¶ Sistema de paro de emergencia para el robot humanoide del ARCOS-Lab
¶ Descripción
El ARCOS-Lab de la Escuela de Ingeniería Eléctrica (EiE) cuenta con un robot humanoide en desarrollo, liderado por el profesor Federico. Sin embargo, dicho robot carece actualmente de un sistema de paro de emergencia, lo cual representa un riesgo en caso de que alguno de sus subsistemas, o el sistema completo, cuando se presente un comportamiento anómalo o peligroso.
Ante esta necesidad, surge el proyecto de diseñar una tarjeta de circuito impreso (PCB) cuya función principal sea actuar como sistema de paro de emergencia. Esta PCB estará encargada de generar las señales de corte adecuadas para los diferentes subsistemas mecatrónicos del robot humanoide, a partir de una señal común proveniente de un botón pulsador de emergencia.
El desarrollo del proyecto inició con la fase de diseño de circuitos mediante el software KiCad, donde se definieron los esquemas eléctricos, se seleccionaron los componentes adecuados y se establecieron sus valores según especificaciones técnicas. Posteriormente, se integraron los distintos circuitos funcionales, con un total de 8x circuitos en módulos cut off para el KRC,6x circuitos en módulos cut off para el Open Cocoro y 2x circuitos en módulos cut off el cuello en módulos para proceder al diseño final de la PCB. Una vez validado el diseño, se prepararon los archivos de fabricación para ser enviados a JLCPCB, proveedor encargado de su manufactura.
Conclusión
La implementación de este sistema de paro de emergencia representa un paso fundamental para garantizar la seguridad operativa del robot humanoide del ARCOS-Lab. La PCB diseñada no solo aporta una solución técnica eficaz, sino que también establece una base escalable para futuras mejoras en la protección de sistemas robóticos complejos. Este proyecto demuestra la importancia de integrar mecanismos de seguridad desde las primeras etapas
¶ Objetivo General:
Desarrollar un sistema que genere las señales adecuadas de paro de emergencia para los diferentes subsistemas mecatrónicos del robot humanoide del ARCOS-Lab, a partir de una señal común.
¶ Objetivos Específicos:
- Estudiar y documentar los sistemas de paro de cada subsistema del robot humanoide del ARCOS-Lab (manos, brazos, motores del cuello, torso y plataforma móvil)
- Diseñar un sistema eléctrico y electrónico que de acuerdo a una señal de activación común (desde un botón electromecánico o inalámbrico), genere las señales adecuadas de paro para cada subsistema mecatrónico del robot humanoide.
- Diseñar la PCB correspondiente al sistema electrónico necesario
- Realizar el ensamble y las pruebas preliminares de la PCB y el sistema eléctrico
¶ Clasificación temática:
Robótica, seguridad industrial, mecatrónica, electrónica, tarjetas impresas, paro de emergencia
¶ Condiciones de desarrollo:
- El software desarrollado deben ser producidos bajo la licencia de software GPLv3+
- Los datos generados deben ser producidos bajo la licencia abierta Creative Commons Attribution-ShareAlike (CC-BY-SA): https://cloud.arcoslab.org/s/6DKBeMa7FXwnz7q
- El código y los datos y otros materiales digitales generados en el trabajo deben ser almacenados en los repositorios de git del laboratorio. https://gitlab.com/edwinsomarribasb/arcos-lab-emergency-stop-pbc.git
¶ Descripción Técnica
La placa PCB consta de un total de 8x circuitos en módulos cut off para el KRC,6x circuitos en módulos cut off para el Open Cocoro y 2x circuitos en módulos cut off el cuello,1x módulo de power y finalmente 1x modulo TMP para el botón de emergencia
La Placa para su creación y para mayor facilidad visual fue creada en módulos que se interconectan por medio de switches DIP a un SMT32 Bluepill, necesitando los pines del PA0 al PA7 y del PA10 al PA15, con una conexión mediante un regulador mEZD71201A-G de 12v a 5v como se muestra en la siguiente imagen, estos Dip Switches permiten al usuario poder hacer configuraciones para que al accionar el botón de emergencia se haga un corte parcial del Robot humanoide o un corte total de energía de manera segura. En el siguiente LInk podremos encontrar informacion mas a detalle sobre el STM32: https://stm32-base.org/boards/STM32F103C8T6-Blue-Pill.html
Los módulos mencionados anteriormente y sus funciones son los siguientes:
¶ Modulo TMP
Este circuito corresponde a la etapa de activación de salida mediante aislamiento óptico (Optocoplador LTV-847S ), diseñado como parte del sistema de paro de emergencia del robot humanoide del ARCOS-Lab.
