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Dise�o de un brazo tipo pinza para clasificaci�n de objetos con el uso de BrickLink Studio

 

Design of a gripper arm for object sorting using BrickLink Studio

 

Projeto de um bra�o de garra para classifica��o de objetos utilizando o BrickLink Studio

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: silvia.escobar@istcarloscisneros.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 30 de mayo de 2025 *Aceptado: 16 de junio de 2025 * Publicado: �28 de julio de 2025

 

        I.            Licenciada en Ciencias de la Educaci�n, Magister en Aprendizaje de la F�sica, Docente del Instituto Superior Tecnol�gico Carlos Cisneros, Carrera de Tecnolog�a Superior en Mecatr�nica, Riobamba, Ecuador.

      II.            Ingeniero en Electr�nica y Control, Docente del Instituto Superior Tecnol�gico Carlos Cisneros, Carrera de Electr�nica en Automatizaci�n y Telecomunicaciones, Riobamba, Ecuador.

   III.            Ingeniero en Electr�nica, Telecomunicaciones y Redes, Magister en Sistemas de Telecomunicaciones, CEO SICAP Consultor�a Acad�mica y Profesional, Riobamba, Ecuador.

 

Resumen

La rob�tica constituye una de las tecnolog�as m�s importantes a nivel mundial, evidenciada por la creciente aparici�n de nuevos prototipos rob�ticos tanto en entornos educativos como industriales. Son dise�ados a trav�s del uso de plataformas digitales que adquieren mayor relevancia por su capacidad de integrar conceptos de dise�o mec�nico, programaci�n y automatizaci�n. En el presente trabajo se dise�� y model� un brazo rob�tico tipo pinza con 374 piezas LEGO mediante el entorno virtual de Bricklink Studio. El desarrollo se fundament� en procesos matem�ticos como transformaciones homog�neas y definici�n de par�metros de Denavit-Hartenberg, los cuales establecen las condiciones cinem�ticas y din�micas del sistema.� La investigaci�n sigui� una metodolog�a aplicada con enfoque mixto y dise�o pre-experimental. El proceso comprendi�: revisi�n preliminar, selecci�n de componentes, modelado modular digital, pruebas de funcionalidad, an�lisis de estabilidad estructural, refinamiento iterativo y documentaci�n t�cnica. Como resultado, se obtuvo un dise�o funcional de un brazo rob�tico definido por tres articulaciones y cuatro puntos de an�lisis para accionar una pinza mediante un actuador lineal. La estructura presenta 34 puntos cr�ticos de tensi�n que identifican las �reas que requieren mayor atenci�n en el modelo. El sistema destaca por su modularidad y precisi�n en el movimiento, construido con herramientas y elementos de bajo costo. Esta estructura constituye una base s�lida para el aprendizaje del funcionamiento de diversos mecanismos que simulen o integren movimientos de articulaciones antropom�rficas adaptativas, ampliando su potencial para aplicaciones en entornos industriales o educativos avanzados.

Palabras Clave: Brazo rob�tico; Transformaci�n Homog�nea; LEGO Technic; Cinem�tica de robots; Prototipado virtual.

 

Abstract

Robotics is one of the most important technologies worldwide, evidenced by the increasing emergence of new robotic prototypes in both educational and industrial settings. They are designed using digital platforms that are gaining greater relevance due to their ability to integrate concepts of mechanical design, programming, and automation. In this work, a gripper-type robotic arm was designed and modeled with 374 LEGO pieces using the virtual environment of Bricklink Studio. The development was based on mathematical processes such as homogeneous transformations and the definition of Denavit-Hartenberg parameters, which establish the kinematic and dynamic conditions of the system. The research followed an applied methodology with a mixed approach and pre-experimental design. The process included: preliminary review, component selection, digital modular modeling, functionality testing, structural stability analysis, iterative refinement, and technical documentation. The result was a functional design of a robotic arm defined by three joints and four analysis points to actuate a gripper using a linear actuator. The structure features 34 critical stress points that identify the areas requiring the most attention in the model. The system stands out for its modularity and precision in movement, built with low-cost tools and components. This structure provides a solid foundation for learning how various mechanisms that simulate or integrate adaptive anthropomorphic joint movements work, expanding its potential for applications in advanced industrial or educational settings.

