Fecha de Recepción: 24/04/2026
ǀ Fecha de Aceptación:
26/06/2026
ǀ Fecha de Publicación:
30/07/2026
Página
14
BIOCINÉTICA EN ROBÓTICA: DISEÑO Y DESARROLLO DE SISTEMAS DE
AGARRE INSPIRADOS EN EL PULPO
BIOKINETICS IN ROBOTICS: DESIGN AND DEVELOPMENT OF GRIPPING
SYSTEMS INSPIRED BY THE OCTOPUS
https://doi.org/10.61117/ipsumtec.v9i2.472
DATOS DE AUTORES E IDENTIFICACIÓN
Santiago Pérez Erandi Abdiel
1
, Rosa Isabel Hernández Sánchez
2*
, Héctor Javier Jarquin Flores
3
,
Isaias Velasquez Cruz
4
, Martin Vidal Reyes
5
1
Santiago Pérez Erandi Abdiel
Tecnológico
Nacional
de
México/
I.T.
Oaxaca,
erandi.a.santiagoperez15@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0009-0004-5785-1866
2
Rosa Isabel Hernández Sánchez
SECIHTI
(Secretaría
de
Ciencias,
Humanidades,
Tecnología
e
Innovación)
rihernandezs@ipn.mx
(Autor de correspondencia)
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2417-7535
3
Héctor Javier Jarquin Flores
Tecnológico
Nacional
de
México/
I.T.
Oaxaca
hector.jarquin@itoaxaca.edu.mx
ORCID: https://orcid.org/0009-0004-7342-838X
4
Isaias Velasquez Cruz
Tecnológico
Nacional
de
México/
I.T.
Oaxaca
isaias.velasquez@itoaxaca.edu.mx
ORCID: https://orcid.org/0009-0006-0171-7216
5
Martin Vidal Reyes
Tecnológico
Nacional
de
México/
I.T.
Oaxaca
martin.vidal@itoaxaca.edu.mx
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1361-0645
Disciplina:
[ X ] Inteligencia Artificial, Datos y Automatización
RESUMEN
Se realizó una investigación e implementación de un prototipo teórico desarrollado en centros de investigación. Se
derivó
el
proyecto
de
la
recaudación
de
diferentes
modelos
propuestos,
la
mayoría
de
ellos
teóricos
ya
que
la
implementación no se había llevado a cabo gracias a una gran diversidad de dificultades como lo es la falta de
recursos. Primeramente, se recaudó información con respecto al pulpo, formas de funcionamiento de los tentáculos
que es lo que se quiso replicar en el prototipo realizado, se tuvo que mejorar ciertas cosas en el transcurso de la
realización, un ejemplo claro fue la mejora de las 3 poleas utilizadas para el mecanismo de contracción que realizan
puntos
específicos
del
brazo.
Finalmente,
los
resultados
obtenidos
fueron
satisfactorios
ya
que
el
movimiento
y
manipulación de objetos pesados sin llegar a sobrecargar los motores del brazo, dándonos un buen agarre y rango
flexibilidad. Se hizo un análisis de los materiales que podrían ser mejora del prototipo, como los son motores de un
rendimiento mayor a los utilizados.
Palabras Clave:
Controladores, CNC, drivers, motores, pulpo.
Esta
obra
está
bajo
una
licencia
internacional
Creative
Commons
Atribución 4.0.
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15
ABSTRACT
A research and implementation of a theoretical prototype developed in research centers was carried out. The project
was derived from collecting different prop
osed models, most of them theoretical since the implementation hadn’t been
carried out due to a wide range of difficulties such as lack of resources. First, information regarding the octopus was
gathered, focusing on how the tentacles work, which was what we wanted to replicate in the prototype. Some things
had to be improved during the development process; a clear example was the improvement of the three pulleys used
for the contraction mechanism that acts on specific points of the arm. Finally, the results obtained were satisfactory
since the movement and handling of heavy objects could be done without overloading the arm’s motors, giving us a
good grip and range of flexibility. An analysis was done of the materials that could improve the prototype, such as
motors with higher performance than the ones used.
Keywords:
Controlers, CNC, drivers, engines, octopus.
INTRODUCCIÓN
Presenta
el
informe
completo
sobre
un
proyecto
experimental
centrado
en
el
diseño,
la
construcción y la evaluación de un prototipo de brazo robótico. El desafío fundamental de este
proyecto no era simplemente construir un robot, sino hacerlo bajo condiciones muy específicas; el
sistema debía ser funcional, controlable con precisión y, sobre todo, ensamblado con componentes
de muy bajo costo que fueran fáciles de adquirir.
El
estudio
de
la
naturaleza
para
resolver
problemas
humanos.