Función General:
El circuito permite activar o desactivar una señal de salida hacia un subsistema diseñado con Switches DIP para garantizar aislamiento eléctrico y protección contra fallas eléctricas. Está basado en un optoacoplador, lo que proporciona separación entre el sistema de control y el circuito de potencia. Como se puede apreciar en la imagen 
El circuito consta con:
- Entrada de Activación (TMP):
• La señal de control TMP se aplica a la base del transistor NPN 2N2222, configurado como interruptor. - Aislamiento mediante Optoacoplador (U1A):
• El componente U1A (probablemente un LTV-847S) permite transferir la señal de activación al lado de salida sin conexión eléctrica directa. Este aislamiento es fundamental en sistemas de seguridad para evitar que fallas eléctricas se propaguen entre subsistemas. - Protección y Configuración:
• Los diodos D1 y D2 protegen el circuito ante posibles fallas de polaridad.
• Se incluyen varios Solder Jumpers que permiten configurar el comportamiento, habilitando o deshabilitando secciones del circuito según las necesidades del montaje.
¶ Modulo KCR
El circuito KRC forma parte integral del sistema modular de paro de emergencia diseñado para el robot humanoide del ARCOS-Lab. Su función principal es recibir, acondicionar y retransmitir señales de activación o corte que permitan aislar, detener o controlar los diferentes subsistemas KUKA de los brazos del robot en situaciones de emergencia.
Este módulo actúa como una interfaz electrónica segura, asegurando que las señales de paro se transmitan correctamente y que se mantenga el aislamiento necesario entre el sistema de control y las salidas de corte.
El circuito consta con:
En el esquemático del circuito KRC se encuentran presentes los siguientes tipos de componentes:
- Resistencias: Para limitar corriente
- Optoacopladores (LTV-847S): Proveen aislamiento entre la entrada de control y la salida.
- Solder Jumpers: Permiten configurar el circuito según sea necesario (habilitar o deshabilitar secciones).
- Conectores de entrada y salida: Para vincular el KRC con otros módulos o subsistemas.
- Diodos de protección: Evitan daños por inversiones de polaridad o picos de voltaje.
¶ Modulo NECK
El circuito NECK forma parte del sistema modular de control y seguridad del robot humanoide del ARCOS-Lab, específicamente destinado a la gestión de los actuadores y subsistemas asociados al cuello del robot.
Este módulo tiene como función principal gestionar las señales de activación, paro o corte que permiten un control seguro de los movimientos de la articulación del cuello, incorporando elementos de protección y aislamiento eléctrico para prevenir daños o fallas.
El circuito consta con:
En el esquemático del circuito KRC se encuentran presentes los siguientes tipos de componentes:
- Optoacopladores (LTV-847S): Garantizan el aislamiento galvánico entre la señal de control y los actuadores del cuello.
- Resistencias: Realizan el acondicionamiento de señal
- Diodos de protección: Evitan daños por inversión de polaridad o sobre corrientes.
- Solder Jumpers: Permiten configurar el funcionamiento del circuito, habilitando o deshabilitando rutas o protecciones según sea necesario.
- Conectores de entrada y salida: Facilitan la integración del módulo NECK con otros subsistemas o con el sistema principal de control.
¶ Modulo Open Coroco
El circuito Open Coroco forma parte del sistema modular del robot humanoide desarrollado en el ARCOS-Lab. Este módulo está orientado a la gestión de señales de control y seguridad relacionadas a subsistemas específicos o a configuraciones personalizadas dentro del sistema global.
En el esquemático del circuito Open Coroco se encuentran presentes los siguientes tipos de componentes:
El circuito consta con:
- Optoacopladores (LTV-847S): Garantizan el aislamiento galvánico entre la señal de control y los actuadores del cuello.
- Resistencias Realizan el acondicionamiento de señal y protección eléctrica.
- Solder Jumpers: Permiten configurar el funcionamiento del circuito, habilitando o deshabilitando rutas o protecciones según sea necesario.
