Manipulador 3 GDL

El manipulador es un brazo de tres grados de libertad con un gripper lineal en el extremo, construido desde cero en lámina de acero cortada a láser y doblada a mano. Va montado sobre una caja metálica que lo eleva respecto a la plataforma móvil.

Render CAD del manipulador completo, vista lateral — El manipulador en CAD, antes de existir en acero. Tres grados de libertad y un gripper lineal en el extremo.

Nivel de replicación

Descrito

Está el diseño explicado, con las dimensiones críticas y la razón de cada decisión. Sirve para rediseñar, no para copiar.

Lo que encuentras aquí

Planos cotados de cuatro piezas de lámina, generados desde los DXF originales de corte
Cadena cinemática y relaciones de transmisión de cada articulación
Materiales, calibres y procesos de manufactura empleados
Registro de lo que falló en la manufactura y de cómo se resolvió
Fotografías de detalle del ensamble, la transmisión y los finales de carrera

Lo que falta para llegar a «Construible»

DXF del resto de piezas de lámina: torre, segundo eslabón, pestañas en L de unión, placas base y base giratoria
STEP del ensamble completo, que fijaría las distancias entre ejes y la posición relativa de los eslabones
STL de las piezas impresas en 3D (gripper, cremallera, piñón y poleas) con sus parámetros de impresión
Lista de materiales mecánica: tornillería, rodamientos, chumaceras, bandas y poleas con sus referencias
Secuencia de ensamble ordenada y tensión de banda de referencia

Requisitos y restricciones

El manipulador debía ejecutar tareas de pick-and-place en entornos de logística de e-commerce: ligero, compacto, montable sobre la plataforma móvil y capaz de sujetar objetos de tamaño mediano.

Las restricciones del laboratorio acotaron el punto de partida, y explican casi todas las decisiones de diseño que siguen:

Restricciones de partida

Parámetro	Valor	Unidad	Notas
Material estructural	Acero calibre 18 y 24	1,2 y 0,6 mm	Lo disponible en el laboratorio
Herramienta de corte	Cortadora láser	—	Única herramienta de corte accesible
Doblado	Dobladora manual	—	Limita el ángulo y el radio de doblez
Actuadores	NEMA 17	—	Stock existente, no elegidos para la aplicación

El detalle de cada restricción está en Restricciones.

Arquitectura mecánica

Tres articulaciones rotacionales más un gripper lineal:

Cadena cinemática y transmisión

Articulación	Material	Transmisión	Reducción
Base / hombro (giro)	Acero 1,2 mm	Banda HTD3M, polea 50T	1:1
Eslabón 1	Acero 0,6 mm	Banda HTD3M, polea 50T	2,5:1
Eslabón 2	Acero 0,6 mm	Banda HTD3M, polea 50T	2,5:1
Gripper	Impresión 3D	Piñón y cremallera	Motor Pololu 100:1

Cada eslabón lo mueve un NEMA 17 con reductor planetario 10:1, y sobre él la polea añade otro 2,5:1. La reducción compuesta es de 25:1, y es lo que permite alcanzar el par necesario con motores que no se eligieron para esta aplicación, sino que ya estaban en el laboratorio.

Tres principios guiaron el diseño: rigidez estructural por acero cortado a láser, transmisión por bandas dentadas para aumentar la capacidad de carga, y esa reducción compuesta.

Cómo dos motores comparten la misma zona de eje

Es el detalle que hace posible la cinemática, y el que hay que entender antes de intentar replicar el brazo.

Los dos motores de los eslabones están colocados de forma paralela y simétrica cerca de la base, no sobre las articulaciones que mueven. Eso reparte el peso hacia abajo, en lugar de cargarlo en el extremo del brazo.

El primer motor transmite el movimiento directamente al primer eslabón. El segundo parte de la misma zona de eje, pero su polea no está unida rígidamente al primer eslabón: gira libre sobre el mismo eje. Desde ahí, otra banda sube hasta la articulación superior. Gracias a ese desacople, cada grado de libertad conserva su propia transmisión aunque ambos compartan espacio físico en la base — mover el eslabón 1 no arrastra al eslabón 2.