Específicamente,
se
observó
el
extraordinario movimiento de los tentáculos de un pulpo. La biología de estos animales ofrece un
modelo asombroso de flexibilidad, fuerza y adaptabilidad, permitiéndoles manipular objetos con
una destreza que los robots rígidos tradicionales no pueden igualar.
La primera idea fue, por lo tanto, intentar replicar este movimiento orgánico mediante el uso de
"actuadores blandos" o "músculos artificiales", que son materiales que pueden cambiar de forma
o contraerse cuando se les aplica electricidad o aire. En segundo lugar, la complejidad de fabricar
y
controlar
estos
actuadores
blandos
estaba
fuera
del
alcance
de
los
recursos
y
el
tiempo
disponibles para este proyecto.
Ante esta realidad, fue necesario un cambio de enfoque. Se decidió pivotar desde la idea de un
brazo blando y flexible a la de un brazo rígido, pero cuya precisión de movimiento pudiera ser
controlada
digitalmente.
el
sistema
utilizado
por
las
máquinas
de
Control
Numérico
por
Computadora (CNC). Este es el mismo principio que da vida a las impresoras 3D y a las cortadoras
láser. Este enfoque se basa en el uso de motores paso a paso (específicamente el modelo Nema
17),
que
son
motores
que
no
giran
continuamente,
sino
que
se
mueven
en
pequeños
"pasos"
discretos y exactos.
Esto permite a una computadora saber exactamente en qué posición se encuentra el motor en todo
momento, sin necesidad de sensores complicados. En las siguientes secciones de este informe, se
desglosará
todo
el
proceso
de
este
experimento.
Primero,
se
detallarán
los
instrumentos
y
el
método,
explicando
los
dos
programas
de
software
clave
que
hicieron
funcionar
el
robot:
el
Arduino IDE, que se usó para cargar el firmware GRBL en el cerebro del robot, y el software UGS
(Universal G-code Sender), que se utilizó en la computadora para enviar las instrucciones G-code
al brazo. GRBL es el traductor que convierte esos comandos en los pulsos eléctricos que mueven
los motores.
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METODOLOGÍA
Según el sector donde se detiene el brazo robot, ya sea en un ambiente industrial o cotidiano este
tendrá una aplicación u otra. Unos ejemplos de la función que puede llegar a realizar un robot es
un ambiente industrial son los siguientes: atornillar, pegar, soldar, pintar, desplazar la pieza de una
cinta a otra, montaje de secciones. Por lo general, los brazos robóticos industriales funcionan
mediante la ejecución de un software con el que programar las principales funciones y de unos
sensores que miden diferentes factores como: ubicación, fuerza, aceleración, temperatura, etc. De
esta forma, es posible llevar a cabo una gran variedad de acciones de automatización con gran
seguridad y precisión.
Ventajas
Mejora de la eficiencia en producción y logística, 2. Permite llevar a cabo de forma automática, es
decir, sin intervención humana directa, la carga de objetos pesados y operativas que requieren de
una elevada precisión. 3. Mejora de la seguridad y la ergonomía de los empleados. Los robots
sustituyen a los humanos a la hora de realizar tareas pesadas en entornos peligrosos, lo que evita
el riesgo de accidentes y lesiones. 4. Máxima productividad. Los brazos robóticos industriales
pueden operar sin cansarse las 24 horas del día, durante los siete días de la semana. Esto permite
a las empresas mantener la producción al mismo tiempo que se reducen los costos laborales.
Prospección Del Mercado
El mercado de brazos robóticos industriales se encuentra en una etapa de crecimiento sostenido,
impulsado por la
necesidad de automatización en sectores clave como la industria automotriz,
electrónica, alimentos y farmacéutica. El público objetivo está conformado principalmente por
grandes corporaciones manufactureras que buscan optimizar procesos de ensamblaje, soldadura y
manipulación de piezas. Sin embargo, también existe un nicho emergente en pequeñas y medianas
empresas que, gracias a la aparición de robots colaborativos más accesibles, comienzan a adoptar
estas
tecnologías
para
mejorar
su
competitividad
y
reducir
costos
operativos.
En
cuanto
a
la
competencia,
el
panorama
está
dominado
por
líderes
globales
como
ABB,
FANUC,
KUKA,
Yaskawa y Mitsubishi, quienes ofrecen soluciones de alta gama con integración de inteligencia
artificial, visión artificial y conectividad IoT. A nivel regional, fabricantes asiáticos y europeos de
menor costo presionan los precios y obligan a las marcas consolidadas a diferenciarse mediante
innovación tecnológica y servicios de valor añadido, como mantenimiento predictivo, capacitación
y consultoría.
Además,
startups
emergentes
están
explorando
nichos
específicos,
como
brazos
robóticos
modulares o integrados con impresión 3D, lo que diversifica aún más la oferta. La viabilidad
comercial de este mercado es alta, ya que la automatización se ha convertido en una necesidad
estratégica para las empresas que buscan aumentar productividad y reducir dependencia de mano
de
obra
calificada,
cada
vez
más
escasa.