Keywords: Robotic arm; Homogeneous Transformation; LEGO Technic; Robot kinematics; Virtual prototyping.

 

Resumo

A rob�tica � uma das tecnologias mais importantes do mundo, evidenciada pelo crescente aparecimento de novos prot�tipos rob�ticos em ambientes educativos e industriais. S�o concebidos utilizando plataformas digitais que t�m vindo a ganhar maior relev�ncia devido � sua capacidade de integrar conceitos de design mec�nico, programa��o e automa��o. Neste trabalho, foi concebido e modelado um bra�o rob�tico do tipo garra com 374 pe�as LEGO utilizando o ambiente virtual do Bricklink Studio. O desenvolvimento baseou-se em processos matem�ticos como transforma��es homog�neas e na defini��o de par�metros de Denavit-Hartenberg, que estabelecem as condi��es cinem�ticas e din�micas do sistema. A investiga��o seguiu uma metodologia aplicada com uma abordagem mista e um projeto pr�-experimental. O processo incluiu: revis�o preliminar, sele��o de componentes, modela��o modular digital, testes de funcionalidade, an�lise de estabilidade estrutural, refinamento iterativo e documenta��o t�cnica. O resultado foi um projeto funcional de um bra�o rob�tico definido por tr�s articula��es e quatro pontos de an�lise para acionar uma garra utilizando um atuador linear. A estrutura apresenta 34 pontos cr�ticos de tens�o que identificam as �reas que requerem maior aten��o no modelo. O sistema destaca-se pela sua modularidade e precis�o de movimento, constru�do com ferramentas e componentes de baixo custo. Esta estrutura fornece uma base s�lida para a aprendizagem de como funcionam diversos mecanismos que simulam ou integram movimentos articulares antropom�rficos adaptativos, expandindo o seu potencial para aplica��es em ambientes industriais ou educacionais avan�ados.

Palavras-chave: Bra�o rob�tico; Transforma��o Homog�nea; LEGO Technic; Cinem�tica rob�tica; Prototipagem virtual.

 

Introducci�n

A.     Antecedentes

En el �mbito de la rob�tica educativa y el prototipado funcional�(Coelho et al., 2024), el uso de herramientas accesibles como los bloques LEGO, se ha consolidado como una alternativa eficaz para el dise�o de mecanismos mec�nicos y electr�nicos�(H�dl, 2024). Los prototipos creados dentro de los ambientes educativos, deben estar alineados con las condiciones industriales donde se aplican las nuevas tecnolog�as.� La generaci�n de soluciones innovadoras a problemas reales de la industria 4.0. desde las aulas, solamente es factible con la adopci�n de herramientas tecnol�gicas que fomenten la creatividad para crear estructuras basadas en mecanismos rob�ticos (Rericha et al., 2024).

En empresas fuertemente industrializadas, los brazos rob�ticos son los principales referentes. Las instituciones educativas deben estar preparadas para incluir en sus planes curriculares la actualizaci�n de tecnolog�as utilizadas dentro de sus laboratorios y talleres. Los prototipos creados bajo par�metros industriales reales son cruciales para que los estudiantes adquieran mejores conocimientos pr�cticos (Zeng et al., 2022). Los entornos de aprendizaje disruptivos son esenciales para una educaci�n t�cnica especializada.� El dise�o estructural basado en procedimientos validados por est�ndares de calidad garantiza que los prototipos funcionen adecuadamente bajo condiciones extremas.� Las simulaciones previas a la construcci�n de sistemas rob�ticos ofrecen un medio tangible para experimentar con condiciones de trabajo que reduzcan gastos extensos en las fases de implementaci�n (H�fner et al., 2024) (Hyde y Filippidis, 2021) (Tselegkaridis y Sapounidis, 2021).�

El uso de dispositivos rob�ticos en el �mbito industrial mejora los procesos de manufactura en condiciones que sea necesaria una precisi�n milim�trica, tareas repetitivas y la capacidad de trabajar en entornos peligrosos (Ali et al., 2025)�(Jin y Han, 2024). Los brazos rob�ticos son ampliamente utilizados para realizar tareas que conlleven el movimiento de partes y clasificaci�n, as� como para actividades de inspecci�n y mantenimiento�(Pistone et al., 2024). Otro ejemplo de su uso es en la industria alimentaria donde se ve cada vez se automatizan los mecanismos de envasado con gran eficacia (Khatib, 2019). La gran versatilidad para adaptarse a entornos industriales con m�ltiples aplicaciones, los convierte en componentes indispensables de la industria moderna�(Rahman et al., 2024).

Los mecanismos encargados de mover las articulaciones son una de las partes esenciales de los brazos rob�ticos, los materiales y actuadores utilizados poseen gran eficiencia para cubrir con su movimiento los espacios con gran precisi�n, as� como soportar el peso de piezas grandes de forma eficiente (Abdelmaksoud et al., 2024). Los servomotores son los principales elementos utilizados en las articulaciones para un accionamiento directo y preciso combinados con sistemas de control adaptativos que mejoran significativamente su rendimiento (Cheng et al., 2024). Sistemas con visi�n artificial y sensores t�ctiles adaptan a los brazos rob�ticos a entornos fluctuantes sin necesidad de aumentar sus grados de libertad (Wang et al., 2021).

B.     Brazo rob�tico de tres ejes

Los brazos rob�ticos presentan distintas tipolog�as que identifican las principales caracter�sticas de funcionamiento y conformaci�n de su estructura.� Se destacan los robots cartesianos�(Zou et al., 2025), cil�ndricos�(Dhatterwal et al., 2024), esf�ricos (Hegde, 2025), SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)�(Tay et al., 2022), paralelos o Delta�(Elghitany et al., 2024) y articulados o antropom�rficos�(Strathearn y Ma, 2021)�(Asif y Webb, 2021). Siendo estos �ltimos los m�s referentes en cuanto a su semejanza de su dise�o con las anatom�a de las extremidades humanas, generalmente conformada por 3 a 6 articulaciones�(Chen et al., 2024).

Los brazos rob�ticos de tres ejes presentan una estructura m�s simplificada de funcionamiento. El dise�o triaxial permite movimientos en los tres planos espaciales (x, y, z), otorgando una flexibilidad operativa esencial para manipular objetos con precisi�n en entornos tridimensionales. Esta capacidad resulta crucial en aplicaciones que requieren posicionamiento exacto.� Los brazos de tres y seis ejes ofrecen alta precisi�n en tareas repetitivas, manteniendo consistencia operativa durante ciclos prolongados. Esta caracter�stica es particularmente valiosa en: manufactura�(Wendt y Weeber, 2024), aplicaciones de pintura industrial (Yunatatak et al., 2024), distribuci�n precisa de sustancias (como pesticidas en agricultura) (Mathi et al., 2024).

C.     Dise�o de brazos rob�ticos

El modelado de brazos rob�ticos se lo realiza mediante la aplicaci�n de la convenci�n Denavit-Hartenberg y an�lisis matem�tico de transformaciones homog�neas para derivar sus cinem�ticas directa e inversa (Singh et al., 2024)�(Wang y Jin, 2024) (Dorman et al., 2024).� As� como el uso de formulaciones de Lagrange y Newton-Euler que modelan el comportamiento del brazo, considerando inercia, gravedad y fricci�n�(Lu et al., 2024), el an�lisis preciso de trayectorias, velocidades y aceleraciones resulta fundamental�(Ayazbay et al., 2024).

