UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MANO ROBÓTICA
CONTROLADA A DISTANCIA CON UN MANDO DE GUANTE
“TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO”
DANIEL JOSUÉ MARTÍNEZ CUPUERÁN
DIRECTOR: FAUSTO FREIRE CARRERA, Ph.D
DECLARACIÓN
Yo DANIEL JOSUÉ MARTÍNEZ CUPUERÁN, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Daniel Josué Martínez Cupuerán
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Mano robótica controlada a distancia con mando inalámbrico”, que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por Daniel J. Martínez, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________ Fausto Freire Carrera, Ph.D DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORÍA
A Dios porque siempre ha sido fiel, a mis padres por su amor y su apoyo
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar agradezco a mi Dios porque Él es el dueño de todos mis logros, y porque siempre me ha sostenido con su infinito amor.
Agradezco también a mi Padre por ser un hombre ejemplar quien se ha sacrificado para que cada uno de sus hijos pueda tener todo.
A mi madre por su amor incondicional, sus constantes oraciones, y también porque siempre ha estado para guíame.
A mi ñaño José por ser un hermano amoroso que constantemente me ha dado palabras de aliento y me ha enseñado a ser valiente.
A mi ñaña Fer, mi segunda madre que siempre me ha apoyado cuando más lo he necesitado, y con su sabiduría siempre me ha sabido aconsejar.
A mi hermano Andres por tenerme paciencia y porque siempre ha estado conmigo para defenderme, cuidarme y ayudarme.
A mis hermanos adoptivos: David, Alex y Dany, porque cada uno de ellos han llegado a completar mi familia y de quienes he recibido mucho amor.
También agradezco a mis amigos que han sido como hermanos para mí, gracias por su paciencia, apoyo y por regalarme buenos momentos.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... viii
ABSTRACT ... ix
1. INTRODUCCIÓN ... 1
Objetivo General ... 2
Objetivos Específicos ... 2
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1. ANATOMÍA DE LA MANO ... 3
2.1.1. ESTRUCTURA ÓSEA ... 3
2.1.2. MÚSCULOS Y TENDONES ... 4
2.1.3. ANATOMÍA FUNCIONAL DE LA MANO ... 5
2.1.3.1 La muñeca ... 6
2.1.3.2. Dedos ... 6
2.1.3.3. Pulgar ... 7
2.2. BIOMECÁNICA ... 8
2.2.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE FÍSICA ASOCIADOS A LA BIOMECÁNICA ... 8
2.2.1.1 La mecánica ... 8
2.2.1.2 La fuerza ... 8
2.2.1.3. Leyes de Newton ... 9
2.2.1.4. El Peso ... 9
2.2.1.5. Centro de gravedad ... 10
2.2.1.6. Momento de una fuerza ... 10
2.2.1.7 Elasticidad ... 11
2.2.2 BIOMECÁNICA DEL HUESO ... 12
2.2.2.1 Propiedades mecánicas del hueso ... 12
2.2.2.2 Fuerzas a las que pueden exponerse los huesos ... 13
2.2.3. ARTICULACIONES ... 14
2.2.4. BIOMECÁNICA DE LA MUÑECA ... 16
2.2.4.1 Transmisión de cargas a través de la muñeca ... 17
ii
2.2.5.1. Ejes de los dedos ... 18
2.2.5.2. Funciones de la mano ... 19
2.3. DISEÑO Y MANUFACTURA ASISTIDO POR COMPUTADORA (CAD-CAM)... 21
2.4 CONECTIVIDAD POR RADIOFRECUENCIA ... 24
2.4.1 RECEPCIÓN Y TRANMISIÓN DE SEÑALES ... 24
2.4.2 MODOS DE COMUNICACIÓN ... 25
2.4.3. ESTÁNDARES DE COMUNICACIÓN ... 26
2.4.3.1 IEE 802.15.4 ... 26
2.4.3.2 ZigBee ... 27
2.5 SENSORES DE FLEXIÓN ... 27
3. METODOLOGÍA ... 32
3.1 LA METODOLOGÍA VDI (PARALELA). ... 32
3.2 METODOLOGÍA VDI PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MANO ROBÓTICA CON GUANTE DE MANDO. ... 33
3.2.1 REQUERIMIENTOS ... 33
3.2.2 DISEÑO DEL SISTEMA ... 34
3.2.3 DISEÑO DE LOS SUBSISTEMAS ... 34
3.2.3.1 Diseño Mecánico ... 34
3.2.3.2 Diseño Electrónico y de control ... 34
3.2.4 INTEGRACIÓN DEL SISTEMA ... 35
3.2.5 VALIDACIÓN DEL SISTEMA ... 35
4. DISEÑO ... 36
4.1 SISTEMA SLAVE ... 36
4.1.1 DISEÑO MECÁNICO ... 36
4.1.1.1 Modelo dinámico de un dedo ... 36
4.1.1.2 Obtención de medidas ... 38
4.1.1.3 Diseño de la mano robótica ... 39
4.1.2 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ... 49
4.1.2.1 Corriente para los servomotores ... 51
4.1.2.2 Diagrama de flujo del sistema Slave. ... 52
iii
4.2.1. DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ... 54
4.2.1.1 Caída de tensión en los sensores de flexión. ... 55
4.2.1.2 Configuración de los módulos Xbee ... 56
4.2.1.3 Diagrama de flujo del sistema Master ... 59
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 60
5.1. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SLAVE ... 60
5.2. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA MASTER ... 62
5.3. PRUEBAS DE VALIDACIÓN ... 63
5.3.1. ÁNGULO DE FLEXIÓN ... 63
5.3.2 VELOCIDAD DE RESPUESTA ... 66
5.3.3 FUERZA ... 67
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 69
6.1 CONCLUSIONES ... 69
6.2 RECOMENDACIONES ... 70
BIBLIOGRAFÍA ... 72
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 2. 1.Cantidad de fuerza realizada por cada zona de la mano al hacer
presión un objeto. ... 21
Tabla 4. 1. Propiedades del PLA vs ABS ... 40
Tabla 4. 2. Propiedades Físicas Falange Distal ... 41
Tabla 4. 3. Propiedades Físicas Falange Media ... 41
Tabla 4. 4. Propiedades Físicas Falange Proximal ... 42
Tabla 4. 5. Propiedades Físicas Falanges del pulgar ... 43
Tabla 4. 6. Propiedades Físicas de la Palma ... 44
Tabla 4. 7. Propiedades Físicas de las bases del brazo ... 45
Tabla 4. 8. Propiedades Físicas de las tapas del brazo ... 46
Tabla 4. 9. Propiedades Físicas de la muñeca y su pasador ... 47
Tabla 4. 10. Propiedades Físicas de los soportes y poleas servomotores .. 48
Tabla 4. 11. Propiedades Físicas de los canales de conducción para los tendones. ... 48
Tabla 4. 12. Dispositivos de control ... 49
Tabla 4. 13. Lista de servomotores ... 50
Tabla 4. 14. Tipos de sensores de flexión ... 54
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 2.1.Huesos Carpianos ... 3
Figura 2.2. Vista posterior y posterior de los huesos de la mano ... 4
Figura 2.3.Conexión Intertendinosa ... 5
Figura 2.4.Movimientos de la muñeca. A) Flexión de la mano. B) Extensión de la mano. C) Abducción Cubital. D) Abducción Radial. ... 6
Figura 2.5.Movimiento de los dedos. A) Flexión-Extensión B) Abducción... 7
Figura 2.6. Movimientos del dedo pulgar. ... 7
Figura 2.7.Ejemplo Momento de fuerza ... 10
Figura 2.8. Clasificación de los huesos por su estructura macroscópica .... 12
Figura 2.9. Curva carga-deformación del hueso ... 13
Figura 2. 10. Fuerzas a las que puede ser sometido un hueso ... 13
Figura 2.11. Factores de influencia en las propiedades mecánicas del hueso. ... 14
Figura 2.12.Tipos de articulaciones ... 16
Figura 2.13. Porcentaje de cargas recibido por cada hueso ... 17
Figura 2.14. Ejes de la mano dependiendo la posición de los dedos ... 18
Figura 2.15. Modalidades de prensión de la mano ... 19
Figura 2.16. Interfaz principal AutoCAD ... 22
Figura 2.17. Interfaz Principal SolidWorks ... 23
Figura 2. 18. Modelo generalizado de un sistema de radiocomunicación ... 25
