estructura realizada con un Mecano es por ejemplo el caso del Pívot-1 de la empresa Microsystems Engineering (www.microcontroladores.com) que se muestra en la Figura 2, donde podemos ver como sus diseñadores han integrado hábilmente la placa de circuito impreso de control en la estructura mecánica y justamente debajo de él se encuentra alojada una batería de plomo de 12V y 0,8 mA/h.

FIGURA 2.- MICROBOT PIVOT 1 MODIFICADO

http://www.microcontroladores.com/



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Para el caso de un microbot que no debe salvar obstáculos y que será un microbot experimental de bajo coste, podemos utilizar una estructura más sencilla, como por ejemplo un trozo de metacrilato, poliestireno, PVC (policloruro de vinilo), placa de circuito impreso o incluso puestos a reciclar, puede servirnos la caja de plástico de un Compact Discs.

FOTO 2

En nuestro caso nosotros utilizamos para nuestros primeros prototipos dos placas de polietileno blanco de 180 x 130 mm (ver foto 2), pero por supuesto que pueden utilizarse otras medidas, el hecho de utilizar dos placas, es por que de esta manera, como luego se verá, se pueden poner las baterías en el piso inferior y el circuito de control de los motores y sensores en el superior.

La estructura que hemos realizado para el robot del curso, está realizada en PVC esponjoso de 3mm, cuyas planchas hemos adquirido en Resopla (http://www.resopal.com ) y las hemos cortado con la máquina de control numérico consiguiendo el resultado de la foto 3.

http://www.resopal.com/



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FOTO 3.- MICROBOT EXPERIMENTAL

Otra opción comercial no muy costosa es la que nos presenta la firma www.polus.com que consiste ene una estructura de material acrílico y unos motores con reductora, com se puede ver en la foto 4.

http://www.polus.com/



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FOTO 4.- ESTRUCTURA DE MATERIAL ACRILICO Y MOTORES OFRECIDA POR LA EMPRESA www.pololu.com

A la hora de diseñar la tracción del microbot utilizando ruedas, podemos pensar en varias opciones que podemos utilizar dependiendo de la aplicación que se le quiera dar a nuestro microbot de “investigación”. Así pues, podemos optar por una estructura formada por dos ruedas a tracción independientes y una rueda loca como la que se muestra en el diagrama de la Figura 3, o por una arquitectura de triciclo, como la de la Figura 4, formada por dos ruedas de tracción y una de dirección independientes o por una estructura similar a los coches tradicionales formada por dos ruedas tractoras con control de la dirección y dos ruedas sin tracción como la que se muestra en la Figura 5.

http://www.pololu.com/



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DIRECCIÓN DIFEENCIALRuedas de tracción

Rueda Loca

Ruedaopcional

FIGURA 3- ESTRUCTURA CON DIRECCIÓN DIFERENCIAL

E S T R U C T U R A D ET R I C I C L OTr a c c i ó n y d i r e c c i ó ni n d e p e n d i e n t e s

FIGURA 4.- ESTRUCTURA DE TRICICLO

E S T R U C T U R A D E C OC H ETr a c c i ó n y d i r e c c i ó n e nd o s r u e d a s

FIGURA 5.- ESTRUCTURA TIPO COCHE

E S T R U C TU R A D EN U E S TR O M I C R O B O T

Motor Motor

Rueda Loca

FIGURA 6.- ESTRUCTURA PARA EL DISEÑO DE NUESTRO

MICROBOT.

Las “ruedas locas”, deben ser capaces de rodar y pivotar sobre si mismas, al igual que las ruedas motrices deberán de ser capaces de adaptarse a los obstáculos del terreno. Su movimiento alrededor del eje sobre el que pivota debe ser lo más suave posible, para no dificultar la rotación



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del microbot, de lo contrario es posible que se bloquee y patine si no se elige de forma adecuada,

Las soluciones para este tipo de ruedas pueden ser muchas, nosotros en numerosas ocasiones hemos optado por una rueda que gira libremente sobre su eje gracias a una pequeña plataforma con rodamientos de las que podemos encontrar en cualquier ferretería, además hay un gran surtido de ellas en lo referente a tamaños.

En el modelo anterior de “Monibot” optamos por una rueda loca fabricada con una rueda de arrastre de de un radiocassette, que hemos encontrado en una tienda de repuestos de material electrónico.

FOTO 5.- RUEDA LOCA FABRICADA CON UNA RUEDA DE ARRASTRE DE UN CASSETTE

Ponerle las ruedas motrices a un robot experimental de bajo coste, nunca ha sido tarea fácil, suelen utilizarse ruedas de juguetes y que se pueden encontrar fácilmente en las tiendas que venden material a los centros de educación secundaría para la asignatura de Tecnología.

FOTO 6.- RUEDAS

Un sistema muy económico, es utilizar unos discos compactos o DVD desechados,



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aunque también se pueden fabricar con de PVC o madera utilizando a ser posible una máquina de control numérico para que salgan iguales.

Otra opción es utilizar unas ruedas como las que se muestran en la foto 7, Esta rueda de 66mm se caracteriza por que se acopla directamente en cualquier servo Futaba o Hitec de tamaño standard. Estas ruedas de PVC inyectado tiene preformada las estrías del los servos. Su colocación es tan sencilla como encajar y apretar el tornillo. La rueda esta rodeada por una banda de caucho negra que le proporciona gran adherencia sobre cualquier superficie.