Las
proyecciones
indican
un
crecimiento
anual
significativo hasta 2030, lo que abre oportunidades para nuevos actores que ofrezcan soluciones
flexibles y costo-eficientes. No obstante, existen riesgos asociados, como la elevada inversión
inicial que limita la adopción en PYMEs, la competencia de bajo costo que erosiona márgenes y
la resistencia cultural en empresas tradicionales que requieren capacitación para integrar estas
tecnologías.
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La construcción de un brazo robótico controlado digitalmente implica la integración de conceptos
provenientes de la robótica, la electrónica de potencia, los sistemas de control y la computación
embebida. Este proyecto se fundamenta en varios principios teóricos que permiten comprender el
funcionamiento del prototipo y las decisiones técnicas adoptadas.
A. Robótica y Cinemática de Manipuladores
Los manipuladores robóticos son sistemas mecánicos capaces de mover un efector final en el
espacio mediante articulaciones rotacionales o lineales. Aunque en este prototipo se emplea una
arquitectura rígida, el diseño se inspiró inicialmente en la robótica blanda, un campo que estudia
la
imitación
de
estructuras
biológicas
flexibles
mediante
materiales
deformables.
Debido
a
restricciones técnicas, el proyecto adopta finalmente una estructura rígida, pero mantiene como
objetivo
la
precisión
en
el
posicionamiento,
característica
esencial
en
cualquier
manipulador
robótico.
B. Motores Paso a Paso NEMA 17
Los motores paso a paso son actuadores utilizados ampliamente en máquinas CNC e impresoras
3D debido a su capacidad para dividir una revolución completa en pasos discretos. Un motor
NEMA 17 opera mediante la secuencia ordenada de activación de sus bobinas internas, lo que
permite conocer su posición sin requerir sensores adicionales. El control de estos motores puede
realizarse en paso completo o en micropasos; este último modo mejora la suavidad y la resolución
del
movimiento,
pero
requiere
un
manejo
correcto
de
señales
eléctricas
en
los
pines
de
configuración del driver.
Figura 1
.
Motor paso a paso
.
Fuente
.
(componente electromecánico base, archivo digital de los autores).
C. Controladores A4988
Los controladores A4988 son módulos diseñados para gestionar la corriente que se envía a los
motores paso a paso. Estos drivers permiten seleccionar modos de paso completo o micropasos
mediante
tres
pines
de
configuración
(MS1,
MS2
y
MS3).
Cuando
estos
pines
se
encuentran
conectados a tierra, el motor funciona en paso completo, lo que reduce la precisión. Un suministro
correcto de 5 V a dichos pines permite habilitar micropasos, condición fundamental para obtener
movimientos finos en un sistema CNC. En el caso del proyecto, fue necesario corregir errores
presentes en la CNC Shield y ajustar conexiones para permitir el
uso
adecuado del
modo
de
micropasos.
D. Firmware GRBL
GRBL es un firmware de código abierto ampliamente utilizado en sistemas CNC por su capacidad
de interpretar instrucciones en formato G-code y convertirlas en señales eléctricas para motores
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paso a paso. Funciona como una máquina de estados que transforma comandos de movimiento en
secuencias precisas de pulsos. GRBL se ejecuta en microcontroladores compatibles con Arduino
y permite la configuración del mapeo de pines, lo cual fue esencial debido a las modificaciones
necesarias para adaptar la CNC Shield usada en este proyecto.
E. Instrucciones G-code y la Interfaz UGS
El
G-code
es
un
lenguaje
estándar
empleado
para
describir
movimientos
en
máquinas
CNC,
mediante comandos que especifican coordenadas, velocidades, aceleraciones y trayectorias. Para
transmitir estas instrucciones al firmware GRBL se utiliza Universal G-code Sender (UGS), una
aplicación que actúa como interfaz entre el usuario y el sistema controlado. UGS permite enviar
comandos, monitorear la posición del robot y ejecutar rutinas de prueba de manera continua, lo
cual resulta necesario para evaluar la precisión del brazo robótico.
Figura 2
.
G code
.
Fuente
.
(Best GRBL Software for Laser Engraving, por Tyvok EU).
F. Arquitectura de Control en Lazo Abierto
El sistema se basa en un esquema de control en lazo abierto, característico de muchas máquinas
CNC de bajo costo. En este enfoque, los motores reciben comandos sin que exista un sensor que
retroalimente la posición real obtenida. Si bien este tipo de control simplifica el diseño y disminuye
costos, tiene como limitación la imposibilidad de corregir errores en tiempo real ocasionados por
deslizamientos mecánicos, pérdida de pasos o sobrecarga térmica en los drivers. Por esta razón, la
calibración
de
corriente,
la
correcta
ventilación
y
el
ajuste
de
parámetros
de
movimiento
son
factores esenciales para mantener la precisión del prototipo.
