Diseño Conceptual de un Robot Omnidireccional

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Diseño de un Robot Omnidireccional detector de
señalamientos viales
I.B Amaya-Ramos, J.L Sanchez-Buy and A.N Reyes-Armengol
Resumen—Este proyecto se centra en el diseño y desarrollo
de un Robot Omnidireccional de 3 ruedas con la incorporación
de una cámara de un teléfono inteligente para la detección
de señalamientos viales. Se describirá el diseño conceptual y
preliminar del robot ası́ como los dibujos CAD realizados en
el software SolidWords.
Palabras Clave—Robótica Móvil, Robot Omnidireccional,
Robot autónomo, Robots móviles, Inteligencia Artificial.
I. INTRODUCCIÓN
LOS robots móviles tienen la capacidad de moverse en su
entorno y no se fijan a una ubicación fı́sica.
Un robot omnidireccional, también conocido como
holonómico, es un tipo de robot móvil con ruedas, cuya
configuración le permite desplazarse en cualquier dirección
sin la necesidad de alcanzar previamente una orientación
especı́fica. Es decir, es capaz de realizar movimientos en
cualquiera de las componentes del plano ya sean traslaciones
o rotaciones.
Para un robot omnidireccional es imperativo contar con
al menos tres ruedas activas en su chasis. Cada una de las
ruedas proporciona al robot una fuerza normal al eje del
motor y paralela a la superficie sobre la cual se desplaza. La
suma de ellas permite la traslación y rotación de la estructura.
Por lo general, presentan una configuración mecánica de tres
o cuatro ruedas. El primero es mecánicamente más simple
que el segundo. No obstante, este último permite una mayor
aceleración al robot.
Los robots de cuatro ruedas tienen más tracción que los
de tres, pues se adiciona la potencia entregada por el motor
adicional. Lo cual se traduce a menos deslizamiento en
las ruedas si el peso de la carga se encuentra distribuido
uniformemente sobre ellas, un mayor consumo de energı́a,
costo y posiblemente, la necesidad de incorporar un sistema
de suspensión para distribuir las fuerzas sobre las ruedas. [1]
El robot omnidireccional tiene distintas aplicaciones, entre
ellas, se encuentra la de seguimientos de objetos la cual
está basada en fundamentos de inteligencia artificial. Con la
interacción de una cámara digital, se capturan las imágenes
y se comparan con los patrones predefinidos para detectar la
posición del objetivo y seguir su trayectoria.
II. ESTADO DEL ARTE
En esta sección hablaremos de algunos robots
omnidireccionales realizados por empresas e instituciones
con el fin de profundizar en los temas que el prototipo
conlleva, además de obtener información acerca de lo que
se esta desarrollando y ası́ poder dar una continuación a
estos trabajos buscando siempre una mejora continua en este
campo de la robótica.
Los robots omnidireccionales permiten una mejor manio-
brabilidad y eficiencia, además que poseen tres grados de
libertad en el plano horizontal,con lo que se puede obtener
un movimiento de traslación y rotación de manera simultanea,
logrando incluso mantener la postura en una misma dirección
durante esta acción. Es por esto que en la industria han ido
aumentando su uso. Un ejemplo de esto es el Manipulador
Móvil RB-Kairos+ [8], el cual es una integración ”plug and
play” de un brazo universal robots e-Series y un sistema móvil
omnidireccional de 4 ruedas motrices que amplı́an su espacio
de trabajo. Otro ejemplo es el robot kuka OmniMove [5]
de la empresa Kuka. Este robot es una plataforma modular
para carga pesada que cuenta con ruedas omnidireccionales
mecanum. Es capaz de soportar 90 toneladas y cuenta con
una versión de hasta 30 metros. Puede ser controlado de
forma manual o completamente autónoma con el sistema de
navegación inteligente kuka navigation solution.
Fig. 1. Manipulador Móvil RB-
Kairos+
Fig. 2. Robot kuka OmniMove
Instituciones de educación también muestran su interés
en estos robots móviles.Por ejemplo Barcenas Dı́az Hugo y
Casteñedas Nava Carlos obtuvieron el grado de Ingeniero en
Mecatónica en el Instituto Politécnico Nacional (IPN) con el
desarrollo de un prototipo de Robot Móvil Omnidireccional
de cuatro llantas Tele-Operado bajo plataforma Móvil [9].