En cuanto al dise�o de la estructura y programaci�n se aplican diversos entornos virtuales que potencial el pensamiento espacial, l�gico y t�cnico (Restrepo-Carmona et al., 2024). Es necesario considerar los principios de conservaci�n de energ�a y momento, as� como propiedades de resistencia de materiales, para seleccionar adecuadamente actuadores, sensores y elementos estructurales que garanticen control preciso manteniendo estabilidad�(Shastri, 2025). La geometr�a de eslabones, articulaciones y efectores finales determina el espacio operativo y la precisi�n del sistema (Alshihabi et al., 2024).

Ejemplos de estos softwares son MATLAB, Roboanalyzer y Fusion 360�(Dorman et al., 2024), as� como lo manifestado por Cardin-Catalan et al. (2019) que, de diez estudios analizados, SolidWorks predomina como herramienta de dise�o (50%), complementada por impresi�n 3D (30%) y plataformas como Matlab o Arduino (20%).�� Adem�s, Mart�nez et al. (Mart�nez et al., 2022) especifica que, el 60% de los proyectos utilizan servomotores como actuadores, con niveles de complejidad que abarcan desde controles binarios hasta sistemas avanzados con cinem�tica inversa y visi�n artificial. Concluye que, elementos como mecanismos de rigidez variable, sensores t�ctiles y sistemas de visi�n, mejoran significativamente la adaptabilidad para clasificaci�n de objetos diversos.

Es por todo esto que, en este trabajo desarrolla un dise�o de brazo rob�tico tipo pinza, mediante el software BrickLink Studio, una plataforma que permite crear modelos tridimensionales con piezas LEGO virtuales, ofreciendo ventajas significativas en el prototipado y optimizaci�n de recursos.

 

Metodolog�a

D.     Tipo de Investigaci�n

Se aplica una investigaci�n aplicada y tecnol�gica basada en el dise�o de la estructura de un brazo rob�tico tipo pinza con el uso del software BrickLink�(Cayetano-Jimenez et al., 2024).

E.     Dise�o de Investigaci�n

Se aplica un dise�o pre-experimental que establece un proceso de pruebas repetitivas del dise�o con el uso de diferentes tipos de piezas y esquemas�(Sanchez-Bautista et al., 2025).

F.     Nivel de Investigaci�n

Se aplica un estudio de nivel descriptivo basado en la documentaci�n minuciosa de cada paso hasta poder sistematizarlo en un proceso.� Se describen los componentes y an�lisis funcional del sistema en cada momento hasta concluir con el dise�o�(Koycheva, 2024).

G.     Enfoque de Investigaci�n

Se adopta una metodolog�a mixta que integra aspectos cualitativos y cuantitativos�(Dittli et al., 2023). El componente cualitativo aborda la concepci�n creativa del dise�o y la valoraci�n pr�ctica del prototipo, mientras el aspecto cuantitativo eval�a par�metros espec�ficos como n�mero de piezas utilizadas (fijas y m�viles), alcance operativo, capacidad de sujeci�n y rangos de movimiento articular.

H.     Proceso de Ejecuci�n del Proyecto

Se establece una secuencia de procedimientos que sistematizan el proceso general de dise�o, ver Figura 1.

Figura 1. Proceso de Ejecuci�n del Proyecto.

 

Resultados

Para el dise�o se escoge un modelo de brazo rob�tico del tipo antropom�rfico compuesto por tres ejes que establecen el sistema de movimiento del mismo, a�adiendo un sistema neum�tico para el accionamiento de la pinza de agarre.� Los elementos utilizados fueron piezas LEGO Technic compuesto por una amplia variedad de componentes especializados.� El modelado matem�tico del sistema se realiza mediante transformadas homog�neas y el modelo de Denavit-Hartenberg.

I.     Identificaci�n de Articulaciones y eslabones

El brazo rob�tico contiene tres axis o articulaciones compuestas cada una por un motor, un sistema de transmisi�n y una plataforma giratoria; el modelo lo complementa un sistema neum�tico que se encarga de accionar la pinza de agarre, ver Figura 2.� Cada elemento del sistema se detalla a continuaci�n:

�         Base R�gida: sistema de soporte para toda la estructura.

