Fecha de Recepción: 22 de septiembre de 2014
MANO ROBÓTICA TELEOPERADA
Teleoperated Robotic Hand
RESUMENEn este artículo se realiza el estudio y el diseño del prototipo de una mano robótica teleoperada, gracias al diseño de sistema de adquisición y procesamiento de los movimientos de los dedos índice, medio y pulgar mediante un guante de datos, el cual implementamos para generar en tiempo real los movimientos de nuestro modelo.
Palabras clave: acelerómetro, anatomía, guante de datos, mano teleoperada
ABSTRACT
This paper describes the study and design of a teleoperated robotic prototype hand, built thanks to a design acquisition and processing system of the movements of index, middle and thumb fingers through a data glove, which was implemented in our work to generate real-time movements of our model.
Keywords: accelerometer, anatomy, data glove, teleoperated hand.
OSMAN PARRA HUERTAS Estudiante Ingeniería Electrónica Estudiante
Universidad Central [email protected] JOSÉ WILSON YARA Estudiante Ingeniería Electrónica Estudiante
Universidad Central [email protected]
ÓSCAR FERNANDO AVILÉS Ing. electrónico, Ph.D.
Profesor
Universidad Central [email protected]
RÓBINSON JIMÉNEZ MORENO Ing. electrónico, M.Sc.
Profesor
Universidad Autónoma de Colombia. [email protected]
1. INTRODUCCIÓN
El éxito del que ha gozado el hombre en su evolución se debe a la increíble pericia que tiene para explorar y estudiar el mundo en que habita, y responde, en gran parte, a la capacidad de manipulación del ser humano. Efectivamente, con las manos se pueden agarrar, sostener y manejar objetos con gran pericia, y no hace falta decir que es una herramienta vital en el desempeño de las tareas cotidianas.
El objetivo que se planteó el grupo de trabajo al diseñar y fabricar el prototipo descrito en este artículo (mano robótica teleoperada) es el de construir los cinco dedos de la mano, de forma que su funcionamiento sea similar al del obtenido mediante un guante de datos
2. TRABAJOS RELACIONADOS
En esta sección se enuncian los diferentes adelantos y tecnologías que se han desarrollado para el diseño y construcción de manos robóticas y se describe suscintamente cuál ha sido su evolución en el tiempo. El estudio de estos avances nos guio en la reproducción de los movimientos y las habilidades que posee la mano humana, reproducción que ha constituido el objetivo de
muchas organizaciones, universidades y compañías en todo el mundo. En la tabla 1 se presentan algunos de los trabajos realizados acerca de manos robóticas.
Tabla 1. Revisión manos robóticas [2].
Nombre Autor Año Número de dedos GDL LMS (Gazeau) 2001 4 16 Karsruhe (Shulz) 2001 5 17 DLR ll (Butterfass) 2001 4 13 Gifu (Kawasaki) 2001 5 16
Ottobock (Otto Book ) 2002 3 1
RTF Hand (Masa) 2002 3 6
Shadow (Shadow) 2002 5 24
Spring Hand (Carroza) 2004 3 8
UMNG (Ocampo) 2004 4 12+2
El estudio de la mano humana ha servido de inspiración para el diseño de manos robóticas y ha conducido a la construcción de innovadores pero costosos prototipos de dedos, que luego se implementan en la mano robótica para que trabajen como partes funcionales de robots antropomórficos. Algunos de los trabajos realizados son las manos de Stanford/JPL Hand [3], que presenta 9 grados de libertad con dos dedos y un pulgar oponente; esta mano es controlada por 12 servomotores DC y sus articulaciones son impulsadas por cables. En cuanto a la Utah/MIT Hand [4], fue desarrollada por el grupo de
investigación en agarre y manipulación de dedos, y tiene 4 grados de libertad en cada uno de sus cuatro dedos, incluyendo el pulgar. Los 16 GDL se accionan mediante un enfoque de tendones operado por un sistema de 32 tendones poliméricos independientes y actuadores neumáticos. Otras manos robóticas son la Spring Hand [5], la DLR Hand [6], la UNT Hand [7] y la UMNG Hand [8].
Estos son algunos de los trabajos ejecutados pero no son los únicos, pues están, por ejemplo, el de M. Cecarelli et al. [9], desarrollado mediante secuencias de grabaciones de video y fotos fijas, con el fin de encontrar la cinemática de cada uno de los dedos de la mano; también encontramos un sistema de actuación que emula el sistema muscular del dedo, de F. García et al. [10]; igualmente interesante es el diseño y prototipo de un dedo con dos grados de libertad y peso muy bajo, que utiliza eslabones rígidos unidos con elementos flexibles y actuadores de desplazamiento lineal, de Fabrizio Lotti [11].
3. GUANTE DE DATOS
Uno de los medios comunes de teleoperación háptica es el de comando mediante guantes hápticos, que se ha venido desarrollando para diferentes aplicaciones de entretenimiento y entornos virtuales [12] y se emplea como medios de control de robots o manos robóticas [13], [14], [15]. En [16] se presenta la implementación e integración de un guante háptico a una silla de ruedas, lo cual permite a la persona discapacitada reemplazar un
joystick de mando por el guante.