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Fig. 3. Robot del Instituto Politécnico Nacional
Alberto Ortega Antón obtuvo el Máster Universitario en
Ingenierı́a Electromecánica en la Universidad Politécnica de
Madrid con el desarrollo de un algoritmo de control de un
robot omnidireccional de tres ruedas [4]. Por otro lado el
CERLab cuenta con tres robots omnidireccionales grandes con
ruedas mecanum controlados por un intel NUC y dos robots
omnidireccionales pequeños con ruedas mecanum controlados
por una RaspberryPi 3 para el desarrollo de nuevas investiga-
ciones [6].
Fig. 4. Robot de la Universidad
Politécnica de Madrid
Fig. 5. Robot del CERLab
III. MARCO TEÓRICO
Un robot omnidireccional es un tipo de robot móvil
con ruedas, cuya configuración le permite desplazarse en
cualquier dirección sin la necesidad de alcanzar previamente
una orientación especı́fica. Es decir, es capaz de realizar
movimientos en cualquiera de las componentes del plano,
bien sean traslaciones (hacia adelante, en reversa, laterales) o
rotaciones, a partir de un estado de movilidad. Todo ello, a
expensas de un mayor grado de complejidad en su manejo [2].
Para un robot omnidireccional es imperativo contar con
al menos tres ruedas activas en su haber. Es entonces un
punto importante del diseño la decisión de cuántas ruedas
emplear. Cada una de las ruedas proporciona al robot una
fuerza normal al eje del motor y paralela a la superficie sobre
la cual se desplaza. La suma de ellas permite la traslación
y rotación de la estructura. Por lo general, presentan una
configuración mecánica de tres o cuatro ruedas. El primero
es mecánicamente más simple que el segundo. No obstante,
este último permite una mayor aceleración al robot.
Los robots de cuatro ruedas tienen más tracción que los
de tres, pues se adiciona la potencia entregada por el mo-
tor adicional. Lo cual se traduce a menos deslizamiento en
las ruedas si el peso de la carga se encuentra distribuido
uniformemente sobre ellas, un mayor consumo de energı́a,
costo y posiblemente, la necesidad de incorporar un sistema
de suspensión para distribuir las fuerzas sobre las ruedas [4].
Fig. 6. Robot omnidireccional
de 3 llantas
Fig. 7. Robot omnidireccional de 4
llantas
El nombre que reciben este tipo de robots se debe a la
forma de las llantas. Hay distintos tipos de estas ellas y a
continuación se muestran algunas de las más utilizadas.
Omni wheel o poly wheel, figura 8, son llantas con
pequeños discos(llamados rodillos) al rededor de una
circunferencia perpendicular a la dirección de giro. La llanta
puede ser conducida a toda la velocidad y aun ası́ podrá
cambiar de dirección con gran facilidad. Este tipo de llantas
son generalmente empleadas en sistemas holonómicos.
Mecanum wheel, figura 9, esta basada en una rueda sin
llanta, con una serie de rodillos externos engomados unidos
oblicuamente a toda la circunferencia del rin. estos rodillos
están comúnmente colocados con un ángulo de 45° al plano
de la rueda y 45° a la linea del eje. Cada rueda es indepen-
diente, no tiene dirección alguna pero si su propio sistema
de propulsión y cuando gira genera una fuerza propulsora
perpendicular al eje del rodillo, que se puede vectorizar en
una componente longitudinal y transversal en relación con el
vehı́culo.
Fig. 8. Omni wheel Fig. 9. Mecanum wheel
Omni ball, figura 10, consisten en dos semi esferas em-
parejadas y conectadas mediante un pequeño eje. Las mitades
separadas pueden girar de forma independiente un de la otra,
o en conjunto como una sola esfera.

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Omni crawl, figura 11, son un tipo de llantas oruga que
están inspiradas en el modelo de Omni ball y diferencia de
las normales, estas son omnidireccionales lo que quiere decir
que pueden cambiar de dirección de manera inmediata. Son
utilizadas para mover cargas pesadas por terrenos difı́ciles pero
sacrificando velocidad.
Fig. 10. Omni ball wheel Fig. 11. Omni crawl wheel
A partir del diagrama cinemático en la figura 12 se podrá
prescribir el movimiento del robot en el ambiente. Si se quiere
prescribir los movimientos del robot primero se deben de
conocer como se relacionan estas variables con las variables
de control: la posición angular y la velocidad del eje de las
ruedas. Por lo tanto se necesita un modelo cinemático, con el
cual se estará trabajando [5].
