diseño e implementación de un brazo robótico...

1. Introducción

Uno de los campos donde la tecnología ha avanzado y que se puede ver a simple vista, es el campo del hogar, más específicamente la sección de cocina o culinaria. Hace unas décadas muchas cocinas estaban dotadas solamente por estufas de leña, recipientes de barro con capas de arena humedecida con agua para preservar los alimentos. Ahora se puede observar una gran cantidad de artilugios que hacen estas tareas domésticas mucho más amigables, tales como: estufas de gas, vitro-cerámicas, extractores de olores, neveras, microondas, hornos, procesadores de alimentos, exprimidores eléctricos de naranja, lavavajillas, trituradores de basura, entre muchos otros. Hoy en día, gracias a la expansión de los robots en diversos campos, se pueden ver en este tipo ambientes, por lo cual se les ha denominado: robots de cocina.

Un robot de cocina, también llamado procesador de alimentos, multiprocesadora o simplemente procesadora, es un electrodoméstico usado para realizar diversas tareas repetitivas en el proceso de preparación de la comida (Liaet al., 2011). Actualmente el término alude casi siempre a un aparato eléctrico, aunque existan algunos dispositivos mecánicos que realizan la misma función(Erzincanli y Sharp, 1997b).

Dependiendo del modelo de robot, estos pueden preparar una gran variedad de recetas entre las cuales se destacan: jugos naturales, salsas, cócteles, helados, pizzas, postres. Además, posee diferentes funciones como batir, triturar, rallar, picar, amasar o mezclar (Wang et al., 2009). Las capacidades más comunes son: cortar verduras, picar frutos secos, semillas, carne, o fruta seca, rallar queso y verdura, elaborar purés, mezclar y amasar (Jazbec et al., 2007).

Existen múltiples tipos de robots de cocina que se pueden encontrar en el mercado, algunos ejemplos son:

Batidoras de vaso: Son perfectas para picar frutos secos, mezclar, hacer batidos espumosos, mayonesa. Su espacio es reducido, no ocupa mucho en la cocina.

Vector 6 (2011) 45 - 53ISSN 1909 - 7891

Diseño e implementación de un brazo robótico educacional con aplicaciones culinarias

Juan Lópeza, Fabián Padillaa, MiguelLunaa, CésarPeñaa*

a Departamento de Ingeniería Mecánica, Mecatrónica e Industrial, Universidad de Pamplona.Villa del Rosario, Colombia.

Recibido: 12 de septiembre de 2012. Aprobado: 30 de marzo de 2015.

* Autor de correspondencia.E-mail: [email protected] (C. Peña)

ResumenEste artículo propone el desarrollo de una aplicación robótica de tipo educacional en el campo de la culinaria. Algunas de las premisas del diseño del robot fueron el bajo costo de fabricación, una fácil replicación por parte de estudiantes de robótica, uso de elementos de fácil adquisición, la posibilidad de implementar y verificar algoritmos típicos en un curso básico de robótica tales como la cinemática directa e inversa, planeación de trayectorias, control cinemático, entre otros. En la aplicación propuesta el robot es capaz de realizar una rutina para preparar un perro caliente, lo que incluye desde la cocción de la salchicha, la preparación del pan, la elaboración del mismo, hasta el punto de dejarlo listo para servir.

Palabras clave: robótica, culinaria, educación.

Design and implementation of an educational robotic arm with culinary applicationsAbstractThis article proposes the development of an educational type robotic application in the field of culinary. Some of the robot design as-sumptions were: low manufacturing cost, easy replication by students of robotics, use of readily available components, the possibility to implement and verify some typical algorithms in a basic course in robotics such as direct and reverse kinematics, path planning, kine-matic control among others. In the proposed application, the robot was able to perform a routine to prepare a hot dog, which includes everything from cooking the sausage, bread making, preparing the hot dog to the point of having it ready to be served.