Figura 2. 19. Modos de transmisión de datos ... 25
Figura 2. 20. Topologías Básicas de una Red. ... 27
Figura 2. 21. Modo de trabajo sensor de flexión “Spectra-symbol” ... 28
Figura 2. 22. Modo de trabajo sensor de flexión “Tactilus” ... 28
Figura 2. 23. Circuito básico para un sensor de flexión ... 29
Figura 2. 24. Sensor de flexión de tinta conductiva ... 30
Figura 2. 25. Sensor de flexión de fibra óptica ... 30
vi
Figura 3. 1. Metodología para diseño mecatrónico en V. ... 32
Figura 4. 1. Diagrama de un dedo 3 GDL ... 37
Figura 4. 2. Radiografía de la mano con medidas ... 39
Figura 4. 3. Falange distal ... 40
Figura 4. 4. Falange Media ... 41
Figura 4. 5. Falange proximal ... 42
Figura 4. 6. Tapa palma ... 43
Figura 4. 7. Base palma ... 44
Figura 4. 8. Dimensión Servomotor ... 50
Figura 4. 9. Circuito del brazo robótico (Slave) ... 51
Figura 4. 10. Diagrama de flujo control Slave ... 53
Figura 4. 11. Lilypad Arduino ... 55
Figura 4. 12. Circuito del master (guante). ... 55
Figura 4. 13.Circuito sensor de flexión ... 56
Figura 4. 14. Captura búsqueda de dispositivos ... 57
Figura 4. 15. Captura Selección de dispositivo ... 57
Figura 4. 16. Captura Selección de dispositivo ... 58
Figura 4. 17. Captura de envió de datos ... 58
Figura 4. 18. Diagrama de flujo control Master ... 59
Figura 5. 1. A) Impresión de Falanges. B) Impresión primera tapa y base brazo. C) Ensamblaje de la palma y de dedos. ... 60
Figura 5. 2. Modelo en SolidWorks y Mano ensamblada. ... 61
Figura 5. 3. A) Switch Dline/Uart Xbee Shield. B) Sistema electrónico Slave ... 62
Figura 5. 4. A) Ubicación de los sensores en el guante. B) Ubicación del Lilypad Arduino. C) Ubicación del Shield Xbee Lilypad. D) Conexión de Hilo de pines con conductor. ... 63
Figura 5. 5.Circuito para sensar la velocidad de respuesta del Slave frente al Master ... 66
Figura 5. 6. Velocidad de respuesta del sistema Slave ... 67
Figura 5. 7. Medición de la fuerza ejercida por cada dedo ... 67
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo I. ... ……….
Modelo Dinámico de un Dedo ... 75
Anexo II. ………..
viii
RESUMEN
ix
ABSTRACT
1 En las últimas décadas se ha visto un desarrollo exponencial de tecnología que va en aumento con otras ramas como la medicina, biología, aeronáutica, seguridad industrial entre otras, sin embargo no todos los países se dedican a desarrollar tecnología, como el caso del Ecuador, que ha venido siendo principalmente un país productor y exportador de materia prima, por lo que surge un gran problema y es que ha dejado de lado campos de investigación y desarrollo de nuevas tecnologías que permitan el progreso no solo económico sino intelectual del país; uno de estos campos es la robótica. A pesar de que el país cuenta con alrededor de 6 carreras que se relacionan de forma directa o indirecta con la robótica, no se han logrado avances relevantes en esta área.
Existen profesiones que representan un riesgo potencial para la salud de las personas, y que a la vez exigen las capacidades motrices de una persona calificada que no pueden ser automatizadas. Es por eso que se pretende explorar tecnologías que puedan asegurar la salud del trabajador a la vez que se no se pierda las habilidades de los mismos, tal es así que la manifestación de los siguientes problemas pueden ser solucionados con herramientas tecnológicas como manos robóticas asistentes controladas a distancia:
-La manipulación de sustancias tóxicas que puede producir gran daño a la salud del trabajador
-Existen también profesiones que exigen un alto riesgo para la vida del trabajador como es el caso de los escuadrones antibombas.
-El tiempo que toma un doctor especialista en trasladarse de un lugar a otro, podría ser invertido en atender a otros pacientes.
1. INTRODUCCIÓN
2 ser mejorado y acondicionado para las diferentes necesidades requeridas; para realizar este prototipo se puntualizan los siguientes objetivos.
Objetivo General
Diseñar una mano robótica que emule los movimientos del operario y que pueda ser controlada de forma inalámbrica con un mando de guante.
Objetivos Específicos
-Diseñar y construir el sistema mecánico de una mano robótica que cumplirá la función de Slave del sistema, que sea capaz de mover los dedos y muñeca con los mismos ángulos que una mano real.
-Diseñar el sistema electrónico y de control que actúe sobre los movimientos del sistema mecánico de la mano robótica.
-Diseñar y construir el guante que cumplirá la función de Master del sistema, que cuente con sensores estratégicamente colocados para que puedan interpretar los movimientos de la mano del operario.
-Diseñar el sistema electrónico y de control del guante para la adquisición y tratamiento de las señales de los sensores.
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1. ANATOMÍA DE LA MANO
Las características tanto óseas, musculares y articulares de la mano y el antebrazo, permiten que el humano pueda realizar diversos movimientos motores finos como por ejemplo realizar señales o sujetar objetos de distintas formas y propósitos.
2.1.1. ESTRUCTURA ÓSEA
Según Rouvière (2005), la estructura ósea de la mano se la divide en tres regiones: el carpo (muñeca), el metacarpo (palma), y falanges (dedos). Como se en muestra la figura 2.1, el carpo se compone de 8 huesos que se caracterizan por su corto tamaño y juntos forman dos filas, las cuales tienen una concavidad en su cara anterior por las que pasan los tendones que flexionan los músculos. Cada fila de estos huesos son articulares (se articulan entre sí).
Figura 2.1.Huesos Carpianos (Rouvière, 2005)
4 contacto con el carpo y son articulares con el mismo. De acuerdo con Moore (2013) los huesos carpianos al igual que los dedos se enumeran del 1ro al 5to
empezando desde el dedo pulgar como lo muestra la figura 2.2 B.
Figura 2.2. Vista posterior y posterior de los huesos de la mano (Moore, 2013)
Las falanges al igual que los huesos metacarpianos también constan de cabeza, base y cuerpo. Tal es así que la cabeza de cada falange se unen con la base del siguiente para formar una articulación, por ejemplo la cabeza de los dedos metacarpianos se unen a la base de las falanges que lo continúan (falanges proximales). Cada dedo se compone de tres falanges a excepción del pulgar que solo tiene dos. (Moore, 2013).
2.1.2. MÚSCULOS Y TENDONES
5 Si bien la estructura ósea permite que los dedos se muevan a través de las articulaciones, los tendones son los que limitan el movimiento de los mismos tal así que los tendones se unen a través de una conexión intertendinosa al llegar a la articulación metacarpofalangiana (nudillos) como se muestra en la figura 2.3, por este motivo no se puede flexionar en su totalidad un dedo independiente si los otros se encuentran extendidos, el pulgar en cambio tiene músculos extras permiten mayor complejidad de movimientos a diferencia de los demás dedos. (Moore, 2013).
