65 victor hilario mendez salas
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Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico
Departamento de Mecatrnica
TESIS DE MAESTRA EN CIENCIAS
Diseo y Construccin de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos
Presentada por
Vctor Hilario Mndez Salas Ingeniero Electrnico por el I. T. de Lzaro Crdenas, Michoacn.
Como requisito para la obtencin del grado de: Maestra en Ciencias en Ingeniera Mecatrnica
Director de tesis: Dr. Marco Antonio Oliver Salazar
Co-Director de tesis: Dr. DariuszSlawomirSzwedowikWasik
Cuernavaca, Morelos, Mxico. 05 de Julio de 2012
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Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico
Departamento de Mecatrnica
TESIS DE MAESTRA EN CIENCIAS
Diseo y Construccin de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos
Presentada por
Vctor Hilario Mndez Salas Ingeniero Electrnico por el I. T. de Lzaro Crdenas, Michoacn
Como requisito para la obtencin del grado de: Maestra en Ciencias en Ingeniera Mecatrnica
Director de tesis: Dr. Marco Antonio Oliver Salazar
Co-Director de tesis: Dr. DariuszSlawomirSzwedowikWasik
Jurado: Dr. Marco Antonio Oliver Salazar Presidente
Dr. Enrique Quintero Mrmol Mrquez Secretario M.C. Wilberth Melchor Alcocer Rosado Vocal
Dr. DariuszSlawomirSzwedowikWasik Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, Mxico. 05 de Junio de 2012
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DEDICATORIA
Dedicado con todo mi corazn a mis padres, Verenice Salas Rosales e
Hilario Mndez Martnez. Por ese gran apoyo incondicional que me han
otorgado y su infinito amor y comprensin.
A mis hermanos, Mara de los ngeles, Edgar Alfredo y Francisco Gerardo.
Por estar siempre cerca de m a pesar de la distancia.
A Eusebio Mndez, abuelo, amigo, y un gran hombre lleno de amor, felicidad
y alegra. Ejemplo de motivacin, jbilo y superacin.
A Genaro Salas, abuelo, amigo y un gran hombre de carcter y bondad. Otro
ejemplo de dedicacin, trabajo y liderazgo.
A Flix Mndez, to y amigo. Joven con nimos de disfrutar la vida y ayudar
con todo el corazn a sus semejantes.
A toda mi familia, abuelos, abuelas, to, tas, primos, primas, y dems por
brindarme esa esperanza, ese empuje por salir adelante y ser mejor cada da.
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios, YHWH, por darme la vida, por acompaarme en todos mis
caminos, por entregarme aliento para seguir adelante. Por darme
misericordia inmerecida. Por dejarme ver esa luz de esperanza. Por
brindarme valiosas oportunidades en mi vida. Por ensearme a valorar a mis
padres. Gracias Dios por esto y muchas cosas ms, gracias.
A mi madre, Verenice Salas Rosales, mujer llena de fe y fortaleza. Le
agradezco su gran sacrificio, esfuerzo y dedicacin. Le doy gracias por sus
enseanzas, y regaos. As como todo su amor y cario. Gracias madre.
A mi padre, Hilario Mndez Martnez, hombre jovial y trabajador. Por
ensearme el valor de la vida, la dedicacin y el trabajo. Le agradezco sus
consejos y apoyo incondicional. Tambin le agradezco su amor y cario.
Gracias padre.
A mi abuelo Eusebio Mndez, por su aceptacin, integracin y gran apoyo
que me brindo en esos momentos difcil de esta carrera. Por sus
preocupaciones y dems.
A mi abuelo Genaro Salas, por ser una gran inspiracin de persona
trabajadora y por ensearme que aun cuando no teniendo nada se puede
lograr todo.
A mi abuela Esperanza, por ese cario incondicional que una abuela le puede
dar a un nieto. Por sus sabios consejos.Gracias.
A mi hermana Mara de los ngeles, por creer en mi y en mi capacidad. Por
hacer que siguiera estudiando y superando.
A mi hermano Edgar Alfredo, por ensearme que la vida es solo una y hay
que disfrutarla.
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A mi hermano Francisco Gerardo, por ser la persona que me motiva a valor
que todo el trabajo y esfuerzo nos lleva al bien comn.
Le agradezco a mi to Feliz Mndez por brindarme su valioso apoyo y a
demostrarme que la familia siempre esta unida en la buenas y en las malas, y
que no importa tiempo ni distancia. Gracias.
A mis tos, Jos, Margarita, Beatriz, Alicia, Eliseo, as como a mis primos
Gabriel, Mnica, Ricardo, Joeln, Daniel, Anja, por esa calidez de hogar que
me brindaron, por su apoyo inmerecido y sus excelentes atenciones.
A mis tos, Hctor, No, Margaritas, Erndira, Carlos, Tere, al igual que mis
primos Fernando, Ricardo, Genaro, Carla, Hctor, Adrin, Oscar, Vicky,
Leticia por esa unin, por esos lazos familiares que nos caracterizan.
Agradezco a mis asesores de tesis, Dr. Marco Antonio Oliver Salazar y el Dr.
DariuszSzwedowiczWasik, por permitirme ese gran honor de ser su tesistaen
este proyecto. Adems por su paciencia y enseanzas.
Agradezco a mis revisores, Dr. Enrique Quintero Mrmol y el M.C. Wilberth
Alcocer Rosado, por su valioso tiempo.
Al Cenidet por la oportunidad de seguirme preparando en esta vida. As como
los profesores e investigadores de esta reconocida institucin.
Al M.C. Martn Santos Domnguez por abrirme los ojos en la forma de hacer
las cosas. Por darme nimos y aliento para culminar la maestra. Gracias.
Al Ing. Germn Pelez, por compartir un poco de su experiencia y por el
valioso apoyo en la fabricacin de las piezas mecnicas.
A mi novia Graciela Rodrguez Ramrez, por su gran apoyo, paciencia y
amor.
A mis amigos y compaeros de la maestra: Luz Sandoval, Jos Efran,
Manuel Prez, Ivn, Anthar, Addelal, Flix, Hugo y Nadia Lpez.
A mis compaeros del Cenidet: Romn Ruiz, Francisco Aguilar, Fabio Abel,
Eligio Flores, Romn.
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I
RESUMEN
En este documento se presenta el diseo y desarrollo de un sistema mecatrnico de dos
dedos conformado con msculos neumticos. Cada uno de los dedos cuenta con 4 grados
de libertad, logrando producir movimientos de: flexin, extensin, abduccin y aduccin.
Puede nombrarse al sistema como, mano robot con palma y dos dedos,actuada con
msculos de aire.
El prototipo est constituido por una parte mecnica, electrnica, de instrumentacin y
computacin. La mecnica est integrada por elementos que dan soporte y rigidez al
sistema. Tambin lo constituyen los mecanismos y elementos de trasmisin de potencia. La
instrumentacin la conforman sensores y actuadores. La electrnica la representa un
sistema embebido destinado a la adquisicin, comunicacin y control del prototipo. La
parte de computacin corresponde a la interface y al algoritmo de control implementado en
el sistema embebido.
La interface tiene la funcin de monitorear y configurar el sistema, logrando calibrar y
ajustar los sensores va software. As como la asignacin de las posiciones de referencia en
el control de cada articulacin.
Fueron empleados msculos neumticos como actuadores, esto debido a su similitud y
semejanza en funcionamiento con los msculos biolgicos.
Para la validacin del sistema fue implementado un controlador PID, con el fin de controlar
la posicin de cada una de las articulaciones. Tiene un valor agregado este trabajo porque
los controladores fueron probados en el sistema construido, es decir, en un sistema real
fsico.
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II
ABSTRACT
In this paper we present the design and development of a mechatronic system consisting of
two fingers driven by pneumatic muscles. Each finger has 4 degrees of freedom, able to
produce movements of; flexion, extension,adduction and abduction. The system can be
named as robot hand with palm and two fingers, actuated by air muscles.
The prototype is constituted by mechanical, electronics, instrumentation and computing
subsystems. The mechanism is composed by elements that support and provide rigidity to
the system together with power transmission. Sensors and actuators conformthe
instrumentation. The electronics is represented by an embedded system for acquisition,
communication and control of the prototype. The computing part corresponds to the
interface and control algorithm implemented in the embedded system.
The interface servesto monitor and configure thesystem so thatcalibration and adjustment
of sensorsisperformed via software. Also, italloys set-point establishmentforthe control
of eachjoint.
Pneumatic muscles were used as actuators, this due to their similarity with biological
muscles.
A PID controllerwasimplemented to control the position ofeachoneof
the joints. Theaddedvalue of thiswork reliesontheimplementation of
thephysicalsystemitself.
