CIETA

ROBOTIC ARM CAKE DECORATOR

BRAZO ROBOTICO DECORADOR DE PASTELES

Juan Sebastian Narvaez Alvarez.

Yilber Sebastian Ochoa Monar

Universidad de Pamplona
Comité Editorial Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada
Ciudadela Universitaria. Pamplona, Norte de Santander, Colombia.
Tel.: 57-7-5685303, Fax: 57-7-5685303, Ext. 144
E-mail: juan.narvaez2@unipamplona.edu.co
yilber.ochoa@unipamplona.edu.co

Abstract: This article presents an anthropomorphic robotic arm with 4 degrees of

freedom, for the automation of the cake decoration process, with the use of kinematic
models it is possible to carry out a trajectory to comply with the designated application, it
is focused on the formative and low cost, thanks to which robotic and automation
methods can be developed, controlling them through the ARDUINO card. This robotic
arm can be a learning system and, in turn, carry out a real economic and industrial
application, deploying materials and devices that meet the needs at low cost, this arouses
the interest and growth motivation of others, similar projects to hone your skills and find
solutions to everyday tasks.

Keywords: Robot, decoration, cakes, ARDUINO.

Resumen: En este artículo se presenta un brazo robótico antropomórfico de 4 grados de

libertad, para la automatización del proceso de decoración de pasteles, con el uso de
modelos cinemáticos se logra llevar a cabo una trayectoria para cumplir con la
aplicación designada, está enfocado en lo formativo y de bajo coste, gracias al cual se
pueden desarrollar métodos robóticos y de automatización, realizando su control por
medio de la tarjeta ARDUINO. Se inspiro en los robots HoLLiE desarrollado en
Alemania y un robot tipo SCARA desarrollo en la universidad autónoma de
Bucaramanga en Colombia. En bajo costo que caracteriza el desarrollo de este
dispositivo permite que su realización pueda ser efectuada con relativa facilidad por
aquellos interesados. Este brazo robótico puede ser un sistema de aprendizaje y, a su
vez, realizar una aplicación económica e industrial real, desplegando materiales y
dispositivos que satisfagan las necesidades a bajo costo, esto despierte el interés y la
motivación de crecimiento de los demás, proyectos similares para perfeccionar tus
habilidades y encontrar soluciones a las tareas cotidianas.

Palabras clave: Robot, decoración, pasteles, ARDUINO.

1. INTRODUCION hasta dispositivos capaces de aprender y

adaptarse a situaciones nuevas y complejas.
En los últimos años, ha habido un gran avance en
el campo de la robótica. La tecnología ha La robótica es una técnica utilizada para diseñar
mejorado en gran medida la capacidad de los y construir robots. La palabra robot nos resulta
robots para percibir e interactuar con su entorno, tan familiar que hasta los más pequeños de la
lo que ha permitido que desempeñen una familia nos transmiten su significado a través de
variedad de tareas que antes solo eran posibles una película, serie animada, juguete o
para los seres humanos. Los robots han videojuego. Sin embargo, entrando en la
evolucionado desde ser simples máquinas definición de la palabra, no todos los expertos en
programadas para realizar tareas repetitivas, la materia están de acuerdo en un significado

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estricto. La Asociación Japonesa de Robótica propuesta, en la sección 3 se realiza un análisis