Una de las aplicaciones más relevantes en implementaciones hápticas es la telecirugía, que une el campo de la medicina con el del control artificial y permite al cirujano realizar procesos quirúrgicos desde lugares remotos. Las desventajas principales de esta aplicación son la reducción de visión del cirujano y la pérdida de la realimentación de las manos a través de la vista [17].
El desarrollo de guantes como dispositivos hápticos forma parte de las investigaciones que se están realizando hoy en día, con miras a controlar manipuladores u otros dispositivos mediante el sensado de movimientos, fuerzas, etc., con el fin de tener control sobre un sistema. Los guantes de datos reconocen por medio de sensores los diferentes tipos de reacciones –movimientos, temperaturas, entre otras–, que luego son procesados y que, en nuestro prototipo, permitirán replicar de la manera más real posible el movimiento de cada uno de los dedos utilizando una interfaz y un software para su manejo.
Se han desarrollado distintos modelos de guantes de datos, en búsqueda de detectar cada una de las variables y
de los GDL de la mano. Precisamente uno de estos modelos es el AcceleGlove [18], que usa sensores de tipo acelerómetro y permite detectar el movimiento en tres dimensiones respecto a un punto cero o punto de gravedad; esto hace muy fácil trabajar sus datos, que vienen en grados y facilitan su calibración.
En el mercado existen diferentes modelos y prototipos de guantes desarrollados para realizar tareas complejas, como el manejo de robots manipuladores de materiales radiactivos, o simplemente como elementos de diversión, por ejemplo los usados en la música. Sound Catcher [19] es un ejemplo claro de ello: su funcionamiento se inicia cuando se abre la mano que contiene el guante; este activa unos sonidos de percusión que van coordinados con la voz del cantante y que mejoran el entorno sonoro donde se encuentra el público. Este guante, que usa acelerómetros de gran precisión, fue presentado durante el TEDGlobal 2012, en Edimburgo, y tuvo gran acogida. En nuestro prototipo se implementó el guante de datos generado por L. J. Acuña, S. D. Zapata y O. F. Avilés [20], que responde al diseño de un sistema capaz de adquirir, ordenar, enviar, procesar y visualizar la información obtenida de un dispositivo compuesto por acelerómetros ubicados en la mano, con los cuales replicaremos los movimientos en cada uno de los dedos de nuestra mano robótica teleoperada.
4. DISEÑO ANTROPOMÓRFICO DE LA MANO ROBÓTICA TELEOPERADA
Para lograr un diseño que exprese de forma lo más real posible los movimientos de cada uno de los dedos de la mano, es necesario conocerlos en su forma originaria. Para ello, tomando como punto de referencia la palma; realizaremos entonces un repaso muy sencillo de cada una de las articulaciones y huesos.
La mano es un apéndice complejo, compuesto, en su estructura ósea, por 27 huesos contados entre el final de la muñeca y las puntas de los dedos (incluyendo todas las falanges) [21]. La mano humana posee 21 grados de libertad. Los dedos tienen tres falanges y cuatro grados de libertad; dos de ellos en su articulación con la palma (llamada metacarpo-falangeal, ya que articula la falange proximal con el hueso metacarpiano), y los otros dos provenientes del movimiento entre la falange media y distal. Además, hay cinco grados de libertad para el pulgar, que tiene dos falanges y un metacarpo [22]. La mano humana deriva su agilidad de tres características esenciales:
Pronación y supinación: son los movimientos del antebrazo que tienen por efecto hacer que la mano ejecute una rotación de fuera hacia dentro, y el que hace
que la mano vuelva la palma hacia arriba y el pulgar hacia fuera respectivamente.
Flexión y cierre de los dedos: es una función muy importante, y gracias a ella es posible realizar una gran variedad de tareas.
Oposición del dedo pulgar: situado al frente de la palma y los otros dedos, el pulgar puede usarse para el agarre multidedos, particularmente con el índice [23].
4.1 Consideraciones técnicas para el diseño
El diseño completo consta de tres elementos principales: los sensores, la unidad de procesamiento y el prototipo del modelo.
Sensores: Para captar cada una de las señales de movimiento de los dedos de la mano se utilizan sensores. Son muchos los tipos de sensores que existen en la actualidad, pero para nuestro diseño debemos medir un cambio de aceleración sobre un eje en un momento dado bajo la influencia de la gravedad, por lo cual usaremos, obviamente, acelerómetros, que se han popularizado gracias a su facilidad de manejo y bajo costo.
Emplearemos el acelerómetro MMA7361L, fabricado por Freescale Semiconductor, y que usa tecnología MEMS y funciona con configuración capacitiva; además detecta variaciones en las tres coordenadas. Para su ensamble en el guante de datos es necesario adquirir la tarjeta MMA736 [24] desarrollada por Sigma Electrónica, que reduce los tiempos por estar implementada en un PCB.