Key words: software Robotics, culinary, education.

Juan López, Fabián Padilla, Miguel Luna, CésarPeña / Vector 6 (2011) 45-53

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Robots de cocina básicos: Hacen todas las funciones de las batidoras de vaso y además pueden llevar exprimidor, licuadora, discos para rallar, picar y cortar en rodajas de distinto grosor o en tiras, brazos para amasar. De ahí que ocupen más espacio por los distintos accesorios que lleva.

Amasadoras: Sirven para batir, amasar. Ocupan un lugar fijo en la cocina porque son bastante voluminosos.

Procesadores de alimentos: Son los robots de cocina más complejos. Además de realizar funciones básicas como cortar, triturar, licuar, moler, algunos se pueden programar, cuentan con recetas en la memoria y, dependiendo de los accesorios que se les añada, sus funciones pueden multiplicarse (Erzincanli y Sharp, 1997a).

Los nuevos modelos de robots de cocina no solo realizan múltiples labores en la cocina, sino que al programarse de forma adecuada pueden comenzar a preparar la comida a la hora solicitada, y trascurrido el tiempo indicado de cocciónla mantienen caliente y lista hasta el momento de su consumo. Además de facilitar las tareas de procesado en las cocinas, algunos robots son capaces de cocinar los alimentos, prepararlos para su consumo y mantenerlos en estas condiciones hasta entonces (Gravotet al., 2006; McDonaldy Sun,2001).

Entre los modelos más exitosos, se encuentran:

Thermomix: Quizás sea el robot alemán más conocido en el área. Fabricado por Vorwerk, tiene funciones tales como: báscula de peso, amasa, bate, ralla y muele, tritura, licua, exprime, cuece y todo en un solo aparato. Permite hacer auténtica comida casera y cuenta con numerosas recetas que se amplían día a día. Tiene una capacidad de 2 litros.

Chef 2000: Este robot de cocina fríe, cuece, hornea, cocina a presión y prepara las recetas con solo introducir los ingredientes en crudo dentro de la cubeta y apretar un botón. Es rápido, limpio y fácil de manejar y ocupa muy poco sitio, además no ensucia nada. Tiene una capacidad de 5 litros o para unas 10 personas. Consumo de energía mínima.

Cookfast: Puede cocinar todo tipo de platos gracias a sus funciones: hervir, cocinar al vapor, guisar, hornear, calentar, etc. Tan solo deberá introducir los ingredientes en crudo y programar a qué hora quiere tener la comida preparada.

Di4 turbochef: Cuenta con 23 velocidades, un único mando, zona de cocinado o de cocción y un fichero con 300 prácticas recetas (Nakauchi et al., 2005).

A pesar del avance en tecnología, y de los electrodomésticos que ayudan al momento de cocinar, aún no se cuenta con un control total sobre tareas fijas como cocinar, asar o freír alimentos, lo que hace pensar o buscar la forma de cómo suplir esta necesidad en el hogar.

En este campo se propone desarrollar algún tipo de brazo robótico que cumpla la función de “chef”, es decir, que cocine algún alimento o receta específica, bajo una serie de parámetros y que además cumpla con las normas de higiene y sanidad, propias de un elemento de cocina.

El objetivo de la aplicación robótica propuesta en este artículo es la preparación de perros calientes, donde el brazo llevaría una salchicha hasta un freidor o calentador, le da vueltas para una cocción uniforme, posteriormente el brazo pondrá el pan a calentar para luego colocarle la salchicha y proseguir a servirlo.

Esta aplicación proporcionaría grandes ventajas a este tipo de proceso, como son:

· Realización de tareas sin la presencia de humanos, lo cual bajaría el riesgo de accidente.

· Ahorro en personal, puesto que el proceso estaría completamente automatizado.

· 100% de higiene, puesto que las herramientas estarían esterilizadas y no hay contacto con ningún otro agente, durante la elaboración.