Industrial (JIRA) define robot como: de resultado y, finalmente, en la sección 4 se
“Dispositivo capaz de moverse de modo flexible, presentan las conclusiones.
análogo al que poseen los organismos vivos, con
o sin funciones intelectuales, permitiendo 2. MÉTODOS Y MATERIALES
operaciones en respuesta a las órdenes
humanas.” [1]. Por otra parte, el Instituto de En este trabajo se presentan los resultados del
Robótica de América (RIA) define robot como: diseño y el desarrollo del movimiento de un
“Manipulador multifuncional y programable, brazo robótico de 4 grados de libertad, teniendo
diseñado para desplazar materiales, como materiales adicionales, un sistema de
componentes, herramientas o dispositivos inyección de crema, una base donde el pastel será
especializados por medio de movimientos decorado, un soporte inicial donde se encuentra
programados variables con el fin de realizar el elemento a decorar, y un soporte final donde
tareas diversas.” [1] un operador tomará ya el pastel decorado, y
procederá a empaquetarlo para su distribución.
Los dispositivos robóticos se han convertido en
un componente fundamental para realizar 2.1 DISEÑO MECÁNICO Y
actividades repetitivas y rigurosas que ELECTRÓNICO
anteriormente eran desempeñadas por un
operario.[2] El robot es controlado por medio una tarjeta de
Arduino (figura 1), la cual fue escogida por las
Para la idea del diseño del robot, se tomó como grandes ventajas que nos ofrece, su bajo costo, su
referencia un robot experimental, denominado fácil implementación, al ser un código abierto
HoLLiE realizado por House of Living Labs de nos permite desarrollar cantidades de proyectos
FZI, en Alemania, el cobot ha realizado una sin limitaciones, y al tener comunicaciones con
demostración de cómo lograr personalizar varios softwares de programación permite
galletas con chispas, malvaviscos con una pistola ampliar sus librerías. Justamente para la
de glaseado. [3] comunicación del robot y el Arduino se conectó
por comunicación serial, con el programa
HoLLiE no es exactamente un robot de parrilla, Matlab, en el cual se hace la programación de la
su diseño le permite realizar tareas complejas, rutina del brazo.
facilita y ayuda a los pasteleros en su trabajo
diario, este robot humanoide ha sido diseñado
para que una persona sin grandes conocimientos
en programación sea capaz de dirigir a HoLLiE,
incluso para que pueda decorar su galleta de
manera personalizada, en tiempo real e
interactivamente. [4] Como otra inspiración se
tomó un sistema decorador de pasteles usando un
manipulador tipo SCARA, el cual fue diseñado
en la universidad autónoma de la ciudad de
Bucaramanga en Colombia en el 2017 [5]

Como bien se ha mencionado anteriormente, los

sistemas automatizados, o robots, ayudan al
hombre a realizar tareas repetitivas, es por eso Figura 1: fuente autor “Esquema Arduino”
por lo que se creó un brazo robótico con el fin de
agilizar el proceso de decoración de pasteles, con Para el diseño de la estructura mecánica del
esta función, podemos garantizar a los brazo robótico (figura 2) nos apoyamos del
reposteros, el poder dividir el tiempo para varios programa SolidWorks, una vez se terminó la
procesos ya sea para hornear, amasar, entre otras etapa de diseño, las piezas fueron impresas en
cosas. una impresora 3D, utilizando PLA (ácido poli
láctico) como material de impresión, la elección
El objetivo general de este documento es el del material de impresión se dio gracias a su gran
diseño, y el desarrollo de los modelos aporte al medio ambiente, ya que es un material
cinemáticos para llevar a cabo la aplicación de biodegradable, lo que implica que, si en algún
manipular y decorar los pasteles. momento el brazo es desechado, se pueda hacer
de una manera orgánica y así no contaminar el
El documento está organizado en 4 secciones, en medio ambiente. Este material está compuesto de
la sección número 2 se describen los métodos y
materiales utilizados en la solución de la

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maíz, Para hacer 1 kg de PLA, se necesitan 2.65 ángulos de articulación. Esto permite determinar
kg de maíz. [6] la posición de los distintos componentes del
robot en el espacio, lo que es esencial para su
control y programación.[7]

En primera instancia se decretan los parámetros

Denavit-Hartenberg con el fin de concluir la
posición de los ejes de cada de una de las
articulaciones y sus respectivas orientaciones; los
resultados obtenidos se pueden observar en la
Tabla I.

Tabla I
Parámetros D-H
Articulación ϴ di ai αi
1 q1+90 L1 0 90
2 q2 0 L2 0
3 q3 0 L3 0
4 q4 -L4 L5 0
Figura 2: fuente autor “Imagen del diseño en
SolidWorks”
Obteniendo los parámetros se procede a calcular
2.2 MODELOS CINEMÁTICOS las matrices de transformación homogénea de
cada articulación con respecto al eje inicial que
Para el desarrollo de la rutina, en primera en te caso está ubicado en la base del robot
instancia, recurrimos a mover los motores uno a (ecuación 1).
uno dándoles un grado de rotación, con esto
asegurábamos el movimiento del robot al lugar
deseado.