Figura 1. Tarjeta MMA736 fabricada por Sigma Electrónica.
Dichos PCB son instalados en cada uno de los dedos de interés del guante de datos, los cuales, gracias a que su referencia está ubicada en la parte contraria a la palma de la mano, nos brindan como resultado las variaciones que
necesitamos. Esos circuitos integrados son alimentados con un voltaje regulado de 3,3 VDC, obtenidos de un integrado LM1117 [25].
Unidad de procesamiento: Las señales obtenidas mediante el guante de datos son voltajes que varían según los movimientos que se realizan, y son enviados al circuito integrado encargado de realizar la conversión ADC, el cual toma las decisiones que previamente se han programado. El encargado de esta función es el PIC 18F452 de gama alta, que tiene importantes características como:
Manejo de velocidades altas, cercanas a los 10MIP.
8 módulos de conversión ADC. Dos módulos PWM.
Módulos de comunicación.
Cada una de las señales adquiridas por la unidad de procesamiento es analizada y retroalimentada con cada una de las señales adquiridas en el prototipo. Para lograr un uso adecuado y velocidad de trabajo se usa un cristal de 10MHz. Cada una de las entradas y salidas es debidamente procesada y verificada con el código de programación diseñado en MPLAB, basado en sistemas embebidos que permiten el control del prototipo.
Prototipo final: El prototipo se montó sobre una base que sostiene la mano teledirigida y en la cual se instaló cada uno de los componentes, incluyendo el circuito impreso, los sensores y actuadores, que son controlados por la unidad de procesamiento.
Para la implementación del prototipo se instalaron cinco motorreductores controlados por voltajes entre 5 y 12VDC; estos actuadores entregan 200 rpm y son bastante conocidos en sistemas robóticos, ya que su respuesta es muy buena y además son económicos. Además, el sistema es retroalimentado gracias a unos sensores de tipo resistivo, que tienen como finalidad conocer las posiciones en que se encuentra cada uno de los dedos de la mano teleoperada.
4.2 Desarrollo del prototipo
Nuestro prototipo funciona según la secuencia mostrada en la figura 2. Empezamos por la toma de datos a partir del guante de datos, que, gracias a los acelerómetros y su respectiva tarjeta de adquisición, nos permite captar los valores de las variables importantes para nuestro proceso, por ejemplo el ángulo de cada movimiento.
Figura 2. Etapas de desarrollo de la mano robótica teleoperada. Para las primeras etapas de análisis de los los diversos movimientos, usamos el guante de datos que se muestra en la figura 3. Los datos obtenidos se usarán luego para
replicar cada uno de los movimientos de los dedos de la mano.
Figura 3. Guante de datos de 5 dedos con acelerómetros.
Para la siguiente etapa del proyecto se genera una mano mecánica, que se compone de falanges unidas por eslabones y que, en conjunto, forman los dedos de la mano. Ya que los movimientos que se realizan van a ser replicados en nuestro modelo, se debe controlar el desplazamiento de cada uno de los motores que los mueven, como se muestra en la figura 4.
Figura 4. Prototipo de mano robótica teleoperada.
En la figura 5 se muestra el resultado que debe obtenerse al fabricar una mano robótica teleoperada, que pueda ser utilizada en un futuro para el manejo de materiales peligrosos o trabajos riesgosos.
Figura 5. Mano robótica y mano humana.
Después de las etapas de captura y calibración que se realizaron para seguir los movimientos de la mano humana, se lleva a cabo el procesamiento de señales y se implementa una PCB que ejecutará las funciones que debe realizar cada uno de los motores que controlan el
desplazamiento de los dedos robóticos, gracias a los datos obtenidos por el guante de datos. En las figuras 6 y 7 se muestran las posiciones que se emplearon con el guante de datos y las posiciones finales de nuestro prototipo terminado.
Figura 6. Posición final en forma de garra.
Figura 7. Posición con los dedos levemente inclinados.
5. CONCLUSIONES
Se implementó un guante de datos funcional, en el que se realizaron caracterizaciones de los sensores escogidos, de tal manera que pudiesen medir correctamente cada uno de los movimientos estipulados. Asimismo, se diseñó y construyó una mano teleoperada, que satisface los grados de libertad necesarios para la utilización del guante. Los resultados muestran que el desempeño del sistema es efectivo en conjunto, pues cumple el objetivo de tener un sistema activo que funcione bajo los parámetros estipulados, y se aprecia que aumenta la efectividad al aplicar realimentación con cada uno de los sensores en el guante de datos.
[1] L. J. Acuña y S. D. Zapata, “Diseño de un sistema de adquisición y procesamiento de los movimientos de los dedos índices, medio y pulgar mediante guante de datos”, Tesis de grado, Universidad Central, Bogotá, 2013. [2] O. F. Avilés, y P. León, “Diseño y construcción
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