Cabe resaltar que este proyecto está enfocado como una aplicación educativa que motive a los estudiantes de esta disciplina a su replicación y, de esta forma, adquieran o fortalezcan los conocimientos adquiridos.

2. Materiales y Métodos

2.1. Características del robot

Para el diseño del brazo robótico, se utilizó el software de simulación SolidWorks, en el cual se tuvieronen cuenta todas las medidas reales de los componentes del brazo, tales como servomotores, eslabones, pinza y tornillería. Este modelo, se puede apreciar en la siguiente figura:


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Figura 1. Modelo del brazo robóticosimulado en un CAD.

Posteriormente, se utilizó el archivo de dibujo asistido por computador, para cortar las piezas del robot en una fresadora CNC (control numérico computarizado). El material seleccionado para la construcción del brazo robótico fue el acrílico, debido a su fácil manufactura, búsqueda y adquisición en el mercado; además de las propiedades físicas tales como la ligereza y resistencia mecánica. Los materiales escogidos son reciclables, cumpliendo las normas de diseño de productos sostenibles (diseño verde) con el fin de colaborar con el medio ambiente.

En cuanto a los accionamientos del brazo, se escogieron servomotores HITEC, debido al buen desempeño, su alta confiabilidad, par de salida y buen precio. Cabe resaltar, que se utilizaron diferentes tipos de servos, cada uno con un par diferente, siendo

que los de mayor capacidad, se utilizaron en la base y el codo del robot. En la Tabla 1 se pueden apreciar las principales características de los servomotores seleccionados.

Tabla 1 Características de servomotores

SERVO HS-645MG HS-322HD HS-422HD

Piñonería Karbonita Nylon Nylon

Voltaje (V) 4,8/6,0 4,8/6,0 4,8/6,0Velocidad (Sec/60°) 0,24 0,21 0,23

Torque (kg.cm) 7,7 3 3,3

2.2.Características del dispositivo (prototipo)

El brazo culinario básicamente cuenta con los materiales propios de un expenso de perros calientes.Se tiene a un costado la parrilla donde se calientan las salchichas, también posee una bandeja donde serán servidos los perros calientes una vez terminados. También cuenta con una caja de calentamiento, que es donde se lleva el pan para que eleve su temperatura, permitiendo que este siempre permanezca caliente y pueda consumirse en cualquier momento.

En la Figura 2 se muestra el esquema general de funcionamiento del dispositivo. Como se puede observar, el usuario desde el PC ejecuta la rutina que previamente estaba programada para ser ejecutada a una hora determinada (también podrá ser invocada desde vía telefónica o por internet), luego de esto el brazo robótico realiza los pasos necesarios para dar resultado a un perro caliente.

Figura 2. Esquema general del dispositivo.

El control del dispositivo se implementó utilizando la herramienta computacional Matlab, donde fueron programadas las trayectorias y las acciones que seguirá el brazo, para la preparación de los perros calientes. Además, también está programada la respectiva

cinemática directa e inversa del brazo, la cual permite ir a un punto determinado, dentro del espacio de trabajo del brazo, o mover las articulaciones un ángulo determinado para llegar a un punto deseado.


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Figura 3. Diagrama de funcionamiento del prototipo.

La parte de la comunicación o enlazamiento entre el mando (computador) y el brazo, se realizó por medio de la comunicación serial a través de un microcontrolador PIC 16f877a, el cual permite una adecuada velocidad de transmisión de datos y alta confiabilidad en la comunicación.

2.3. Cálculo del problema cinemático directo e inverso

Para implementarla trayectoria del robot se desarrolló un análisis cinemático de su estructura, con el fin de estudiarlos movimientos del efector final del

robot con respecto a un sistema de referencia ubicado en la base del mismo.

En este análisis se llevan a cabo las soluciones del problema cinemático directo y el problema cinemático inverso.

El problema cinemático directo permite obtener la posición y orientación del extremo final derobot, con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot.