Figura 2.3.Conexión Intertendinosa (Moore, 2013)
2.1.3. ANATOMÍA FUNCIONAL DE LA MANO
“La mano es el órgano de la prensión. Su importancia funcional necesita de
un conjunto motor que se extiende desde los segmentos suprayacentes de
miembro hasta los subyacentes, esto es, los dedos, con el fin de obtener una prensión sólida y precisa a la vez”. (Rouvière, 2005).
6 (índice, medio, anular y meñique) pero en cuanto al pulgar se tiene que hablar independientemente del resto debido a la complejidad de sus movimientos. Cabe mencionar que los movimientos de los huesos puede variar un poco en relación al sexo, edad, y estructura ósea de la persona.
2.1.3.1 La muñeca
La flexión y extensión de la muñeca dependen de la articulación radiocarpiana y mediocarpiana entre las cuales existe un ángulo de flexión de 80 grados en promedio como se muestra en la figura 2.4 A, B, en cuanto a los movimientos de abducción radial y abducción cubital es posible articular hasta 25 grados cada una, teniendo así un ángulo total de 50 grados figura 2.4 C, D. (Rouvière, 2005).
Figura 2.4.Movimientos de la muñeca. A) Flexión de la mano. B) Extensión de la mano. C) Abducción Cubital. D) Abducción Radial.
(Rouvière, 2005)
2.1.3.2. Dedos
7 articularse de 65 a 90 grados, la articulación interfalangiana proximal de 110 a 130 grados y 90 grados la metacarpofalangiana. En la figura 2.5 B, se muestra el movimiento de abducción que puede lograr cada uno de los dedos al separarse del eje de la mano. (Rouvière, 2005).
Figura 2.5.Movimiento de los dedos. A) Flexión-Extensión B) Abducción. (Rouvière, 2005)
2.1.3.3. Pulgar
Como se mencionó anteriormente el pulgar es un caso especial no solo por su localización sino también que este tiene dos movimientos (oposición y reposición) más a diferencia de los otros dedos como se indica a continuación en la figura 2.6.
8
2.2. BIOMECÁNICA
Existen muchas definiciones para biomecánica por ejemplo, el United States National Commitee on Biomechanics afirmo que “La biomecánica aplica los principios y la metodología de la mecánica para resolver los problemas relacionados con el hombre y otros seres vivos”. Por otro lado James Hay (1973), dijo que la biomecánica “Es la ciencia que estudia las fuerzas interna y externa, y como estas inciden sobre el cuerpo humano”. Si bien ambos conceptos son muy acertados se puede agregar que la biomecánica se basa un poco más en conceptos mecánicos y fenómenos físicos. (Miralles, 2007).
2.2.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE FÍSICA ASOCIADOS A LA BIOMECÁNICA
Es necesario conocer ciertos conceptos introductorios a la biomecánica.
2.2.1.1 La mecánica
La mecánica asociada a la biomecánica es la misma que se utiliza para el estudio de cuerpos en el espacio, es decir se puede subdividirla en, cinemática, dinámica y estática. Mientras que la dinámica estudia los cuerpos en movimiento y las fuerzas que actúan sobre este, por otro lado la estática estudia el equilibrio de los cuerpos es decir cuerpos en reposo; por último la cinemática estudia el movimiento de un cuerpo sin tomar en cuenta las fuerzas que lo producen. (Hibbeler, 2004).
2.2.1.2 La fuerza
9 2.2.1.3. Leyes de Newton
Las tres leyes de Newton también se las conoce como las leyes de la dinámica, como señala Hibbeler (2004) “Todo tema de la mecánica del cuerpo rígido esta formulado con base a las tres leyes de movimiento de Newton, cuya validez se basa en la observación experimental”.
-Primera ley (inercia): un cuerpo permanecerá en reposo siempre y cuando este no sea sometido a ninguna fuerza y si el cuerpo está en movimiento permanece con velocidad constante. (Hibbeler, 2004).
-Segunda ley: Newton menciona que “El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime” generalmente esta ley se la representa con la fórmula 1.1:
*
F m a [1.1]
Donde:
F: fuerza resultante. m: masa total.
a: aceleración que se produce en el cuerpo.
-Tercera ley: se la conoce también como ley de acción y reacción de los cuerpos, tal es así que Newton señala: “Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos
cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto”.
2.2.1.4. El Peso
10 2.2.1.5. Centro de gravedad
El centro de gravedad es el punto de aplicación de la suma de las fuerzas o la fuerza resultante producida por el peso de un cuerpo, tal es así que el centro de gravedad de cuerpo homogéneo será exactamente el centro geométrico de este, si este no fuese el caso, su centro de gravedad será diferente (Hibbeler, 2004).
2.2.1.6. Momento de una fuerza
De acuerdo con Hibbeler (2004) “El momento de una fuerza con respecto a un punto o eje proporciona una medida de la tendencia de la fuerza a
ocasionar que un cuerpo gire alrededor de un punto o eje.” El momento se calcula multiplicando la fuerza aplicada a un cuerpo por la distancia que está de un punto de apoyo. Si el momento de fuerza no produce movimiento el cuerpo está en equilibrio y si este produce movimiento en sentido anti horario el momento será positivo y viceversa. Para entender esto a continuación se presenta un ejemplo propuesto por Miralles (2007) de un brazo en equilibrio para sostener un peso con la mano:
11 Donde:
O: articulación del codo P1: objeto de 3Kgf
P: peso del antebrazo de 1Kgf (ubicado en su centro de gravedad).
Se necesita entonces hallar la fuerza necesaria para que el bíceps (T) pueda sostener el objeto y la fuerza que se produce en la articulación brazo-antebrazo (N).
Para que el sistema esté en equilibrio se puede decir que la suma de las fuerzas es cero.
1 0 1
T N P P
T N P P
[2.2]
Como los momentos no producen movimiento (equilibrio) también se puede decir que la sumatoria de momentos es cero.
1
0
* 0.5m 1 * 0.17 m 3 * 0.34 m 0
25.8
MT MP M
T Kgf Kgf
T Kgf
Se reemplaza T en la ecuación 2.2 y se obtiene que N= 21,8Kgf.
2.2.1.7 Elasticidad
12 2.2.2 BIOMECÁNICA DEL HUESO
El hueso al igual que una estructura también tiene propiedades mecánicas ya que no solo sirve como soporte sino también como protección de órganos. Como menciona Viladot Voegeli (2001) el hueso como estructura se compone de hueso cortical, hueso esponjoso, periostio y endostio, vasos sanguíneos, nervios, medula ósea e inserciones musculares y se los puede clasificar como lo muestra la figura 2.8:
Figura 2.8. Clasificación de los huesos por su estructura macroscópica
2.2.2.1 Propiedades mecánicas del hueso
El esqueleto humano cumple la función principal de soportar las cargas que son transmitidas de un hueso a otro por medio de articulaciones, los huesos tiene 3 propiedades mecánicas fundamentales que son: resistencia, rigidez elasticidad. La figura 2.9 muestra una curva carga-deformación en la que se puede observar claramente las regiones, la región elástica A-B es cuando el hueso puede deformarse y recuperarse, lo que no pasa en la región plástica B-C que el hueso ya no volvería a la normalidad, por último en el punto de rotura C, el hueso terminaría quebrándose, cabe mencionar que si la carga se aplica bruscamente el hueso alcanzaría su punto de rotura antes de lo que se indica. (Viladot Voegeli, 2001).
Tipos de huesos (por su estructura
macroscópica) No tubulares
Tubulares Planos
13 Figura 2.9. Curva carga-deformación del hueso
(Viladot Voegeli, 2001)
2.2.2.2 Fuerzas a las que pueden exponerse los huesos
De acuerdo con Viladot Voegeli (2001), un hueso puede enfrentarse a las siguientes fuerzas descritas en la figura 2.10, cabe mencionar que estas fuerzas pueden presentarse más de una al mismo tiempo.