�         Base giratoria (articulaci�n 1 - rotacional): cubre los movimientos en torno a los ejes xz, se acciona mediante un motor.

�         "Hombro" (articulaci�n 2 - rotacional): elemento vertical del sistema, cubre los movimientos en torno al eje y, se acciona mediante un motor.

�         "Codo" (articulaci�n 3 - rotacional): elemento horizontal del sistema, cubre los movimientos en torno al eje y, se acciona mediante un motor.

�         �Sistema de agarre�: no es una articulaci�n adicional, es un elemento de sujeci�n que se acciona mediante un sistema neum�tico.

Los movimientos que corresponden a cada articulaci�n se observan en la figura 2.� Se establece que, la articulaci�n 1 se mueve en todo el plano xz, mientras que, tanto la articulaci�n 1 como la articulaci�n 2 se mueve en el plano y, con limitaciones en los puntos finales de acci�n de 45 grados a cada lado, para que el sistema soporte la estructura del brazo.

 

Figura 2. Esquema General y Movimientos del brazo rob�tico.

Figura 3. Movimientos que corresponden a cada articulaci�n.

 

J.     Asignaci�n de Sistemas de Coordenadas

Para asignar el sistema de coordenadas se sigue la convenci�n establecida por Denavit-Hartenberg (D-H), ver Figura 3, seg�n la cual determina lo siguiente:

�         El eje x₍ᵢ₎ y el eje z₍ᵢ₎ est� compuesto por dos elementos m�viles coincide con el eje de movimiento de cada articulaci�n.

�         El eje y₍ᵢ₎ coincide con la normal de cada articulaci�n.

K.     Par�metros de Denavit-Hartenberg

Para el brazo rob�tico de 3 articulaciones rotacionales, ver Figura 3, los par�metros D-H se observan en la Tabla 1.

 

Tabla 1. par�metros D-H para el brazo rob�tico.

Donde:

�                    �son las variables de articulaci�n (�ngulos de rotaci�n)

�                    L1 representa la altura de la base

�                    L2, L3, L4 representan las longitudes de los eslabones

�                    La pinza neum�tica se considera parte integral del �ltimo eslab�n

L.     Matrices de Transformaci�n Homog�nea

La matriz de transformaci�n general para los par�metros D-H es:

�

Matriz A₁:

Matriz A₂:

Matriz A₃:

Matriz A₄:

1)     Transformaci�n Total (Cinem�tica Directa)

La matriz de transformaci�n total �es:

�

2)     Cinem�tica Directa

La cinem�tica directa calcula la posici�n y orientaci�n del efector final (pinza) en funci�n de los �ngulos de las articulaciones

a)                  Posici�n del efector final

La posici�n (x, y, z) del efector final se puede calcular a partir de la matriz de transformaci�n total T:

�;� �;����

Estas ecuaciones describen las coordenadas x, y, z de la pinza en el sistema de referencia base.

b)                  Orientaci�n del efector final

La orientaci�n viene dada por la matriz de rotaci�n incluida en T:

M.     Cinem�tica Inversa

La cinem�tica inversa consiste en encontrar los valores de las articulaciones que colocan el efector final en una posici�n y orientaci�n deseadas.

 

Figura 4. Condiciones de posici�n del objeto.

1)     Soluci�n para θ₁

Dada una posici�n deseada :

2)     Soluci�n para α₂ y α₃���

Se calcula la distancia d:

Se calcula la diagonal D:

Se calcula el �ngulo a2:

Se calcula el �ngulo a3:

Esta soluci�n proporciona los �ngulos necesarios para posicionar la pinza en el punto deseado, teniendo en cuenta que puede haber una sola configuraci�n posible para alcanzar la posici�n deseada.

El accionamiento neum�tico de la pinza ser�a un par�metro binario (abierto/cerrado) independiente de la cinem�tica del brazo, controlado por un sistema separado de la l�gica de posicionamiento.