En este caso se utilizó el método de Denavit-Hartenberg (D-H), el cual es ampliamente conocido en robótica.

Figura 4. Sistema de coordenadas según el procedimiento D-H.


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Los parámetros D-H obtenidos fueron:

Tabla 2Parámetros D-H

ARTICULACIÓN Θ D A Α1 90+q1 L1 0 902 q2 0 L2 03 q3 0 L3 1804 q4 0 L4 0

Con estos parámetros se calculan las matrices de transformación homogéneas de cada articulación con respecto al sistema anterior.

0A1=

1A2 =

2A3=

=

3A4=

Por último,se calcula la matriz de transformación homogénea del efector final con respecto al sistema cero (sistema de referencia fijo ubicado en la base del robot).

La matriz T define la orientación (submatriz de rotación) y posición (submatriz de traslación) del extremo referido a la base en función de las 4 coordenadas articulares.

T=0A11A2

2A33A4

0A4=

Donde:

Ahora se procede a ilustrar el desarrollo del problema cinemático inverso, el cual permite determinar la configuración articular que debe adoptar el robot para alcanzar una posición y orientacion del extremo conocida.

Se calcula q1, q2, q3 y q4, los cuales son los ángulos de las articulaciones del robot.

Figura 5. Vista superior del robot donde se aprecia el ángulo q1.


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Como se aprecia en la Figura 5, se pueden tomar los valores necesarios para hallar q1:

q1:

(Ec. 1)

Figura 6. Vista frontal del robot indicando las coordenadas q2 y q3.

De la Figura 6, se obtiene el análisis y las variables necesarias para hallar q3.

Según el teorema de Pitágoras se obtiene (Ec.2) y por la ley de cosenos (Ec. 3):

(Ec.2) (Ec. 3)

Sabiendo que:

(Ec. 4)

Remplazando (Ec.4) en (Ec.3) y aplicando el teorema de los cosenos, se obtiene:

(Ec.5)

Conociendo la identidad trigonométrica, se llega a:

(Ec.6)

La expresión codo, indica la forma de abertura de la articulación, siendo así que:

+ Codo arriba: la articulación giraen sentido contrario a las manecillas del reloj.- Codo abajo: la articulación giraen el sentido delas manecillas del reloj.

q3:

(Ec.7)

Figura 7. Ángulos auxiliares Alfa y Beta.

De la Figura 7 se obtiene la información necesaria para realizar el análisis geométrico, además de variables auxiliares tales como los ángulos y .

(Ec.8)

(Ec.9)

(Ec.10)

Remplazando (Ec.9) y (Ec.10), se obtiene:

q2: (Ec.11)


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Teniendo en cuenta que ya se tiene el sistema de coordenadas 3 y 4, se procede a calcular q4.

Conociendo que el producto punto entre dos vectores unitarios, resulta igual al coseno del ángulo entre ellos, entonces:

(Ec.12)

Observe que en la figura hay un desfase de 90° entre y por lo tanto:

(Ec.13)

Resolviendo (Ec.12), se obtiene:

(Ec.14)

Por lo tanto, se tendrá que:

q4: an2 ( ,

3. Resultados y Discusión

Para la verificación del buen funcionamiento del sistema, se propuso la realización de diferentes pruebas que incluyen el desarrollo de rutinas que exigen el cumplimientode las especificaciones planteadas al inicio del proyecto. A continuación, se muestra la secuencia o rutina que realiza el prototipo para preparar los perros calientes.

En la Figura 8, el robot se encuentra en la posición inicial, listo para comenzar a hacer la rutina. Primero, el brazo sujeta a la salchicha, tal como lo muestra la Figura 9, posteriormente lleva la salchicha hasta la parrilla donde se cocinará (Figura 10). Mientras se cocina la salchicha, el brazo va hasta donde se encuentra el pan (Figura 11), y luego procede a transportarlo hasta la caja donde será servido (Figura 12). Luego de dejar el pan, el brazo va por la salchicha que ya está cocinada (Figura 13), y la trae para introducirla dentro del pan (Figura 14). Al terminar esto, se tiene listo un perro caliente, listo para comer (Figura 15).

