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Revista INGE CUC,Volumen 8, Número 1, Octubre de 2012, pp. 219-230

Artículo de Investigación - Fecha de recepción: 7 de agosto de 2012 - Fecha de aceptación: 19 de septiembre de 2012

RESUMEN

En este artículo se presenta un brazo robótico antropomórco de 5 grados de libertad para

la automatización del proceso de análisis bacteriológico en laboratorios clínicos, de carácterformativo y bajos costos, con el cual se pueden desarrollar prácticas en robótica y automa-tización, implementando su control en una tarjeta ARDUINO. Este trabajo permitió a losestudiantes de un curso de robótica básica aplicar estrategias de investigación del tipo experi-mental como complemento en su formación.

Palabras clave

Robot, antropomórco, bacteriología, cinemática.

Diseño e implementación de un brazo robóticode bajo costo para la automatización en el procesode análisis bacteriológico1

Juan Sebastián RojasEstudiante de Ingeniería Mecatrónica, Universidad de Pamplona. Cúcuta, Colombia, [email protected]

Santiago EscruceríaEstudiante de Ingeniería Mecatrónica, Universidad de Pamplona. Cúcuta, Colombia, [email protected]

Marco Alejandro SuárezEstudiante de Ingeniería Mecatrónica, Universidad de Pamplona. Cúcuta, Colombia, [email protected]

César Augusto PeñaIngeniero Electromecánico, Doctor en Automática y Robótica, Universidad de Pamplona. Cúcuta, Colombia,[email protected]

1. Artículo derivado del proyecto Robótica más allá del aula de clase. Fase: Desarrollo de bancos de robótica didáctica

de bajo costo con aplicaciones reales. Semillero de Investigación de Automatización Robótica y Control. Grupo deInvestigación de Automatización y Control (A & C). Universidad de Pamplona.



DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO DE BAJO COSTO PARA LA AUTOMATIZACIÓN

EN EL PROCESO DE ANÁLISIS BACTERIOLÓGICO

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Design and implementation of a low-cost robotic arm

for bacteriological analysis process automation

ABSTRACTThis paper presents an anthropomorphic 5 degrees-of-freedom robot arm for the bacteriolo-gical analysis automation in medical laboratories. This low-cost robotic arm is educational innature and it is conceived to develop practice in robotics and automation, implementing itscontrol on an ARDUINO board. This work also allowed students from a basic robotics courseto apply experimental research strategies in order to complement their training.

Keywords

Robot, anthropomorphic, bacteriology, kinematics.



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INTRODUCCIÓN

Los avances tecnológicos han ayudado de

manera muy signicativa en diversos cam- pos de la vida del ser humano, permitiendola realización de arduas tareas que traíanconsigo diferentes inconvenientes, entre loscuales se pueden destacar riesgos para la in-tegridad física, jornadas laborales extensas,ocios repetitivos, riesgos contaminantes,

etc. Mediante dichos avances y con el usode la robótica se han podido ir disminuyen-do, logrando como consecuencia un me-

jor estilo de vida, mayor calidad, rapidez,efectividad, productividad y economía en larealización de procesos.

El campo de la medicina no ha sido la ex-cepción y también se ha visto beneciado

por los constantes desarrollos [1], que vandesde el mejoramiento de la atención del paciente, pasando por avances en el análisisde pruebas, hasta el suministro eciente y

ágil de medicamentos [2].

Los progresos más notables dentro de esteamplio campo son las prótesis inteligentes[3]; cirugía a distancia [4], que ha permitidollegar a lugares remotos donde antes, dadaslas circunstancias, habría sido imposibleoperar, siendo uno de los más conocidos elsistema quirúrgico Da Vinci [5], que logra

intervenciones menos invasivas, más preci-

sas [6], y con recuperaciones más rápidas;los avances quirúrgicos usando tecnologíaláser, de rotundo éxito en el tratamientoocular; la nanotecnología utilizada entreotros casos para detectar distintas enferme-dades dentro del organismo [7]; la imple-mentación de dispositivos robóticos no solo para la atención del paciente, suministro demedicamentos en las farmacias a mayor ve-

locidad sino también para la optimización yautomatización de pruebas médicas.

