Estructura general propuesta según su función.

La cintura se compone de una lámina plana que sirve de unión entre las dos piernas y además soporta la batería y los circuitos utilizados.

Figura 38. Lámina plana que forma la cintura.

La cadera se compone de dos piezas metálicas en forma de “U” y una cruceta (junta cardan) formada a base de 4 servo-motores y 16 tornillos. Todo ensamblado de la siguiente manera:

Figura 39. Piezas que componen a la cadera y a los tobillos.

La rodilla se forma de dos tubos cuadrados, una pieza en forma de “U”, 2 servo-motores y 8 tornillos. Todo ensamblado de la siguiente manera:

El tobillo se compone de los mismos elementos que la cadera. (Ver figura 39). El pie se forma de una lámina plana encargada del área de contacto (soporte) con el piso.

Figura 41. Lámina plana con que se forma el pie.

La estructura completa y armada para una de las piernas tiene el siguiente aspecto:

Figura 42. Estructura completa de una pierna.

Es importante notar que por el momento no se especifican las dimensiones de ninguna pieza así como tampoco se especifican las características de los servo-motores o el tipo de unión entre las diferentes piezas o ubicación de cables y batería. El dimensionamiento se realiza posteriormente en este documento de tesis.

Como se puede ver en las figuras anteriores, la estructura mecánica del robot se construye de 3 piezas de aluminio. La primera es un tubo cuadrado, la segunda es una lámina plana doblada en forma de “U” y la tercera son láminas planas. A continuación se realiza una propuesta para la construcción mecánica del robot que involucra a todas las piezas requeridas para el prototipo comenzando desde el pie hasta llegar a la cintura. En este momento se realizan consideraciones para ciertos elementos de sujeción como por ejemplo tornillos, cinturones, soldadura o pegamento.

4.2 Dimensionamiento.

El pie se forma con una lámina plana en forma rectangular como se mostró anteriormente y se une al tobillo uniéndose con la base de una pieza con forma de “U”. Para realizar dicha unión se propuso en un principio el uso de tornillos, sin embargo la manera más rápida y ligera de hacerlo (aunque no la más barata) es soldando las dos piezas de aluminio como se muestra en la siguiente figura.

Figura 43. Unión del pie con el tobillo.

Como se puede observar en la figura anterior se utiliza soldadura para unir al pie y al tobillo (la base de la pieza en forma de “U”). La altura de la pieza rectangular del pie se encuentra en función del largo de la base de la pieza en forma de “U” tal y como se muestra en la siguiente figura desde una vista lateral.

En la figura anterior se observa que la altura del rectángulo del pie se forma de 3 distancias.

C2 es la distancia de la base de la pieza en forma de “U” y (C1 y C3) son 2 distancias iguales de 1cm que se agregaron para dar la forma rectangular al pie. El grosor de la lámina de aluminio utilizada es de 2mm. Entonces la altura del pie denominada como “Ctotal1” es la

siguiente:

Ctotal1 = Ci

La base del rectángulo del pie desde una vista frontal, se forma de la distancia C2 (base de la pieza en forma de “U”) omitiendo a C1 y C3 como se puede observar en la siguiente figura.

Figura 45. Vista frontal de las dimensiones del pie.

En la figura anterior se puede observar que la relación de la distancia total para la base del pie denominada como “Ctotal2” es la siguiente:

Ctotal2 = C2

La siguiente figura muestra las dimensiones del pie desde una vista superior según lo revisado en las figuras anteriores.

Las piezas en forma de “U” dependen principalmente de las dimensiones del servo-motor utilizado. Por tal motivo a continuación se describen las características de los servos utilizados. En principio, se propone unir cada servo-motor a un tubo cuadrado mediante 4 tornillos tal y como se muestra a continuación.

Figura 47. Unión de los servo-motores.