Figura 2. 10. Fuerzas a las que puede ser sometido un hueso (Viladot Voegeli, 2001)
14 alarga y adelgaza; la flexión es una combinación de estas dos últimas fuerzas, las que producen que el hueso se doble. La fuerza de cizallamiento es cuando se aplican fuerzas en dirección contraria que son perpendiculares a la superficie del cuerpo produciendo así un esfuerzo cortante; en la fuerza de torsión existen fuerzas de cizallamiento a lo largo del cuerpo, lo cual produce que este tienda a girar en su propio eje. Las causas por las cuales puede producirse una fractura en los huesos es cuando las cargas o fuerzas aplicadas sobrepasan el límite de resistencia característico de dicho hueso o también pueden fracturarse cuando una carga es repetitiva (fatiga ósea), (Viladot Voegeli, 2001), tal como lo muestra la figura 2.11.
Figura 2.11. Factores de influencia en las propiedades mecánicas del hueso.
(Viladot Voegeli, 2001)
2.2.3. ARTICULACIONES
15 articulaciones por su movimiento pueden ser no axiales, axiales (un eje de libertad), biaxiales (dos ejes de libertad), triaxiales o multiaxiales (tres ejes de libertad); y por su estructura estos pueden ser clasificados como lo muestra la figura 2.12:
-Articulaciones Planares: son articulaciones no axiales sin embargo, el hueso se mueve sobre una superficie plana como lo hacen algunos huesos carpianos.
- Articulaciones Trocleartrosis: también conocidas como bisagra, debido a su similitud estructural o también se la compara con una polea, un ejemplo de esta articulación es el codo.
- Articulaciones Trocoides: solo realizan un movimiento de rotación, un ejemplo claro de esto es la articulación radiocubital. Tanto estas articulaciones como las Trocleartrosis son articulaciones axiales.
- Articulaciones Condilartrosis: son articulaciones biaxiales de superficies en forma de cúpula una convexa y la otra cóncava, se las puede hallar en la mano en las articulaciones metacarpofalangica (nudillos).
- Articulaciones en silla de montar: se las llama así debido a su similitud a una silla de montar, están en dirección contraria la una de la otra, estas también son articulaciones biaxiales, están presentes en la articulación trapeciometacarpiana.
16 Figura 2.12.Tipos de articulaciones
(Chou, N/D)
2.2.4. BIOMECÁNICA DE LA MUÑECA
De acuerdo con Viladot Voegeli (2001), desde el punto de vista biomecánico, la muñeca no solo es una de las articulaciones más complejas del cuerpo si no también es un mecanismo de transmisión de cargas de la mano hacia el antebrazo.
17 2.2.4.1 Transmisión de cargas a través de la muñeca
Si bien la trasmisión de cargas dependen de muchos factores físicos y anatómicos, Viladot Voegeli (2001) demostró que aproximadamente “por cada kilogramo de fuerza realizada con el puño cerrado, el carpo recibe fuerzas de compresión de entre 10 y 14 kg”, también demostró que si la posición de la muñeca es neutra, el 80% de fuerzas aplicadas son trasmitidas al radio y el 20% al cubito; de las fuerzas que llegan al radio, el 60% pasan por la articulación radio-escafoides, y el 40% de la fosa del semilunar como lo muestra la figura 2.13.
Figura 2.13. Porcentaje de cargas recibido por cada hueso (Illustratieve anatomie: Schouder & armen, 2012)
Cabe recalcar que estos valores son aproximados y dependen mucho de la posición en la que se encuentre la muñeca ya que si esta se encuentra en inclinación el área de contracto de los huesos carpianos también cambia ocasionando que la distribución de cargas también cambie.
2.2.5. BIOMECÁNICA DE LA MANO
18 esto sino también que sirve como mecanismo de recepción sensorial es decir puede apreciar de forma no especifica la temperatura, rugosidad, humedad, viscosidad de un objeto. (Viladot Voegeli, 2001).
2.2.5.1. Ejes de los dedos
En la figura 2.14 A, se puede observar la posición normal de la mano, es decir cuando esta se encuentra en reposo; desde el punto de vista biomecánico, como también para la realización de prótesis, esta posición de la mano es indispensable para la toma mediciones y ejecución de cálculos; Se observa que el meñique como el anular se encuentran casi paralelos mientras los ejes del medio y del índice convergen un poco más debajo de la zona carpiana. Cuando los dedos de la mano están completamente abiertos se puede observar figura 2.14 B, como los ejes de cada uno de estos convergen a nivel del escalafoide, en cambio sí se aproximan todos los dedos entre si figura 2.14 C, se observa que los ejes de cada dedo tienden a estar paralelos uno con otro. (Viladot Voegeli, 2001).
19 2.2.5.2. Funciones de la mano
Según Viladot Voegeli (2001) “la mano tiene múltiples funciones, siendo la más importante la de tocar que es una función sensitiva y la de prensión que es una función motora”. La mano en cuanto a funcionabilidad motriz, puede tomar varias combinaciones de presión, dependiendo la función que necesite realizar, se puede decir que las presiones más frecuentes son los descritos en la figura 2.15. Y que según Viladot Voegeli (2001) se pueden explicar de la siguiente manera:
Figura 2.15. Modalidades de prensión de la mano (Viladot Voegeli, 2001)
A) Presión terminal de los dedos: es cuando a modo de pinza se hace presión con el pulpejo del dedo pulgar con otro dedo, es muy útil cuando se requiere precisión y no tanta fuerza de sujeción.
20 C) Presión subtermino lateral de los dedos: es cuando la cara palmar del dedo pulgar hace presión con la cara radial del dedo índice, esta posición hace que se gane mucho más fuerza que las dos anteriores pero limita la maniobrabilidad, es por eso que depende mucho de la muñeca para realizar movimientos, como por ejemplo el accionar una llave de puerta.
D) Presión digitopalmar completa: en este caso se puede observar que la palma empieza a trabajar en conjunto con los dedos para sujetar objetos más grandes, el pulgar opuesto sirve también para asegurar el objeto, esta posición es la más utilizada para objetos pesados pero se sacrifica la maniobrabilidad con los dedos, es por eso que como en el anterior caso se depende mucho de los movimientos del brazo y de la muñeca para realizar diferentes acciones.
E) Presión digitopalmar incompleta: es la misma presión que la anterior, se utilizan todos los dedos y la palma para sostener objetos pero sin utilizar la sujeción del pulgar, como es de esperarse no proporciona la misma estabilidad, generalmente se usa para objetos livianos como por ejemplo al mover una palanca, en algunos casos es útil también cuando se necesita tener el movimiento del pulgar libre para otro accionamiento por ejemplo un joystick.
F) Presión laterolateral de los dedos: Es una sujeción en la que se hace presión entre los dedos índice y medio, no es tan habitual debido a que es débil y de poca maniobrabilidad, generalmente se la utiliza para objetos pequeños como por ejemplo un cigarrillo.
21
Tabla 2.1.Cantidad de fuerza realizada por cada zona de la mano al hacer presión un objeto.
