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Sesión: <P> 
 
____________________ 
 
*Autor para correspondencia: joaquim.minguella@upc.edu 
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) 
 
Impresión 3D multimaterial, 
Alternativa para el diseño de componentes en sistemas robóticos 
 
Minguella-Canela, J.a, *, Tegas, N.a, Amat, J.b, Casals, A.b 
 a Grup de Recerca en Tecnologies de Fabricació (TECNOFAB), Departament D'Enginyeria Mecànica (DEM), Escola Tècnica Superior d'Enginyeria 
Industrial de Barcelona (ETSEIB), Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Campus Sud, Edif. PF, Av. Diagonal 647, 08028 Barcelona, España. 
b Centre de Recerca en Enginyeria Biomèdica (CREB), Universitat Politécnica de Catalunya (UPC), C/ Jordi Girona, nº1-3, 08034, Barcelona, España. 
 
 
 
 
Impresión 3D multimaterial, alternativa de diseño de componentes en sistemas robóticos 
Resumen 
Existen diferentes enfoques para incorporar funcionalidades a sillas de ruedas, convirtiéndolas en plataformas no solo para 
proporcionar movilidad sino también postura y actuación. Sin embargo, a medida que se añaden grados de libertad, existe una 
mayor necesidad de proporcionar medios para un control continuo de tales movimientos. En este contexto, el objetivo de este 
trabajo es conseguir mandos a medida (pulseras, bandas, pulsadores, joysticks) adaptados a la diversidad funcional de las 
personas usuarias, que puedan integrarse en el control con otros elementos (por ejemplo, sistemas de comando basados en 
sistemas de visión por ordenador). El presente artículo se centra en el diseño iterativo y la materialización de un joystick multi-
material para ser obtenido mediante impresión 3D de extrusión de material capaz de controlar varios grados de libertad. El 
concepto general es una unidad sensora basada en un cambio de su capacidad cuando está sujeta a esfuerzos de torsión, y que 
puede ser adaptada en función de las necesidades de uso. Los resultados preliminares revelan un cambio suficiente en los valores 
medidos de respuesta e indican una viabilidad incipiente para usar la señal no solo como binaria (por ejemplo, para ordenar un 
giro/no giro de una silla de ruedas), sino también como una señal analógica continua o al menos como una señal discreta con 
múltiples umbrales. 
Palabras clave: Mecatrónica para sistemas de movilidad, Sensores, Interacción entre persona y vehículo, Control de movimiento, 
Sistemas de fabricación flexibles y reconfigurables. 
 
Multi-material 3D printing, alternative for designing components in robotic systems 
Abstract 
There are different approaches to incorporate additional functionalities to wheelchairs, converting them into more advanced 
platforms, not only for achieving mobility, but also positioning and actuation. However, the more degrees of freedom that are 
added, the greater the need to provide means for seamless control of these movements. In this context, the objective is to achieve 
customized controls (wristbands, straps, pushbuttons, joysticks) adapted to the functional diversity of users, which can be 
integrated into the control with other elements (e.g, vision-based control systems). This article focuses on the iterative design 
and materialisation of a multi-material joystick produced by 3D printing via material extrusion that can control several rotational 
degrees of freedom. The overall concept is that of a sensing unit based on a change in its capacitance under torsional stress, 
which can be adapted according to the needs of use. The preliminary results show sufficient change in the measured response 
values and indicate that it is possible to use the signal not only as a binary signal (for example, to command a turn/no-turn of a 
wheelchair), but also as an analogue continuous signal or at least as a discrete signal with multiple thresholds. 
Keywords: Mechatronics for Mobility Systems, Sensing, Human-vehicle interaction, Motion control, Flexible and reconfigurable 
manufacturing systems. 
 
Para citar este artículo: Minguella-Canela, J., Tegas, N., Amat, J., Casals, A. 2023. Multi-material 3D 
printing, alternative for designing components in robotic systems Jornadas de Robótica y Bioingeniería. 
 
 
 
Minguella-Canela, J. et al. / XLIV Jornadas de Automática 2023 
 
 
 