En la rutina el brazo cumplirá con las siguientes

funciones. Primero deberá tomar el pastel para
decorar; posteriormente lleva el pastel hasta
donde se encuentra el soporte de decoración y
allí soltarlo; una vez decorado el pastel, el brazo Ecuación 1: “Matriz Denavit-Hartenberg” [8]
procederá a recogerlo; seguidamente debe
desplazarse hasta el sitio en el cual el brazo debe Con el primer renglón de la Tabla1 obtenemos el
depositar el pastel ya decorado; inmediatamente resultado de la matriz de transformación de 0A1
de este ultimo proceso el brazo procese de (primera articulación con respecto a la base), con
ubicarse en la posición inicial. el segundo renglón obtenemos el resultado de la
matriz de transformación de 1A2 (segunda
articulación con respecto a la primera
articulación), con el tercer renglón obtenemos el
resultado de la matriz de transformación de 2A3
(tercera articulación con respecto a la segunda
articulación), con el cuarto y último renglón
obtenemos el resultado de la matriz de
transformación de 3A4 (cuarta articulación con
respecto a la tercera articulación).

Para la obtención del efector final que en este

caso seria la matriz de transformación
Figura 3: fuente autor “Diagrama de flujo homogénea 0A4 (cuarta articulación con respecto
funciones realizadas” a la base), se debe hacer una multiplicación de
las matrices anteriormente calculadas (ecuación
CINEMÁTICA DIRECTA 2).

0
En la robótica, la cinemática directa se utiliza A4=0A1*1A2*2A3*3A4
para calcular la posición y orientación de
diferentes partes de un robot en función de sus Ecuación 2: “Multiplicación de matrices de
transformación homogénea”

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Una vez obtenidos estos parámetros se procede a

realizar el cálculo de la cinemática inversa, con
el objetivo de estimar los valores de las
coordenadas articulares (q) que deben tomar los
motores del robot para que el efector final tome
la posición y la orientación deseada. [9]

CINEMÁTICA INVERSA

determina el cálculo del vector de coordenadas

articulares “q” partiendo de la posición inicial del
brazo (figura 4). Como primera instancia se
Figura 5: fuente autor “vista superior del
determina el punto de muñeca (Pm) para
brazo”
proceder con el cálculo de los ángulos (ecuación
3).
Para el cálculo de q3 se tiene la vista lateral del
brazo (figura 6).

Figura 4: fuente autor “Ejes de las

articulaciones”

Pm=P4-L5*X4-L4*Z4
Ecuación 3: “Punto muñeca”

Se resuelve r como la distancia entre los ejes Figura 6: fuente autor “vista lateral del brazo”
iniciales y el punto Pm, teniendo como resultado
la ecuación (ecuación 4): En el momento de hallar q (ecuaciones 6, 7, 8) se
mueven las articulaciones un ángulo mayor a 0 y
menor a 90, y se obtienen 3 triángulos, los cuales
2 son rectángulos y uno no, por lo que al que no
es un triángulo rectángulo se le debe aplicar el
Ecuación 4: “aplicaciones de Pitágoras” teorema del coseno donde:

Con los dos parámetros anteriores determinados J: hipotenusa del triángulo grande.
se procede al cálculo de q1, para el cual se toma CODO= variable que indica si el codo esta arriba
una vista superior del brazo (figura 5). o abajo (-1 o 1 respectivamente).

q1 = atan2 (PmX0, PmY0)

Ecuación 5: “Calculo ángulo primera articulación” Ecuación 6: “ley del coseno”

Ecuación 7: “ley del seno”

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Ecuación 8: “ecuación para hallar q3” Figura 7: fuente autor “brazo dejando el pastel
en zona de decoración”
Para hallar q4 se tienen las siguientes ecuaciones:

En bajo costo que caracteriza el desarrollo de

este dispositivo permite que su realización pueda
ser efectuada con relativa facilidad por aquellos
Ecuación 9: “producto punto de los vectores x3 y
x4” interesados.