Este último caso es el que se tuvo en cuen-ta para este desarrollo, en el cual se imple-mentará un brazo robótico para la automati-zación del análisis de muestras en las cualessu manipulación signique un alto riesgo

para el hombre o en casos en los cualessea necesario un alto grado de precisión, loque mediante los robots se puede alcanzar, permitiendo además el aumento de la velo-cidad y la cantidad de pruebas realizadas,

dada la rapidez de los mecanismos.

Adicionalmente, cabe recalcar que este trabajo fue propuesto con el n de que estu-diantes de un curso básico de robótica pue-dan desarrollar estrategias de investigaciónde carácter experimental para fortalecer susconocimientos adquiridos en el área.

CARACTERÍSTICAS DE LA PLATAFORMALa plataforma desarrollada cuenta con treszonas que se deben destacar. Se encuentraen la primera zona una interfaz de controlmediante el uso del entorno de trabajo Mat-lab, como artilugio de entrada de informa-ción. En la segunda zona se dispone de unatarjeta ARDUINO programable, que per-mite la comunicación entre la información

enviada por Matlab y el brazo. Por último,en la tercera zona, el robot antropomórco

de 5 grados de libertad que facilita la mani- pulación de los diferentes objetos.

Características del robot

Para el diseño mecánico del robot se utilizóel paquete de simulación SolidWorks, con





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el objetivo de visualizar el bosquejo del prototipo, el cual se puede observar en laFig. 1.

Fig. 1 Diseño del robot mediante SolidWorks

En este diseño se tuvieron en cuenta ca-racterísticas como el máximo alcance del brazo, la forma de las articulaciones y lasdimensiones de los servomotores, las cualesse pueden observar en la Fig. 2 y la Fig. 3.

Posterior a la simulación, en la implemen-

tación del modelo se aprovechó como ma-terial para su estructura el acrílico, dada sualta resistencia, fácil manufactura y comer-

cialización, además que por sus caracterís-ticas el robot puede ser trasladado con faci-lidad, dada su ligereza.

Las órdenes de control fueron programa-das desde Matlab mediante el cálculo delos parámetros Denavit-Hartenberg [8], que permiten hacer el análisis de la cinemáticainversa y determinar los ángulos que debetomar cada una de las articulaciones del robot, para crear las secuencias de movimien-tos que va a cumplir el brazo en el desarro-llo de sus tareas.

Para los movimientos de las articulacionesse utilizaron servomotores Hitec de diferen-te singularidad, que satisfacían las necesi-dades propias del sistema, de los cuales semuestran en la Tabla I sus respectivas ca-racterísticas.

Sistema de control

Como se ha mencionado anteriormente, elsistema de control del robot se desarrollómediante el uso de Matlab para la emisión

Fig. 2 Dimensiones del servomotor HS-485HB



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de la información que es recibida por la tarjeta programable ARDUINO, la cual envía

la señal en forma de PWM para ejercer do-minio sobre los servomotores.

TABLA I

CARACTERÍSTICAS DE LOS SERVOMOTORES

SERVO HS-

485HB

HS-

755HB

HS-

422HB

Piñonería Karbonita Karbonita Nylon

Voltaje (V) 4.8V/6.0 4.8/6.0 4.8/6.0

Velocidad

(Seg/60°)0.20/0.17 0.28/0.23 0.21/0.20

Torque

(kg.cm)5.2/6.4 11.0/13.2 3.3/4.1

Análisis económico

Todo el sistema se desarrolló con la inten-sión de que su replicación sea económica,y pueda ser utilizada en los diferentes gru- pos de estudio o investigación, por lo cualse usaron materiales de bajo costo, como enel caso de toda la estructura que, como yase dijo, fue construida en acrílico dadas suscaracterísticas, al igual que la tarjeta pro-gramable ARDUINO que siendo un dispo-

sitivo de bajo costo que no excede los 100dólares brinda una gran conabilidad, pre-cisión y fácil programación para su imple-mentación, lo cual sumado al costo de losservomotores resulta en que el costo totaldel robot sea de alrededor de 400 dólares,logrando así una plataforma académica eindustrial económica.

Fig. 3 Dimensiones del servomotor HS-422HB





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NARRATIVA DEL PROCESO

La raíz del presente proyecto es hallar pro-

cedimientos más ecientes, rápidos y au-tomatizados para incrementar la produc-tividad en los laboratorios en sus laboresde análisis bacteriológico y de esta maneralograr agilidad en la entrega de resultados; para eso se ha implementado este autómata.