FOTO 7.- RUEDAS PARA ACOPLE ESPECIAL A SERVOMOTORES

MOVILIDAD DE NUESTRA ESTRUCTURA

La estructura que hemos elegido para nuestro microbot nos permitirá realizar movimientos hacia adelante, hacia atrás, giro a la derecha, giro a la izquierda y por supuesto realizar un giro sobre si mismo, tal y como puede verse en las figuras 7 a 11.



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FIGURA 7

Movimiento hacia delante, se hacen girar los dos motores en la misma dirección hacia delante (sentido horario). Esto provoca un movimiento rectilínea suponiendo que los dos motores son exactamente iguales.



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FIGURA 8

Movimiento hacia atrás, se hacen girar los dos motores en la misma dirección hacia atrás (sentido contrario a la agujas del reloj). Esto provoca un movimiento rectilínea suponiendo que los dos motores son exactamente iguales.

Giro a la derecha

FIGURA 9

Movimiento de giro a la derecha, se hacen girar el motor izquierdo en sentido horario (hacia delante) y el motor de la derecha en sentido antihorario (hacia atrás). Esto provoca un movimiento de giro a la derecha de la estructura

Giro a la izquierda

FIGURA 10

Movimiento de giro a la izquierda, se hacen girar el motor izquierdo en sentido antihorario (hacia atrás) y el motor de la derecha en sentido horario (hacia adelante). Esto provoca un movimiento de giro a la izquierda de la estructura



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Giro completo sobre su eje

FIGURA 11

El movimiento de giro completo sobre su propio eje, abarca una superficie muy grande que no hace la estructura muy adecuada para moverse en recintos muy pequeños, como podría ser el caso de movimientos en pruebas de laberintos.

1.3. MONTAJE DE LA ESTRUCTURAD DE MONIBOT

La estructura de nuestro robot, es de pequeño tamaño y se ha pensado en redondo para evitar que se quede atorado en las esquinas, al ser redondo tiene más posibilidades de salir de un bloqueo. Además se han colocado las ruedas por dentro de la estructura y protegidas, de manera que no se bloqueen con las esquinas.

Para montar las estructuras, es recomendable seguir los pasos que seguidamente se indican, puede ocurrir que alguna de las figuras no coincidan las piezas que se le entregan, ya que durante la realización de esta documentación se están realizando algunas modificaciones de las mismas. Para distinguir las plancha inferior y superior fijarse en las figuras 12 y 13 respectivamente



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FIGURA 12.- PLANCHA INFERIOR FIGURA 13.- PLANCHA SUPERIOR

Paso 1.- Se trucan los servomotores para que se comporten como motores de corriente continua con reductora, tal y como se ha indicado en este mismo capítulo.

Paso2.- Sobre la plancha inferior de la estructura montar los separadores de 30 mm y la escuadras tal y como se muestra en la figura 14.

FIGURA 14.- MONTAJE DE SEPARADORES DE 30mm Y ESCUADRAS



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Paso 3.- Montar el frontal tal y como se muestra en la Figura 15, sobre este sandwich se montaran posteriormente los sensores CNY70, pero si se dispone de ellos se pueden dejar ya montados.

FIGURA 15

Paso 4.-Montar sobre los servomotores ya trucados el casquillo de latón de las clemas, tal y como se muestra en la figura 16.

FIGURA 16



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Paso 5.- Fijar los servomotores a la plancha inferior, tener en cuenta que los tornillos se fijan una tuerca autoblocante.

FIGURA 17

El resultado de montar los dos servomotores será similar al de la figura 18 visto por la parte de arriba y a la 19 visto desde la parte inferior.

FIGURA 18



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FIGURA 19

Paso 6.- Montar sobre los separadores la parte superior de la estructura, tal y como se muestra en la figura 20.

FIGURA 20

Paso 7.- Montar los espárragos macho hembra de 10 mm, en la plancha superior de la estructura, tal y como se muestra en la figura 21.



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FIGURA 21

Tener en cuenta que los tornillos de los espárragos de la parte posterior, tienen que ser avellanados, para que luego encaje el portabaterías.

FIGURA 22.- DETALLE DE LOS TORNILLOA AVELLANADOS

Paso 8.- Sobre estos espárragos se podrán montar posteriormente los distintos pisos de placa de circuito impreso de los circuitos de control, como se puede apreciar en la figura 22.



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FIGURA 23.- MONTAJE DE LAPRIMERA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO

FIGURA 24.- MONTAJE DE LA SEGUNDA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO

Paso 9.- Montar las ruedas de los servomotores, apretando bien los tornillos negros pero con cuidado de no forzar la rosca.



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FIGURA 25.- MONTAJE DE LA RUEDA CON EL SOPORTE DEL SERVOMOTOR

FIGURA 26



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Paso 10.- Montar la rueda loca siguiendo los detalles que se indican en las figura 27 y 28

FIGURA 27

FIGURA 28

El resultado del montaje será una cosa similar al dibuja de la figura 29



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FIGURA 29.- ESTRUCTURA DE MONIBOT COMPLETADA

En la figura 30 se muestra un plano de despiece completo.



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FIGURA 30.- DESPIECE COMPLETO DEL ROBOT

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