Aplicación de los instrumentos y métodos experimentales seleccionados
El
desarrollo
del
prototipo
se
basó
en
la
integración
de
herramientas
de
hardware
y
software
seleccionadas por su bajo costo, accesibilidad y capacidad para ejecutar control preciso en sistemas
CNC.
La
placa
Arduino
Nano
fue
empleada
como
microcontrolador
principal
debido
a
su
compatibilidad
con
el
firmware
GRBL
y
su
facilidad
de
programación
mediante
el
entorno
Arduino IDE. Para la gestión de los motores paso a paso se utilizó una CNC Shield v3 equipada
con drivers A4988, componentes que proporcionan la corriente necesaria para el movimiento de
los actuadores NEMA 17.
Como método de control se adoptó la arquitectura típica de máquinas CNC: el sistema recibe
comandos en lenguaje G-code, los cuales son interpretados por GRBL y convertidos en pulsos
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eléctricos de dirección y paso. Para el envío de estas instrucciones se utilizó el software Universal
G-code Sender (UGS), que permite visualizar, monitorear y ejecutar comandos en tiempo real.
La aplicación experimental también requirió la modificación de la CNC Shield debido a errores
de diseño, como la conexión a tierra de los pines de micropasos. Este procedimiento implicó cortar
pistas y cablear manualmente los pines MS1, MS2 y MS3 hacia una línea de 5 V, asegurando así
la posibilidad de usar modos de micropasos durante las pruebas. Finalmente, se implementaron
métodos de inspección mediante multímetro y pruebas de continuidad para confirmar el mapeo
correcto de pines y garantizar la integridad del sistema antes de iniciar las pruebas funcionales.
Figura 3
.
Diseño implementado
.
Fuente
.
(Elaboración Propia).
Desarrollo de la metodología
La
metodología
del
proyecto
se
estructuró
en
tres
fases
principales:
ensamblaje
del
sistema,
configuración del firmware y validación del movimiento.
En primer lugar, se realizó el montaje físico del brazo robótico, comenzando por la soldadura de
componentes y la integración
de la CNC Shield v3 con el
Arduino
Nano y los
controladores
A4988.
Dada
la
naturaleza
económica
de
los
componentes,
fue
necesario
inspeccionar
cuidadosamente
las
pistas
de
la
tarjeta
y
realizar
correcciones
manuales
para
asegurar
un
funcionamiento estable.
Posteriormente, se procedió a la adaptación del firmware GRBL. Para ello se descargó la versión
más reciente disponible y se modificó el archivo cpu_map.h, ajustando los pines de control de los
ejes X, Y y Z conforme al cableado real encontrado en la CNC Shield. Específicamente, los pines
de paso fueron remapeados a 5, 6 y 7, mientras que los pines de dirección se asignaron a 2, 3 y 4,
respectivamente.
Una vez configurado el firmware, se subió el programa al Arduino Nano mediante el entorno
Arduino
IDE
y
se
verificó
su
funcionamiento
mediante
comandos
básicos
de
movimiento.
Finalmente,
se
inició
la
etapa
operativa
utilizando
Universal
G-code
Sender,
el
cual
permitió
ejecutar
secuencias
de
movimiento
repetitivas
y
verificar
el
comportamiento
del
brazo
bajo
condiciones controladas
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20
Figura 4
.
Diseño de las piezas a computadora
.
Fuente
. (
Elaboración Propia
).
Ajuste y Corrección de la CNC Shield v3
Durante el proceso experimental se identificaron múltiples limitaciones y errores de diseño en la
CNC Shield v3, por lo que se desarrolló un procedimiento para adaptarla a las necesidades del
proyecto. El proceso se llevó a cabo siguiendo los pasos descritos a continuación:
Figura 5.
Tarjeta CNC Shield v3
.
Fuente
.
(Arduino Nano CNC Shield V4.0 Pinout Diagram, por Electronic Parts Fast.)
.
Paso 1: Selección del voltaje de alimentación
•
Se revisaron las especificaciones de la placa y sus reportes de uso comunitario.
•
Aunque la tarjeta puede aceptar hasta 24 V, se
determinó que el
regulador interno no
soporta de forma segura ese límite.
•
Se seleccionó 15 V como voltaje máximo seguro, considerando también el consumo de los
motores NEMA 17.
Paso 2: Verificación de pines de emergencia y alimentación externa
•
Se
identificaron
los
pines
RESET,
EN
y
STOP,
destinados
a
funciones
de
parada
de
emergencia.
•
Se verificó que los pines adyacentes pueden activar la toma de
alimentación desde un
eliminador externo cuando se puentean.
