Principios mecánicos de un brazo robot
Uno de los problemas clásicos en el diseño de brazos mecánicos es su peso, el cual genera un torque (fuerza angular) que debe ser soportado por motores, que a su vez tienen que tener fuerza adicional para soportar el torque generado por el peso de un objeto que pueda sujetar. Torque: Es la fuerza aplicada en una palanca que hace rotar alguna cosa. Al aplicar fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar las tuercas. En términos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo de la palanca (Torque = F x D) y se mide comúnmente en Newtons metro.
Hace algunos años elaboré un brazo y solucione este problema aplicando el principio de centro de masas.
El centro de masas es un punto del espacio que representa una especie de media de las posiciones y las masas de los trozos que forman el sistema. Si pensamos, por ejemplo, en una pelota de tenis, su centro de masas está precisamente en su centro, en el interior de la pelota. Si pensamos en dos naranjas separadas por un metro, su centro de masas está a medio metro de cada una de ellas. En cuanto a la Tierra y la Luna, su centro de masas está en la línea que las une, más cerca del centro de la Tierra que de la Luna, ya que la Tierra es mayor y tiene más masa, de hecho, está tan cerca que está dentro de la Tierra. El centro de masas de una cosa plana está en el punto donde podrías equilibrarla sobre la punta de un lápiz.
Para comprender esta explicación, sólo necesitamos saber que es algo que depende de la masa y la posición de las partes del sistema, que en casos comunes está más o menos cerca de su centro, en el significado usual de la palabra, y que está más cerca de las partes con más masa del sistema que de las que tienen menos masa: Como en el caso de la Tierra y la Luna.
¿Cómo podemos aplicar este concepto a un brazo mecánico?
Imaginemos un elemental, sin pinza ni codo, solamente una articulación, en este caso el hombro. Este tiene la capacidad de girar para proporcionarle a nuestro brazo un movimiento de abajo hacia arriba en el plano vertical, por ejemplo unos 270 grados, teniendo como referencia de cero unos 45 grados por debajo del plano horizontal. El brazo tiene un peso uniformemente distribuido, es decir su centro de masa está justamente a la mitad. El motor que genera el movimiento tiene que tener la capacidad de soportar el torque que genera ese peso justo a la mitad de la distancia del brazo o sea su centro de masas: Torque = Peso X Largo/2. Este torque será mayor entre más largo y pesado sea nuestro brazo, una solución sería acortarlo o eliminar peso con materiales más liviano. Pero siempre tenemos torque que vencer.
¿Qué ocurre si corremos el centro de masas hacia el eje? Al correr el centro de masas al eje de giro del hombro, el torque que este produce el literalmente cero (Torque = Peso X 0), pero ¿cómo es posible correr el centro de masas de un brazo? Pues la solución es relativamente sencilla, solo hay que colocar una pequeña extensión en el hombro, y a esta colocarle un contrapeso lo suficientemente pesado como para contra restar el peso de la otra parte del brazo. Suena contradictorio pero funciona, y un ejemplo practico es él sube y baja, pues no se necesita de una gran fuerza para hacerlo girar, pese a que en su eje se soporta el peso de todo el sistema: El sube y baja y los dos niños. En un sistema balanceado, el eje recibe el peso sobre sí mismo y no fuera de él, o sea da lo mismo que el brazo este en posición horizontal o vertical o en cualquier ángulo que uno desee.
Como contrapeso se puede utilizar el mismo motor que hará girar el brazo y posiblemente un peso con plomo si es necesario. Lo mismo se puede aplicar para cada sección de un brazo con codo. Con este principio lo único que nuestro motor debe soportar es el torque que genera el peso de un objeto que nuestro brazo pueda sujetar.
Un ejemplo de esta solución se puede observar en la imagen adjunta.
