Stiquito es un pequeño y económico robot de seis patas. Su origen es consecuencia de la necesidad de investigación en el campo de la robótica con fondos monetarios limitados. El diseño del robot se basa en la utilización de las propiedades físicas de cuatro materiales:
I) Cables de nitinol para emular el comportamiento de un músculo, el cual proporciona el mecanismo de propulsión del robot.
II) Varillas de acero que constituyen parte de la estructura de soporte del robot o patas, a la vez que proporcionan la contra fuerza para restablecer a su forma original a los cables de nitinol.
III) Un bloque rectangular de plástico, el cual constituye el cuerpo del robot.
IV) Tubos de aluminio para soporte de las patas y fijación de los cables de nitinol.
El nitinol es una aleación de Níquel y Titanio. Este material tiene la propiedad de que al calentarse se contrae, y al enfriarse retorna a su forma original. La contracción del nitinol cuando se calienta es opuesta a la propiedad de dilatación térmica ordinaria. Aprovechando sus propiedades conductoras, el calentamiento del material, se obtiene mediante la circulación de una corriente eléctrica a través del mismo. De este modo el nitinol transforma el calor inducido mediante una corriente eléctrica en movimiento mecánico.
El movimiento mecánico del nitinol es resultado de los cambios en su estructura cristalina. El comportamiento del nitinol se puede resumir mediante el ciclo de operación que se visualiza en la Figura 1. En la Figura 1 se observa que la estructura cristalina del nitinol cambia al calentarse y al enfriarse. El proceso de transformación de la estructura cristalina cuando se calienta a la temperatura de At=70ºC se denomina austenite y cuando se enfría a la temperatura de Mt=45ºC se llama martensite.
Se necesita aplicar una contra fuerza al nitinol, para retornarla a su estructura cristalina original. Sin la acción de esta contra fuerza en el proceso de enfriamiento, el nitinol no recupera su forma original. Aunque sí es posible, mediante calentamiento y aplicación de una contra fuerza, recuperar su estado inicial nuevamente. Cuando el nitinol opera con una contra fuerza aplicada, el cable se contrae en un 4.5% aproximadamente, y recupera su tamaño original en un 100%. La respuesta del nitinol al calentamiento y enfriamiento se encuentra en el orden de 1s. Si el cable de nitinol es calentado por muy encima de At=70ºC, se consigue mayor contracción, pero ya no es posible regresar a su tamaño inicial y la deformación es permanente.
El nitinol tiene una vida útil que depende de la magnitud de la contra fuerza que se le aplica en su ciclo de operación. Si se le impone una contra fuerza muy alta, tiene una duración de algunos cientos de ciclos. Pero si es utilizado en rangos normales de operación, tiene una vida útil de cientos de miles de ciclos.
Dado que el nitinol puede utilizarse bajo la acción de una contra fuerza, es evidente que al contraerse proporciona una fuerza que se opone a la contra fuerza. Este hecho es aprovechado para mover las patas del robot, por lo que se dice que se emula el comportamiento de un músculo y se le llama actuador. Los actuadores pueden verse también como resortes, los cuales se comprimen al aumentar la temperatura y se descomprimen al enfriarse, bajo la acción de una carga. Esto se puede observar en la Figura 2, en la cual se representa un cable de nitinol como un resorte con una masa sujetada al mismo, donde la masa constituye la contra fuerza aplicada.
La magnitud de la fuerza de estiramiento que ejerce el nitinol al calentarse, depende del diámetro del cable y de la corriente aplicada.
En la Tabla 1 se muestran algunas características eléctricas del nitinol.
Una característica que era de esperase, es que la temperatura del cable está directamente relacionada con la intensidad de corriente aplicada. Pero también se debe tener en cuenta otros factores que influyen en el calentamiento, tales como el diámetro del cable de nitinol, la temperatura ambiente, las corrientes de aire, etc. A modo de comentario, un modelado matemático del funcionamiento de los actuadores puede obtenerse del diagrama de la Figura 3.
En la Figura 3 se observa que existen dos estados, el estado de relajación y el estado de contracción. En el estado de relajación el cable de nitinol se encuentra en su forma original, y en el estado de contracción se encuentra en su estado comprimido, ejerciendo una fuerza sobre la pata del robot. Este diagrama representa un punto de partida para el estudio del comportamiento del nitinol. En tal estudio se podría buscar las relaciones entre los parámetros del sistema tales como la longitud x de la pata, el porcentaje de contracción obtenido, la temperatura alcanzada en el actuador, etc., de tal forma a encontrar la manera más óptima de aplicar corriente y mejorar la velocidad de desplazamiento de las patas entre otras cosas. El estudio mencionado no es desarrollado aquí, dado que no constituye un objetivo del presente proyecto.
El punto de partida del presente proyecto es la construcción del robot Stiquito. El ensamblaje del robot consta de unos pasos bien detallados y para lo cual se cuenta con la suficiente información para poder llevarlo a cabo. En la Figura 4, se resume los pasos del ensamblado. En la misma se puede visualizar las principales etapas del montaje del robot. Los detalles no son incluidos en el presente documento, puesto que sólo se pretende dar una idea general del problema.
Las características del robot ensamblado desempeñan un papel muy importante, puesto que las mismas obligan que en el diseño se tengan en cuenta parámetros como dimensión y peso, cosas que no se tienen en cuenta muy frecuentemente en diseños normales.
Por ejemplo el cuerpo del Stiquito es un molde de plástico que tiene las siguientes dimensiones, largo 75 mm y ancho 10 mm, el peso del cuerpo es de 1.8 g.
De aquí surge la necesidad de realizar un diseño que se ajuste a las dimensiones del cuerpo del robot, puesto que el PCB se debe montar dicho cuerpo.
Otro factor importante es la carga o peso máximo que puede transportar el robot, que es de 50 g, por lo tanto, además de ser una placa pequeña, se debe tener en cuenta que no se debe superar el peso máximo transportado por el robot.
El aspecto del robot Stiquito puede verse en la Figura 5. En la misma se puede observar los elementos conductores de corriente.
En la Figura 6 se visualiza el robot Stiquito desde otro ángulo.