1. Introducción 
La movilidad y la asistencia a la actividad para personas con 
discapacidades motoras graves que les impiden caminar, 
ponerse de pie o realizar otras actividades se consiguen 
básicamente mediante soluciones de movilidad como sillas de 
ruedas o exoesqueletos. Aunque las sillas de ruedas 
proporcionan movilidad, la mayoría de ellas no pueden ayudar 
al usuario a ponerse de pie y/o a maniobrar en espacios 
pequeños. Incluso utilizando un exoesqueleto, es complicado 
para las personas usuarias poder interactuar con el entorno, por 
ejemplo, abriendo puertas y manipulando objetos, en parte, 
debido al rango limitado de movimientos del usuario y 
condicionado en parte por su posición y postura. 
En este contexto, se han propuesto diferentes enfoques para 
incorporar funcionalidades adicionales a las sillas de ruedas 
actuales, convirtiéndolas en plataformas multifuncionales 
(Leaman, 2017, Lobo, 2019). Hasta cierto punto, se trata de 
integrar en una silla las funcionalidades que puede 
proporcionar un exoesqueleto, tanto para ponerse de pie como 
para mover los brazos cuando la persona no puede hacerlo, 
pero evitando la necesidad de un exoesqueleto real que el 
usuario tendría que llevar sobre su cuerpo. 
En el proyecto POSMOFYA, (Casals, 2022) una plataforma 
de movilidad permite al usuario sentarse, ponerse de pie, 
tumbarse y avanzar hacia adelante, retroceder, girar a la 
izquierda y a la derecha, así como acompañar la extensión de 
los brazos para manipularr objetos (Ver Figura 1). 
 
 
 
Figura 1: Prototipo virtual de la plataforma de movilidad personal basada en 
sillas de ruedas objeto del proyecto POSMOFYA. 
Para lograr esta extensión de funcionalidades, es necesario 
incorporar algunos grados de libertad adicionales de manera 
que algunos de los componentes, en vez de ser pasivos o solo 
ajustables, se activen y controlen a voluntad del usuario. Sin 
embargo, cuantos más grados de libertad se integren en la 
plataforma de movilidad, más dispositivos de mando deben 
incorporarse para hacer posible una funcionalidad óptima. 
Algunos de ellos pueden ser de accionamiento físico 
(interruptores, palancas u otros wearables) y otros pueden 
incorporar un accionamiento sin contacto, basado en una 
percepción más potente, como el caso de sistemas de visión o 
interfaces multimodales (Barea, 2022). Además, una interfaz 
de control adecuada debe ser intuitiva y eficiente para permitir 
el desplazamiento deseado. 
Aparte de la propia movilidad que proporciona la 
plataforma robótica, los usuarios deben ser asistidos para poder 
interactuar con el entorno mediante dispositivos (brazos de 
asistencia robóticos, de orden de activación de acciones de 
contexto u otros) que también tendrán que ser comandados 
desde dispositivos de conmutación (pulseras, bandas, 
pulsadores, joysticks) disponibles en la silla de ruedas original 
ahora convertida en una plataforma de movilidad completa 
para la interacción con el entorno. 
El artículo describe una propuesta de plataforma de 
movilidad y presenta la elaboración de una posible 
implementación de sus grados de libertad. Para ello es 
necesario disponer de una serie de sensores (que pueden ser de 
naturaleza diversa, multimodal), para controlar los diferentes 
grados de libertad aprovechando las capacidades de las 
personas usuarias. A continuación, como caso de estudio, se 
discuten los resultados obtenidos en una versión preliminar de 
un joystick multimaterial, que se fabricará mediante impresión 
3D de extrusión de material y que se puede incorporar para 
controlar el grado de libertad de rotación (girar a la izquierda, 
a la derecha o seguir en línea recta). Dicho joystick puede ser 
integrado en el sistema de controlcon otros elementos de 
mando, no necesariamente físicos, sino quizás basados en 
sistemas de visión u otros. 
En este sentido, la aplicación de las tecnologías de 
impresión 3D permite personalizar el sistema de activación 
para una necesidad específica del usuario. Por ejemplo, el 
dispositivo se puede personalizar y adaptar para cumplir con 
las dimensiones geométricas necesarias, las características 
ergonómicas adecuadas y, específicamente, conseguir el rango 
de fuerzas requerido para que la persona usuaria pueda ponerlo 
en acción (por ejemplo: fuerza requerida por el usuario al 
empujar, o girar, o para doblarlo o deformarlo). 
Las numerosas posibilidades para usar y fusionar diferentes 
unidades de sensores impresos en 3D de accionamiento pueden 
proporcionar una manera de mejorar un accionamiento 
continuo de los crecientes grados de libertad contenidos en la 
plataforma de movilidad. Esto, sin aumentar la dificultad de 
uso de un usuario con movilidad reducida y, al mismo tiempo, 
potenciar al máximo sus capacidades residuales de movilidad 
o actuación. 
1.1 Sensores impresos en 3D: ruta hacia los metamateriales 
Recientemente, ha habido más y más estudios de casos de 
piezas multimateriales impresas en 3D (Nazir, 2023) que se 
pueden usar como sensores (Alshawabkeh, 2022), aportando 
capacidades de detección (Gong, 2021) o incluso medios de 
comunicación (Gorgutsa, 2016) a los productos. 
La investigación centrada en estas materializaciones 
impresas en 3D (Khosravani, 2020) ha originado el campo de 
los "metamateriales", en el que la geometría de una pieza se 
completa con una combinación de dos o más materiales, al 
menos uno conductor y otro no conductor. Estas estructuras, 
conectadas correctamente a un circuito de medición, se pueden 
Minguella-Canela, J. et al. / XLIV Jornadas de Automática 2023 
 