- Conectores de entrada y salida: Facilitan la integración del módulo NECK con otros subsistemas o con el sistema principal de control.
¶ Modulo Power (Regulador de Tensión)
El circuito Power forma parte del sistema de alimentación y regulación de voltaje del robot humanoide desarrollado en el ARCOS-Lab. Este módulo tiene como función principal tomar una tensión de entrada y generar una salida de tensión estabilizada y segura (12V a 5V), que alimentan los diferentes módulos electrónicos del sistema, como los modulos KRC, Open Coroco, Neck entre otros
En el esquemático del circuito Power se encuentran presentes los siguientes tipos de componentes:
El circuito consta con:
- Reguladores lineales (mEZD71201A-G): Generan la tensión de salida estable.
- Condensadores de entrada y salida: Filtran el ruido y estabilizan la tensión.
- Diodos de protección: Previenen daños por inversiones de polaridad .
- Conectores de entrada y salida: Facilitan la conexión a la fuente principal y a los módulos que requieren alimentación.
- Solder Jumpers: Permiten configurar el circuito, por ejemplo, habilitar o deshabilitar ciertas salidas o cambiar entre tensiones.
¶ Resumen de Módulos
- TMP: Activación y aislamiento de salidas mediante optoacopladores.
- KRC: Activación y aislamiento de señales de corte para los brazos.
- NECK: Activación y aislamiento de señales de paro para el cuello.
- Open Coroco: Activación y aislamiento de señales de control y seguridad.
- Power: Regulación y distribución segura de alimentación.
¶ Proceso de diseño en Kidcad
Tomando los módulos anteriores, se procede a crear un esquemático( archivos llamado proyecto.kicad_sch, se puede encontrar en el gitlab mostrado en la sección de Repositorio oficial al final del documento), dichos módulos se unen por medio de DIP Switch de 10 pines hacia el SMT32 Bluepill con el propósito de tener la posibilidad de inhabilitar parcial o totalmente el robot humanoide, dicha configuración la podemos apreciar en la siguiente imagen
Y de una manera más general podemos apreciar todos los módulos en conjunto de los DIP Switch de 10 pines, cada módulo se representa como una hoja jerarquía en donde se encuentran en su interior referenciados los circuitos correspondientes, explicados anteriormente.
Posteriormente luego de verificar el esquemático, verificar que se cumplan todas las reglas de diseño, sus componentes estén debidamente conectados, con sus respectivas huellas y símbolos asociados, se procede a crear módulos pero es el archivo llamado proyecto.kicad_pcb, que es adonde se crea la PCB, se unen las huellas de cada componente mediante las vías y pistas, como se muestra en la imagen de muestra de algunos de todos los módulos usados para la creación de la pcb 
Luego de colocar todos los módulos, procurando que el espacio entre todos no sobre pase un área de 10cm x 10cm y de que los componentes que sean altos, es decir, que puedan aportar altura estén todos de un mismo lado, esto con el fin de crear una PCB de 2 caras, en la cara superior los componentes como STM32, optocopladores, capacitores, etc y en la cara inferior los jumper de soldadura, resistencias y led SMD, se unen ambas caras en un mismo espacio mediante vias y pistas, en este caso para los circuitos de potencia mayor a 800mA, sus pistas van a tener un grosor de 1mm, esto con el fin de evitar futuros problemas asociadas a corrientes altas en pistas con un grosor pequeño, en la siguiente imagen podemos apreciar la placa PCB finalizada con todos sus módulos acomodados y conectados entre si
Para una mejor visualización podemos observar en las siguientes imágenes la PCB en 3D, adonde se logra ver los módulos interconectados, el espacio para cada componente con su respectivo nombre rotulado,
¶ Cara Superior de la PCB
En la siguiente imagen podemos observar la cara superior de la PCB en 3D, ahí observamos los módulos, la colocación con su debida orientación para componentes como DIP Switches, Optocopladores, STM32 Bluepill, regulador de Tensión mEZD71201A-G, capacitores, diodos,2N2219 entre otros como conectores_01x02
¶ Cara Inferior de la PCB
Para el caso de la cara inferior, para evitar que la altura de la PCB fue mucha se decidió dejar en esta cara únicamente componentes como resistencias SMD, solder Jumper, los cuales el usuario mediante soldadura para electrónica puede soldar para modificar la configuración de uso de la PCB, como se explica en la sección de Manual de Operacion
¶ Manual de Operación - Sistema de Paro de Emergencia del Robot Humanoide ARCOS-Lab
Este manual describe el procedimiento de operación seguro y adecuado para la PCB del sistema de paro de emergencia desarrollado para el robot humanoide del ARCOS-Lab.