N.     Ensamblaje del brazo rob�tico con piezas LEGO Technic

La estructura principal est� formada por diversas vigas (liftarms) de diferentes longitudes (desde 1x2 hasta 1x13) conectadas mediante ejes (axles) y conectores especializados (Pin), como conectores perpendiculares y angulares. El sistema incluye un elaborado conjunto de engranajes de diferentes tama�os (incluidos engranajes de 36, 20 y 12 dientes) que trabajan junto a dos motores EV3 y un motor SPIKE para generar y transmitir movimiento. Se destacan dos plataformas giratorias de 60 dientes Turntable, que permite la rotaci�n del conjunto, mientras que el brazo extensible incorpora m�ltiples articulaciones que facilitan movimientos precisos accionadas por un actuador lineal. El listado de todos los componentes se observa en la Figura 5.

 

Figura 5. Listado de componentes.

O.     An�lisis del prototipo ensamblado en BrickLink Studio

El dise�o general del mecanismo se observa en la Figura 6. Presenta el modelo f�sico completo del brazo rob�tico articulado construido con piezas de LEGO Technic en un renderizado tridimensional detallado. Este brazo incorpora un dise�o antropom�rfico con m�ltiples articulaciones que emulan la funcionalidad de un brazo humano.� El dise�o muestra una integraci�n cuidadosa de componentes mec�nicos, con un equilibrio entre resistencia estructural y funcionalidad. Los engranajes amarillos y negros distribuidos estrat�gicamente act�an como transmisores de potencia entre las distintas articulaciones, permitiendo un movimiento controlado en m�ltiples ejes. La distribuci�n de colores (gris, blanco, azul, amarillo y negro) no solo proporciona contraste visual, sino que tambi�n parece indicar la funci�n de los diferentes componentes dentro del sistema rob�tico.

El an�lisis de estabilidad general se observa en la Figura 7. La imagen muestra un an�lisis de estabilidad computacional del brazo rob�tico completo construido con piezas de LEGO Technic. El software de an�lisis estructural presenta el brazo en una vista semitransparente para visualizar los componentes internos, con un c�digo de colores que indica las �reas cr�ticas. Los elementos en verde brillante (particularmente visibles en la base giratoria y algunos puntos de conexi�n) representan zonas con suficiente estabilidad estructural. En contraste, las �reas resaltadas en rojo indican puntos cr�ticos con problemas de estabilidad, especialmente notables en el efector final (pinza) y en algunas conexiones clave a lo largo del brazo. El panel de informaci�n a la derecha confirma los problemas detectados, se�alando 34 problemas de potencia en el embrague, 30 advertencias, 4 precauciones y 1 problema de estabilidad. Estas m�tricas indican que, si bien el dise�o es funcional, presenta vulnerabilidades estructurales que podr�an comprometer su rendimiento, particularmente en el sistema de transmisi�n de fuerza y en el efector final.

 

 

Se especifican los dise�os de cada etapa acompa�ada con su an�lisis de estabilidad:

- Primera Etapa: La Figura 8 muestra el dise�o inicial de la base giratoria del brazo rob�tico. A la izquierda se observa el ensamblaje f�sico con un engranaje principal negro de gran di�metro que servir� como plataforma rotatoria, complementado por un engranaje secundario amarillo que funciona como mecanismo de transmisi�n. La estructura se soporta sobre una base gris rectangular. En la derecha, el an�lisis de estabilidad mediante software CAD muestra la distribuci�n de tensiones, donde las �reas verdes indican zonas de estabilidad adecuada en la plataforma circular. El dise�o parece optimizado para soportar cargas verticales mientras permite la rotaci�n horizontal, estableciendo as� el primer grado de libertad del robot.

- Segunda Etapa: La Figura 9 presenta la evoluci�n del dise�o con la integraci�n del mecanismo del "hombro" del brazo rob�tico. A la izquierda se aprecia la estructura f�sica m�s compacta que incorpora un engranaje negro mayor con un engranaje amarillo que servir� como actuador para el movimiento vertical. La imagen derecha muestra el an�lisis computacional donde se destacan en verde las �reas de concentraci�n de esfuerzos en la base, indicando que la estructura ha sido reforzada para soportar el torque generado durante el movimiento de elevaci�n. Este componente a�ade el segundo grado de libertad al sistema, permitiendo el movimiento en el plano vertical.