 
utilizar como unidades de detección para medir fuerzas, en 
particular en el campo de exoesqueletos (Minguella, 2023b) y 
prótesis (Laszczak, 2015 y Paternò, L, 2020). 
En cuanto a las tecnologías de impresión 3D, actualmente 
se utilizan muchas posibilidades diferentes (Zolfagharian, 
2020). El procesado digital de la luz (DLP), la eyección de 
material (MJ), la extrusión de material (ME) y la 
Fotopolimerización en cuba (VPP) son las más utilizadas en la 
literatura. Además, se implementan diferentes combinaciones 
de estas tecnologías híbridas (multimodal, Zheng, 2021) cuyos 
resultados son imposibles de lograr con una única tecnología 
(Skylar-Scott, 2019). 
Finalmente, con respecto a las posibles tecnologías de 
sensores, también hay diversas posibilidades, en particular 
entre fenómenos de medición basados en la capacidad 
(Schouten, 2021), piezorresistivos (Košir, 2023 y Fekiri, 2020) 
y piezoeléctricos. 
Asimismo, esta aplicación tecnológica para los sensores 
permite obtener soluciones más compactas, haciendo posible 
una reducción de los tamaños de los enlaces situados en los 
grados de libertad de las plataformas de movilidad. 
 
2. Especificación de la plataforma de movilidad y 
posibles sensores o unidades que se integrarán en la 
misma arquitectura 
La plataforma de movilidad POSMOFYA está concebida 
específicamente para usuarios con diversidad funcional, 
facilitando su movilidad y posicionamiento. El objetivo es 
poder utilizar los sensores más adecuados en función de las 
capacidades que conserven cada persona usuaria. 
 
2.1. Grados de libertad en una plataforma de movilidad 
mejorada. 
La Tabla 1 especifica los 11 grados de libertad 
especificados disponibles para ser operados en la plataforma 
de movilidad POSMOFYA, que hacen posible los 
movimientos corporales necesarios que determinan la postura. 
Los elementos móviles están distribuidos en todas las partes 
de la plataforma de movilidad. 
La implementación de los distintos grados de libertad 
supone retos a distintos niveles. Para el movimiento de los 
brazos, se trata de conseguir una arquitectura cuyos 
movimientos de actuación sean compatibles con los centros 
anatómicos de rotación de las extremidades del usuario. Para 
aquellos relacionados con el movimiento de la silla de ruedas 
(ruedas motrices), pueden surgir desafíos para coordinar los 
grados de libertad garantizando siempre la estabilidad y la 
comodidad del usuario. 
Además, los elementos activos están diseñados para 
mejorar la capacidad de adaptación frente a entornos 
inesperados. Por ejemplo, las dos ruedas motrices son lo 
suficientemente robustas como para garantizar la comodidad, 
tanto en interiores como en exteriores y para garantizar la 
estabilidad se dispone de cuatro ruedas auxiliares. 
La plataforma también incorpora otros elementos auxiliares 
necesarios que permiten cambios de postura (como por 
ejemplo estar tumbado y de pie), acompañando esta prestación 
con la movilidad de los brazos y piernas (Ver Figura 2). 
Tabla 1: Especificación de los grados de libertad en la plataforma de 
movilidad POSMOFYA. 
 
 
Ubicación Grados de libertad 
(número) 
 
Motivación 
Hombro y 
cabeza 
 
Orientación α Lograr la posición 
de reposo 
 
 
Brazos 
Orientación de los 
soportes de los 
brazos 'γ1' y 'γ2' 
izquierda y derecha 
 
Acompañando los 
brazos, permite 
mayor alcance 
 
 
Asiento 
 
 
Posición «X» y «Z» 
y orientación «θ» 
Ascender/descender 
y posicionar el 
centro de masas del 
conjunto 
 
Piernas 
 
Orientación 'φ' Acompañando el 
paso de los pies 
 
Ruedas 
 
Rotación «βizquierda» 
y «βderecha» 
Conducción y 
maniobra de la silla 
de ruedas 
 
 
Figura 2: Esquema de algunas de las diferentes posiciones que el usuario puede 
alcanzar utilizando la plataforma de movilidad. 
 