¶ 1. Descripción General
La PCB permite generar señales de corte hacia los diferentes subsistemas mecatrónicos del robot a partir de una señal común, proveniente de un botón de paro de emergencia. Los módulos incorporados garantizan el aislamiento eléctrico y la protección del sistema.
- Verifique que todos los módulos estén correctamente conectados y soldados.
- Respete la polaridad de los conectores.
- Manipule los jumpers de soldadura únicamente con el sistema apagado.
¶ 2. Conexiones Iniciales
- Conecte la alimentación de 12V a la entrada de la PCB.
- Verifique que el regulador mEZD71201A-G entregue 5V correctamente.
- Conecte los módulos KRC, NECK, Open Coroco y TMP según el diseño o necesidad de uso del Robot humanoide.
¶ 3. Operación del Botón de Paro de Emergencia
Una vez configurado y energizado:
- Al presionar el botón de paro, se cortan las señales habilitadas mediante los DIP Switches.
- Los módulos TMP, KRC, NECK y Open Coroco ejecutan el aislamiento de los subsistemas, garantizando la seguridad. Segun la configuracion previamente iniciada, ya se apara un paro parcial o total del sistema
¶ 5. Indicadores Visuales
- Los LED de los módulos muestran el estado de activación de cada subsistema.
- LED encendido: subsistema activo.
- LED apagado: subsistema en paro o inhabilitado.
¶ 6. Configuración Avanzada mediante Solder Jumpers
Los Solder Jumpers, ubicados en la cara inferior de la PCB, permiten personalizar el comportamiento eléctrico:
- Habilitar o deshabilitar rutas de señal.
- Forzar la inhabilitación de salidas.
- Configurar alimentación o tierra de señales específicas.
Realice modificaciones solo con el sistema apagado.
¶ 7. Apagado del Sistema
- Desconecte la alimentación principal.
- Espere a que los LED indicadores se apaguen completamente.
- Proceda a modificar jumper o realizar mantenimiento si corresponde.
¶ 8. Configuración de los Solder Jumper
¶ KRC - Función de los Solder Jumpers
Usando el Modulo #2 como ejemplo:
-
Posición inicial: Abierto (sin conexión)
- La señal que llega al conector
KRC2_J11, pin 1, no sigue su camino hacia el LEDKRC2D1, la resistenciaR25ni al optoacopladorU12A. - El circuito permanece inactivo, independientemente de lo que suceda en el conector.
- La señal que llega al conector
-
Si aplicas soldadura (cerrar el jumper):
- La señal del pin 1 de
KRC2_J11se conecta a
El LEDKRC2D1, que funciona como indicador visual.
La resistenciaR25, que limita la corriente.
El optoacopladorU12A, específicamente a su LED interno (pines 15 y 16). - Esto permite que, al activarse la señal en el conector, se encienda el LED y se active el optoacoplador, transmitiendo la señal de forma aislada.
- La señal del pin 1 de
¶ Open Coroco - Función de los Solder Jumpers
Usando el modulo de Open Coroco #5 como ejemplo:
OP5SP1 (Jumper de conexión al LED indicador):
- Si está cerrado, la señal proveniente del conector
J9pin 2 alimenta al LEDOP5D1. - Si está abierto, el LED no se enciende.
OP5SP2 (Jumper de conexión a tierra - GND):
- Si está cerrado, el pin 1 del conector
J9se conecta a tierra. - Si está abierto, el pin queda libre.
OP5SP3 (Jumper de activación del optoacoplador):
- Si está cerrado, la señal proveniente del pin 2 de
J9, a través deR21, alimenta el optoacopladorLTV-847S. - Si está abierto, no se activa el optoacoplador.
¶ NECK - Función de los Solder Jumpers
Usando el modulo #1 NECK como ejemplo:
N1SP1 (Jumper de conexión al LED indicador):
- Si está cerrado, la señal de entrada alimenta el LED
N1D1. - Si está abierto, el LED no se enciende.
N1SP2 (Jumper de conexión a tierra - GND):
- Si está cerrado, el pin 1 de
NECK1_J1se conecta a tierra. - Si está abierto, queda sin conexión a tierra.