- Tercera Etapa: La Figura 10 ilustra el desarrollo del segmento extensible o "antebrazo" del robot. La imagen izquierda muestra una estructura vertical m�s esbelta con elementos azules que parecen ser conectores o actuadores lineales, y un engranaje negro en la base para la articulaci�n. A la derecha, el an�lisis de estabilidad indica mediante el resaltado verde y rojo los puntos cr�ticos de tensi�n, particularmente en la zona inferior donde se une con la etapa anterior. Este segmento agrega el tercer grado de libertad al sistema, permitiendo el movimiento de extensi�n o rotaci�n en el "codo" del brazo rob�tico.

- Cuarta Etapa: La Figura 11 representa el dise�o completo del brazo con la implementaci�n del efector final. A la izquierda se observa la estructura horizontal elongada con piezas azules claras y negras que forman el "antebrazo" extendido y terminan en lo que parece ser un mecanismo de agarre. La imagen derecha muestra el an�lisis estructural donde se destacan varios puntos rojos en el extremo, indicando zonas de alta concentraci�n de esfuerzos en el efector final. Este dise�o completa la cadena cinem�tica del robot, a�adiendo funcionalidad de manipulaci�n en el extremo mientras mantiene la integridad estructural a lo largo de todo el brazo articulado.

 

 

Discusi�n

El desarrollo del brazo rob�tico tipo pinza utilizando BrickLink Studio confirma la viabilidad del uso de plataformas accesibles como LEGO Technic para la ense�anza y el prototipado funcional, aline�ndose con los planteamientos de Coelho et al. (2024) y H�dl (2024), quienes destacan la importancia de herramientas accesibles para fomentar el aprendizaje de conceptos mec�nicos y electr�nicos. La elecci�n de un modelo antropom�rfico de tres ejes permiti� emular el comportamiento de brazos industriales simplificados, destacando por su eficiencia energ�tica y su capacidad para ejecutar tareas de clasificaci�n sin requerir orientaciones complejas del efector final, tal como lo se�alaron Pistone et al. (2024).

El dise�o modular, basado en principios f�sico-mec�nicos como el an�lisis de trayectorias, articulaciones y la implementaci�n de modelos cinem�ticos, confirma la aplicabilidad de los enfoques propuestos por Singh et al. (2024) y Ayazbay et al. (2024). Adem�s, la modelaci�n matem�tica con transformadas homog�neas y el modelo de Denavit-Hartenberg proporciona el rigor necesario para describir el comportamiento espacial del sistema, en sinton�a con lo planteado por Wang y Jin (2024). Este marco permiti� integrar con precisi�n los tres grados de libertad del brazo y simular sus capacidades en tareas reales de manipulaci�n.

El an�lisis estructural del prototipo revel� puntos cr�ticos, especialmente en el efector final, que coinciden con lo se�alado por Mart�nez et al. (2022), respecto a la necesidad de mejorar la rigidez y la incorporaci�n de sensores para una mayor adaptabilidad. Asimismo, se valida lo expuesto por Rericha et al. (2024) y Restrepo-Carmona et al. (2024), respecto al valor educativo de estas herramientas al potenciar el pensamiento l�gico y la resoluci�n de problemas mediante entornos de dise�o virtual.

La implementaci�n del sistema de agarre por actuador lineal, junto con motores de distintos tipos (EV3 y SPIKE), permiti� controlar de forma independiente cada articulaci�n, replicando sistemas de control distribuidos como los discutidos por Abdelmaksoud et al. (2024) y Cheng et al. (2024). Si bien no se integraron sensores t�ctiles ni visi�n artificial, el sistema qued� preparado para su futura incorporaci�n, siguiendo la tendencia actual en rob�tica educativa e industrial (Wang et al., 2021)�(Lu et al., 2024).