Esta especificación de grados de libertad se amplía cuando 
se consideran las posibilidades de controlar elementos 
funcionales del entorno, como brazos robóticos, armarios 
automatizados, cajones, etc. En este caso, se incorporarían 
grados adicionales de libertad para activar/desactivar el 
movimiento de esos objetos del entorno. 
Para su control, por ejemplo, un sistema de seguimiento 
ocular hecho para la persona usuaria podría servir para 
localizar y activar un objeto en el espacio. De esta forma, las 
coordenadas 'r', 'φ' y 'ψ' de un objeto, más el resultado de una 
selección (por ejemplo, abrir y cerrar un ojo), agregarían 
nuevos grados de libertad o actuaciones. 
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2. 2. Unidades sensor aptas para ser incorporadas en la 
plataforma de movilidad 
La descripción de la localización de las unidades de 
detección que se incorporarán en la plataforma de movilidad 
se presenta en la Tabla 2. Para cada una de ellas, se propone un 
posible sistema, se ha optado por colocarlos en los miembros 
superiores, suponiendo un caso específico de necesidades 
especiales de una persona usuaria. 
De hecho, dotar a la plataforma de sensores que captan 
información del entorno, y sistemas que captan la intención del 
usuario en función del contexto de una tarea, libera al usuario 
de la necesidad de mantener un nivel de atención excesivo, que 
se requiere para las tareas continuas de navegación y 
corrección, especialmente si su movilidad está seriamente 
limitada. 
 
 
Tabla 2: Descripción de posibles unidades de detección para detectar señales 
de un usuario con necesidades especiales. 
Parte del cuerpo, 
capacidad 
Posible sistema 
Naturaleza 
del sensor 
 
Cabeza – rotación Seguimiento por 
visión 
Sin contacto 
Cabeza – ojos 
Seguimiento 
ocular visual Sin contacto 
Brazo – bíceps Brazalete Físico 
Antebrazo – 
pronación/supinación 
Brazalete Físico 
Mano – dedos Joystick Físico 
Mano – dedos Anillo elástico Físico 
Mano – dedos 
Seguimiento de 
los dedos (visión) 
Sin contacto 
Mano – palma Pulsador Físico 
 
 
De hecho, el uso de un elemento físico (como un pulsador 
o un joystick) es útil para controlar la movilidad, pero 
incompatible con el movimiento de los brazos y el uso de las 
manos para interactuar con el entorno.Por esta razón, es 
interesante explorar posibilidades de expresión facial, y otras 
como los movimientos oculares para apuntar a objetos, o la 
adquisición de imágenes de los dedos para interpretar 
indicaciones gestuales, incluso si la mano se está moviendo. Se 
ha prestado especial atención en proporcionar medios físicos 
que no interfieran tanto en la interacción del usuario 
(brazaletes, pulseras, etc.). 
En la figura 3 se muestra un resumen de la propuesta de 
plataforma de movilidad. 
 
 
Figura 3: Plataforma de movilidad con sus numerosas señales de detección y 
actuación. 
 
3. Estudio de caso: un joystick para plataformas de 
movilidad 
De todas las posibles unidades de detección que podrían 
integrarse en la plataforma de movilidad, el presente artículo 
se centra en el desarrollo, la materialización y la 
experimentación preliminar de una barra de joystick. En un 
caso general, dicho elemento de mando podría controlar 
muchos grados de libertad, como por ejemplo los 4 posibles 
diferentes representados en la Figura 4. 
 
 
Figura 4: Dispositivo joystick en la situación general, que podría ser capaz de 
controlar 4 grados de libertad. En negrita, el grado de libertad seleccionado 
para el presente caso de estudio. 
Sin embargo, en el presente estudio, para la prueba de 
concepto, el diseño está restringido al control únicamente de la 
rotación para el giro (izquierda y derecha) de la silla de ruedas 
diseñada. Por lo tanto, el dispositivo tendrá que ser capaz de 
detectar 3 tipos de ordenes; a saber: quedarse quieto, moverse 
a la izquierda y moverse a la derecha. En cuanto a la silla de 
ruedas utilizada, la primera no activará ninguna acción, 
mientras que las dos últimas activarán los dos motores de la 
rueda principal en sentido horario y antihorario para producir 
una rotación de la silla de ruedas en el plano X-Y, de un ángulo 
de rotación ‘β’ directamente proporcional al tiempo durante el 
cual ha estado activo el comando. 
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3.1. Especificaciones de la pieza y prescripción de 
características 
Las limitaciones generales en el diseño del joystick son que 
las dimensiones del dispositivo deben ser lo suficientemente 
grandes como para ser operado manualmente con un mínimo 
de fuerza aplicada por el usuario, y al mismo tiempo ser lo más 
pequeño posible para adaptarse al espacio disponible en el 
extremo del reposa brazo derecho de la silla de ruedas. 
El usuario aplica un pequeño esfuerzo de torsión; es decir, 
una rotación de la barra del joystick en el sentido de las agujas 
del reloj, lo que implica una rotación de la silla de ruedas hacia 
la derecha, y una en sentido contrario, hacia la izquierda. 
La combinación multimaterial elegida es una mezcla de un 
material flexible para el marco y un material conductor para la 
carcasa del sensor. Sabiendo que el proceso de impresión 3D 
se va a realizar mediante Extrusión de Material (ME), la 
elección específica es un material de Poliuretano Técnico 
(TPU) no conductor con alta elasticidad -modelo Filaflex 82A 
(Recreus Industries, S.L.)-, que ofrece un grado suficiente de 
flexibilidad a la pieza, y otro material con base de TPU para la 
las partes conductoras -modelo Conductive Filaflex (Recreus 
Industries, S.L.,)- del mismo proveedor. Según los datos del 
fabricante, el valor de referencia de resistividad para Filaflex 
82A es de 3,9Ω / cm. 
En cuanto al nivel de rugosidad superficial objetivo, la 
altura de la capa en el proceso se estableció en 0,2 mm. Ambos 
filamentos en bruto fueron seleccionados con un diámetro de 
2,85 mm e impresos con boquillas con un diámetro de 0,4 mm, 
que establecen los espesores mínimos de pared para el diseño 
de detalle. 
Las piezas incorporan un par de orificios redondeados para 
su conexión eléctrica. 
3.2. Especificaciones del proceso de fabricación 
La fase de prototipado de muestras de los diseños de 
Joystick mediante Extrusión de Material se realizó en una 
impresora 3D modelo BCN3D Sigma R18 (Barcelona Three 
Dimensional Printers, S.L.), Esta máquina tiene dos cabezales 
de extrusión independientes que pueden imprimir dos 
materiales distintos a una misma altura y con ella es posible 
imprimir materiales flexibles (Ver Figura 5). 
 