Los dos motores NEMA 17 en disposición simétrica en la base del manipulador — Los dos NEMA 17 en disposición simétrica, cada uno con su conjunto de poleas y bandas. La barra roscada inferior actúa de tensor común.

Banda vertical que transmite el movimiento hacia el segundo eslabón — La banda vertical que lleva el movimiento hasta la articulación superior. Las chumaceras sostienen el eje y evitan que roce contra la lámina.

Base rotatoria

El giro de todo el conjunto respecto a la plataforma lo genera un motor situado en la parte posterior, con reducción por polea y banda. A diferencia de los eslabones, la base usa una reducción menor: basta para orientar el conjunto, y separa el movimiento de orientación del de los eslabones.

La estructura en «C» que eleva el brazo se fabricó en lámina doblada y se reforzó con doble capa después de que las pruebas mostraran que su rigidez era crítica para soportar el peso del brazo. Su volumen interno aloja los drivers CL57T y su cableado.

Estructura en C con refuerzo de doble capa — La lámina doblada en «C», con el refuerzo de doble capa que se añadió tras detectar que cedía bajo el peso del brazo.

Piezas y planos

Los planos siguientes se generaron a partir de los DXF que se enviaron a cortar, así que la geometría es la real: el contorno que salió de la cortadora y los barrenos con su diámetro y su posición.

Los DXF traen más cosas que el perfil de la pieza. El primer eslabón, por ejemplo, lleva grabadas las letras de «IBERO» en el centro, y círculos de registro del nesting cuyo centro cae fuera del contorno. El generador de planos descarta esos círculos: no son barrenos de la pieza.

Plano cotado del primer eslabón: 300 por 210,83 mm con 10 barrenos — Primer eslabón — 300 × 210,83 mm, 6 barrenos de ⌀5 y 4 de ⌀10. La pieza se dobla después de cortar, así que la cota es del desarrollo plano.

Plano cotado del soporte de motor NEMA 17 — Soporte de motor NEMA 17 — 70 × 139,57 mm. El rombo central es el paso del eje y los cuatro ⌀4 son la brida del motor.

Plano cotado del soporte de drivers — Soporte de drivers — 481,66 × 155 mm, la pieza más larga del conjunto. Va dentro de la caja de elevación.

Plano cotado del soporte superior de rodamiento — Soporte superior de rodamiento — 231,33 × 155 mm.

Artefacto

DXF — Primer eslabón

295 KB

Artefacto

DXF — Soporte NEMA 17

251 KB

Artefacto

DXF — Soporte de drivers

257 KB

Artefacto

DXF — Soporte superior de rodamiento

253 KB

Artefacto

DXF — Silueta de polea 50T

391 KB

Los planos se regeneran desde los DXF con node scripts/dxf-to-drawing.mjs. Añadir un DXF a public/cad/dxf/ basta para que aparezca su plano.

Manufactura

Corte láser y doblado

Las piezas estructurales se cortaron en láser a partir de lámina de acero y se doblaron a mano. Los ángulos de doblez quedaron al límite de lo viable con la dobladora manual disponible. Cuando una sección superaba ese límite, la pieza se dividió en dos o más partes unidas por tornillería, en lugar de forzar un doblez con riesgo de fractura.

Piezas del manipulador recién cortadas a láser — Piezas recién salidas de la cortadora, antes del doblado.

Primeras piezas del manipulador ensambladas — Primeras piezas ensambladas, la etapa donde se detectaron los ajustes que obligaron a recortar varias versiones.

Qué salió mal

Las piezas en L que conectan la base con el primer eslabón y con el motor fueron las que más iteraciones requirieron: la combinación de tolerancias de manufactura con ajustes de diseño obligó a varias versiones sucesivas. El resto de piezas también iteraron, aunque menos, y casi siempre por barrenos faltantes — que no justificaban un corte nuevo, bastaba taladrarlos sobre la pieza ya cortada.