Hombre Mujer
P. Digitopalmar 45 kg-f 25 kg-f
P. Polidigital entre los pulpejos
de los dedos 8 Kg-f 6 Kg-f
P. lateral de los dedos 7.5 Kg-f 5 Kg-f
2.3. DISEÑO Y MANUFACTURA ASISTIDO POR
COMPUTADORA (CAD-CAM)
Hoy en día las herramientas de diseño y manufactura asistida por computadora, son indispensables en la producción no solo de las grandes compañías sino también de las medianas y pequeñas industrias. El diseño asistido por computadora (CAD) consta de un software que permite al diseñador crear dibujos, editarlos y manipularlos ya sea desde una vista específica o en 3 dimensiones, muchos software de diseño son capaces también de simular ensayos mecánicos de los objetos diseñados lo que ayuda al diseñador a corregir errores antes pasar al siguiente proceso; también existen herramientas de manufactura asistida por computadora (CAM) que cumplen la función de controlar maquinarias y herramientas programables que se encargan de todo o parte del proceso de manufactura, que puede ir desde el tratamiento de la materia prima hasta el producto listo para su distribución. Existen también sistemas CAM/CAD, que son herramientas en las cuales se puede diseñar y también generar el código necesario de dicho diseño para ser cargada en la maquinaria, estas herramientas son más eficientes ya que minimiza el tiempo en el proceso de fabricación y reduce errores producidos por falta de comunicación entre proceso y proceso. (Krajewski, 2000).
22 ofrecen paquetes integrados dependiendo la necesidad del cliente, a continuación se mencionarán algunas de estas herramientas:
-AutoCAD: Desarrollado por la empresa AutoDesk que también ofrece muchas otras herramientas de diseño ingenieril, AutoCAD es un software en el cual se pueden hacer diseños tanto en 2D como en 3D, la ventaja de esta herramienta es que muchos software son compatibles con este. En cambio la desventaja de AutoCAD es que requiere muchos conocimientos para poder manejarlo en su totalidad, por ejemplo incorpora un cuadro donde introducen comandos para diferentes acciones figura 2.16, es decir no es muy amigable con nuevos usuarios. (Curso AutoCAD, 2012) (Montero, 2014).
Figura 2.16. Interfaz principal AutoCAD (Montero, 2014)
23 otras. También existen herramientas compatibles con SolidWorks que permiten ser instaladas sobre su plataforma para poder extender el alcance de este software como por ejemplo, SolidCAM integra al Solidworks una herramienta de Manufactura Asistida por Computadora que permite realizar el mecanizado de una pieza para luego traducirlo a un lenguaje comprensible por la maquinaria que la manufacturará. (SolidWorks, 2015).
Figura 2.17. Interfaz Principal SolidWorks (PCFGandhi, 2015)
-Solid Edge: creada por la empresa SIMENS, es una herramienta muy similar a SolidWorks en cuanto a diseño en 3D, es una herramienta intuitiva y amigable con el diseñador, y a pesar de que cuenta con paquetes de simulación, fabricación y gestión del diseño, no tiene algunas herramientas adicionales que faciliten análisis de ingeniería, para hacer eso se requiere migrar el modelo a otro software capaz de cumplir la necesidad del diseñador, como por ejemplo ANSYS. (Solid Edge, 2015).
24 en algunas originales. Para crear el código G entendible por la mayoría de impresoras este software necesita de otro llamado Slic3r que se instala sobre su misma plataforma. La configuración de Repetier-Host es un tanto complicada debido a que se puede configurar hasta el más mínimo de los parámetros para determinada impresora, la ventaja de esto es que dicha configuración es más precisa. (Repetier-Host, 2015).
-Simplify3D: Este software CAM al igual que el anterior es netamente para impresoras en 3D, a diferencia de Repeter-Host, es mucho más amigable con el usuario, este cuenta con configuraciones ya predeterminadas para más del 90% marcas de impresoras existentes en el mercado, por lo que no necesita mayor configuración del usuario, es decir solo se escoge el modelo de la impresora, se carga el diseño en 3D, y este genera sin necesidad de otro software el código G; la única desventaja es que no puede ser configurada para modelos nuevos o modelos genéricos especiales. (Simplify3D, 2015).
2.4 CONECTIVIDAD POR RADIOFRECUENCIA
Como menciona Pérez, (2007), se conoce como radio, a la transmisión de señales sin conexión física, por medio de ondas electromagnéticas que viajan en el espacio o vacío, es entonces que radiofrecuencia se entiende como la frecuencia de dichas ondas electromagnéticas útiles para propósitos de comunicación.
2.4.1 RECEPCIÓN Y TRANMISIÓN DE SEÑALES
25 se ocupa, la frecuencia utilizada, características en el medio de propagación, entre otros.
Figura 2. 18. Modelo generalizado de un sistema de radiocomunicación (Laster, 1985)
2.4.2 MODOS DE COMUNICACIÓN
La figura 2.19 muestra tres tipos de comunicación los cuales no solo se aplican para radiofrecuencia sino para cualquier tipo de comunicación mediante datos de forma inalámbrica o no. De acuerdo con Tomasi, (2003) existen cuatro modos de comunicación posibles, los cuales se describen a continuación.
26 a) Simplex.- es un modo de comunicación en un sentido, el emisor solo puede emitir información y el receptor únicamente recibe dicha información.
b) Half dúplex.- puede recibir y enviar información por el mismo medio de transmisión, sin embargo no lo puede hacer simultáneamente, es decir o bien está recibiendo o enviando datos.
c) Dúplex.- se da lugar cuando se puede tanto recibir como enviar datos al mismo tiempo sin perdidas por un medio de transmisión sea este un cable, ondas de luz o radio frecuencia.
d) Dúplex / dúplex.- la comunicación es similar a la dúplex, es decir puede enviar y recibir datos al mismo tiempo, pero esta puede enviar y recibir datos no solo entre dos puntos sino también a una tercera terminal.
2.4.3. ESTÁNDARES DE COMUNICACIÓN
Mendez (2004), menciona que la necesidad de crear estándares de comunicación se debe a que los fabricantes necesitaban que la comunicación de sus productos sea compatibles con los de otros fabricantes.
2.4.3.1 IEE 802.15.4
27 2.4.3.2 ZigBee
El estándar Zigbee es una mejora del estándar anteriormente mencionado, por ejemplo en una red 802.15.4 solo se pueden comunicar dispositivos punto a punto y punto a multipunto estrella, es decir que este no puede llevar la información de un punto a otro si este se encuentre bloqueado por un distinto punto (conexión entre pares) como lo muestra la figura 20, por otro lado ZigBee si permite este tipo de conexión en la cual los datos viajan de punto a punto hasta llegar a su destino, convirtiendo cada uno de estos puntos en routers, como consecuencia de este procesamiento extra de información, la latencia será más alta por ende el throughput o velocidad efectiva será menor. (Latencia: tiempo en que los datos demoran en llegar y son procesados/ throughput: Cantidad de información que se puede enviar en una unidad de tiempo). (Benchimol, 2011).
Figura 2. 20. Topologías Básicas de una Red. (Benchimol, 2011)
2.5 SENSORES DE FLEXIÓN
28 medida que el ángulo de flexión también aumenta como muestra la figura 2.21. Cabe mencionar que existen sensores que no solo miden el ángulo de flexión sino también el momento, es decir que tiene la capacidad de saber el lugar donde se realizó la flexión como se aprecia en la figura 2.22. (cxnull, 2011).
Figura 2. 21. Modo de trabajo sensor de flexión “Spectra-symbol” (Flex Sensor, 2015)
Figura 2. 22. Modo de trabajo sensor de flexión “Tactilus” (Tactilus Flex, 2010)
29 Figura 2. 23. Circuito básico para un sensor de flexión
(Flex Sensor, 2015)
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 ( 𝑅1
𝑅1 + 𝑅2)
[2.3]
De acuerdo con cxnull (2011), existen diferentes tipos de sensores de flexión, se los puede clasificar de la siguiente manera:
Según su dirección de flexión pueden ser de dos tipos:
a) Unidireccionales: solo se doblan en una dirección y se refleja en un valor resistivo en un rango que depende del ángulo de flexión y también del fabricante.
b) Bidireccionales: que pueden ser doblados por ambos lados, mientras unos arrojan un valor negativo dependiendo el lado de flexión (bipolares), otros mandan el mismo valor sin importar la dirección (unipolares) en que se los doble.