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Paso 3: Confirmación del mapeo real de pines
Se localizó el área de control para los tres ejes, obteniendo el siguiente resultado:
Tabla 1
.
Designación de pines
.
Eje
Pin de Step
Pin de Dirección
X
D5
D2
Y
D6
D3
Z
D7
D4
Enable (global)
—
D0
Fuente
.
(Elaboración Propia)
.
Estos valores se verificaron siguiendo las pistas de cobre y midiendo continuidad.
Figura 6.
Componentes de la tarjeta
.
Fuente
.
(Elaboración Propia)
.
Paso 4: Identificación de errores en el diseño de la CNC Shield
•
Se observó que todos los pines de límite están unificados a GND, lo que impide distinguir entre los
límites de cada eje.
•
Se encontró que los pines MS1, MS2 y MS3 de los drivers A4988 estaban conectados directamente
a tierra, lo que fuerza el modo de paso completo.
Figura 7.
Pines de la tarjeta
.
Fuente
.
(Elaboración Propia)
.
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22
Paso 5: Corrección de los pines de micropasos
•
Se cortaron las pistas que conectaban MS1
–
MS3 a tierra.
•
Se cablearon estos pines hacia la línea de 5 V, permitiendo habilitar micropasos.
•
Se verificó la continuidad para asegurar que no quedaran restos de conexión a tierra.
Este ajuste fue fundamental para obtener movimientos más finos y estables en el brazo robótico.
Figura 8.
Modificación de los pines
.
Fuente
.
(Elaboración Propia)
.
Configuración del Firmware GRBL
El firmware GRBL fue preparado y adaptado de acuerdo con los requerimientos eléctricos y de mapeo de
pines de la placa.
Paso 1: Descarga y preparación del firmware
•
Se descargó GRBL desde su repositorio oficial.
•
El archivo ZIP se descomprimió y se localizó la carpeta
grbl-master
.
•
Se copió la carpeta
grbl
a la librería del entorno Arduino
Figura 9.
Firmware GRBL
.
Fuente
.
(repositorio oficial de grbl/grbl, por Chamnit (s.f.), GitHub (github.com))
.
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23
Figura 10.
Datos de aplicación
.
Fuente
.
(repositorio oficial de grbl/grbl, por Chamnit (s.f.), GitHub (github.com))
.
Paso 2: Identificación de archivos a modificar
•
Dentro del directorio del firmware se ubicó el archivo cpu_map.h.
•
Este archivo contiene la definición de los pines de control para cada eje.
Paso 3: Edición del mapeo de pines
Se remplazaron los valores predeterminados por los pines reales de la CNC Shield corregida:
•
Pines de
STEP
para X, Y y Z →
5
,
6
,
7
•
Pines de
DIRECCIÓN
para X, Y y Z →
2
,
3
,
4
Figura 11.
Mapeo de pines
.
Fuente
.
(Elaboración propia)
.
Paso 4: Carga del firmware en el Arduino Nano
•
Se abrió Arduino IDE.
•
En
Archivo → Ejemplos
se seleccionó la plantilla GRBL incluida.
•
Se compiló y subió el firmware al microcontrolador.
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Figura 12.
Firmware cargado en el Arduino Nano
.
Fuente
.
(Elaboración propia)
.
Paso 5: Instalación del software UGS
•
Desde la carpeta descargada se ejecutó ugsplatform-win en su versión de 64 bits.
•
Se verificó la instalación de
Java
, ya que UGS depende de este entorno para funcionar.
•
Se confirmó la comunicación serial con el Arduino.
Con
estos
pasos,
el
brazo
quedó
listo
para
recibir
instrucciones
G-code
y
ejecutar
las
pruebas
experimentales.
Figura 13.
Software UGS
.
Fuente
.
(Captura de pantalla del software Universal Gcode Sender (UGS), por
Winder
(s.f.))
.
Recolección y tratamiento de datos.
La recolección de datos se realizó mediante la ejecución continua de comandos G-code diseñados
para
mover
el
brazo
robótico
a
posiciones
específicas
en
los
ejes
X,
Y
y
Z.
Estas
pruebas
consistieron
en
enviar
órdenes
repetidas
de
desplazamiento
con
magnitudes
conocidas,
permitiendo observar la repetibilidad y precisión del sistema.
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Durante las sesiones de prueba se registraron manualmente varios parámetros:
•
Exactitud
del
desplazamiento,
evaluada
visualmente
y
mediante
puntos
de
referencia
físicos.
•
Estabilidad térmica, monitoreada observando el calentamiento progresivo de los drivers
A4988.
•
Comportamiento
mecánico,
documentando
vibraciones,
pérdida
de
pasos
o
ruidos
irregulares durante el movimiento.