En la figura anterior se muestra en la parte derecha, la unión de dos servo-motores con el tubo cuadrado para formar un eje de rotación utilizado en las rodillas. En la parte izquierda de la figura anterior, se muestra la unión de cuatro servo-motores formando una cruceta

utilizada en los tobillos y cadera. En dicha figura se puede ver claramente que el largo del tubo cuadrado (donde se unen los servo-motores) depende de la altura del servo-motor

utilizado. Las dimensiones del servo-motor se muestran a continuación.

Figura 48. Dimensiones de los servo-motores.

En el tobillo se requieren de dos grados de libertad tal y como se mencionó en los primeros capítulos. Por tal motivo se utiliza una cruceta (junta cardan) formada de 4 servo-motores

(2 para cada eje de rotación). La manera de unir a los ejes de la cruceta con la pieza en forma de “U” (que a su vez se encuentra soldada al pie) es por medio de 2 tornillos tal y como se muestra a continuación.

Figura 49. Unión de los servo-motores en la cruceta con la pieza en forma de “U”.

El eje restante de la cruceta se une por la parte superior con otra pieza en forma de “U” como se muestra en la siguiente figura.

Figura 50. Unión de los servo-motores en la cruceta con la pieza en forma de “U”.

Antes de comenzar a ensamblar la rodilla, es muy importante tomar en cuenta que las dimensiones de los servo-motores son las que determinan las dimensiones de las piezas mostradas anteriormente. En la siguiente figura se muestra dicha afirmación.

Figura 51. Vista lateral de las distancias de las que depende la estructura en forma de “U”.

De la figura anterior se puede observar que la distancia total para la base de la pieza en forma de “U” denominada “DTotal” depende de las dimensiones de los servo-motores (D1 y

D3) así como de la distancia de una cara del tubo cuadrado (D2) utilizado para unir a los servo-motores. Además existe la medida del grosor de la pieza en forma de “U” tal que:

DTotal(“U”) ≥ D1 + D2 + D3 + 2Grosor

Existe también una distancia denominada como “LTotal” que representa la altura de una de

las bases de la pieza en forma de “U”. Esta distancia se forma de la altura del servo-motor

(L1), del grosor de la pieza en forma de “U” y de una distancia formada por “L2” y “Grosor” que permite girar a toda la cruceta (junta cardan) sin que choque con alguna otra estructura metálica. En la siguiente figura se observa que la distancia de “L2” debe ser mayor o igual a la distancia “L3” (el ancho del servo-motor). En este caso se asume que ambas son iguales (L2 = L3) y para evitar que la estructura choque, se agrega otra pequeña distancia denominada como “Grosor”. Entonces se puede decir que la altura total de la base de la pieza en forma de “U” se forma de las siguientes distancias.

LTotal (“U”) ≥ L1 + L3 + 2Grosor

También se puede representar por su equivalencia con “L2” de la siguiente manera.

Figura 52. Vista frontal de las distancias de las que depende la estructura en forma de “U”.

La pieza en forma de “U” tiene las siguientes dimensiones.

Figura 53. Dimensiones requeridas para la pieza en forma de “U”.

La manera en que se unen los servo-motores al tubo cuadrado es utilizando tornillos. Se propone el uso de tuercas para fijarlos dentro del tubo cuadrado como se muestra a continuación desde una vista superior.

De la figura anterior se puede observar que las dimensiones del tubo cuadrado depende de los siguientes parámetros: el diámetro del tornillo y la longitud de su tuerca. En la siguiente figura se muestra una ampliación de la vista superior del tubo cuadrado y las tuercas que se encuentran dentro de él.

Figura 55. Vistas superior del tubo cuadrado, tuercas y tornillos.