Según su material de fabricación pueden ser:
30 en contacto aumentando así la resistencia del sensor. La tinta está compuesta de carbono o plata, el cual se lo mescla en un medio pigmentado, haciendo que las partículas de carbono floten en la tinta. Algunas ventajas de estos sensores son: que el ruido es insignificante, alta tolerancia a humedad y temperatura, precio relativamente bajo y pueden ser de tamaños personalizados. En la figura 2.24 se puede apreciar un sensor de este tipo.
Figura 2. 24. Sensor de flexión de tinta conductiva (Tactilus Flex, 2010)
b) Fibra-óptica: También llamados goniómetros ópticos, son en base de luz, en un extremo emite un rayo de luz que atraviesa la fibra óptica de plástico, esta luz es detectada al otro extremo como se observa en la figura 2.25., cuando la fibra es doblada da como resultado una perdida en el intensidad de luz ocasionando así un cambio en la salida del sensor. Estos sensores también pueden ser fabricados con un diodo LED y un fotodiodo uno en cada extremo de cable de fibra óptica. Son sensores bidireccionales y unipolares, no son muy comerciables sino que son desarrollados en laboratorios con fines de investigación, por lo pueden ser muy costosos.
31 c) Tela conductiva / base de polímeros, como se muestra en la figura 2.26, se trata de dos láminas de material conductivo y en medio una lámina de material resistivo generalmente se usa velostat, todo esto se cubren con dos láminas de material resistente como por ejemplo el neopreno.
Figura 2. 26. Estructura de un sensor de flexión de tela conductiva. (Satomi , 2010)
32
3. METODOLOGÍA
3.1 LA METODOLOGÍA VDI (PARALELA).
La metodología propuesta por la Ingenieure Verein Deutshcher (Asociación de Ingenieros Alemanes) es también una metodología en paralelo que soluciona la evaluación final de la integración del sistema a fin de corregir errores antes de terminar el producto como lo indica la figura 3.1. Por esta razón el presente trabajo de titulación se realizó utilizando dicha metodología.
Figura 3. 1. Metodología para diseño mecatrónico en V.
(Ingenieure Verein Deutshcher, 2004)
Siguiendo esta metodología se tiene que definir inicialmente todos y cada uno los requerimientos del proyecto, desde las características físicas hasta las funciones finales del sistema, se puede decir que es la etapa de definición del problema, es preferible que estos requerimientos sean medibles.
33 definen concretamente las características y las funciones que solucionen el problema, esto se hace para poder evaluar los resultados y verificar si existen errores, a fin de corregirlos. Posterior a esto se procede al diseño específico de cada disciplina de la ingeniería independientemente una de la otra, como son en este caso: diseño mecánico, diseño electrónico, diseño de control. Cabe recalcar que cada una de estas ingenierías cuenta con sus respectivos diseños y cálculos detallados que ayuden a cumplir su función. Tras verificar el desempeño de cada subsistema ingenieril, inicia la etapa de integración del sistema, en la que se unen todos los subsistemas para desarrollar el producto en esta etapa también se evalúa el desempeño y se observa si existe algún error verificando si cumple con los requerimientos iniciales, en el caso de existir algún error se tiene que volver a la etapa de diseño para corregirlo (Ingenieure Verein Deutshcher, 2004).
3.2 METODOLOGÍA VDI PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MANO ROBÓTICA CON GUANTE DE MANDO.
Como propone la metodología en V, se inició definiendo los requerimientos tanto del guante (Master) como de la mano robótica (Slave), posteriormente se precedió a desarrollar los subsistemas que integran tanto el sistema Master como el sistema Slave, finalmente se propuso una serie de pruebas que verificaron la funcionabilidad del sistema, lo que arrojó como resultado criterios que permitieron deducir si este cumplió los requerimientos deseados.
3.2.1 REQUERIMIENTOS
34 3.2.2 DISEÑO DEL SISTEMA
En el diseño del sistema, específicamente la selección de los elementos que lo componen, se realizó tomando en cuenta no solo que estos cumpliesen la función requerida sino también que puedan ser fácilmente acoplados unos con otros, cabe mencionar que se consideró también el precio de estos. Para el diseño mecánico se utilizó una herramienta que permita realizar el modelo en 3D y que pueda ser importada a un software CAM.
3.2.3 DISEÑO DE LOS SUBSISTEMAS
El diseño de los subsistemas se realizó independientemente uno de otro como propone la metodología en V. El proyecto se separó en dos subsistemas principales que son sistema Master (guante) y sistema Slave (mano robótica), los mismos que se subdividen diseño mecánico, diseño electrónico y de control.
3.2.3.1 Diseño Mecánico
El modelo mecánico de la mano robótica se lo realizó en SolidWorks porque es una herramienta amigable con el diseñador y permite exportar archivos .stl que es el formato aceptado por la mayor parte de impresoras 3D. Se procedió con la creación de piezas independientemente y luego se realizó el ensamble para verificar no solo sus medidas, sino también las limitaciones mecánicas que permitan el ángulo correcto de flexión y extensión de cada articulación. Como parte del diseño mecánico también se obtuvo el modelo dinámico de un dedo.
3.2.3.2 Diseño Electrónico y de control
35 para el sistema Slave como para el Master se lo realizó en la plataforma de programación Arduino.
3.2.4 INTEGRACIÓN DEL SISTEMA
Para integrar tanto el sistema mecánico, electrónico y de control fue necesario primero verificar el funcionamiento independiente de cada uno de estos sistemas, por ejemplo para el sistema mecánico Slave se tuvo que realizar la impresión de un dedo para confirmar que los movimientos de este sean los deseados, en cambio para verificar el sistema electrónico y de control en conjunto se verifico que la señal de los sensores llegará sin ninguna perdida y de forma sincronizada de un punto a otro. Posteriormente se integró todos los sistemas y se procedió a realizar el protocolo de pruebas donde la mano robótica deberá imitar movimientos de la mano.
3.2.5 VALIDACIÓN DEL SISTEMA
36 El diseño mecatrónico como se planteó en el capítulo de metodología, se dividió en dos sistemas Master / Slave y después se procedió al diseño de los subsistemas independientes para luego integrarlos. Esto permitió corregir errores al momento de diseñar cada sistema para que estos no den ningún problema al momento de la integración.
Es importante recordar el concepto de Master y Slave, según Mataix Lorda (1999) un sistema maestro esclavo se define como: “la configuración multiproceso en la que un ordenador controla a otro”. Cabe mencionar que el Master es el guante quien envía la señal para que la mano (Slave) realice los movimientos.
4. DISEÑO
4.1 SISTEMA SLAVE
El sistema Slave es todo lo que se refiere a la mano robótica: diseño del sistema mecánico, diseño del sistema electrónico y de control, y los elementos que componen cada subsistema. Este sistema se encarga de recibir y escalonar la señal transmitida por el Master.
4.1.1 DISEÑO MECÁNICO
En el diseño mecánico se describe desde la captura de medidas hasta el modelado de la mano robótica. También se dejó expresado un modelo dinámico que permita determinar el torque necesario en cada articulación del dedo.
4.1.1.1 Modelo dinámico de un dedo
37 Figura 4. 1. Diagrama de un dedo 3 GDL
Donde:
m1= masa de la falange proximal
m2= masa de la falange media
m3= masa de la falange distal
q1= ángulo de dirección de la f.p., respecto al eje x.
q2= ángulo de dirección de la f.m., respecto al eje de la f.p.
q3= ángulo de dirección de la f.d., respecto al eje de la f.m.
l1= longitud de la f.p.
l2= longitud de la f.m.
l3= longitud de la f.d.
d1= l1/2
d2= l2/2
d3= l3/2
T=Torque
S1=Sen(q1) C1=Cos(q1)
S2=Sen(q2) C2=Sen(q2) S3=Sen(q3) C3=Sen(q3) S12=Sen(q1+ q2) C12=Cos(q1+ q2)
38 4.1.1.2 Obtención de medidas
Se tomó como referencia la mano de una persona; para que la obtención de medidas sea más precisa se realizó una radiografía de la mano, como lo muestra la figura 4.2 se logró medir el ancho y altura de cada falange y de la palma utilizando un tablero de dibujo técnico con escalas milimétricas.