Los datos recopilados se organizaron en tablas descriptivas donde se compararon los movimientos
esperados
vs.
los
movimientos
observados.
Asimismo,
se
tomaron
notas
sobre
cualquier
comportamiento anómalo, como reducción de torque, interrupciones súbitas o sobrecalentamiento.
Estas
observaciones
permitieron
identificar
patrones
vinculados
al
modo
de
micropasos,
la
velocidad de ejecución y la corriente configurada en los controladores.
Declaración de IA Generativa
Se declara que se utilizó la herramienta
Gemini de Google
de forma asistencial para la búsqueda
de información técnica preliminar, la aclaración de conceptos relacionados con el control numérico
por
computadora
(CNC)
y
el
soporte
conceptual
en
la
estructuración
de
la
investigación,
asumiendo los autores la responsabilidad total del contenido del manuscrito.
Responsabilidad
Todos los autores firmantes declaran haber contribuido de manera equitativa, intelectual y directa
en el desarrollo integral de esta investigación. Asimismo, todos los integrantes del equipo asumen
de forma conjunta y solidaria la responsabilidad total del contenido técnico
Limitaciones metodológicas
El
alcance
de
las
pruebas
metodológicas
estuvo
condicionado
por
restricciones
de
tiempo
y
disponibilidad de laboratorio, lo que limitó la recolección de datos a pruebas operacionales en
condiciones controladas de corto plazo. No se evaluó el desgaste mecánico de los componentes ni
el comportamiento térmico de los controladores en jornadas de trabajo continuo prolongado
RESULTADOS
El análisis de los datos obtenidos evidenció que el prototipo logró ejecutar movimientos con un
grado aceptable de precisión, aunque limitado por las características inherentes del sistema en lazo
abierto. Cuando el sistema operó en modo de micropasos, el movimiento se volvió más suave y
estable, confirmando la importancia de la corrección realizada en la CNC Shield para habilitar
adecuadamente los pines MS1
–
MS3.
Se observó, no obstante, que la precisión disminuía cuando los motores operaban durante tiempo
prolongado
o
a
velocidades
elevadas,
situación
atribuida
al
sobrecalentamiento
de
los
drivers
A4988. Este fenómeno ocasionaba pérdida de pasos, lo que afecta directamente la exactitud del
posicionamiento.
También
se
detectó
que
la
falta
de
retroalimentación
impedía
corregir
automáticamente estas desviaciones.
A
pesar
de
estas
limitaciones,
el
sistema
demostró
ser
funcional,
replicable
y
adecuado
para
aplicaciones educativas o de prototipado. El análisis comparativo entre movimientos esperados y
obtenidos sugiere que mejoras como aumentar la ventilación, recalibrar la corriente de los drivers
y optimizar las velocidades de avance pueden incrementar significativamente el rendimiento del
sistema sin necesidad de cambiar sus componentes principales.
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Figura 14
. Vista inferior de la tarjeta de control para motores y de la placa Arduino NANO.
Fuente
. (Elaboración Propia).
Figura 15
. Vista superior de la tarjeta de control para motores y de la placa Arduino NANO.
Fuente
. (Elaboración Propia).
Tras la fase de implementación y pruebas experimentales, el prototipo demostró ser una solución
funcional, replicable y altamente efectiva para fines educativos y de prototipado rápido. El sistema
logró ejecutar satisfactoriamente secuencias de movimiento
en los ejes X, Y y Z mediante la
interpretación de comandos en lenguaje G-code, validando la viabilidad de utilizar componentes
de bajo costo para tareas de automatización controlada.
Hallazgos Clave
Efectividad del Micropasos: La intervención técnica realizada en la CNC Shield v3
—
que consistió
en la reconfiguración manual de las pistas para habilitar los pines de micropasos (MS1
–
MS3)
—
fue
determinante.
Este
ajuste
permitió
una
transición
de
un
movimiento
rudimentario
a
uno
significativamente más suave, preciso y estable, validando la importancia de esta modificación
para la resolución del sistema.
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Limitaciones del Lazo Abierto: Como era de esperarse en un sistema de control en lazo abierto, se
confirmó que la ausencia de sensores de retroalimentación (feedback) limita la capacidad del robot
para corregir errores de posicionamiento en tiempo real. Se detectó que factores externos, como el
sobrecalentamiento
de los
controladores A4988 durante periodos de uso prolongado o a
altas
velocidades, generan pérdida de pasos, lo que degrada la exactitud del movimiento.
Desempeño
Operativo:
A pesar de las limitaciones mecánicas y térmicas detectadas, el
brazo
demostró una capacidad operativa consistente en condiciones controladas. El uso del firmware
GRBL
y
la
interfaz
UGS
resultó
ser
una
combinación
sólida
y
eficiente
para
la
gestión
de
trayectorias y el monitoreo del robot.