 
Figura 5: Impresora 3D lista para la impresión multimaterial de las muestras. 
El material cargado en el cabezal del extrusor derecho (negro) es el filamento 
conductor, mientras que el material cargado en el izquierdo (blanco) es el 
material de soporte flexible. 
Como principales parámetros de procesado, la temperatura 
de los extrusores para los dos materiales utilizados se 
estableció en 215°C, y la plataforma de construcción se calentó 
a una temperatura de 60°C. El porcentaje de relleno interior 
para el filamento estructural fue del 80% y el material 
conductor se imprimió completamente denso (100% del nivel 
de relleno). En el filamento estructural, los límites externos se 
establecieron con 5 capas completas en cada pared vertical y 2 
capas completas inferiores y superiores. La velocidad de 
impresión en el plano X-Y se fijó en 25mm/s para ambos 
cabezales de extrusión. 
4. Diseños y prototipos 
La geometría básica prevista es la de una varilla cilíndrica 
colocada dentro de un cuerpo hueco al que está unida por su 
lado inferior. Al girar la parte superior de la varilla debe 
producirse una deformación de torsión y se debe detectar un 
fenómeno eléctrico entre los dos extremos de un circuito de 
prueba. 
La presente contribución explora el diseño iterativo de tres 
prototipos basados en el efecto capacitivo entre los dos 
extremos de una armadura de una unidad de detección cuando 
se integra en un banco de pruebas basado en Arduino para la 
detección y medida de valores de capacidad. 
Dicho sistema de medición se basa en un circuito RC. Por 
lo tanto, cambiando el tamaño de la resistencia es posible 
medir valores de capacidad más pequeños o más grandes, 
aunque su confiabilidad también cambiará. De hecho, se sabe 
que el banco de pruebas a utilizar no es preciso a la hora de 
medir capacidades muy pequeñas. Después de un proceso de 
evaluación con un conjunto de condensadores con valores 
conocidos, se considera que las medidas solo pueden asumirse 
como válidas para valores de capacidad superiores a 50 pF 
(asegurando menos de un 10% de error). 
4.1. Diseño inicial (modelo exploratorio) 
El primer diseño dispone de una armadura dentro de la barra 
de torsión (varilla del joystick) y otra armadura dentro del 
cuerpo. En la posición inicial (sin rotación de la varilla) las dos 
armaduras están enfrentadas creando una capacidad 
caracterizada por su área inicial. Posteriormente, debido a la 
torsión del eje cuando se gira la parte superior de la varilla, la 
capacidad medida disminuye con el tamaño del área 
capacitiva. 
Este diseño inicial de joystick está concebido para ser 
impreso en 3D en dos mitades que se podrían situar planas en 
la plataforma de impresión 3D. De esta manera, cada capa es 
perpendicular a la dirección de rotación de la palanca. Sin 
embargo, esto implica pegar las dos mitades una con la otra, 
por lo que la validación funcional tendrá que evaluar si esta 
articulación causa un mal funcionamiento debido a una unión 
fría durante la operación (ver Figura 6). 
Para simplificar el diseño del dispositivo, los comandos para 
los movimientos hacia la izquierda y la derecha se trataron 
como señales separadas, lo que significa que se necesitarían 
cuatro cables para la prueba y la integración en una plataforma 
de movilidad (dos para cada comando). 
 