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III
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IV
CONTENIDO
RESUMEN ................................................................................................................................................ I
ABSTRACT .............................................................................................................................................. II
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................ VI
LISTA DE TABLAS .............................................................................................................................. IX
LISTA DE ABREVIATURAS ................................................................................................................ X
LISTA DE SMBOLOS ......................................................................................................................... XI
CAPTULO 1. INTRODUCCIN. ...................................................................................................... 1
1.1. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA. ............................................................................................ 1
1.2. HIPTESIS. ..................................................................................................................................... 1
1.3. OBJETIVO GENERAL. ................................................................................................................... 2
1.4. OBJETIVOS PARTICULARES. ...................................................................................................... 2
1.5. JUSTIFICACIN. ............................................................................................................................ 2
1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES. .................................................................................................... 2
1.7. ESTADO DEL ARTE. ...................................................................................................................... 3
1.8. ESTRUCTURA DE LA TESIS. ...................................................................................................... 10
CAPTULO 2. MANO HUMANA Y MSCULO BIOLGICO. ..................................................... 12
2.1. MANO HUMANA. ......................................................................................................................... 12
2.2. SISTEMA MUSCULAR. ............................................................................................................... 14
2.3. SISTEMA SEO. ........................................................................................................................... 17
2.4. ARTICULACIONES. ..................................................................................................................... 19
CAPTULO 3. SISTEMA MECNICO. ........................................................................................... 21
3.1. DISEO MECNICO. ................................................................................................................... 21
3.2. CONSTRUCCIN Y ENSAMBLE ................................................................................................ 26
3.3. TRAYECTORIA DE TENSORES. ................................................................................................ 29
CAPTULO 4. SENSORES Y ACTUADORES. ................................................................................ 31
4.1. SENSORES DE POSICIN. .......................................................................................................... 31 4.1.1. CARACTERIZACIN DEL SENSOR DE MOVIMIENTO EN RTULA. ............................................. 33
4.2. VLVULA NEUMTICA. ............................................................................................................ 35
4.3. MSCULO NEUMTICO. ........................................................................................................... 36
CAPTULO 5. MODELADO Y CONTROL. .................................................................................... 39
5.1. MODELO CINEMTICO. ............................................................................................................. 39 5.1.1. CINEMTICA DIRECTA. ........................................................................................................................ 40
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V
5.1.2. CINEMTICA INVERSA. ........................................................................................................................ 41 5.2. ALGORITMO DE CONTROL. ...................................................................................................... 43
CAPTULO 6. SISTEMA ELECTRNICO E INTERFACE DE USUARIO. .................................. 47
6.1. ELECTRNICA Y PROGRAMACIN ....................................................................................... 47 6.1.1. ACONDICIONAMIENTO DE SEALES. ............................................................................................... 49 6.1.2. BLOQUE DE CONTROL Y COMUNICACIONES. ................................................................................. 51
6.2. INTERFACE GRFICA DE USUARIO. ....................................................................................... 53
CAPTULO 7. PRUEBAS DEL SISTEMA. ...................................................................................... 56
7.1. SISTEMA IMPLEMENTADO Y ACOPLAMIENTO. .................................................................. 57
7.2. PRUEBAS DE MOVIMIENTO, CONTROL DE POSICIN. ...................................................... 60
7.3. TRAYECTORIA. ........................................................................................................................... 64
CAPTULO 8. CONCLUSIONES. .................................................................................................... 70
8.1. CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 70
8.2. RECOMENDACIONES. ................................................................................................................ 74
BIBLIOGRAFA. .................................................................................................................................. 76
ANEXO A. CINEMTICA DIRECTA. ................................................................................................. 79
ANEXO B. CINEMTICA INVERSA. ................................................................................................. 81
ANEXO C. NORMA DIN 33 402. .......................................................................................................... 84
ANEXO D. HOJAS DE DATOS TCNICOS. ....................................................................................... 86
ANEXO E. PLANOS DE ENSAMBLES. ............................................................................................... 93
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VI
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Mano de hierro de Berlichingen [45]. ................................................................. 3
Figura 1.2. Prtesis comercial i-Limb, TouchBionics, Escocia [46]. .................................... 4
Figura 1.3. Protesis de mano Luke Arm, Deka, U.S.A [48]. .................................................. 4
Figura 1.4. Protesis comercial BeBionic v2, U.S.A [50]........................................................ 5
Figura 1.5. Robot Hand H-Type y msculo de aire de la compaa Squse, Japn [52]. ........ 5
Figura 1.6. Mano Elu-2, Elumotion, Inglaterra [53]. ............................................................. 6
Figura 1.7. Rehabilitadores guante y traje Power Asist. Panasonic, Japn [55]. ................... 6
Figura 1.8. Rehabilitador comercial mano de la esperanza, Universidad Politecnica Hong
Kong., China [57]. ............................................................................................. 7
Figura 1.9. Mano industrial SDH, SCHUNK, Alemania [58]. ............................................... 7
Figura 1.10. Proyecto ZAR-5, Universidad Tcnica de Berln, Alemania [59]. ................... 7
Figura 1.11. Mano Shadow actuada por msculos neumticos, Inglaterra [44]. ................... 8
Figura 1.12. DLR Hand ArmSystem del Instituto de Robtica y Mecatrnica, Alemania
[62]. ................................................................................................................... 8
Figura 1.13. a). Mano artificial UMSNH, Mxico [13]. b). Prtesis UNAM,
Mxico[13]. ....................................................................................................... 9
Figura 1.14. a). Mano cenidet, Mxico [4]. b) Diseo de brazo y mano cenidet.Mxico [5]. 9
Figura 1.15. Dedo neumtico cenidet [8]. ........................................................................... 10
Figura 2.1. Mano humana. .................................................................................................... 13
Figura 2.2. Dimensiones promedio de dedos y mano humana. .......................................... 13
Figura 2.3. Movimientos de la mano humana: a) Aduccin y abduccin b) Flexin y
Extensin. ........................................................................................................ 13
Figura 2.4. a) Msculo liso. b) Msculo cardiaco. c) Msculo Esqueltico. ...................... 14
Figura 2.5. Funcin del msculo estriado............................................................................. 15
Figura 2.6. Msculo estriado o esqueltico. ......................................................................... 15
Figura 2.7. Msculos de la regin posterior del antebrazo. .................................................. 16
Figura 2.8. Cara palmar de los msculos de la mano humana. ............................................ 17
Figura 2.9. Esqueleto de la mano humana, cara dorsal. ....................................................... 18
Figura 2.10. Articulaciones de la mano humana, vista palmar............................................. 19
Figura 3.1. Figura 3.1. a) Ensamble general del efector. b) Dedos del sistema mecnico. .. 22
Figura 3.2. a). Falange proximal. b). Falange distal. ............................................................ 23
Figura 3.3. Falange medial. .................................................................................................. 23
Figura 3.4. a). Unin y ajuste del tensor y msculo neumtico. b) Ensamble de la palma. . 24
Figura 3.5. Distribucin de esfuerzos: a). Placa proximal. b). Placa Medial. ...................... 25
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VII
Figura 3.6. Distribucin de esfuerzos: a). Placa distal. b). Porta rtula. .............................. 25
Figura 3.7. Distribucin de esfuerzos del ngulo palma. ..................................................... 25
Figura 3.8. a). Torno convencional. b). Fresadora convencional. c). Torno CNC. .............. 26
Figura 3.9. a). Ensamble de la base-antebrazo. b). Ensamble de la palma. .......................... 27
Figura 3.10. a). Piezas mecnicas de un dedo. b). Ajuste de banco. c) Colocacin de pernos
y rodamientos. ................................................................................................. 28
Figura 3.11. a) Seccin lateral del dedo. b) Dedo ensamblado. ........................................... 28
Figura 3.12. a). Colocacin de tubos flexibles. b) Enrutamiento de los hilos. ..................... 28
Figura 3.13. a) Montaje de msculos neumticos. b). Colocacin de conectores rpidos. c).
Pruebas de fugas. ............................................................................................. 29
Figura 3.14. a) Amarre entre tensores y msculos neumticos. b) Cableado en el efector. c)
Dedos ensamblados. ........................................................................................ 29
Figura 3.15. Enrutamiento de tensores dentro del dedo. a). Flexin de la falange distal. b).
Abduccin- Aduccin. c). Flexin de la falange medial. ............................... 30
Figura 3.16. Enrutamiento de tensores, flexin de la falange proximal: a) Seccin dorsal. b)
Seccin transversal. ......................................................................................... 30
Figura 4.1. a) Sensor MLX90316. b) Integracin del conjunto imn-sensor en
articulaciones. .................................................................................................. 32
Figura 4.2. a) Sensor MLX90333. b) Integracin del conjunto imn-sensor en rtula. ...... 32
Figura 4.3. a) Circuito elctrico del MLX90316. b) Circuito elctrico del MLX90333. .... 32
Figura 4.4. Fabricacin y montaje de sensores: a). Impresin de pistas. b) Trasferencia
trmica de pistas. ............................................................................................. 33
Figura 4.5. Banco de pruebas de rtula comercial y sensor 3D. .......................................... 34
Figura 4.6. Curvas caractersticas del sensor MLX90333 implementado en rtula comercial.
......................................................................................................................... 34
Figura 4.7. a) Ensamble de los componentes de las vlvulas proporcionales neumticas. b).
Vlvulas proporcionales neumticas ensambladas. ........................................ 35
Figura 4.8. a). Pruebas de comportamiento de la vlvula neumtica b).Curva de respuesta
de la vlvula de presin proporcional. ............................................................ 35
Figura 4.9. Circuito neumtico del sistema. ......................................................................... 36
Figura 4.10. a). Constitucin del msculo neumtico. b). Movimientos de los msculos. c).
Msculos en antagonismo. .............................................................................. 37
Figura 4.11. a). Corte del tubo y malla. b). Colocacin del tubo dentro de la malla. c).
Aplicacin de calor en los extremos de la malla. ............................................ 37
Figura 4.12. a). Colocacin de racores. b). Aplicacin de cinta tefln y tapones. c)
Msculos neumticos construidos en el Cenidet. ............................................ 38
Figura 5.1. Representacin geomtrica. ............................................................................... 40
Figura 5.2. Lazo de control. .................................................................................................. 45
Figura 6.1. Diagrama de bloques del sistema electrnico de control. .................................. 48
Figura 6.2. Filtro pasabajas: a). Diagrama elctrico. b). Curva de respuesta. c). Frmula. . 49
Figura 6.3. Opamp sumador no inversor. ............................................................................. 50
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VIII
Figura 6.4. Sistema embebido desarrollado: a). Diseo del PCB en software. b).