En s�ntesis, los resultados obtenidos validan la propuesta como una soluci�n funcional, did�ctica y escalable, coherente con los avances recientes en rob�tica articulada y los requerimientos de ense�anza pr�ctica en ingenier�a, como lo evidencian Zeng et al. (2022), H�fner et al. (2024) y Vallaro (2024).

 

Conclusiones

Se complet� el dise�o y modelado de un brazo rob�tico tipo pinza con el uso del software BrickLink Studio. El prototipo cuenta con 374 piezas LEGO Technic distribuidas en categor�as como: Motores, Mec�nica, Engranajes, Ejes, Liftarms, Pines y Conectores, siendo estos �ltimos componentes los que m�s piezas contuvieron con 66 y 80 elementos respectivamente.

El dise�o se construy� bajo proceso estructural modular compuesto por 4 etapas.� El software utilizado tiene tres ventajas principales comprados con otras aplicaciones.� Una de ellas es el uso de piezas preestablecidas distribuidas por diferentes categor�as, siendo la categor�a Technic la utilizada en este caso.� La segunda ventaja es la posibilidad de generar un manual procedimental de la construcci�n del prototipo con la posibilidad de establecer las secuencias de armado, acompa�adas por las piezas utilizadas en cada sucesi�n y la gr�fica del avance de la elaboraci�n del prototipo, evidenciando la ubicaci�n de cada una de las piezas utilizadas en cada fase. Finalmente, la tercera ventaja es la posibilidad que brinda el software de generar un an�lisis estructural del sistema y visualizar los puntos cr�ticos del mismo.

El dise�o del brazo rob�tico se estructura en base a tres ejes y 4 eslabones, que fueron parametrizados a trav�s del proceso establecido por Denavit-Hartenberg y el an�lisis matem�tico por medio de matrices de transformaci�n homog�nea que validan el funcionamiento del sistema rob�tico mediante los c�lculos de cinem�tica directa e inversa, la asignaci�n de coordenadas y el an�lisis estructural. El proceso permiti� definir cu�les fueron los movimientos y los alcances de cada articulaci�n y la definici�n de lo grados de libertad de cada v�rtice.�

Las pruebas iterativas facilitaron mejoras progresivas en funcionalidad y estabilidad, reforzando la importancia de establecer un proceso de construcci�n centradas en el prototipado y la verificaci�n funcional.� Estableciendo cualidades como una estructura robusta, que, de movilidad propicia a cada articulaci�n, una distribuci�n adecuada del peso y una correcta articulaci�n entre m�dulos. Aunque, se identificaron 34 puntos cr�ticos ubicadas principalmente en el efector final, que evidencian los lugares para futuras mejoras que garanticen una mayor precisi�n y fiabilidad en entornos exigentes.

Finalmente, se determina que, el uso de aplicaciones que permitan una construcci�n modular de prototipos rob�ticos, acompa�ados de un an�lisis estructural de sus componentes, con la posibilidad de realizar simulaciones continuas de operaci�n facilitan el desarrollo innovador de nuevas tecnolog�as de una manera did�ctica y t�cnica que sea de utilidad tanto en entornos educativos como profesionales.�

La construcci�n de prototipos b�sicos con el uso de piezas LEGO prepara a los estudiantes para comprender y aplicar conceptos te�ricos en actividades pr�cticas que fomenten mejores iniciativas creativas, y mejorar su aprendizaje en conceptos complejos de rob�tica y automatizaci�n a trav�s de plataformas intuitivas y visuales. Sirve como una base para la aplicaci�n de conceptos m�s avanzados en las �reas de electr�nica, rob�tica y mecatr�nica.

 

Referencias

      1.            Abdelmaksoud, S. I., Al-Mola, M. H., Abro, G. E., y Asirvadam, V. S. (2024). In-depth review of advanced control strategies and cutting-edge trends in robot manipulators: analyzing the latest developments and techniques. IEEe Access, 12(s.n.), 47672-47701. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3383782

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