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a) b) 
 
Figura 6: Modelos asistidos por ordenador del diseño inicial de la varilla: (a) 
Vista sólida, (b) Vista alámbrica. 
Sin embargo, después de imprimir en 3D las dos mitades 
del prototipo y pegarlas para formar el joystick, el sensor 
resultó ineficaz porque las lecturas de las medidas de 
capacidadno coincidían con las del sistema de medición 
previsto, que, como se indicó anteriormente, solo es fiable para 
valores superiores a 50 pF. 
De hecho, las superficies conductoras impresas no eran lo 
suficientemente grandes y estaban demasiado separadas para 
generar el efecto condensador, por lo que no se pudo obtener 
una lectura de capacidad útil. Este problema puso de relieve la 
necesidad de diseñar el sensor con una capacidad mínima que 
pueda ser leída por el sistema de medición. Además, desde el 
punto de vista de la fabricación de prototipos, el conjunto 
pegado no proporcionaba una combinación perfecta entre las 
dos mitades y la varilla compuesta era demasiado rígida para 
producir una operación de rotación fácil. 
4.2. Segundo diseño (extensión del área del condensador y 
reducción de la distancia entre armaduras) 
El segundo modelo de sensor fue diseñado considerando la 
necesidad de aumentar el área del condensador y reducir la 
distancia entre las armaduras. Por lo tanto, al realizar la 
iteración de diseño asistido por computadora, las geometrías se 
eligieron para tener la mayor área de superficie de armaduras 
posible, con el fin de cumplir con el rango de capacidad que 
podría leerse significativamente en el banco de pruebas (ver 
detalles en la Figura 7). 
La elección aquí fue dotar al sensor con armaduras dobles 
para maximizar el valor de la capacidad del sensor. Al igual 
que en el diseño anterior, la parte externa está colocada en el 
cuerpo (estator) y la interna (rotor) dentro de la varilla. Cuando 
está en funcionamiento, la rotación de la varilla hace que las 
superficies paralelas de los conductores estén confrontadas 
total o parcialmente, disminuyendo de esta forma la lectura de 
capacidad en función del ángulo rotación. 
Como en el caso anterior, la rotación de la varilla requería 
un nivel de fuerza relativamente alto. En este caso, se 
incorporó un orificio pasante en la parte superior de ésta, que 
además podría servir para añadir un brazo de palanca adicional 
para facilitar la rotación, y específicamente para medir el 
ángulo girado en cada caso. Los orificios para la conexión 
eléctrica se colocaron en la parte superior del cuerpo. 
En este caso, la unidad del sensor proporcionó valores de 
capacidad adecuados. Sin embargo, la unidad era grande (80 
mm de altura) y muy voluminosa, lo que dificulta su 
colocación en espacios estrechos y pequeños. Además, el 
diseño incluía una cantidad excesiva de material, lo que 
implicaba un tiempo de impresión muy largo (aprox. 24 horas). 
Asimismo, la rigidez de la barra seguía siendo demasiado alta 
para el funcionamiento normal, por lo que algunas acciones 
fueron listadas para ser implementadas en la siguiente 
iteración. 
 
 
a) b) 
 
c) d) 
 
Figura 7: Segunda iteración del diseño del joystick: (a) Corte transversal de la 
vista sólida, (b) Vista alámbrica., (c) Vista isométrica sólida y (d) Parte 
impresa en 3D. 
4.3. Tercer diseño (puesta a punto de superficies y 
volúmenes útiles) 
En el tercer modelo del sensor se intentó reducir las 
dimensiones generales y, al mismo tiempo, se trató de 
mantener la conductividad necesaria. 
De hecho, el tamaño total disminuyó, ya que la altura 
máxima del sensor se redujo a 40 mm, mientras que los 
anteriores tenían 80 mm de altura. Dentro de estas dimensiones 
relativamente pequeñas, las superficies de la parte conductora 
también se redujeron. Aun así, las dos armaduras integradas 
abarcan un total de 270°, y los 90° restantes se dejaron vacíos 
para permitir que diferentes áreas del condensador se enfrenten 
entre sí a lo largo de la rotación de la varilla. 
La distancia entre las dos armaduras (positiva y negativa) se 
redujo a 2 mm, de los cuales 1 mm estaba compuesto por el 
filamento no conductor necesario para tener una permitividad 
constante de 7, y el otro 1 mm es el ancho del orificio necesario 
para permitir la rotación de la varilla. 
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El cable conductor impreso en 3D que conecta la armadura 
interna con el exterior pasa a lo largo del eje neutro de torsión, 
ya que la tensión más baja se produce a lo largo de este eje. La 
base del eje de torsión comienza con una sección cónica para 
mejorar la flexibilidad y la rotación; el ángulo con respecto al 
eje horizontal de esta sección es de 60° y considera la 
capacidad de la impresora para imprimir sin soportes (ver 
Figura 8). 
Igual que en el caso anterior, e incluso aunque no se preveía 
que en esta iteración fuera necesaria una gran cantidad de 
fuerza para conseguir la rotación de la varilla, en este caso 
también se incorporó el orificio pasante en la parte superior de 
la varilla. De esta forma es posible usar un utillaje en forma de 
palanca para realizar la rotación, y sobre todo utilizar dicha 
palanca como medio para controlar el ángulo girado en cada 
operación. 
En comparación con el segundo diseño, los orificios para 
la conexión eléctrica se movieron a la parte inferior del cuerpo 
principal, incorporando un orificio adicional entre ellos para 
asegurarse de evitar un cortocircuito entre los dos terminales. 
Esta tercera iteración de diseño alcanzó un nivel aceptable 
de usabilidad y, por lo tanto, fue la seleccionada y utilizada 
para evaluar y probar su funcionalidad. 
 