En laboratorios y demás centros de inves-tigación se hace necesaria la manipulaciónde diferentes tipos de sustancias, tejidos y

muestras, entre otras, para su estudio y aná-lisis, proceso que viene realizándose de ma-nera manual por los encargados, tal y comose puede apreciar en la Fig. 4, en la que seobserva la toma de la probeta, y en la Fig.5 el respectivo siembre en la caja de Petri.

Fig. 4 Procedimiento manual para análisis bacteriológico

El desarrollo y la implementación de unrobot autónomo que se encargue de la re-colección y correcto posicionamiento dediferentes tipos de muestras, y demás herra-mientas utilizadas en el proceso de análisis bacteriológico, a n de lograr una mayor rapidez y ecacia, que no presente como en el

caso de los humanos errores por cansancioo agotamiento mental, sino que proporcione

un excelente manejo, se hace indispensabley de gran benecio para la sociedad médica

y general.

Fig. 5 Procedimiento tradicional de siembra bacteriológica

Por esto la aplicación de un brazo robóticoque cumpla con dichas tareas con grandesestándares de calidad ha sido consideradocomo caso de estudio, análisis y desarro-llo para el presente proyecto. En la Fig. 6se representa el esquema del proceso sec-cionado en 2 zonas principales, la primeradonde está la interfaz con el usuario y elcomputador y una segunda zona donde semuestra el proceso que se va a desarrollar, por lo tanto en esta zona están los diferentesartefactos que son: el autómata encargadode la manipulación, las probetas, el asa yla caja de Petri, dando como resultado nal

una muestra lista para ser analizada.

Fig. 6 Esquema del proceso



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Esta aplicación proporciona grandes ventajas a la hora de:

• Abordar la realización de tareas repeti-tivas y tediosas.

• Realizar tareas en horas nocturnas, locual permite el ahorro de tiempo.

• Reducir el riesgo de accidentes al per-sonal.

El brazo cumplirá con las siguientes funcio-nes: Primero debe tomar una probeta en la

cual se encuentra la muestra para analizar; posteriormente lleva dicha probeta has-ta donde se encuentre un recipiente cono-cido como caja de Petri y allí deposita lamuestra; una vez consignada ésta el brazodepositará la probeta en un contenedor; se-guidamente debe desplazarse hasta el sitioen el cual se encuentra el asa, instrumentoutilizado para el trasvasado de inóculos [9],con la cual hará la siembra de los microor-

ganismos y se posicionará para realizar elsembrado con el asa en la caja de Petri, deacuerdo con el método por repique; despuésde hecha la siembra el brazo se levantará ydepositará el asa en el contenedor; una vezterminada la secuencia realizada por el dispositivo podrá continuar el proceso para elanálisis de la muestra [10]. En el diagramade ujo representado en la Fig. 7 se detalla

la secuencia de tareas que ejecuta el autó-mata.

ANÁLISIS CINEMÁTICO

Se realiza el análisis cinemático del robot para determinar las trayectorias que deberealizar el brazo.

Fig. 7 Diagrama ujo funciones realizadas

Cinemática directa

En primera instancia se decretan los pará-metros Denavit-Hartenberg con el n de

concluir la posición de los ejes de cadauna de las articulaciones y sus respectivasorientaciones; los resultados obtenidos se

pueden observar en la Tabla II.Se calculan las matrices de transformaciónhomogéneas de cada articulación con respecto al eje inicial que en este caso está ubi-cado en la base del robot.





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TABLA II

PARÁMETROS D-H

Articulación Θ d i ai αi

1 q1 L1 O 90

2 q2 0 L2 0

3 q3 0 L3 0

4 90+q4 0 0 90

5 q5 L4 0 0

Se naliza con el cálculo de la matriz de

transformación homogénea del efector nal

respecto al sistema de referencia de la basedel robot.



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Una vez obtenidos estos parámetros se pro-cede a realizar el cálculo de la cinemáticainversa, con el objetivo de estimar los va-lores de las coordenadas articulares (q) que

deben tomar los actuadores del robot paraque la pinza en el extremo tome la posicióny la orientación deseadas.

Cinemática inversa

Se determina el cálculo del vector de co-ordenadas articulares “q” partiendo de la posición inicial del brazo, como se puedeobservar en la Fig. 8.