Fig. 12. Diagrama cinemático del robot
Se comienza definiendo un marco global [x, y] El cual
representa el ambiente del robot, el cual se puede ver en la
figura 12
IV. DISEÑO CONCEPTUAL
A. Elección de tipo de robot móvil
El objetivo principal del prototipo es poder identificar al
menos dos señalamientos viales ( giro hacia alguna dirección
y alto) de tal manera que no se pierda la orientación del
robot. Como se vio en la investigación realizada los robots
omnidireccionales pueden realizar trayectorias complejas
que están compuestas por desplazamientos y rotaciones
simultaneas, pudiendo controlar el ángulo de destino.
Desde un enfoque académico un robot omnidireccional
de 3 ruedas tiene un control y dirección simple, ya que
para cada velocidad deseada se tiene una única combinación
de velocidades de sus ruedas, lo que no pasa con robots
omnidireccionales de 4 o mas ruedas. Teniendo la parte
de control suplida, nos podemos enfocar en los algoritmos
de Inteligencia Artificial para la detección de imágenes y
la sintonización del control para realizar un proyecto mas
completo y funcional.
Sı́ interpolamos este prototipo a una aplicación de robots
de monitoreo en almacenes, fabricas o centros comerciales, la
configuración omnidireccional tiene gran ventaja para realizar
desplazamientos complejos, con giros exactos que contribuyen
a una mejor conducción autónoma del robot.
B. Caracterı́sticas del diseño elegido
Los requerimientos deseados del proyecto son:
• Desplazamiento en cualquier dirección a partir de un
estado de inmovilidad.
• Soporte para utilizar la cámara de un smartphone.
• Comunicación Serial inalámbrica con una PC.
• Conocer la velocidad (RPM) del robot.
• Capacidad para reconocer al menos dos Señalamientos
viales.
Tomando en cuenta estos requerimientos se diseñó un robot
omnidireccional de 3 ruedas. Este robot tiene una altura de
23.25 cm (figura 13) y una base triangular de 13.22 cm por
lado (figura 16). Las llantas son tipo omni-wheel con un
diámetro de 7.85 cm. Es importante mencionar que las ruedas
deben ir igualmente espaciadas a 120° como se muestra en la
figura 15 para tener un buen funcionamiento del robot.
Fig. 13. Medidas del Robot Unidirec-
cional vista frontal.Acotación en cm
Fig. 14. Medidas del
Robot Unidireccional vista
lateral.Acotación en cm
Fig. 15. Medidas del Robot Unidirec-
cional vista inferior.Acotación en cm
Fig. 16. Medidas del
Robot Unidireccional vista
superior.Acotación en cm

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V. DISEÑO PRELIMINAR
A. Diseño Cad
A continuación se muestra la vista isométrica, frontal, lateral
y superior del diseño CAD realizado en SolidWords. En la
figura 20 se muestra un corte de la vista superior para poder
observar el primer nivel del robot donde se colocaran los
componente electrónicos.
Fig. 17. Diseño CAD del Robot Uni-
direccional vista isométrica.
Fig. 18. Diseño CAD del
Robot Unidireccional vista
frontal.
Fig. 19. Diseño CAD del Robot Uni-
direccional vista lateral.
Fig. 20. Corte vista su-
perior para observar sistema
electrónico.
B. Sistema Electrónico
Para el sistema electronico se necesitaran los sigueinte
componente:
• 3 Motores Chihai de 12v, 350 RPM con una relacion de
engranes 1:34.
• 3 Encoders tipo cuadratura para monitorizar la velocidad
del robot.
• 2 Drivers DRV88MM para controlar el sentido de giro
de los motores.
• 1 Arudino Nano.
• 1 Baterı́a Lipo 1000mah, 11.1v, 3s.
• 1 Modulo HC-05 para la comunicación serial con la PC.
Las conexiones de los componentes electrónicos se muestra
a continuación:
Fig. 21. Sistema Eléctrico del Robot Omnidireccional
C. Esquema del proyecto
Es robot omnidireccional tendrá flujos de señal y energı́a
para su funcionamiento como se muestra en la figura 22.
La energı́a es suministrada por la baterı́a Lipo. Esta baterı́a
proporciona 11.1v, los cuales son acondicionados por el
regulador de voltaje LM2596 para los circuitos que necesiten
menos voltaje para su funcionamiento.
Por otro lado se cuenta con un bloque de procesamiento de
información proporcionada por la cámara de un smartphone.
Esta información es tratada por un algoritmo de aprendizaje
supervisado para detectar los señalamientos y mediante el
modulo HC-05 enviar las señales necesarias al Arduino Nano
para realizar el sistema de control y ası́ transformar la energı́a
eléctrica en mecánica y generar el movimiento deseado para
el robot.