Figura 8. Posición inicial de la rutina. Figura 9. Sujeción de una salchicha cruda.

Figura 10. Cocción de la salchicha en la parrilla. Figura 11. Sujeción del pan.


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Figura 12.Calentamiento del pan. Figura 13. Transporte de la salchicha hasta el pan.

Figura 14.Postura de la salchicha. Figura 15. Finalizado.

En la Figura 16, se observa la evolución del comportamiento de cada articulación mientras que el dispositivo realiza la rutina de la elaboración de los

perros calientes. Además, se muestra la posición del efector final en el espacio de trabajo, el cual se puede observar en la Figura 17.

Figura 16. Cambios de las coordenadas articulares.


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Figura 17.Cambio de posición del efector final en el espacio.

4. Conclusiones

El robot planteado cumple con las características para la realización de prácticas de fundamentos de robótica, principalmente las correspondientes al análisis cinemático, debido a que permite evidenciar una tarea real por medio de la evolución temporal de las coordenadas articulares y la trayectoria del efector final. Se pudo evidenciar que la aplicación culinaria genera motivación en los estudiantes haciéndoles ver que los conocimientos adquiridos se pueden aplicar rápidamente a pesar de contar con bajos recursos económicos y tecnológicos para su implementación. Adicionalmente, el desarrollo detallado del análisis cinemático del robot (sección 2.3) permite a otros estudiantes la comprensión rápida de los conceptos de fundamentos de robótica (por lo general estos detalles no son mencionados en los artículos, lo cual puede ser perjudicial para las personas que hasta ahora se están iniciando en el campo).

Durante el desarrollo del proyecto se evidenció a los estudiantes, además de adquirir y afianzar conocimiento de robótica, se les fomentó a repasar conceptos básicos de materias anteriormente vistas, tales como mecánica, estática, dinámica, diseño de elementos de máquinas y materiales, así como electrónica, especialmente los conceptos y fundamentos de programación de microcontroladores.

El sistema desarrollado estimuló a los estudiantes a la propuesta de nuevos proyectos en el campo de la

robótica, demostrando el alto grado de flexibilidad que suelen tener estos sistemas, donde se dieron cuenta de que con solo unas pequeñas modificaciones y una reprogramación el robot podrá ser implementado para la realización de otras tareas, como lo pueden ser: clasificación de objetos, empaque, recolección, entre otras.

Referencias

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Gravot F., Haneda A., Okada K., Inaba M. (2006). Cooking for humanoid robot, a task that needs symbolic and geometric reasonings. En Proceedings IEEE International Conference on Robotics and Automation. ICRA 2006, 462-467. Orlando, FL, EUA.

Jazbec A., Mraz M., Zimic N. (2007). Towards automated cooking process. Food Research International, 40(6):733-741.

Lia B., Chen Y., Deng Z., Xu W. (2011). Conceptual design and analysis of the 2T1R mechanism for a cooking robot. Robotics and Autonomous Systems, 59(2):74-83.

McDonald K., Sun D.-W. (2001). The effect of injection level on the quality of a rapid vacuum cooled cooked beef product. Journal of Food Engineering, 47(2):137-149.

Nakauchi Y., Fukuda T., Noguchi K., Matsubara T. (2005). Intelligent kitchen: cooking support by LCD and mobile robot with IC-labeled objects. En IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. (IROS 2005), 1911-1916.Edmonton, Canada.

Wang H., Zhao W., Li B., Lin X., Zhang, D. (2009). Dynamic analysis and robust reliability design of pan mechanism for a cooking robot. En IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. ROBIO2009: 1996-2001.Guilin, China.

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