Construccin y ensamble. ............................................................................... 52
Figura 6.5. Pantallas: a).Monitoreo y calibracin de sensores. b). Precarga de msculos
neumticos. ...................................................................................................... 54
Figura 6.6. Pantallas: a). Monitoreo del control de posicin de las articulaciones de un
dedo. b). Control de posicin de las articulaciones de dos dedos. .............. 54
Figura 6.7. Pantalla, generacin de trayectoria y movimiento simultneo........................... 55
Figura 6.8. Cdigo en Labview: a). Seccin de lectura sensores. b). Subprograma de
cinemtica directa. ........................................................................................... 55
Figura 7.1. Diagrama a bloques del robot. ........................................................................... 57
Figura 7.2. Sistema mecatrnico desarrollado...................................................................... 58
Figura 7.3. Acoplamiento entre la articulacin medial-proximal (falange medial) y la
medial-distal (falange distal): a). Grfica. b). Expresin matemtica. ............ 59
Figura 7.4. Acoplamiento entre la articulacin metacarpofalangeal (falange proximal)
respecto a las articulaciones medial-proximal (falange medial) y medial-distal
(falange distal): a). Grfica. b) Expresion matemtica. ................................... 59
Figura 7.5. Pruebas de movimiento en el efector. ................................................................ 61
Figura 7.6. Comportamiento de la articulacin medial-distal, flexin. ................................ 62
Figura 7.7. Comortamiento de la articulacin medial-proximal, flexin. ............................ 62
Figura 7.8. Comportamiento de la articulacin metacarpofalangeal, flexin. ..................... 63
Figura 7.9. Comportamiento de la articulacin metacarpofalangeal, aduccin. .................. 63
Figura 7.10. Curva de trayectoria. ........................................................................................ 65
Figura 7.11. Trayectoria de la articulacin interfalngica distal (estabn distal). ............... 66
Figura 7.12. Trayectoria de la articulacin interfalngica proximal (estabn medial). ....... 66
Figura 7.13. Trayectoria de la articulacin metacarpofalngica (eslabn proximal). ........ 67
Figura 7.14. Trayectoria de movimiento simultneo, falanges: distal y medial. .................. 68
Figura 7.15. Trayectoria de movimiento simultneo, falanges: proximal y medial. ............ 68
Figura 7.16. Trayectoria de movimiento simultneo, falanges: proximal, medial y distal. . 69
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IX
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1. Fortaleza del hueso y otros materiales comunes. ................................................ 18
Tabla 3.1. Masa y dimensiones de las falanges. ................................................................... 23
Tabla 3.2. Datos del anlisis. ................................................................................................ 26
Tabla 5.1. Parmetros Denavit-Hartenberg. ......................................................................... 40
Tabla 6.1. Variables y seales involucradas en el robot. ...................................................... 49
Tabla 6.2. Rango de voltaje y resolucin de las seales de ADC. ....................................... 50
Tabla 6.3. Recursos utilizados del dsPIC. ............................................................................ 51
Tabla 6.4. Comandos de control. .......................................................................................... 52
Tabla 7.1. Ganancias de los controladores PID para el control de posicin. ....................... 60
Tabla 7.2. Ganancias de los controladores PID en el seguimiento de ruta........................... 67
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X
LISTA DE ABREVIATURAS
ADC Analog-to-Digital Converter (Convertidor Analgico Digital)
CAD ComputerAssistedDesign (Diseo Asistido por Computadora)
CAM ComputerAssisted Manufacture (Manufactura Asistida por Computadora)
CAN ControllerArea Network (Controlador de rea de Red)
CD Corriente Directa
CENIDET Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico
CNAD Centro Nacional de Actualizacin Docente
CNC ComputerNumeric Control (Control Numrico Computarizado)
DAC Digital-to-AnalogConverter (Convertidor Digital Analgico)
DIP Distal interfalangeal(Interfalangeal-distal)
DSP Digital SignalProcessor (Procesador Digital de Seales)
FPGA
Field ProgrammableGateArray (Arreglo de Compuertas Programables por
Campo)
GDL Grados de libertad
GUI GraphicalUser Interfaz (Interfaz Grafica de Usuario)
ICSP In-Circuit Serial Programming (Programacin Serial en Circuito)
INAOE Instituto Nacional de Astrofsica, ptica y Electrnica.
LabVIEW Laboratory Virtual InstrumentEngineeringWorkbench (Laboratorio de
Instrumentos Virtuales en Ingeniera)
LCD LiquidCrystalDisplay (Pantalla de Cristal Lquido)
LSB Least Significant Bit (Bit menossignificativo)
MCP Metacarpophalangea(Metacarpofalangeal)
MIPS Millions of Instructions Per Second (Millones de instrucciones por
segundo)
PC Personal Computer (Computadora Personal)
PCB PrintedCircuitBoard (Placa de Circuito Impreso)
PID Proporcional-derivativo-integral
PIP Proximal interfalangeal(Interfalangeal-proximal)
PLC ProgrammableLogicController(Controlador Lgico Programable)
PAC ProgrammableAutomationController (Controlador de Automatizacin
Programable)
PLD ProgrammableLogicDevice (Dispositivo Lgico Programable)
SPI Serial Peripheral Interface (Interfaz de Perifrico Serie)
TQFP ThinQuad Flat Pack (Encapsulado Plano Cuadrado Fino)
TTL Transistor-Transistor Logic (Lgica Transistor-Transistor)
UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter (Transmisor Receptor
Universal Asncrono)
UMSH Universidad Michoacana de San Nicols e Hidalgo.
UNAM Universidad Nacional Autnoma de Mxico.
ZAR Zwei-Arm-Roboter (Brazo Robtico Doble)
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XI
LISTA DE SMBOLOS
a
Vector llamado aproximacin que forma parte de la terna ortonormal que
representa totalmente la orientacin del efector. 1i
iA Matriz de transformacin homognea que relaciona la articulacin i-1 con
la articulacin i respecto a un sistema de coordenadas conocido
ai La distancia de zi-1 a zimedida sobre xi-1.
i El ngulo de zi-1 a zi medida sobre xi-1. di La distancia de xi-1 a xi medida sobre zi-1.
e(k) Error de muestreo.
g Gramos.
G Constante Gravitacional.
Hz Hertz.
i I-sima coordenada articular que indica el ngulo entre xi-1 y xi medido sobre el eje zi-1.
iK Matriz de ganancias de la accin integral.
pK Ganancias de la accin proporcional.
vK Ganancias de la accin derivativa.
kg
Kilogramo.
kps Kilo Muestras por Segundo.
Li Longitud del i-simo eslabn.
m Metros.
N Newton.
n Vector llamado normal que forma parte de la terna ortonormal que
representa totalmente la orientacin del efector.
o Vector llamado orientacin que forma parte de la terna ortonormal que
representa totalmente la orientacin del efector.
Pa Pascal.
P Vector de posicin que indica la posicin final del efector.
px Coordenada en el eje x de la posicin final del efector.
py Coordenada en el eje y de la posicin final del efector.
pz Coordenada en el eje z de la posicin final del efector.
s Segundos.
T Matriz de transformacin homognea de la cadena cinemtica.
Par ejercido externamente por el actuador sobre la i-sima articulacin.
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XII
-
Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
1
CAPTULO 1. INTRODUCCIN.
En este captulo se describe el problema a abordar a lo largo de todo el documento.
Mostrando tambin los objetivos, justificaciones, los alcances y limitaciones. Se presenta
un estudio del estado del arte de los desarrollos ms destacados en el diseo de sistemas
robticos referentes a la mano humana. Finalmente se describe en forma breve la
organizacin de esta tesis.
1.1. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Con el transcurso de los aos el ser humano ha ido descubriendo la anatoma que lo
constituye, con ello ha quedado asombrado de todos los elementos que lo integran. Esto ha
originado la construccin de sistemas y mecanismos que imiten de alguna manera las
funciones y estructura de la anatoma humana. Una parte fundamental en nuestro
organismo es la mano porque con ella podemos realizar una infinidad de actividades en la
vida diaria, tales como tomar, arrojar, sujetar objetos, entre otras. Motivo por el cual ha
sido tema de investigacin y estudio de distintas universidades y centros de investigacin.
La mano humana emplea al msculo biolgico para realizar los distintos movimientos de la
misma. Una manera de asemejarse a esta parte del cuerpo es la utilizacin de un actuador
que asemeje el fenmeno de contraccin y expansin, dando origen a la creacin del
msculo neumtico.
1.2. HIPTESIS.
Es posible disear y construir un dispositivo de dos dedos que reproduzca los movimientos
de abduccin, aduccin, flexin y extensin; haciendo uso de recursos neumticos tales
como vlvulas neumticas y msculos neumticos. As como la implementacin de un
sistema capaz de controlar la posicin de las articulaciones de los dedos.
-
Captulo 1. Introduccin.
2
1.3. OBJETIVO GENERAL.
Diseo y construccin de un sistema mecatrnico constituido por dos dedos
antropomrficos que reproduzcan los movimientos de abduccin, aduccin, flexin y
extensin de la mano humana, actuado con msculos neumticos.
1.4. OBJETIVOS PARTICULARES.
Conocer los fundamentos bsicos de la anatoma de la mano humana. Dar continuidad a la generacin y aportacin de conocimiento en el diseo y
construccin de efectores neumticos.
Modelado y animacin en CAD (Diseo Asistido por Computadora) del sistema mecnico del efector.
Generacin de planos mecnicos. Modelado matemtico de la cinemtica del robot. Construccin de las piezas mecnicas. Ensamble de partes mecnicas. Construccin de sensores y armado de vlvulas neumticas. Construccin de msculos neumticos dentro de la institucin. Desarrollo de un sistema embebido (bloque de electrnica). Programacin del sistema embebido y desarrollo de una interface para el monitoreo
y configuracin de variables del sistema mecatrnico.
Integracin del sistema mecnico, de instrumentacin, electrnica de control e interface.
Implementacin de un control de posicin para la validacin del sistema.