El dispositivo puede ser implementado donde el

espacio de movilización del brazo permita su
Ecuación 10: “producto punto de los vectores x4 y correcto funcionamiento.
y3”

Ecuación 11: “regla del coseno de la suma o resta

de ángulos”

Ecuación 10: “modificaciones del producto

punto de los vectores x4 y y3”

Figura 8: fuente autor “brazo dejando el pastel

Ecuación 12: “ecuación para hallar q4” en zona de empaquetamiento”

3.ANÁLISIS DE RESULTADO
. 4. CONCLUSIONES
Fueron realizadas distintas practicas
comprobando así que el brazo realizaba las • Los resultados de este proyecto no
trayectorias definidas de manera exactas a las fueron concluyentes, ya que no se puede
indicadas. aplicar la velocidad en las
articulaciones, y así no se pudo enseñar
En la figura 7 y en la figura 8 se puede observar las ventajas del robot hacia el área de la
el brazo realizando una serie de movimientos repostería, ya que no se puede dar un
indicados a manera de comprobar que resultado numérico a la hora de hablar
efectivamente representaba con exactitud las de estadísticas matemáticas.
órdenes de la secuencia que debía seguir para
realizar todo el proceso • En aplicaciones industriales, un brazo
robótico de las características
desarrolladas en este proyecto sería una
buena herramienta auxiliar debido a sus
diversas ventajas, tanto en términos de
maniobrabilidad, eficiencia y grados de
velocidad, como de fácil
reprogramación para observar el
movimiento de materiales en diferentes
trayectorias.

• Este brazo robótico puede ser un

sistema de aprendizaje y, a su vez,
realizar una aplicación económica e
industrial real, desplegando materiales y
dispositivos que satisfagan las
necesidades a bajo costo, esto despierte

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el interés y la motivación de 7. Barrientos, A.; Peñín, L.F,; Balaguer,

crecimiento de los demás, proyectos C. & Aracil, R. Fundamentos de
similares para perfeccionar tus Robótica 2ª Ed. McGraw-Hill, 2007.
habilidades y encontrar soluciones a las 8. Fu, K.S.; González, R.C. & Lee, C.S.G.
tareas cotidianas. Robótica: Control, detección, visión e
inteligencia McGraw-Hill, 1988.
9. Martínez A. G. M.; Jáquez O. S. A.;
• El desarrollo de este brazo robótico
Rivera M. J. y Sandoval R. R. de un
educativo ofrece una oportunidad para
Brazo Robótico de 5 GDL". URL:
mejorar las habilidades de
"Diseño propio, y Construcción
programación y robótica aplicando los
http://antiguo.itson.mx/rieeandc/vol4p1
conocimientos teóricos adquiridos, y
archivo$/Art2Junio08.pdf
dado que la implementación no requiere
de altos costos, permite el acceso a
diferentes grupos de trabajo interesados
en esta formación.

REFERENCIAS

1. "DEFINIENDO LA ROBÓTICA". Saber

Más, Revista de Divulgación.
https://www.sabermas.umich.mx/archiv
o/la-ciencia-en-pocas-palabras/264-
numero-30/474-definiendo-la-
robotica.html#:~:text=La%20Asociació
n%20Japonesa%20de%20Robótica,res
puesta%20a%20las%20órdenes%20hu
manas. (accedido el 2 de noviembre de
2022).
2. Sistema de Información Científica
Redalyc, Red de Revistas Científicas.
https://www.redalyc.org/pdf/1492/1492
44222007.pdf (accedido el 2 de
noviembre de 2022).
3. "HoLLiE, el robot pastelero decorador
de galletas". ROBOT POLICÍA.
https://www.xn--robotpolica-
xcb.com/hollie-el-robot-pastelero-
decorador-de-galletas/ (accedido el 4
de noviembre de 2022).
4. "HoLLiE, el robot pastelero decorador
de galletas". REVISTA DE ROBOTS.
https://revistaderobots.com/robots-y-
robotica/robot-hollie/ (accedido el 5 de
noviembre de 2022).
5. Esteban, H. S. & Aldana, A. F. (2017).
Diseño mecatrónico de un sistema
decorador de pasteles usando un
manipulador tipo SCARA. Recuperado
de:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/1763
5.
6. "¿Qué tan "ecológico" es realmente el
filamento PLA? - 3Dnatives".
3Dnatives.
https://www.3dnatives.com/es/ecologico
-realmente-filamento-pla-230720192/#!
(accedido el 8 de noviembre de 2022).

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