Conclusiones Técnicas
El proyecto permite concluir que es posible alcanzar un grado de precisión aceptable mediante la
optimización de parámetros técnicos sin necesidad de sustituir los componentes principales. La
estabilidad
del
sistema
está
directamente
vinculada
al
equilibrio
entre
la
velocidad
de
avance
(feedrate), la configuración de micropasos y la gestión térmica de los componentes.
En suma, el prototipo cumple con su objetivo técnico al proporcionar una base de automatización
económica y adaptable. Las deficiencias identificadas, lejos de ser fallos críticos, han servido para
establecer una hoja de ruta clara hacia la optimización.
Costos
Tabla 2.
Precios de componentes y servicios utilizados para el desarrollo del brazo
.
Materiales Usados
Cantidad
Costo
Unitario
Costo
Neto
Motor paso a paso nema 1717H
3
$158.90
$476.70
3DV4 CNC SHIELD V3
1
$130
$130
Modulo bluetooth HC-05
2
$115
$230
Driver A4988
3
$40
$120
Arduino Nano 3.0
2
$180
$360
Macocel
1
$320
$320
Resistol 5000
1
$52
$52
Kola Loka
3
$40
$120
Carrete de Hilo para Pesca de 1.0mm
1
$40
$40
Esquinero para Mueble
16
$5
$80
Impresión 3D
25
$56
$1,400
Poleas de 56.6mm
8
$64.25
$514
Centena de tornillos
1
$1
$100
Transporte y combustible
$700
Costo Total
$4,642.70
Fuente
.
(Elaboración Propia)
.
Propuesta de ajustes de parámetros de la investigación y/o del prototipo
A partir del
análisis de
los
resultados obtenidos y considerando las limitaciones prácticas del
proyecto principalmente en términos de tiempo, presupuesto y disponibilidad de componentes, se
propone realizar una serie de ajustes menores a nivel de configuración y diseño, sin reemplazar la
metodología general ni los materiales base.
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1. Ajustes Propuestos a Nivel de Parámetros Técnicos
2.Reducción de la velocidad de movimiento (feedrate):
Ajustar el parámetro F en el G-code a valores entre 300
–
500 mm/min ha demostrado mejorar la
precisión y evitar pérdidas de pasos en los motores.
Figura 16
. Motores Nema17.
Fuente
. (Elaboración Propia).
3. Uso de microstepping intermedio en drivers A4988
Configurar los drivers en 1/8 de paso en lugar de 1/16 o completo, mantiene un buen balance entre
resolución de movimiento y torque, reduciendo las vibraciones del sistema.
4. Corriente de los drivers
Calibrar manualmente A4988 para limitar la corriente a alrededor de 0.8 A, utilizando disipadores
pasivos, permite operar sin riesgo de sobrecalentamiento durante sesiones de prueba prolongadas.
5. Ajustes en el Prototipo
Mejorar el sistema de enfriamiento de los drivers
Instalar
disipadores de aluminio
y, si es posible, un pequeño ventilador (5V o 12V) sobre la zona
de los drivers para prolongar su vida útil y permitir mayor carga de trabajo sin fallos térmicos.
6. Estabilizar la estructura mecánica
Asegurar mejor el montaje de los motores y elementos móviles para evitar holguras o vibraciones
que puedan causar imprecisiones.
De igual manera, el uso de músculos artificiales o actuadores blandos, más cercanos al movimiento
natural
de
un
pulpo,
fue
descartado
temporalmente
debido
a
su
alto
costo
y
complejidad
de
implementación. El enfoque CNC con motores paso a paso ha demostrado ser una alternativa
práctica y funcional, siempre que se optimicen los parámetros mencionados.
DISCUSIÓN
Tras las pruebas experimentales, el prototipo demostró ser una solución funcional y replicable para fines
educativos.
La
integración
del
firmware
GRBL
y
la
interfaz
UGS
permitió
gestionar
trayectorias
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eficientemente, mientras que la reconfiguración manual de las pistas en la CNC Shield v3 (pines MS1
–
MS3) resolvió un movimiento inicialmente rudimentario para lograr una operación suave. No obstante, para
validar
el
alcance
de
este desarrollo,
los resultados
empíricos
deben
ser
confrontados
con la literatura
indexada previa en sistemas continuos:
Primero,
el
viraje
metodológico
desde
una
estructura
blanda
hacia
un
mecanismo
rígido-segmentado
contrasta con las tendencias dominantes de la robótica blanda. Investigaciones pioneras sostienen que la
mímica biológica del pulpo exige elastómeros deformables con infinitos grados de libertad para un agarre
adaptativo
seguro.
Sin
embargo,
dichos
sistemas
presentan
alta
complejidad
matemática
y
costos
prohibitivos.