1.5. JUSTIFICACIN.
Este trabajo pertenece a la lnea de investigacin de Robtica y Automatizacin del
postgrado de mecatrnica, es una continuacin de trabajos encaminados al desarrollo de
actuadores accionados por msculos neumticos. En este proyecto se emplean recursos
neumticos, debido a que es una tendencia tecnolgica en la reproduccin de movimientos
de contraccin y expansin de un msculo, representando ventajas y similitud con la
anatoma humana.
Adems el diseo del actuador neumtico es de gran utilidad ya que genera conocimiento
para aplicarlo en futuros desarrollos de sistemas de rehabilitacin y prtesis de
extremidades del ser humano.
1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES.
Con la experiencia adquirida en el desarrollo de efectores neumticos en el Cenidet,
disear y construir un sistema mecatrnico conformado por dos dedos con dimensiones
semejantes a los dedos humanos, actuado en forma neumtica a travs de vlvulas y
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
3
msculos neumticos. Realizar movimientos de: aduccin, abduccin, flexin y
extensin.Implementar un sistema de control convencional para el control de posicin de
las articulaciones. As como la construccin de un esquema sencillo de electrnica e
interface para la configuracin y monitoreo del sistema.
En este proyecto no se tiene contemplado acciones de agarre de objetos.La construccin de
este sistema depende en gran medida a la disponibilidad y acceso de los recursos,
materiales, maquinaria; as como el tiempo alcanzado en cada una de las actividades para el
desarrollo del prototipo.
1.7. ESTADO DEL ARTE.
Alrededor del mundo distintas compaas, instituciones as como centros educativos han
puesto sus esfuerzos y recursos en el diseo de sistemas que imiten en forma funcional y
estructural a la mano humana. De la misma manera, en los ltimos aos se han logrado
significativos avances en el desarrollodesistemas de rehabilitacin y de
prtesismecatrnicas dirigidas a personas que han perdido una extremidad. A continuacin
se presenta algunos desarrollos sobresalientes relacionados con el uso de recursos
neumticos, manos y prtesis.
La primera prtesis mecanizada de miembro superior corresponde a la mano de hierro de
Gtz Von Berlichingen en 1504 [40]. Durante una guerra, en Junio de 1504, un can le
arranc la mano derecha a Gtz Von, ocasionando su hospitalizacin y el remplazo de
dicha mano por un mecanismo de hierro. Debido al suceso se le llam Gtz de la mano de hierro.La prtesis le permiti combatir en guerra, dirigir su caballo, tomar una pluma, jugar cartas, etc. El mecanismo desarrollado era una especie de guante que parta desde el
codo. La posicin de los dedos poda fijarse por medio de ruedas mecanizadas, botones,
palancas y resortes, figura 1.1.
Figura 1.1. Mano de hierro de Berlichingen [45].
La mano i-LIMB es una prtesis comercial de la compaa escocesa de tecnologa binica
TouchBionics, una rplica en aspecto y tacto de la mano humana. Esta prtesis de mano
tiene cinco dedos con movimiento individual con juntas totalmente articuladas (figura 1.2).
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Captulo 1. Introduccin.
4
Posee un chasis de aluminio, cuenta contecnologa de pulsos para proporcionar la fuerza de
agarre en aumento y controlable a cada dgito, adems es capaz de soportar 90 kg. Tiene
conectividad Bluetooth para que el usuario pueda configurar los parmetros de movimiento
[46].
Figura 1.2.Prtesis comercial i-Limb, TouchBionics, Escocia [46].
La prtesis LukeArm es un desarrollo por el corporativo DEKA con financiamiento de
DARPA (DefenseAdvancedResearchProjects Agency, por sus siglas en ingls) en U.S.A.
Tiene un peso de 3.6 kg incluyendo los componentes electrnicos y la batera de Litio. La
mayor parte de su estructura esta constituida por aluminio. Posee 24 GDL, puede ser
controlada por los msculos del pecho y usando una serie de pedales o sensores en la planta
del pie [47].El diseo modular permite configurar a la prtesis para cada paciente
(dependiendo la amputacin). Adems tiene 18 microprocesadores y sensores para el
control de fuerza, ver figura 1.3.
Figura 1.3. Protesis de mano Luke Arm, Deka, U.S.A [48].
El sistema BeBionic v2 es una prtesis comercial articulada con sensores mioelctricos
(figura 1.4). Contiene microcontroladores que monitorean constantemente la posicin de
los dedos. Ha sido diseada con un ensamble robusto que le proporciona gran resistencia al
impacto. Tiene capacidad de configurar su velocidad y fuerza de agarre de manera
inalmbrica. Su mxima potencia es de 75 N. Emplea bateras de litio y puede programarse
para tener 14 patrones de posicin y agarre. Pesa 520 g. Adems posee motores de alta
tecnologa, ubicados en la palma, empleados para el movimiento de cada dedo [49].
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
5
Figura 1.4. Protesis comercial BeBionic v2, U.S.A [50].
La compaa Squse de Kyoto Japn, desarroll la Robot Hand H-Type, es una mano
robtica de 5 dedos con msculos de aire comprimido, huesos de policarbonato y una
recubierta de piel artificial de silicn, tal como se muestra en la imagen 1.5. La clave de su
eficacia consiste en su diseo con 16 articulaciones y 22 centros de impulso. Esta mano es
muy liviana y solo pesa 340 g, adems tiene la capacidad de manipular objetos de hasta un
kilogramo y medio de peso.Es capaz de agarrar piezas pequeas y blandas con una alta
precisin. Sus articulaciones son accionadas por un sistema de aire comprimido que logra
un efecto similar al de la musculatura [51].
Figura 1.5. Robot Hand H-Type y msculo de aire de la compaa Squse, Japn [52].
La mano Elu-2 es una mano robticaantropomrfica construida por la compaa Elumotion,
Inglaterra. Posee 9 GDL, cada uno actuado con un servomotor. Debido a su diseo delgado
es colocada en el brazo Elu-2, as como en muchos brazos robticos, tal como se aprecia en
la figura 1.6. Est construida con una mezcla de plstico-metal ocasionando una gran
ligereza y durabilidad. Tiene un peso de 900 g, y cada dedo puede aplicar una fuerza de 4.7
N [53].
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Captulo 1. Introduccin.
6
Figura 1.6. Mano Elu-2, Elumotion, Inglaterra [53].
Activelink filial de Panasonic desarroll un exoesqueleto y un guante, ambos utilizados en
la rehabilitacin de personas con hemiplejia. Estos dispositivos poseen dos extremidades,
una compuesta por msculos artificiales en la parte afectada, y la otra con sensores
electrnicos en la extremidad sana, figura 1.7. Cuando la persona mueve la mano o brazo
sano el rehabilitador imita fielmente este movimiento en la parte afectada. El guante
presenta dispositivos lumnicos en la punta de los dedos, que sirven para avisar al paciente
de que se va a imitar el movimiento [54].
Figura 1.7. Rehabilitadores guante y traje Power Asist. Panasonic, Japn [55].
La Universidad Politcnica de Hong Kong desarroll la mano de la esperanza que combina
un sensor EMG (Electromiografa) no invasivo con un exoesqueleto robtico que ayuda a
los pacientes en las tareas de rehabilitacin, tal como se puede apreciar en la figura 1.8. El
rango de movimiento es configurado de acuerdo a cada paciente. Gracias a los sensores que
monitorean la actividad del msculo el sistema es capaz de amplificar los movimientos de
rehabilitacin dentro de los lmites adecuados. Cabe destacar que este rehabilitador lo
distribuye y comercializa la organizacin Deltason [56].
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
7
Figura 1.8. Rehabilitador comercial mano de la esperanza, Universidad Politecnica Hong Kong., China [57].
La compaa Schunk desarroll el sistema SDH, el cual es una mano robtica comercial de
uso industrial constituida por 3 dedos, figura 1.9. Posee 7 GDL, y es alimentado con una
fuente de energa de 24 Volts. Cuenta con sensores tctiles en las yemas de cada dedo para
alcanzar un agarre preciso con la fuerza adecuada en objetos difciles. Tiene un peso de
1.95 kg, posee comunicacin: CAN (ControllerArea Network, por sus siglas en ingls),
Ethernet y RS-232. Adems es resistente al polvo y al agua [58].
Figura 1.9. Mano industrial SDH, SCHUNK, Alemania [58].
La Universidad Tcnica de Berln, Alemania, desarroll un prototipo del miembro superior
llamado ZAR (Zwei-Arm-Roboter) quinta versin. ZAR-5 es un torso humanoide con dos
manos de 5 dedos, basado en el uso de msculos neumticos como actuadores (figura 1.10).
El ZAR-5 utiliza msculos neumticos de 5mm de dimetro de la marca Festo. Cada mano,
sin contar la mueca, cuenta con 15 GDL [41].
Figura 1.10. Proyecto ZAR-5, Universidad Tcnica de Berln, Alemania [59].
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Captulo 1. Introduccin.
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La compaa Shadow desarroll un sistema de mano humanoide que reproduce 24 grados
de libertad de movimientos de la mano de un humano. La han diseado para que tenga una
fuerza y sensibilidad a los movimientos comparables a los de la mano humana. La seccin
del antebrazo contiene 36 msculos neumticos y vlvulas con una respuesta de 0.25 ms
con un rango de 0-4 Bars [60]. Las dimensiones y proporciones de esta mano son las de un
varn humano tpico, figura 1.11. Tiene un peso de 3.9 kg, posee sensores de posicin con
una resolucin de 0.2 grados y sensores de presin de 0 a 4 Bars.
Figura 1.11. Mano Shadow actuada por msculos neumticos, Inglaterra [44].
El Instituto de Robtica y Mecatrnica del Centro Aeroespacial Alemn (DLR por sus
siglas en alemn) desarroll la DLR Hand ArmSystem, que es una mano robot
antropomrfica, con forma y tamao de un mano humana [43], mostrada en la imagen
1.12. Posee 5 dedos articulados con una red de 38 tensores, cada uno alimentado con un
motor individual alojado en el antebrazo, con capacidad de controlar su rigidez por el
sistema de actuacin antagnico [61] [42].