Fig. 8 Ejes de las articulaciones

Como primera instancia se determina el punto de muñeca ( Pm) para proceder con elcálculo de los ángulos.

Pm = P 5 - L4 Z 5 (1)

Se resuelve r como la distancia entre losejes iniciales y el punto Pm, teniendo como

resultado la ecuación:

r = √ Pm ( X 0)2 + Pm (Y 0)2 (2)

Con los dos parámetros anteriores determi-nados se procede al cálculo de q1, para elcual se toma una vista de techo del brazo(Fig. 9).

Fig. 9 Vista superior del brazo

Donde q1 puede ser calculado como:

q1 = atan2 ( P m X 0, P mY 0) (3)

Para el cálculo de q3 se tiene el esquemarepresentado en la Fig. 10, el cual muestrala vista lateral del brazo.

Fig. 10 Vista lateral del brazo





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Donde codo = 1 o -1

Para el calculo de q4 se distinguen los pa-rámetros representados en la Fig. 11, por lo

cual q4 se puede calcular como:q4 = atan2 (-( X 3 X 5);( X 3. Z 5) (7)

Fig. 11 Vista lateral del brazo contrario al eje Z3

Para el cálculo de q5 se puede ver el esque-ma de la Fig. 12 donde se observa una vistafrontal del brazo.

Fig. 12 Vista frontal del brazo contrario al eje Z5

RESULTADOS

Fueron realizadas distintas prácticas com- probando así que el brazo realizaba las tra-yectorias denidas de manera exacta a las

indicadas.

El bajo costo que caracteriza el desarrollode este dispositivo permite que su replica-ción pueda ser efectuada con relativa facili-dad por aquellos interesados.

En la Fig. 13 y en la Fig. 14 se puede obser-var el brazo realizando una serie de movi-mientos indicados a manera de comprobar

que efectivamente representaba con exacti-tud las órdenes de la secuencia que debíaseguir para realizar todo el proceso.

Fig. 13 Brazo tomando la probeta

El dispositivo podrá ser implementado don-de el espacio de movilización del brazo per-mita su correcto funcionamiento.

En la Fig. 15 se puede observar la variación

gráca en el tiempo que van describiendo



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los ángulos en las articulaciones durante eldesarrollo de toda la aplicación.

Fig. 14 Brazo tomando el asa

CONCLUSIONES

• Se corroboró, por medio de la imple-mentación de la cinemática directa einversa, que el brazo describiera las tra-yectorias estipuladas para su localiza-ción a lo largo del tiempo en los lugaresespecicados.

• En las aplicaciones industriales un bra-zo con las características que integra eldesarrollado en este proyecto sería una

buena herramienta de apoyo, por susdiversas ventajas, tanto en agilidad, e-ciencia, velocidad, además que puede

ser reprogramado fácilmente para quecumpla con el desplazamiento de cargasen diferentes trayectorias.

• El desarrollo de esta plataforma peda-gógica brinda la oportunidad de acre-centar habilidades en programación yrobótica, aplicando los conocimientosteóricos adquiridos y ya que su imple-mentación no requiere costos elevados

permite su acceso a los diferentes gru- pos de trabajo interesados en dicha ca- pacitación.

• Se logró que la plataforma fuese unsistema de aprendizaje y a su vez de-sempeñara una aplicación real de tipoindustrial, económica, implementandomateriales y dispositivos que cumplencon las necesidades requeridas a un bajo

costo, lo cual genera el interés y moti-vación por otras personas a desarrollar proyectos similares con el ánimo de au-

Fig. 15 Variación de los ángulos





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ca en la medicina”. Ventana Informática,1-10, 2004.

[5] L. W. Sun, C. Shatin y C. K. Yeung, “Port

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jo de muestras para el laboratorio clínico.Andalucía: Servicio Andaluz de Salud,2009, pp. 12-24.

mentar sus destrezas y buscar solucio-nes a los problemas rutinarios.

• Mediante el desarrollo de este proyectose evidenció un mayor interés por partede los estudiantes del curso de robótica,debido a que veían reejados los cono-cimientos adquiridos en una aplicaciónreal. Además les permitió ver algunosinconvenientes que surgen al imple-mentar un sistema real y darles sus respectivas soluciones.

REFERENCIAS

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