Para el diseño del antebrazo se tomó como referencia a la misma persona de la radiografía, en este caso también se utilizó un calibrador en tres puntos, en el cual se midió el ancho y la profundidad.
1
2 2 2 2 2
1 1 1 2 1 1 1 2 2 3 1 2 3 1 2 2 1 3 23 2 3 1
2 1 2 2 2 3 1 2 2 2 1 3 23 2 3 1
2 2 2
2 1 2 2 2 3 1 2 2 1 3 23 2 2 3 3 3 2
2 1 3
2 2 2 2
2 2 2
2 i
d L L
dt q i
T m d m l d l d C m l l d l l C l d C l d q
m l d S q m l l S q l d C q q q
m l d C d m l l C l d C l l d C d q
m l d S
2 2 3 1 2 2 2 1 3 23 2 3 2 3 3 3 2 2
3 1 3 23 2 3 3 3 3 3 1 3 23 2 3 2 3 3 3 3
1 1 1 2 1 1 2 12 3 1 1 2 12 3 123
2 2 2
2 3 2 3 2 3 3 2 2 2 3 2 3
2
2 2
q m l l S q l d C q q l d S q q
m l d C l d C d q m l d C q q l d S q q
g m d C m l C d C m l C l C d C
T m l d l d C m d q m l d
3 3 2
2 2 2
2 1 2 2 2 3 1 2 2 1 3 23 2 2 3 3 3 1
2 1 2 2 2 3 1 2 2 2 1 3 23 2 3 2 3 3 3 1
2 2
3 2 3 3 3 3 3 2 3 3 3 1 2 1 2 2 3 1 2 2 1 3 23
1 2
2
2
S q q
m l d C d m l l C l d C l l d C d q
m l d S q m l l S q l d C q q l d S q q
m l d C d q m l S q q q m l d S m l l S l d S
q q m
2 1 2 2 3 1 2 2 1 3 23 2 3 3 2 2 12 3 2 12 3 123
2
3 3 3 3 3 1 3 23 2 3 3 3 1 3 1 3 23 2 3 2 3 3 3 1
2 2 2
3 2 3 3 3 2 3 2 3 3 3 2 1 3 1 3 23 2 3 2 3
2
l d S m l l S l d S l d S g m d C m l C d C
T m d q m l d C l d C d q m l d C q q l d S q q
m l d C d q m l d S q q q m l d S q m l d S
31 2 3 1 3 23 2 3 3 1 3 3 1 3 23 2 3 3 2 3 3 2 3 3 3 3 123
2
q q m l d S l d S q q m l d S l d S q q m l d S
gm d C
39 Figura 4. 2. Radiografía de la mano con medidas
4.1.1.3 Diseño de la mano robótica
Para imprimir las piezas de la mano robótica se eligió el material ABS ya que este permite mecanizar piezas pequeñas a diferencia del PLA que no tiene esta característica, a continuación en la Tabla 4.1 se muestra una tabla de las propiedades físicas de ambos materiales.
40 de cada uno de los componentes con sus medidas están detallados en el capítulo de anexos.
Tabla 4. 1. Propiedades del PLA vs ABS
Propiedad PLA ABS
Punto de fusión (oC) 173 205
Densidad (g/cm³) 1.23 1.04
Alargamiento a la rotura 3.8% 20%
Resistencia a la tracción (MPa) 57.8 44.81 Resistencia a la flexión (MPa) 55.3 75.84
Módulo de elasticidad (GPa) 2.3 2.28
Módulo de tracción (GPa) 3.3 2.21
(3digiprints, 2016)
- Falanges índice, medio, anular y menique
El modelo de cada falange (distal, medio, proximal) figura 4.3, 4.4, 4.5, es el mismo para el índice, medio, anular y menique; lo único que se modificó fue la altura de cada uno de estos siguiendo las medidas tomadas en la radiografía. En las tablas 4.2, 4.3, 4.4 se indican tanto la altura de cada uno de estos como algunas de propiedades físicas.
Falange Distal
41 Tabla 4. 2. Propiedades Físicas Falange Distal
Dedo/ Propiedad
Altura
(mm) Masa (g)
Volumen (mm3)
Centro de masa (mm)
Índice 17.5 1.57 1543.7
X = 0.00 Y = 12.42
Z = 5.94
Medio 19.0 1.76 1728.07
X = 0.00 Y = 13.28
Z = 5.97
Anular 19.5 1.83 1789.52
X = 0.00 Y = 13.56
Z = 5.98
Menique 17.0 1.51 1482.24
X = 0.00 Y = 12.13
Z = 5.93
Falange Media
Figura 4. 4. Falange Media
Tabla 4. 3. Propiedades Físicas Falange Media
Dedo Altura
(mm) Masa (g)
Volumen (mm3)
Centro de masa (mm)
Índice 19 1.99 1953.85
X = 0.00 Y = 13.72
Z = 6.51
Medio 24.5 2.66 2607.80
X = 0.00 Y = 16.30
Z = 6.63
Anular 23.5 2.54 2490.86
X = 0.00 Y = 15.82
Z = 6.62
Menique 17 1.75 1720.33
X = 0.00 Y = 12.76
42 Falange Proximal
Figura 4. 5. Falange proximal
Tabla 4. 4. Propiedades Físicas Falange Proximal
Dedo Altura
(mm) Masa (g)
Volumen (mm3)
Centro de masa (mm)
Índice 35.5 4.91 3480.47
X = 0.00 Y = 12.97
Z = 7.86
Medio 40.5 5.65 5537.59
X = 0.00 Y = 15.44
Z = 7.91
Anular 37.5 5.21 5104.43
X = 0.00 Y = 13.97
Z = 7.88
Menique 30.5 4.18 4096.81
X = 0.00 Y = 10.48
Z = 7.78
- Falanges del pulgar
43 Tabla 4. 5.Propiedades Físicas Falanges del pulgar
Falange Masa
(g)
Volumen (mm3)
Centro de masa (mm)
Distal 3.66 3584.65
X = 0.00 Y = 14.09
Z = 6.94
Medio 4.33 4243.69
X = 0.00 Y = 5.83 Z = 9.13
Proximal 14.23 13950.12
X = 10.80 Y = 17.65 Z = 19.35
-Palma (Metacarpo)
La palma consta de una base y una tapa como se aprecia en la figura 4.6 y 4.7, se separaron estas dos piezas con el objetivo de facilitar el ensamblaje y mantenimiento de los tendones, estas dos partes se unirán mediante pernos de 3 mm de diámetro, en la tabla 4.6 se puede observar sus características físicas más relevantes.