El sistema cuenta con 16 grados de libertad, y es capaz de ejercer presin de hasta 30 N de
fuerza en la punta de sus dedos. Adems puede soportar grandes colisiones y golpes, ya que
en una prueba los investigadores golpearon a la mano con un bate de beisbol con un
impacto de 66 G, pese al impacto la mano no sufri daos.
Figura 1.12. DLR Hand ArmSystem del Instituto de Robtica y Mecatrnica, Alemania [62].
En Mxico se cuenta con un programa a nivel nacional de un grupo de instituciones para
el desarrollo de robots, por mencionar algunas: la UNAM, la UMSNH (Universidad
Michoacana de San Nicols e Hidalgo) y el INAOE (Instituto Nacional de Astrofsica,
ptica y Electrnica) [13].
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
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La UMSH, la facultad de Ingeniera Mecnica construy una mano artificial que cuenta con
cuatro dedos que son accionados por motores de CD, figura 1.13 a). La Facultad de
Ingeniera (FI) de la UNAM dise una prtesis inteligente para mano que es auto
programable y que tiene movimientos en las falanges de los dedos, cuenta con una
extremidad manipuladora con dimensiones y peso similar a la humana (ver figura 1.13 b.).
a). b).
Figura 1.13. a). Mano artificial UMSNH, Mxico [13]. b). Prtesis UNAM, Mxico[13].
El Cenidet ha iniciado trabajos relacionados con el diseo y desarrollo de sistemas
mecatrnicos de extremidades de miembro superior (mano y brazo) [4] [5] [8]. Los
sistemas ms destacados se muestran en la figura 1.14 y figura 1.15. El primero es la mano
cenidet, el cual cuenta con una palma que integra 4 dedos, incluyendo el pulgar.
Construida en aluminio, consta de 4 GDL cada dedo y es actuada por 16 motores. El
segundo sistema corresponde al diseo de brazo y mano Cenidet. Posee un brazo de 7
GDL y una mano con 15 GDL. Cada articulacin es actuada por un motor de CD.
a). b).
Figura 1.14. a). Mano cenidet, Mxico [4]. b) Diseo de brazo y mano cenidet.Mxico [5].
El siguiente desarrollo realizado en el Cenidet, es un sistema constituido por un dedo
articulado de 4GDL actuado con 8 msculos neumticos. Actuadores construidos en la
institucin. El material utilizado para su estructura partes mviles fue el aluminio. En su
ltimo eslabn posee un sensor de fuerza.
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Captulo 1. Introduccin.
10
Figura 1.15. Dedo neumtico cenidet [8].
1.8. ESTRUCTURA DE LA TESIS.
Para fines prcticos se ha organizado la tesis de la siguiente manera, tratando que el lector
tenga una mayor comprensin del tema y pueda abordar los puntos especficos por los que
l ms se interese.
Captulo 2. Mano humana y msculo biolgico. Se muestra las caractersticas ms
importantes de la mano humana: su estructura, composicin, dimensiones, entre otras. Se
presentan algunas de las caractersticas del msculo biolgico, elemento que inspir a la
fabricacin de nuestros actuadores (los msculos neumticos). En forma breve se
mencionan los msculos y articulaciones con los que est constituida la mano.
Captulo 3. Sistema mecnico. Se presenta el modelado en CAD del sistema mecnico, el
proceso de ensamble e integracin. Se muestra un anlisis de esfuerzos en piezas que se
consideraron que estn sometidas a mayor carga. Adems se indica las trayectorias que
siguen los tensores dentro de la palma y dedos del prototipo.
Captulo 4. Sensores y actuadores. Se indica que tipo de sensoresse emplearon y como
fueron colocados y construidos. Se describe la caracterizacin y sus efectos del sensor
sobre la rtula comercial. Tambin se aprecia la caracterizacin de las vlvulas y la
construccin de los msculos neumticos.
Captulo 5. Modelado y control. Se muestra el modelado matemtico del efector
representado por la cinemtica directa y cinemtica inversa. Se desglosa la adecuacin del
control para ser implementado en un sistema digital. Se presenta la metodologa de
sintonizacin de los controladores PID (Proporcional-Integral-Derivativo).
Captulo 6. Sistema electrnico e interface de usuario. Se expone como fue implementado
el sistema electrnico de control, as como su funcionamiento y elementos que lo integran.
Se exhibe los comandos de control presentes entre el sistema embebido y la
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
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PC(Computadora Personal). Por si fuera poco, se muestra en forma generalizada la
interface de usuario.
Captulo 7. Pruebas del sistema. Inicia indicando en forma muy breve las pruebas
realizadas al sistema a lo largo de su construccin. Se muestra el sistema implementado en
forma generalizada y se expone el punto de los acoplamientos mecnicos existentes entre
los movimientos de las articulaciones.Se enfatiza en las pruebas realizadas para la
validacin del sistema mecatrnico construido.
Captulo 8. Conclusiones. Finalmente se presentan las conclusiones de este trabajo de
investigacin experimental, as como tambin recomendaciones para trabajos futuros.
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Captulo 2. Mano Humana y Msculo Biolgico.
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CAPTULO 2. MANO HUMANA Y MSCULO BIOLGICO.
Para el ser humano las manos constituyen el principal rgano para la manipulacin fsica
del medio. Su uso principal es la de tomar y sostener objetos, aunque de stos derivan
muchos ms debido a la gran versatilidad as como de la precisin que puede alcanzar en
sus movimientos[63]. En las siguientes lneas se menciona en forma breve la anatoma de la
mano humana y algunas caractersticas del msculo biolgico.
2.1. MANO HUMANA.
La mano es uno de los rganos ms importantes del cuerpo humano, porque con ella se
pueden realizar una infinidad de tareas en la vida cotidiana: tomar, arrojar, sujetar, cargar,
etctera. La mano humana consiste en una palma central (metacarpo) de la que surgen
cinco dedos, est unida al antebrazo por una unin llamada mueca (carpo), figura 2.1. El
nombre que recibe cada uno de los cinco dedos es: pulgar, ndice, medio, anular y
meique. Adems, la mano est compuesta de 28 msculos, 27 huesos, 3 nervios
principales y 2 arterias principales, por no mencionar la piel, venas, tendones, cartlagos,
grasa y vasos sanguneos [64].
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
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Figura 2.1. Mano humana.
Enseguida se muestran las medidas generales de la mano humana, tal como se aprecian en
la figura 2.2 (el valor de L corresponde a permetro) [69][67].
Figura 2.2. Dimensiones promedio de dedos y mano humana.
A continuacin se describen los movimientos de la mano humana, y en la figura 2.3 se
muestran algunos de ellos [68] [2].
Flexin:Flexionar una extremidad. Accin de acercar dos o ms msculos unidos por una articulacin.
Extensin: Extender una extremidad. Accin de alejar dos o ms msculos unidos por una articulacin.
Aduccin: Acercar una extremidadhacia el eje del cuerpo u rgano. Abduccin: Alejar una extremidad del eje del cuerpo u rgano.
a) b).
Figura 2.3. Movimientos de la mano humana: a) Aduccin y abduccin b) Flexin y Extensin.
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Captulo 2. Mano Humana y Msculo Biolgico.
14
2.2. SISTEMA MUSCULAR.
La palabra "msculo" proviene del diminutivo latinomusculus, mus (ratn) culus (pequeo),
porque en el momento de la contraccin los romanos decan que pareca un pequeo ratn
por la forma. Los msculos son rganos rojos, blandos, contrctiles que estn formados por
clulas alargadas llamadas fibras musculares dispuestas en manojos. Cada fibra es una
clula. [1]. Estn hechas de filamentos an ms pequeos, llamados miofibrillas que
contienen sustancias qumicas que pasan de una a otra y hacen que el msculo se contraiga.
En las miofibrillas existen dos protenas la miosina y la actina.
En el cuerpo humano se distinguen tres variedades de tejido muscular[3] [66]:
El tejido no estriado (liso), que se caracteriza por sus fibras musculares carentes de estras, es el componente principal de las vsceras y los vasos sanguneos, figura 2.4
a).
EI msculo estriado cardiacose encuentra exclusivamente en el corazn; es el encargado de realizar los movimientos que impulsan la sangre en su recorrido por
todo el cuerpo, y se halla fuera del control voluntario, figura 2.4 b).
El msculo estriado o esqueltico, como su nombre lo indica, es el que acta directamente sobre el sistema seo para producir,bajo control voluntario,
movimientos en las articulaciones, figura 2.4 c).
a). b). c).
Figura 2.4. a) Msculo liso. b) Msculo cardiaco. c) Msculo Esqueltico.
La funcin muscular se verifica mediante las siguientes propiedades: excitabilidad, por la
cual el msculo responde a un estmulo con una reaccin determinada; la contractilidad,
mediante la que se contrae al acortar sus fibras; la elasticidad, que permite que un msculo
contrado recupere su forma; y la tonicidad, gracias a la cual el msculo queda siempre
semicontraido, ejerciendo de modo permanente una accin sobre los huesos a los que est
adherido.
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
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Figura 2.5. Funcin del msculo estriado.
La mecnica de la contraccin muscular consiste en la produccin de movimientos por el
sistema locomotorque consta de los msculos con sus tendones y aponeurosis, y de los huesos con sus articulaciones- se rige por la leyde la palanca. Cuando se contraen, los
msculos ejercen una fuerza -que siempre es de traccin- sobre un brazo de palanca sea,
que tiene un punto de apoyo, la articulacin, para vencer una resistencia que acta sobre el
otro brazo de palanca sea, as es como consiste, en la figura 2.5 se aprecia lo antes citado.
Figura 2.6. Msculo estriado o esqueltico.