 
a) b) 
 
Figura 8: Diseños en ordenador de la segunda iteración del Joystick: (a) 
Corte transversal de la vista sólida, (b) Vista de alambre. 
5. Evaluación y pruebas de los prototipos 
5.1. Análisis de los prototipos impresos en 3D 
Como inspección cualitativa general, y aparte de algunos 
pequeños puntos de burbuja en las muestras impresas en 3D, 
se puede decir que las iteraciones de diseño y fabricación 
dieron lugar a unidades de detección viables. Los únicos 
problemas significativos de prototipado detectados fueron 
algunos hilos de exceso de filamento y alguna contaminación 
de material cruzado en algunas áreas de las muestras (trazas 
negras sobre la parte estructural blanca). 
El motivo del primer tipo de defecto fue fruto de la 
dificultad de imprimir en 3D material elástico. El segundo tipo 
de defecto fue causado por la deposición de algunas gotas de 
material conductor fundido durante el movimiento de la cabeza 
de extrusión. Ambos efectos pudieron ser mitigados en gran 
parte aumentando la tasa de retracción en los parámetros de la 
impresora 3D, pero es difícil poder llegar a eliminarlos por 
completo en la impresora utilizada debido a las altas 
temperaturas de trabajo de los cabezales de extrusión. La 
Figura 9 presenta imágenes con detalles de las impresiones 
realizadas. 
Otras características interesantes que funcionaron bien 
fueron el número de paredes establecidas en cada sección 
transversal (que proporcionaban integridad y separaban bien 
los hilos depositados con material conductor), así como el 
porcentaje de material establecido para el relleno, que permitía 
un nivel de fuerza asumible cuando se realizaba la torsión en 
la barra central del joystick. 
 
 
a) b) 
 
c) b) 
 
Figura 9: Vistas detalladas de los diseños de joystick impresos en 3D: (a) 
Tercer diseño, (b) Conexiones de los cables en la parte inferior del tercer 
diseño, (c) Armaduras y relleno en una sección de corte transversal de una 
muestra impresa en 3D del segundo diseño, y (d) Armadura y relleno en una 
sección de corte transversal de la barra del joystick de una muestra impresa en 
3D del tercer diseño. 
5.2. Análisis de la capacidad de detección 
En cuanto a la medición de capacidad, el sistema de 
medición utilizado fue un banco de pruebas basado en Arduino 
(Minguella, 2023a) a partir de un circuito RC. 
Una muestra útil del tercer diseño de joystick se conectó al 
circuito de medición y la parte superior de la varilla se giró en 
el sentido de las agujas del reloj. Las mediciones se tomaron a 
0⁰, 20⁰, 40⁰ y 60⁰. En cada rotación (incrementos de 20⁰) se 
esperaba a que se estableciera el valor de la capacidadmedida. 
La experimentación se repitió hasta que se pudo producir 5 
series de datos útiles (5 series de rotación). La adquisición de 
datos se realizó asegurando en todo momento que se 
Minguella-Canela, J. et al. / XLIV Jornadas de Automática 2023 
 
 
mantuvieran los contactos entre el circuito interno (agujeros) y 
el circuito de medición (pines). 
Con estos datos preliminares, se calcula un valor medio para 
cada posición de rotación y la desviación típica de los valores 
del ensayo (ver la Tabla 3). 
Tabla 3: Valores medios de capacidad [pF] y su variación estándar calculada 
a partir de los datos de ensayo obtenidos. 
Rotación 
superior [°] 
Capacidad media 
[pF] 
Desviación de 
Std 
0 152,8 5,17 
20 143,4 4,45 
40 130,6 4,47 
60 118,0 6,96 
 
Con este conjunto de datos, calculando la variación absoluta 
máxima entre los valores medios de las posiciones extremas se 
encuentra un valor de 34,8 pF, lo que representa una variación 
relativa de un 23% de la capacidad inicial (a 0 grados de 
rotación). Esto se considera un cambio absoluto y relativo 
suficiente del nivel de respuesta, que podría ser útil para 
comandar algún actuador donde podría integrarse. 
Sin embargo, los niveles de variabilidad encontrados en los 
diferentes ángulos de rotación no darían lugar a diferencias 
significativas en las posiciones intermedias analizadas 
(separadas por 20°), sino únicamente tomando valores más 
separados (véase la Figura 10). 
 