El aprendizaje de fondo es sobre el método. La lámina doblada es rígida en el eje de carga y débil en el perpendicular. Cualquier fuerza pequeña en esa dirección generaba oscilación visible. No hubo deformación permanente ni daño en ningún momento, pero el juego mecánico —por flexibilidad del material, no por holgura en las uniones— fue perceptible durante la operación. Es una característica del armado con lámina, no un defecto de estas piezas concretas, y quien replique el brazo con el mismo método se lo va a encontrar.

Ensamble

Vista lateral del manipulador montado — Vista lateral del brazo: base de rotación, primer eslabón, segundo eslabón y gripper, con los NEMA 17 cerca de la base.

Transmisión

Poleas, bandas y chumaceras llevan el movimiento de los motores hasta los eslabones. Las chumaceras sostienen cada eje y evitan que roce directamente contra la lámina, lo que reduce fricción, desgaste y juego.

La tensión de las bandas se resolvió con rodamientos montados sobre barra roscada, que funcionan como tensores. Sin ellos la banda deslizaba y aparecían holguras y vibración.

Detalle de una articulación con polea y chumacera — Articulación típica: polea sobre eje, chumaceras atornilladas a la lámina lateral.

Tensor de banda con rodamiento sobre barra roscada — Tensor con rodamiento sobre barra roscada — la solución que corrigió el deslizamiento sin rediseñar la estructura.

Gripper

Dos pinzas impresas en 3D con mecanismo de piñón y cremallera, accionadas por un motor Pololu con reducción. El piñón central engrana con las cremalleras internas de ambas pinzas, que se desplazan en sentidos opuestos y abren o cierran de forma sincronizada. La geometría lleva refuerzos internos tipo costilla: rigidez sin peso.

Lo controla un ESP32-C3 dedicado — ver Controlador del gripper.

Vista superior del gripper mostrando el piñón central — El piñón central visible entre las dos pinzas, con las guías internas del mecanismo.

Vista inclinada del gripper montado en el último eslabón — Nervaduras de refuerzo de las pinzas y unión atornillada al último eslabón.

Finales de carrera

Colocados cerca del límite físico de cada recorrido, sirven de referencia de cero para el homing y de límite mecánico. Su posición se eligió para que el eslabón los active sin provocar colisión y sin estorbar el movimiento normal ni la trayectoria de las bandas.

Final de carrera montado en el interior del brazo — Final de carrera con palanca metálica en el recorrido de un eslabón.

El procedimiento de homing que usa estos sensores está en Controlador de drivers (CL57T).

Integración con la plataforma

La caja de elevación se fija a la plataforma aprovechando puntos estructurales del chasis, incluidas las zonas cercanas a los tornillos de las ruedas caster, para repartir mejor la carga del brazo. Las ranuras alargadas permiten ajustar la posición.

Unión entre la base móvil y la caja de elevación — Ranuras de ajuste y tornillería de fijación entre el chasis de la plataforma y la caja de elevación.

Archivos CAD

El proyecto completo está en Autodesk Inventor 2026. De él se publican aquí los formatos que no dependen de Inventor para abrirse:

Qué hay publicado y qué sigue solo en el CAD original

Formato	Contenido	Estado
DXF	Cinco piezas de corte láser	Publicado en /cad/dxf/
STL / OBJ	Polea HTD3M 50T y tres mallas de rodamiento	Publicado en /cad/mesh/
STEP	Motores y reductores de catálogo, como referencia de montaje	Publicado en /cad/reference/
.ipt / .iam	Las ~80 piezas y los ensambles	Solo en el repositorio original

Artefacto

STL — Polea HTD3M 50T

302 KB

Artefacto

STEP — Motor NEMA 17 (referencia)

2,5 MB

Artefacto

STEP — Reductor planetario NEMA 17 (referencia)

1,2 MB

Verificación

El manipulador alcanza los rangos de movimiento de diseño, no presenta juego excesivo en las transmisiones HTD3M y ejecuta movimientos rápidos de forma funcional. El control remoto integrado —de la interfaz XR a la NUC y de ahí al manipulador— seguía pendiente en la última verificación registrada. El detalle está en Verificación del robot móvil.