Se abordarn los msculos esquelticos (figura 2.6) que estn presentes en la mano humana
y que actan directamente sobre el sistema seo para producir, bajo control voluntario,
todos sus movimientos. El estudio de ellos es relativamente extenso y por esta razn se
mencionar en forma breve lo ms sobresaliente.
Los movimientos de la mano humana se realizan gracias a 28 msculos provistos en el
antebrazo, mueca y en la propia mano, figura 2.7. Los msculos localizados en el
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Captulo 2. Mano Humana y Msculo Biolgico.
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antebrazo se dividen en tres regiones: lateral, anterior y posterior. En la regin anterior se
cuenta en un nmerode ocho y estn dispuestos en cuatro planos, ellos son:
a) Profundo, formado par un solo msculo, el pronador cuadrado. b) Flexor Profundo,que comprende el flexor profundo de los dedos y el flexor largo
del pulgar.
c) Flexor Superficial,con un solo msculo, el flexor superficial de los dedos. d) Superficial,constituido por cuatro msculos que en orden lateral medial son:
pronador redondo, flexor radial del carpo (palmar mayor), palmar largo y flexor
ulnar del carpo.
La regin lateral del antebrazo, comprende cuatro msculos, empezando por el
msprofundo: el supinador, el extensor radial breve del carpo (segundo radial externo),el
extensor radial largo del carpo (primer radial externo) y el musculobraquiorradial(supinador
largo).
La regin posterior con ocho msculos, dispuestos en dos planos:
a) Profundo, comprende el abductor largo del pulgar, el extensor breve del pulgar, el extensor largo del pulgar y el extensor del ndice.
b) Superficial, integradopor: el extensor de los dedos, el extensor del menique, el extensor ulnar del carpo (cubital posterior) y el anconeo.
Figura 2.7. Msculos de la regin posterior del antebrazo.
Los msculos de la mano estn ubicados en su parte dorsal y palmar. En el dorso se
encuentran localizados 4 msculos llamados interseos dorsales. La zona palmar est
dividida en tres regiones (figura 2.8):
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
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a) Palmar media o Intermedial, se encuentran subdivido en dos grupos de msculos. El primer grupo lo conforman 3 msculos llamados interseos palmares, y el
segundo grupo lo integran 4 msculos nombrados como lumbricales.
b) Hipotenar o Medial, lo integran 4 msculos destinados a la musculatura del meique: oponente del meique, flexor corto del meique, aductor el meique y el
palmar breve.
c) Tenar o Lateral, son 4 y estn destinados a la musculatura del pulgar, ellos son: Aductor del pulgar, flexor breve del pulgar y el abductor breve del pulgar.
Figura 2.8. Cara palmar de los msculos de la mano humana.
En general los msculos profundos suelen dar mayor tensin y fuerza a la mano humana.
En cambio, los msculos pequeos propician movimientos suaves y finos.
2.3. SISTEMA SEO.
El hueso es un rgano firme, duro y resistente que forma parte del endoesqueleto de los
vertebrados. Est compuesto principalmente por tejido seo, un tipo especializado de tejido
conectivo constituido por clulas, y componentes extracelulares calcificados [67] [1]. Estos
componentes tienen propiedades mecnicas diferentes, y con su propia combinacin
produce un material fuerte como el granito en compresin y 25 veces ms fuerte que el
granito bajo tensin. Como puede observarse en la tabla 2.1, es difcil que un hueso se
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Captulo 2. Mano Humana y Msculo Biolgico.
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rompa por una fuerza de compresin, en general se rompe por una fuerza combinada de
torsin y compresin.
Tabla 2.1. Fortaleza del hueso y otros materiales comunes.
La mano humana tiene al menos 27 huesos, divididos en tres grupos: carpos (mueca),
metacarpos (palma) y huesos digitales (dedos), figura 2.9.
Los huesos carpianos, tambin llamados mueca, tienen ocho huesosdispuestos en dos
grupos de cuatro, estos huesos encajan en una pequea cavidad formada por los huesos del
antebrazo el radio y el cbito.Los huesos de la fila proximal son, de fuera hacia adentro: el
escafoides, el semilunar, el piramidal y el pisiforme Los huesos de la fila distal son, de
fuera hacia adentro: el trapecio, el trapezoide, el grande y el ganchoso.
Figura 2.9. Esqueleto de la mano humana, cara dorsal.
Los metacarpianos tienen cinco huesos, uno por cada dedo numerados de 1 a 5 de fuera a
dentro empezando por el pulgar.stos son delgados y ligeramente alargados y ocupan toda
la palma de la mano [3].
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
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Los digitales, tambin llamados falanges poseen catorce huesos; dos en el pulgar, y tres en
cada uno de los otros cuatro dedos [31]; stos son: falange distal, falange medial y falange
proximal.
2.4. ARTICULACIONES.
Por articulacin se entiende el conjunto de partes duras y blandas que interviene en la unin
de dos o ms huesos. El esqueleto es un sistema cuyas partes se hallan unidas de manera tal
que los huesos "engranan" unos con otros y permanecen relativamente fijos, acoplarse para
formar palancas y desempear funciones de motilidad [1] [65]. Las articulaciones, como
puntos de unin entre huesos o entre huesos y cartlagos, desempean las funciones
siguientes:
a) Mantienen acoplados unos a otros los huesos que protegen partes blandas. b) Contribuyen a mantener la postura corporal. c) Participan en el desplazamiento mutuo de las partes del cuerpo. d) Con los msculos y los huesos, son los rganos de la locomocin.
Figura 2.10. Articulaciones de la mano humana, vista palmar.
Los conjuntos de articulaciones que constituyen a la mano humana son:
Articulacin Interfalngica Distal (IFD) Articulacin Interfalngica Proximal (IFP)
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Captulo 2. Mano Humana y Msculo Biolgico.
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Articulacin Metacarpofalngica (MCF) Articulacin Carpometacarpiana (CMC). Articulacin Radiocarpiana (RC). Articulacin Mediacarpiana (MC).
En la figura 2.10 se observan las articulaciones presentes en la mano humana.
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
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CAPTULO 3. SISTEMA MECNICO.
Algunas de las funciones que cumplen los elementos mecnicos en un sistema mecatrnico es
la de dar soporte y rigidez al propio sistema, as como el transmitir la energa mecnica entre
sus componentes. Todo esto bajo un diseo que mantenga una sinergia entre las diferentes
reas de la ingeniera y la medicina involucradas. A continuacin se describe en forma breve
la conceptualizacin, diseo, anlisis, construccin y ensamble de los componentes
mecnicos en el efector.
3.1. DISEO MECNICO.
El diseo mecnico tiene como objetivo desarrollar un sistema capaz de reproducir los
movimientos de la mano humana (flexin, extensin, aduccin y abduccin) actuado con
msculos neumticos. Para esto se tiene que dar solucin a los siguientes puntos:
Diseo de un sistema con dos dedos. Integracin de una rtula comercial en la articulacin metacarpo-falangeal. Integracin de los dedos en una estructura rgida. Colocacin adecuada de los msculos neumticos dentro de la misma estructura que
contiene a los dedos.
Integracin sensores de posicin dentro de los dedos.
Para dar solucin a los puntos anteriores, se desarroll un sistema mecnico con ayuda de un
paquete de CAD, SolidWorks. Fueron modeladas 57 piezas mecnicas, integradas en 5
ensambles principales:
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Captulo 3. Sistema Mecnico.
22
Base-antebrazo. Palma. Falange proximal. Falange medial. Falange distal.
En la figura 3.1 se muestra el ensamble general del efector neumtico as como tambin las
articulaciones de los dedos.
a) b).
Figura 3.1. Figura 3.1. a) Ensamble general del efector. b) Dedos del sistema mecnico.
La articulacin metacarpo-falangeal la constituye una rtula comercial, tal como se muestra
en la imagen 3.1 a). Esta pieza es capaz de producir los movimientos: flexin, extensin,
aduccin y abduccin.El ensamble correspondiente a la falange proximal consta de dos placas
en paralelo unidas con un juego de poleas y, tal como se observa en la ilustracin 3.2 a). De
igual forma, el ensamble de la falange medial est constituido por dos placas y poleas, figura
3.3. Finalmente la falange distal contiene dos placas y una yema, pieza de color azul (figura
3.2 b).).
La disminucin de la friccin se logra con la colocacin de rodamientos de bolas en cada una
de las articulaciones.
Distal
Medial
Palma
Proximal
Base- antebrazo
Rtula
comercial
Articulacin metacarpo-falangeal
Articulacin medial-proximal
Articulacin medial-distal
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Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
23
a). b).
Figura 3.2. a). Falange proximal. b). Falange distal.
Figura 3.3. Falange medial.
En la tabla 3.1 se indican el peso de cada falange, as como tambin las dimensiones de las
mismas. Tabla 3.1. Masa y dimensiones de las falanges.
Falange Masa Largo Ancho
Proximal 12.97 g 45 mm 22 mm
Medial 11.78 g 30 mm 17.2 mm
Distal 18.82 g 34 mm 22 mm
Se incluye en este prototipo un esquema para aplicar tensin en los hilos sin la necesidad de
desarmar la unin existente entre en el tensor y el msculo neumtico. En la figura 3.4a) se
muestra el tornillo de ajuste que libera o tensa el hilo, y una contratuerca la cual fija eltornillo
Polea
Imn axial
Sensor
Placa proximal
Rodamiento
Soporte
sensor
Perno
Yema
Perno
Rodamiento
Imn radial
Placa distal
Imn radial
Perno
proxima
l-medial
Rodamiento
Tope
articulacin
Placa distal
Rodamiento
Placa
Perno
proxima
l-medial
-
Captulo 3. Sistema Mecnico.
24
en la posicin deseada. Adems, se ha colocado un destorcedor con el fin de evitar que la
cuerda se enrede o se tuerza. La palma tiene un diseo sencillo y funcional, con pocos
elementos tal como se aprecia en la figura 3.4 b).
a). b).