Como
proponen
Bhalkikar
[17],
la
discretización
en
segmentos
rígidos
mediante
poleas
aproxima geometrías complejas reduciendo drásticamente la carga computacional, lo que el uso entornos
de código abierto como GRBL.
Segundo, la
pérdida
de
pasos
e imprecisión
posicional
por
el sobrecalentamiento
de los
controladores
A4988
en
L.A.
coincide
con
los
desafíos
térmicos
reportados
por
Hernández-Ibarra
[18]
En
robots
continuos accionados por cables y microcontroladores de gama baja, los perfiles de movimiento directo sin
retroalimentación
generan
picos
de
fuerza
y
sobreimpulsos
térmicos
en
los
drivers
que
degradan
la
repetibilidad. Para mitigar esta vulnerabilidad sin elevar costos de hardware,
Fei [19] sugieren adoptar
algoritmos
de
Input
Shaping
o
controladores
con
saturación
de
entrada
por
software,
al
optimizar
las
aceleraciones para prevenir el esfuerzo térmico en los componentes.
Tercero, el riesgo de falla estructural por la tensión extrema en los hilos de contracción ante demandas
elevadas de torque es un desafío en robots continuos accionados por tendones. Wang [20] discuten que los
sistemas económicos con actuadores en la base sufren concentraciones de estrés severas en los anclajes.
Mientras nuestro chasis de macocel experimentó deformación extrema, Wang [20] demuestran que un
tensor mecánico dual contrarresta el aflojamiento del hilo bajo cargas continuas. Esto respalda nuestra
recomendación de estabilizar las holguras y calibrar el
feedrate
entre 300
–
500 mm/min para balancear la
integridad del chasis con el torque del motor.
CONCLUSIONES
En conclusión, este proyecto subraya que la viabilidad operativa de un brazo robótico de bajo costo
no depende únicamente de la programación, sino de un equilibrio dinámico entre la capacidad
electromecánica y la integridad mecánica. Si bien el prototipo cumple con sus objetivos, se hace
evidente que las limitaciones detectadas requieren una estrategia de optimización basada en la
mejora
de
la
ventilación
de
los
drivers,
un
ajuste
fino
del
feedrate
y,
fundamentalmente,
un
reforzamiento de la estructura mecánica para evitar la fatiga de materiales. Estas observaciones
permiten establecer una hoja de ruta clara, transformando las fallas experimentales en lecciones
valiosas para futuras iteraciones que busquen mayor fiabilidad y robustez en entornos de trabajo.
Futuras líneas de investigación
A
partir
de
los
hallazgos
y
las
limitaciones
operativas
identificadas
en
la
evaluación
de
este
prototipo, se proponen las siguientes directrices para dar continuidad a esta línea de investigación:
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•
Implementación
de
un
sistema
de
control
en
lazo
cerrado:
Integrar
sensores
de
retroalimentación posicional para que el software corrija automáticamente la pérdida de
pasos y las desviaciones provocadas por el sobrecalentamiento y la fatiga estructural del
chasis.
•
Transición hacia una arquitectura híbrida con inteligencia física: Incorporar recubrimientos
elastómeros
flexibles
y
ventosas
pasivas
en
los
extremos
de
los
segmentos
rígidos,
permitiendo una posible aplicación del control adaptativo.
DISPONIBILIDAD DE DATOS (Data Availability Statement)
Datos del estudio:
Los
datos
que
respaldan
los
hallazgos
de
este
estudio
están
disponibles previa solicitud razonable al autor.
Protocolo
/
Código
/
Cuestionario:
No disponible públicamente.
Fuente de financiamiento:
La presente investigación no recibió financiamiento externo.
Conflicto de interés:
Los autores declaran que no existe conflicto de interés relacionado
con el presente manuscrito.
Aprobación ética:
No aplica.
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CONTRIBUCIÓN DE AUTORES (CRediT Taxonomy)
Rol
Autor (es)
Conceptualización
Santiago Pérez Erandi Abdiel
Metodología
Santiago Pérez Erandi Abdiel
Rosa Isabel Hernández Sánchez
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Validación
Rosa Isabel Hernández Sánchez
Isaias Velasquez Cruz
Análisis formal
Rosa Isabel Hernández Sánchez
Martin Vidal Reyes
Investigación
Santiago Pérez Erandi Abdiel
Recursos
Santiago Pérez Erandi Abdiel
Curación de datos
Héctor Javier Jarquin Flores
Redacción
–
borrador original
Santiago Pérez Erandi Abdiel
Redacción
–
revisión y edición
Santiago Pérez Erandi Abdiel
Visualización
Martin Vidal Reyes
Supervisión
Rosa Isabel Hernández Sánchez
Administración del proyecto
Héctor Javier Jarquin Flores
Obtención de financiamiento
Santiago Pérez Erandi Abdiel