Fig. 22. Esquema del producto

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VI. AVANCES EN LA CONSTRUCCIÓN FÍSICA DEL
PROYECTO
Se tienen los siguientes avances con respecto a la con-
strucción fı́sica del proyecto.
Fig. 23. Pruebas de la construcción fı́sica del proyecto
Las bases que se tienen por el momento son de cartón
reforzado, simplemente para ubicación espacial y pruebas
independientes de los componentes electrónicos. Estas bases
posteriormente serán impresas en 3D.
VII. CONCLUSIONES
Se reconoció que el robot omnidireccional tiene una gran
facilidad de realizar maniobras en el plano ya que por medio
de sus ruedas no necesita hacer un giro previo para poder
moverse en cualquier dirección.
Se determinó que es mas fácil controlar un robot
omnidireccional de tres ruedas a controlar uno de cuatro
o mas, ya que en la configuración de 3 ruedas para cada
velocidad deseada del vehı́culo existe una única combinación
en las velocidades de las ruedas, lo que no ocurre con otras
configuraciones.
Se realizó el diseño CAD cumpliendo los requerimientos
deseados, como lo son el soporte para el teléfono y la
condición de que los motores deben de estar ubicados a 120º.
También se estableció un esquema general de la parte
electrónica y de los flujos de señales y energı́a que se tendrán.
REFERENCIAS
[1] Robot omnidireccional, Wikitronica. (2015). Retrieved April
7, 2021, from Labc.usb.ve website: http://wikitronica.labc.
usb.ve/index.php/Robot omnidireccional#:∼:text=Un%20robot
%20omnidireccional%2C%20tambi%C3%A9n%20conocido,
alcanzar%20previamente%20una%20orientaci%C3%B3n
%20espec%C3%ADfica.&text=Por%20lo%20general%2C
%20presentan%20una,de%20tres%20o%20cuatro%20ruedas.
[2] R. Santiago, “Control y Comportamiento de Robots Omnidireccionales”,
Proyecto de grado, Universidad de la República Montevideo, Uruguay,
2009.
[3] P. Ramı́rez, “Modelado y Simulación del robot omnidireccional de 4
ruedas suecas a 90 grados”, Universidad de Costa Rica, Costa Rica, 2016.
[4] A. Ortega, “Algoritmo de control de un robot omnidireccional de tres
ruedas”, Trabajo Fin de Máster, Universidad Politécnica de Madrid,
Madrid, 2019.
[5] Kuka Robotics, “KUKA omniMove”, KUKA AG, 2021.
https://www.kuka.com/es-mx/productos-servicios/movilidad/plataformas-
móviles/kuka-omnimove (consultado abr. 08, 2021).
[6] Universidad de Costa Rica, “Robots del CERLab — CERlab”, 2021.
https://cerlab.ucr.ac.cr/es/node/202 (consultado abr. 08, 2021).
[7] CONACYT, “Laboratorios de Computación, CIMAT”, 2021.
https://www.cimat.mx/es/laboratorios-de-computaci%C3%B3n
(consultado abr. 08, 2021).
[8] Robotnik®, “RB-KAIROS+, Robots móviles”, Robotnik.
https://robotnik.eu/es/productos/manipuladores-moviles/rb-kairos-2/
(consultado abr. 08, 2021).
[9] B. Hugo y C. Carlos, “Prototipo de Robot Móvil Omnidireccional de
cuatro llantas Tele-Operado bajo Plataforma Móvil”, Instituto Politecnico
Nacional IPN, México, 2013.
Isaac-Bernabé Amaya-Ramos Estudiante de 10° semestre
de la carrera Ingenierı́a en Mecatrónica en el Instituto de
Mecatrónica y Electrónica de la Universidad Tecnológica de
la Mixteca. Especialización: Inteligencia Artificial y Robótica
Móvil.
Jorge-Luis Sánchez Buy Estudiante de 10° semestre
de la carrera Ingenierı́a en Mecatrónica en el Instituto de
Mecatrónica y Electrónica de la Universidad Tecnológica de
la Mixteca. Especialización: Inteligencia Artificial y Técnicas
de Clustering.
Alejandro-Nestor Reyes Armengol Estudiante de 10°
semestre de la carrera Ingenierı́a en Mecatrónica en el Instituto
de Mecatrónica y Electrónica de la Universidad Tecnológica de
la Mixteca. Especialización: Inteligencia Artificial y Robótica
móvil.