Figura 3.4. a). Unin y ajuste del tensor y msculo neumtico. b) Ensamble de la palma.
Se utilizan herramientas de anlisis de esfuerzos para valorar si las piezas pueden romperse o
deformarse. ste anlisis es capaz de calcular los desplazamientos, las deformaciones, y las
tensiones en una pieza basndose en el material, las restricciones y las cargas [14].
Para determinar si ciertas piezas mecnicas iban o no a soportar las cargas se utiliz un
paquete de software de anlisis de tensiones. Esta herramienta computacional emplea anlisis
estticos lineales, basados en el Mtodo de Elementos Finitos, para calcular la tensin,
asumiendo que el material es isotrpico [15]. Las piezas seleccionadas en este anlisis son
aquellas que presentan las cargas ms importantes en el sistema. Tales piezas son: placa
proximal, placa medial, placa distal, porta rtula y ngulo palma. Para fines prcticos, a cada
una de ellas se le aplic una carga de 1 kg.
En la imagen 3.5. a) y b) se muestra la distribucin de los esfuerzos en las piezas llamadas
placa proximal y placa medial. Ambas piezas son utilizadas como pieza clave en los eslabones
que llevan su nombre. Se observa una deformacin mayor a la esperada, esto se debe a que
el paquete de software realiza una escala de deformacin. Lo anterior es con la finalidad
deque el usuario pueda apreciar en forma ms clara el sentido de la deformacin.
Rtula
Placa palmar
Canal dorsal
Porta rtula
Destorcedor
Tubo flexible
Sujetador
tensores
Msculo neumtico
Polea tensor
Tornillo de
ajuste
Brazo-antebrazo
-
Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
25
a). b).
Figura 3.5. Distribucin de esfuerzos: a). Placa proximal. b). Placa Medial.
En las imgenes 3.6. a) y b) se observa la distribucin de las tensiones en la placa distal y en
la porta rtula. sta ltima tiene la funcin de dar soporte a los dedos, ya que en ella se
montan las rtulas comerciales. Adems esta pieza est unida por medio de tres tornillos al
perfil de la palma.
a). b).
Figura 3.6. Distribucin de esfuerzos: a). Placa distal. b). Porta rtula.
El elemento ngulo palma, mostrado en la figura 3.7, es la pieza encargada de soportar a la
palma, que su vez contiene a los dedos. Esta pieza debe de soportaruna mayor carga en
comparacin con el resto de los componentes.
Figura 3.7. Distribucin de esfuerzos del ngulo palma.
-
Captulo 3. Sistema Mecnico.
26
Los resultados del anlisis de esfuerzos de estas cinco piezas se indican en la tabla 3.2, masa,
esfuerzo y desplazamiento resultante mximo, as como el famoso factor de seguridad. Este
ltimo seala la carga mxima permisible antes de que el material ceda y salga de la zona
elstica. Se puede apreciar que las placas (distal, medial y proximal) son capaces de soportar
cargas mayores de 3 kg antes de ceder. La porta rtula ceder a cargas mayores de 11.89 kg,
de igual manera, el ngulo tendr que vencerse si sobrepasa los 16.47 kg.
Tabla 3.2. Datos del anlisis.
Pieza
Masa de la pieza
Esfuerzo Resultante
Mximo
Desplazamiento Resultante
Mximo
Factor de Seguridad
Placa proximal 3.49 g 1.7 e+7 N/m2
0.017 mm 3.24
Placa medial 2.25 g 1.55 e+7 N/m2
0.009 mm 3.54
Placa distal 2.24 g 1.23 e+7 N/m2
0.005 mm 4.44
Porta rtula 9.79 g 4.63 e+6 N/m2
0.004 mm 11.89
Angulo palma 76.6 g 3.34 e+6 N/m2
0.021 mm 16.47
3.2. CONSTRUCCIN Y ENSAMBLE
Una vez realizado el diseo del sistema mecnico en Solidworks lo siguiente es generar los
planos correspondientes de cada una de las piezas y ensambles. En total se elaboraron 50
planos.
Las piezas mecnicas fueron elaboradas en un taller de manufactura metal-mecnica. Para su
construccin se emplearon las siguientes mquinas-herramienta: torno convencional,
fresadora convencional y un torno CNC (Control Numrico Computacional). En la figura 3.8
aparecen las imgenes de dichas mquinas.
a). b). c).
Figura 3.8. a). Torno convencional. b). Fresadora convencional. c). Torno CNC.
-
Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
27
El ensamble del efector consiste en la unin de piezas mecnicas, as como de los elementos
elctricos y electrnicos, y la realizacin de pequeas pruebas de funcionamiento de ciertos
componentes. Los pasos desarrollados para armar el sistema son los siguientes:
a) Ensamble de la base-antebrazo: Unir las distintas piezas en este ensamble, tales como: base, porta msculos, poleas de los tensores, entre otras. El ensamble se
encarga de dar soporte al sistema, alojar la palma y los msculos neumticos. En la
figura 3.9 se observa el ensamble antes de ser armado en su totalidad.
a). b).
Figura 3.9. a). Ensamble de la base-antebrazo. b). Ensamble de la palma.
b) Ensamble de la palma: Colocar la piezas correspondientes al ensamble, por mencionar algunas: canal dorsal, placa palmar, porta rtula, etc. Cumple la funcin de
alojar a los dos dedos por medio de la pieza llamada porta rtula. A travs de la palma
pasarn las mangueras y tensores que hacen posible el movimiento en las
articulaciones de los dedos. En la figura 3.9 se aprecia la palma integrada a la base-
antebrazo.
c) Ensamble de los dedos: Unir las placas y componentes de los laterales de los dedos. Para ello, es necesario integrar los rodamientos en sus lugares correspondientes, al
igual que los pernos. Realizar el ajuste de banco en aquellas piezas que lo requieran
(figura 3.10).
d) Integracin de sensores: Colocar los imanes en los pernos y pegar los sensores en sus lugares correspondientes. La orientacin del campo magntico del imn debe quedar
muy cercano a la mitad de la carrera del sensor de posicin, figura 3.11.
-
Captulo 3. Sistema Mecnico.
28
a). b). c).
Figura 3.10. a). Piezas mecnicas de un dedo. b). Ajuste de banco. c) Colocacin de pernos y rodamientos.
a). b)
Figura 3.11. a) Seccin lateral del dedo. b) Dedo ensamblado.
e) Enrutamiento de los tensores: Realizar los amarres entre los pernos del dedo y los tensores. Unir los dedos. Colocar los hilos en las trayectorias asignadas dentro de los
dedos (enrutar los tensores). Introducir los hilos dentro de los tubos flexibles. Llevar
los tubos flexibles desde la pieza portaguas, pasando por las poleas, el separador de
tensores, el ngulo palma, la palma, hasta llegar a la pieza llamada porta rtula. La
manguera sobrante debe ser cortada con cuidado. Realizar los movimientos
antagnicos de cada articulacin en forma manual para descartar la existencia de
atoramientos, figura 3.12.
a). b).
Figura 3.12. a). Colocacin de tubos flexibles. b) Enrutamiento de los hilos.
f) Montaje de msculos neumticos: Tomar una llave espaola y roscar los 16 msculos neumticos en la placa portamsculos. De igual manera, roscar los 16
conectores rpidos en la placa ya mencionada. Aplicar por lo menos 3 bares de
presin a los msculos y colocar espuma para determinar la existencia de fugas. Unir
y realizar amarres entre los msculos neumticos, los destorcedores y los tensores
(figura 3.13).
-
Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
29
a). b). c).
Figura 3.13. a) Montaje de msculos neumticos. b). Colocacin de conectores rpidos. c). Pruebas de fugas.
g) Cableado en el efector: Introducir los cables de los sensores dentro de un tubo de thermofit transparente, y aplicar calor para su contraccin. Sujetar los cables en el
dedo. Montar la tarjeta de conexiones en la placa separador-tensores. Enrutar los
cables por debajo de la palma a travs de las bases para cinchos. Atornillar y sujetar
los cables en la tarjeta de conexiones. Realizar pruebas de continuidad con un
multmetro, ver figura 3.14.
a). b). c).
Figura 3.14. a) Amarre entre tensores y msculos neumticos. b) Cableado en el efector. c) Dedos ensamblados.
Como se apreci lneas arriba, en la construccin del efector fueron requeridos elementos de
tornillera, rodamientos, regulador de presin, mangueras, tensores, destorcedores, anillos de
retencin, as como tambin distintas herramientas. En la figura 3.14 c). se observa a los dos
dedos ensamblados.
3.3. TRAYECTORIA DE TENSORES.
Existendiversas formas de guiar los tensores dentro de la estructura del dedo. Para definir cul
es la ptima se tuvo que probar todas las posibles opciones. Algunas de ellas requeran mucho
desplazamiento para lograr girar la articulacin, y otras, necesitan demasiada tensin para
lograr su objetivo.
En la figura 3.15 se aprecian las trayectorias ptimas de los tensores dentro de los dedos.
Todos los tensores atraviesan la parte interna de la palma excepto uno, que es el tensor que
est encargado de extender a la falange prxima y atraviesa por una serie de poleas en la
parte exterior dorsal, tal como se muestra en la figura 3.16 a). En la figura 3.16. b) se observa
la trayectoria de los tensores de la falange proximal.
-
Captulo 3. Sistema Mecnico.
30
a). b). c).
Figura 3.15. Enrutamiento de tensores dentro del dedo. a). Flexin de la falange distal. b). Abduccin- Aduccin.
c). Flexin de la falange medial.
a). b).
Figura 3.16. Enrutamiento de tensores, flexin de la falange proximal: a) Seccin dorsal. b) Seccin transversal.
-
Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
31
CAPTULO 4. S
ENSORES Y ACTUADORES.