Como se puede apreciar en la figura anterior, las dimensiones del diámetro externo de la tuerca (d2) utilizada dependen del diámetro del tornillo (d1). Además (L7) es la dimensión externa del lado del tubo cuadrado. Es decir, se puede afirmar que:

L7 = 2*Grosor + 2d2

De las figuras anteriores se puede deducir que el ancho del servo-motor es igual al del tubo cuadrado así como el de la pieza en forma de “U”. Esta característica es importante ya que ayuda a reducir considerablemente el material de aluminio y estandariza las piezas. El problema surge al utilizar los 4 lados del tubo cuadrado (en las crucetas) ya que las tuercas no caben dentro por que no existe espacio libre. La manera de resolver este problema fue omitiendo las tuercas y creando las cuerdas en los tubos cuadrados de aluminio para fijar a los servo-motores. La solución pudo haber sido el utilizar un tubo más ancho con lo cual se podrían introducir las tuercas sin problema. Al hacer esto todas las dimensiones de la estructura metálica hubiera cambiando incrementando el peso y altura del robot.

La rodilla se compone de 2 subsistemas: el primero se forma de un tubo cuadrado unido con 2 servo-motores por medio de 8 tornillos. La forma en que se une la rodilla con el tobillo es soldando el tubo cuadrado de la rodilla con la pieza en forma de “U” de la parte superior del tobillo como se muestra en la siguiente figura. El segundo subsistema se forma de un tubo cuadrado y una pieza en forma de “U” que se articula con el primer subsistema para generar la bisagra correspondiente a la rodilla.

Figura 56. Unión entre el tobillo y la rodilla.

La rodilla como se mencionó con anterioridad, se forma de dos servo-motores y un tubo cuadrado (ver siguiente figura) cuya longitud depende del largo de los servo-motores (L5) así como de una longitud (L6) que se propuso fija de 4cm para ayudar a construir la altura del robot mayor a 50cm descrita en el primer capítulo.

Altura rodilla = L5 + L6

Figura 57. Rodilla armada.

La cadera se construye de manera equivalente al tobillo y por tal motivo las consideraciones son las mismas en cuanto al tipo de unión se refiere (ver figura 39).

La unión entre la cadera y la cintura se realiza por medio de soldadura entre la barra que compone a la cintura y las piezas en forma de “U” de la cadera (una por cada pierna). En la siguiente figura se muestra la manera tridimensional en que se unen dichas piezas.

Figura 58. Unión entre la cadera y la cintura.

La cintura sirve como unión entre las dos piernas además de contener a los circuitos de control. Esta se compone de una placa de aluminio y se une a la cadera soldando dos piezas en forma de “U” a ella como se puede ver en la siguiente figura desde una vista frontal.

Figura 59. Vista frontal de la cintura.

Como se puede ver en la figura anterior, la distancia total de la cintura se compone de otras tres (D1, D2, D3). Donde dos de ellas (D1 y D3) son iguales al ancho de la pieza en forma de “U” la cual a su vez es igual al ancho del servo-motor (ver siguientes dos figuras 60 y 61).

Figura 60. Vista superior de la cintura.

En la figura anterior se puede observar que la distancia total de la cintura depende de D5 +

D6 + D7 que es igual al cálculo anterior D1 + D2 + D3. El ancho de la cintura se consideró de acuerdo al material encontrado. En este caso D9 = 6cm y se determinó en función del material encontrado en el mercado nacional. En la siguiente figura la distancia D2 se compone de 2 veces la mitad de la base del pie (es decir, un pie completo) y una distancia (D12) establecida de 2cm para evitar que los pies choquen entre sí al moverse.

Figura 61. Vista frontal de la cintura.

La estructura mecánica del robot se unió utilizando soldadura para el aluminio. Una alternativa para lograr las uniones de las diferentes piezas es utilizando tornillos, tuercas y escuadras. La ventaja de utilizar soldadura es que no requiere de componentes de sujeción como tornillos y tuercas que agregan peso a la estructura. La desventaja de utilizar soldadura es que se requiere de un taller con herramienta especializada para su trabajo. Otra desventaja es que las piezas se maltratan y deforman con el calor.