 
 
Figura 10: Diagramas de caja de los valores de capacidad [pF] obtenidos en 
los diferentes ángulos de rotación de la sección superior de la barra del 
Joystick; a saber: 0⁰, 20⁰, 40⁰ y 60⁰ (en el sentido de las agujas del reloj), en las 
5 series de experimentos. 
Durante el funcionamiento del sensor, se observó que en el 
sentido de las agujas del reloj los valores de la serie y sus 
cambios se detectaban de forma muy lineal y con valores 
suficientemente diferentes que eran fáciles de discretizar 
(véase la Figura 11). 
Esto apunta hacia un alto coeficiente de regresión lineal, 
que permitiría el uso de esta unidad de detección y medición 
no solo como un sensor binario, sino multinivel, sin embargo, 
la pendiente de dichas regresiones, difiere en los distintos 
casos, indicando ganancias diferentes en las distintas series de 
experimentación. 
 
 
 
Figura 11: Valores de capacidad de la serie de 5 experimentos (s1-s5) y el 
ajuste lineal individual para cada uno como respuesta al ángulo de rotación de 
la parte superior de la barra. 
 
Además, vale la pena mencionar que durante el retorno del 
eje a la posición inicial (ángulo de 0 grados), el tiempo de 
respuesta es alto. Se supone que este efecto de histéresis ocurre 
porque el material conductor es un TPU flexible, que tiene 
propiedades de elasticidad relativamente elevada (shore 95A, 
que se encuentra entre la mayor flexibilidad disponible para 
filamentos de extrusión de material). De hecho, este es un 
aspecto importante que debe tenerse en cuenta al integrar la 
unidad de detección en el sistema de comando de la plataforma 
de movilidad. 
6. Discusión y conclusiones 
Se ha diseñado, fabricado y probado una unidad de 
medición multimaterial impresa en 3D mediante extrusión de 
material. Se trata de un joystick basado en la medición de la 
variación de capacidad que produce un esfuerzo-torsión y, que 
es compacto y fácil de imprimir. 
El sensor mostró cierto efecto de histéresis al volver a la 
posición cero, efecto que debería abordarse en futuros pasos de 
desarrollo. 
Como exploración inicial, el tratamiento de la señal 
generada cuando se produce un giro en el sentido de las agujas 
del reloj ha sido una primera prueba de concepto de la 
materialización de este tipo de unidades de detección y medida. 
El siguiente paso previsto en el desarrollo de este tipo de 
sensor es su integración como joystick en la plataforma de 
movilidad y la calibración en uso de las lecturas capacitivas. 
En cuanto a la posible escalabilidad, se pueden concebir e 
iterar más diseños para agregar más grados de libertad al sensor 
a integrar en la plataforma de movilidad. 
Además, las unidades de detección en forma de pulseras, 
bandas u otros pulsadores basados en la fabricación de 
extrusión de material podrían prepararse a medida para 
transmitir acciones tales como mover la plataforma de 
movilidad para permitir al usuario ponerse de pie y/o 
configurar los reposa brazos para guiar el brazo de un usuario 
para alcanzar un cierto punto en el espacio. De hecho, esta 
tecnología se puede aplicar a exoesqueletos y otros medios de 
ayuda para caminar. 
Minguella-Canela, J. et al. / XLIV Jornadas de Automática 2023 
 
 
Desde otro punto de vista, este tipo de unidades de 
detección o medida también se pueden utilizar para 
monitorizar ciertas señales del paciente, como las relacionadas 
con la actividad muscular, como alternativa o complemento a 
los sensores mioeléctricos. 
La explotación de las posibilidades de impresión 3D abre 
nuevas opciones para el diseño personalizado, de especial 
interés en tecnología para personas con necesidades especiales 
que presentan un amplio rango de habilidades remananentes. 
Agradecimientos 
Esta investigación fue parcialmente financiada por el 
proyecto "Orthosis-Chair Hybrid Platform to make compatible 
Mobility, Functionality and Acceptability for application in 
domestic environments" (POSMOFYA) del Ministerio de 
Ciencia e Innovación, Proyecto: PID2020-116091RB-I00. El 
autor Joaquim Minguella-Canela es profesor Lector Serra 
Húnter. 
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