N1SP3 (Jumper de activación del optoacoplador):
- Si está cerrado, la señal activa el optoacoplador
LTV-847S. - Si está abierto, no se activa el optoacoplador.
¶ TMP - Función de los Solder Jumpers
SP1 (Jumper en serie con D1 y R1):
- Si está cerrado, conecta el +5V a través del diodo y resistencia hacia
Tmp. - Si está abierto, el nodo solo recibe señal por otra ruta.
SP2 (Jumper a tierra en base de Q1 - 2N2219):
- Si está cerrado, fuerza el apagado del transistor.
- Si está abierto, permite su activación mediante señal.
SP3 (Jumper de drenaje de señal a tierra):
- Si está cerrado, la salida se anula a tierra.
- Si está abierto, la señal pasa normalmente a la salida.
SP4 (Jumper en serie con D2 y R6):
- Si está cerrado, conecta el +5V al conector de salida mediante el diodo.
- Si está abierto, esta ruta no se conecta.
¶ 9. Repositorio oficial:
https://gitlab.com/edwinsomarribasb/arcos-lab-emergency-stop-pbc.git
¶ Manual de Instalación - Sistema de Paro de Emergencia del Robot Humanoide ARCOS-Lab
Este documento describe el procedimiento para la correcta instalación de la PCB correspondiente al sistema de paro de emergencia desarrollado en el ARCOS-Lab para el robot humanoide.
¶ 1. Requisitos Previos
Lista de articulos necesarios:
- La PCB del sistema de paro de emergencia, fabricada y verificada.
- Los componentes de los módulos electrónicos (TMP, KRC, NECK, Open Coroco, Power).
- Los conectores y cables necesarios.
- Herramientas básicas, para la soldadura de la PCB
¶ 2. Pasos de Instalación
¶ 2.1. Verificación Física
- Inspeccione visualmente la PCB y los módulos.
- Verifique que no existan pistas dañadas o componentes mal orientados.
- Verifique la posicion de los componentes segun su debida orientacion
- Asegúrese de que los Solder Jumpers estén configurados de acuerdo al modo de operación deseado.
¶ 2.2. Instalación de la PCB en el Robot
- Coloque la PCB en su ubicación designada dentro del robot humanoide.
- Fije la PCB con los tornillos o soportes previstos
- Conecte los módulos externos: KRC, NECK, Open Coroco, TMP, y Power
¶ 2.3. Conexión de Alimentación
- Conecte la entrada de alimentación de 12V a la terminal correspondiente de la PCB.
- Verifique que el regulador mEZD71201A-G reduzca correctamente la tensión a 5V, utilizando un multímetro.
¶ 2.4. Configuración de DIP Switches
Los DIP Switches definen qué subsistemas serán afectados por el paro de emergencia.
- Configure los switches PA0 a PA7 para los subsistemas individuales en el programa que se va a subir al STM32
- Configure los switches PA10 a PA15 para control adicional o paro total en el programa que se va a subir al STM32
¶ 2.5. Verificación de LEDs Indicadores
- Antes de alimentar todo el sistema, verifique el funcionamiento de los LEDs de estado de cada módulo.
- Los LEDs deben indicar correctamente el estado de activación de cada modulo
¶ 4. Consideraciones de Seguridad
- Realice la instalación siempre con el sistema desconectado de la alimentación.
- No manipule los Solder Jumpers con el sistema energizado.
- Respete las polaridades de alimentación y de conexión de cada módulo.
- No usar el sistema ante ambientes humedos o con potencial de derrame de liquidos
¶ 5. Puesta en Marcha
Una vez finalizada la instalación:
- Aplique la alimentación de 12V.
- Verifique que los LEDs de los módulos funcionen correctamente.
- Realice una prueba de activación del botón de paro.
- Asegúrese de que los subsistemas seleccionados mediante los DIP Switches se desactiven al presionar el botón.
¶ Contacto Técnico
Para soporte o consultas:
Encargado: Edwin Somarribas Barahona
Correo: edwin.somarribas@ucr.ac.cr
Repositorio oficial: https://gitlab.com/edwinsomarribasb/arcos-lab-emergency-stop-pbc.git
Cloud: https://cloud.arcoslab.org/s/YkeGBwfyNDdp66e