La mayora de los sistemas actuales exigen medir y retroalimentar las seales del proceso con
el fin de mantener las variables dentro de los lmites deseados. Por tal motivo se han colocado
sensores que determinen la posicin actual de cada articulacin.
Otro aspecto a cubrir en la instrumentacin de un sistema es el empleo de los elementos
finales de control.Estn encargados de recibir la seal del controlador y modificar el agente de
control. En este proyecto se hace uso de actuadores neumticos dada su similitud con la
anatoma humana. A continuacin se describen tanto los elementos primarios, como los
elementos finales utilizados en el efector.
4.1. SENSORES DE POSICIN.
Se emplearon sensores de efecto Hall para medir el desplazamiento en las articulaciones.
Estos sensores tienen la caracterstica de medir el cambio de flujo magntico. El C.I.
MLX90316 fue usado para censar el desplazamiento de las articulaciones medial-proximal y
medial-distal. Este dispositivo posee un DSP (Procesador Digital de Seales) de 16 bits,
resolucin angular de 12 bits, con un amplio rango de 0 a 360 y una salida de 0.5 a 4.5 volts
[33]. En el diseo mecnico, se realiz la consideracin de colocar el conjunto imn-sensor
dentro de cada una de las articulaciones del dedo, tal como se muestra en la figura 4.1.
-
Captulo 4. Sensores y Actuadores.
32
a). b).
Figura 4.1. a) Sensor MLX90316. b) Integracin del conjunto imn-sensor en articulaciones.
El MLX90333 fue requerido para determinar la magnitud del desplazamiento en la rtula
comercial, con dos grados de libertad. El C.I. tambin es conocido como sensor 3D, y es de
gran utilidad porque mide los desplazamientos realizados por los movimientos: flexin,
extensin. Adems posee la capacidad de medir los movimientos de aduccin y
abduccin.Cuenta con un DSP de 16 bits, salida analgica de 0.5 a 4.5 volts con una
resolucin de 12 bits [34]. En la figura 4.2 se observa que el sensor es montado sobre la
rtula y el imn queda alojado en la falange proximal (pieza en movimiento).
a). b).
Figura 4.2. a) Sensor MLX90333. b) Integracin del conjunto imn-sensor en rtula.
El diagrama elctrico se muestra en la imagen 4.3.
a). b).
Figura 4.3. a) Circuito elctrico del MLX90316. b) Circuito elctrico del MLX90333.
Se construyeron los PCBs (Tarjeta de Circuito Impreso, siglas en ingls) de los sensores, se
soldaron los circuitos integrados y capacitores, finalmente, fueron colocados en el dedo. En la
figura se muestra la fabricacin de dichos sensores de posicin, figura 4.4.
Flexin-Extensin
Abduccin
Aduccin
Flexin-Extensin
-
Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
33
a). b). c).
d). e).
f).
Figura 4.4. Fabricacin y montaje de sensores: a). Impresin de pistas. b) Trasferencia trmica de pistas.
c). Corrosin de cobre. d). Corte y pulido. e).Soldadura de componentes. f). Integracin de sensores.
4.1.1. CARACTERIZACIN DEL SENSOR DE MOVIMIENTO EN RTULA.
La rtula comercial, utilizada en la articulacin metacarpofalangeal, est construida de un
material ferromagntico. Este material ocasiona cambios en las lneas del flujo magntico del
imn, provocando variaciones en las lecturas del sensor 3D. Para determinar en forma
cualitativa estos efectos no deseados, se construy un pequeo banco de pruebas, empleando
diversos materiales: perfiles de aluminio, tornillera milimtrica, mica graduada, rtula
comercial, imn axial, sensor 3D, etc.
En la figura 4.5, se muestra el banco de pruebas utilizado para determinar las variaciones y
desviaciones de las lecturas en el sensor de efecto Hall. Se aprecia la rtula y el sensor, as
como un eslabn en el cual es capaz de desplazar a distintas distancias el imn respecto al eje
de la rtula. La rotula posee 2 GDL, y para propsitos prcticos se ha suprimido uno de ellos
en el banco de pruebas; de esta manera, se realizan movimientos de flexin y extensin.
Se puede observar en la ilustracin (figura 4.5), una escala graduada para determinar la
posicin a la que se desea desplazar el eslabn.
-
Captulo 4. Sensores y Actuadores.
34
Figura 4.5. Banco de pruebas de rtula comercial y sensor 3D.
La respuesta del sensor se aprecia en la figura 4.6, en ella se ilustra claramente el
comportamiento del voltaje de salida del sensor, cuando el imn es colocado a distintas
distancias respecto al eje de la rtula. Al alejar el imn a una distancia de 11 mm, se aprecia
una curva semejante a una sinusoidal, respuesta que no es til para la aplicacin. De igual
manera, a una distancia de 19 mm, se observa que el voltaje cae repentinamente cuando el
eslabn supera los 46 en su desplazamiento; ambas respuestas no deseadas para la
aplicacin.
Sin embargo, las distancias comprendidas entre 13 y 17 mm el sensor presenta un
comportamiento ms estable y adecuado. Dicha desviacin puede ser corregida en la
programacin del sistema embebido.
Figura 4.6. Curvas caractersticas del sensor MLX90333 implementado en rtula comercial.
Sensor MLX90333, implementado en rotula comercial
y = 0.0004x3 - 0.0147x2 - 0.0032x + 3.9747
y = 0.0004x3 - 0.0158x2 - 0.0214x + 4.2883
y = 0.0005x3 - 0.0197x2 - 0.0207x + 4.6408
0
1
2
3
4
5
6
-54 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Angulo []
Salid
a, V
olt
aje
[V
]
19 mm
17 mm
15 mm
13 mm
11 mm
Polinmica (17 mm)
Polinmica (15 mm)
Polinmica (13 mm)
Imn
Desplazamiento
Rtula Sensor 3D
Escala graduada Portartula
Tornillo de ajuste
Base
-
Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
35
4.2. VLVULA NEUMTICA.
Los actuadores tienen por misin generar el movimiento de los mecanismos que integran al
robot de acuerdo a las rdenes dadas por la unidad de control. Los actuadores utilizados en
robtica pueden emplear energa neumtica, hidrulica o elctrica. Los actuadores neumticos
son elementos que aprovechan la energa mecnica usando aire comprimido para
transformarla en trabajo. Este sistema mecatrnico emplea vlvulas y msculos neumticos.
Las vlvulas neumticas utilizadas en esta aplicacin funcionan en forma semejante a un
convertidor de voltaje a presin. Con un potencial de 1 a 5 volts regulan en forma
proporcional la presin de salida de 0 a 8.8 Bares. Para poder utilizar las vlvulas
proporcionales neumticas fue necesario armar sus componentes mecnicos y realizar sus
conexiones elctricas, figura 4.7.
a). b).
Figura 4.7. a) Ensamble de los componentes de las vlvulas proporcionales neumticas. b). Vlvulas
proporcionales neumticas ensambladas.
Para determinar el comportamiento de la vlvula proporcional se habilit un pequeo circuito
elctrico y neumtico. La respuesta del comportamiento de la vlvula se muestra en la imagen
4.8.
a). b).
Figura 4.8. a). Pruebas de comportamiento de la vlvula neumtica b).Curva de respuesta de la vlvula de
presin proporcional.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0,0
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
PR
ES
IO
N (B
AR
)
VOLTAJE (VOLTS)
COMPORTAMIENTO DE LA VALVULA PROPORCIONAL
Vlvulas neumticas Filtro regulador
Manmetro digital
Multmetro
Circuito de control
-
Captulo 4. Sensores y Actuadores.
36
Para llevar a cabo el control de los dedos y sus articulaciones se emplearon16 vlvulas y 16
msculos neumticos, as como tambin conectores, mangueras, filtro, regulador, entre otros.
En la figura 4.9 se muestra el diagrama general de las conexiones neumticas del sistema. Los
elementos estn divididos en tres niveles: nivel de suministro, nivel de vlvulas y el nivel de
msculos. Estn agrupados en dedo A y debo B, y ordenados en pares de acuerdo a la
articulacin de cada dedo.
Figura 4.9. Circuito neumtico del sistema.
4.3. MSCULO NEUMTICO.
El msculo neumtico es un tubo flexible que est envuelto por una red de fibras dispuestas
en forma de rombos [10] (figura 4.10a). Se contrae al aplicarle una presin de aire, y se relaja
cuando se le retira el suministro de aire, talcomo se muestra en la figura 4.10 b).
Cada articulacin est provista de dos msculos antagonistas, uno de ellos se contrae y
mientras que el otro se relaja produciendo un desplazamiento longitudinal que es
aprovechado para el desplazamiento angular, talcomo se muestra en la figura 4.10 c).
ALIMENTACIN
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
R
A
P
UNIDAD DE MANTTO
VLVULA DE CORTE
DISTRUBUIDOR
SEAL DE CONTROL
SILENCIADOR
VLVULA DE CONTROL
M
SC
UL
O N
EU
M
TIC
O
MSCULOS NEUMTICOS DEL DEDO A MSCULOS NEUMTICOS DEL DEDO B
PROXIMAL PROXIMAL MEDIAL MEDIAL DISTAL AD-ABD DISTAL AD-ABD
NIV
EL
DE
M
SC
UL
OS
N
IVE
L D
E V
L
VU
LA
S
NIV
EL
DE
SU
MIN
IST
RO
-
Diseo de un Sistema Mecatrnico Articulado de Dos Dedos, Actuado con Msculos Neumticos.
37
a). b). c).
Figura 4.10. a). Constitucin del msculo neumtico. b). Movimientos de los msculos. c). Msculos en
antagonismo.
Existen en el mercado msculos neumticos, pero son muy costosos, algunos de mala calidad
y en la mayora de los casos no se ajustan a la aplicacin. Por tal motivo se construyeron en
el Cenidet los msculos neumticos utilizados en el sistema, representando grandes ahorros en
el desarrollo del prototipo, y teniendo la cap