44 Figura 4. 7. Base palma
Tabla 4. 6. Propiedades Físicas de la Palma
Palma Masa
(g)
Volumen (mm3)
Centro de masa (mm)
Base
Palma 47.76 46818.86
X = 22.99 Y = 57.46 Z = 9.05
Tapa
Palma 22.6 22211.36
X = 2.51 Y = 64.80 Z = 22.68 - Brazo
45 Tabla 4. 7. Propiedades Físicas de las bases del brazo
Base Masa (g) Volumen
(mm3)
Centro de masa (mm)
Base 1 39.87 39084.01
X = 34.41 Y = 19.59 Z = 45.19
Base 2 36.14 35429.36
X = 38.33 Y = 26.96 Z = 29.19
Base 3 37.62 36883.36
46 Tabla 4. 8. Propiedades Físicas de las tapas del brazo
Tapa Masa (g) Volumen
(mm3)
Centro de masa (mm)
Tapa 1 20.41 20007.31
X = 35.08 Y = -8.42 Z = 44.40
Tapa 2 19.10 18727.58
X = 38.33 Y = -14.63 Z = 31.08
Tapa 3 19.61 19230.26
47 - Muñeca y pasador
La muñeca no solo cumple la función de unir al brazo y la palma sino también que permite dos grados de libertad, esta pieza también tiene un conducto por el cual pasan los tendones, la tabla 4.9 indica las características físicas tanto de la pieza como de su pasador el cual es el encargado de unir la muñeca con la palma.
Tabla 4. 9. Propiedades Físicas de la muñeca y su pasador
Pieza Masa
(g)
Volumen (mm3)
Centro de masa (mm)
Muñeca 4.85 4754.83
X = 7.26 Y = 11.04 Z = 10.00
Pasador 2.54 2488.14
X = 0.00 Y = 0.00 Z = 22.36
- Soportes y poleas para los servomotores
48 Tabla 4. 10. Propiedades Físicas de los soportes y poleas servomotores
Pieza Masa
(g)
Volumen (mm3)
Centro de masa (mm) Soporte para tres servos x2
7.55 7406.00
X = 20.11 Y = 9.73 Z = 21.50
Soporte para un servo
2.32 2277.00
X = 14.76 Y = 8.84 Z = 6.49
Polea x7 2.05 2014.48
X = 0.00 Y = 2.00 Z = 0.00
- Canales de conducción para los tendones
Los canales de conducción tienen agujeros por los cuales pasan los tendones de cada articulación, la altura de los agujeros es la misma de donde están colocados las poleas, estos canales evitan que el tendón se descarrile de la polea y también que los tendones no se enreden entre sí. En la tabla 4.11 se observan las propiedades físicas de dichos canales.
Tabla 4. 11. Propiedades Físicas de los canales de conducción para los tendones.
Pieza Masa
(g)
Volumen (mm3)
Centro de masa (mm)
Canal
Posterior 3.81 3733.86
X = 6.50 Y = 7.76 Z = 32.50
Canal
Frontal 2.75 2699.73
49 4.1.2 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL
Para la selección del dispositivo de control se buscó un hardware que facilite la creación de prototipos, es decir que sea compatible con otros dispositivos y también que cuente con un software de programación libre. Es por eso que se evaluó los mostrados en la tabla 4.12.
Tabla 4. 12. Dispositivos de control
Características
Raspberry
pi Arduino Uno BeagleBone
Modelo B R3 A5
Procesador ARM11 ATMega 326 ARM Cortex-A8
RAM 256MB 2KB 256MB
Puertos Digitales 8 14 66
Puertos Analógicos N/A 6 7
IDE (Entorno de desarrollo
integrado) Python/Linux Arduino Python/Linux Tamaño (in) 3.37”x2.125” 2.95”x2.10” 3.4x2.1”
Precio ($) 41.95 24.95 89
Como se observa, BeagleBone y Raspberry Pi tienen mejores características que Arduino Uno, sin embargo Raspberry necesita un convertidor análogo/digital adicional, mientras que BeagleBone tiene un precio elevado; además estas son plataformas para crear dispositivos más avanzados en los cuales se necesite características como: visualización en una pantalla, conexión Ethernet, mayor velocidad de procesamiento, entre otras. Es por eso que las características del Arduino son suficientes para desarrollar tanto el Master como el Slave de este trabajo de titulación.
50 características. Su alcance máximo de 120 metros, utiliza el estándar de comunicación IEE802.15.4 por lo que trabaja a una frecuencia de 2.4Ghz con velocidad de comunicación de 250Kbps, estas características satisfacen los requerimientos del proyecto.
La selección de los servomotores se lo realizó partiendo de características como durabilidad, torque, tamaño (figura 4.8), y precio, como se muestra en la tabla 4.13, se eligió el Turnigy™ BMS-380MAX, porque proporciona mayor torque, velocidad, y menor tamaño.
Figura 4. 8. Dimensión Servomotor (Hobbyking, 2016)
Tabla 4. 13. Lista de servomotores
Marca Torque
(Kg. cm)
Velocidad (grados/s)
Dimensión
(mm) Precio ($)
Hitec HS-422 3.3 60/0.21
A=43 B=40 C=37 D=19 E=53 F=26
14.16
Turnigy 380MAX Micro Servo (Metal
Gear)
4.1 60/0.16
A=36 B=22 C=31 D=13 E=37 F=19
16.7
HobbyKing™HK15
148B 2.8 60/0.17
A=33 B=28 C=30 D=13 E=40 F=19
51 Debido a que se utilizaron 7 servomotores, Arduino no es capaz de suministrar tanta corriente, por consiguiente se calculó la corriente necesaria para que los 7 servomotores puedan operar simultáneamente sin que alguno de estos deje de funcionar. La figura 4.9 muestra el circuito de control incluido el modulo para conexión inalámbrica, como se observa los servos se pueden conectar a cualquier puerto de I/O del Arduino a excepción de puerto 0 Tx y 1 Rx, los cuales se utilizaran para la comunicación con el Xbee.
Figura 4. 9. Circuito del brazo robótico (Slave)
4.1.2.1 Corriente para los servomotores
52
4.1 *
60 0.16 Datos
T Kg cm
W s
9.8 14.1 * 0.4018 *
1 100
60 1.047
6.545 0.16 180 0.16
6.545 0, 4018 * 2.629
2.629
0.5258 5
N m
T Kg cm N m
Kg cm rad rad W s s s rad
P N m W
s P W I A V V
Corriente requerida para alimentar los siete servomotores
0.5258 * 7 3.68
T
I A
4.1.2.2 Diagrama de flujo del sistema Slave.
53 Figura 4. 10. Diagrama de flujo control Slave
SI SI
NO
SI
SI NO
INICIALIZACIÓN DE VARIABLES
AngP=0; AngI=0; AngM=0; AngA=0; AngL=0; AngMu=0;
ASIGNACION DE PUERTOS
ServoP=2, ServoI=3, ServoM=4, ServoA=5, ServoL=6,
ServoMu=7.
Escritura en los servos:
ServoP(AngP), ServoI(AngI), ServoM(AngM), ServoA(AngA), ServoL(AngL), ServoMu(AngMu).
INICIO
Variable inicial = @;
RECEPCIÓN DE DATOS
Variable inicial, AngP, AngI, AngM, AngA, AngL, AngMu.
Existe algún
dato en el Puerto Serial
DEFINICIÓN DE VARIABLES
54
4.2 SISTEMA MASTER
El sistema Master es el encargado de enviar los valores adquiridos por el sensor, hacia el Slave el cual traduce estos valores en movimientos para los servomotores. El sistema Master tiene como subsistemas el diseño electrónico y el diseño de control de todo lo que se refiere al guante.
4.2.1. DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL
Para sensar el movimiento de los dedos se estudió las características de dos tipos de sensores de flexión, la tabla 4.14 muestra la diferencia entre dichos sensores. A pesar de que el sensor Tactilus tiene mejores características que el Spectra, se eligió este último debido a que su costo es cinco veces menor.
Tabla 4. 14. Tipos de sensores de flexión
Marca Tipo de
flexión
Ángulo min-max (grados)
Tamaños (in)
Durabilidad (millones de
ciclos)
Precio ($ min-max)
Tactilus
Común en cualquier
punto de flexión
0-180 1; 2; 3; 4 >35 57-70
Spectra
Censa el momento de
flexión
0-180 2.2; 4.5 >1 7.95-12.95
