TRABAJO

BRAZO ROBOTICO

PAULA DANIELA GÓMEZ CEDEÑOJOSEPH DAMIAN BERNAL GARCIA

JOHAN ANDRES MUÑOZ

DISEÑO 2EDWIN RIVERA

UNIVERSIDAD DE AMÉRICAOCTAVO SEMESTRE

2015

1. ARTICULACIONES DE UNA BRAZO HUMANOLas Articulaciones Son las zonas de unión entre los huesos o cartílagos del esqueleto.

Se pueden clasificar en: sinartrosis, que son articulaciones rígidas, sin movilidad, como las que unen los huesos del cráneo; sínfisis, que presentan movilidad escasa como la unión de ambos pubis; y diartrosis, articulaciones móviles como las que unen los huesos de las extremidades con el tronco (hombro, cadera).

Las articulaciones sin movilidad se mantienen unidas por el crecimiento del hueso, o por un cartílago fibroso resistente. Las articulaciones con movilidad escasa se mantienen

unidas por un cartílago elástico. Las articulaciones móviles tienen una capa externa de cartílago fibroso y están rodeadas por ligamentos resistentes que se sujetan a los huesos.

Los extremos óseos de las articulaciones móviles están cubiertos con cartílago liso y lubricado por un fluido espeso denominado líquido sinovial producido por la membrana sinovial. La bursitis o inflamación de las bolsas sinoviales (contienen el líquido sinovial) es un trastorno muy doloroso y frecuente en las articulaciones móviles.

Principales funciones

· Sostén del cuerpo.· Proporcionan puntos de inserción a los músculos de modo que se puedan producir movimientos.· Los huesos, junto con los músculos y las articulaciones forman parte del aparato locomotor.· Aportan rigidez al cuerpo.· Protegen a los órganos internos como el cerebro, pulmones, etc. formando cavidades rígidas donde estos se alojan, por ejemplo el cráneo.

2. ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN BRAZO ROBÓTICO

Un Robot está constituido por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución física de la gran parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, es decir, que poseen ciertas características antropomórficas, por lo que en ocasiones a los distintos elementos que componen el robot se les denomina en términos como cuerpo, brazo, codo muñeca.

Estructura de un Brazo Mecánico (FIGURA 1)

Cada articulación provee al robot de al menos un ‗grado de libertad‘, o bien, cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior, se denomina “grado de libertad”(GDL).

El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro o una combinación de ambos. De este modo son posibles seis tipos diferentes de articulaciones: Esférica o Rótula (3 GDL) – Planar (2 GDL) Tornillo (1 GDL) Prismática (1 GDL) Rotación (1 GDL) Cilíndrica (2 GDL)

3. ESTRUCTURA OSEA

La movilidad que tiene el cuerpo humano para cualquier tipo de actividad diaria, funcional, deportiva o en la actividad física tiene un factor fundamental que lo limita. El cuerpo humano es una unidad totalmente dinámica que se fracciona en una serie de componentes segmentales. Cada segmento está unido por una o más articulaciones que ayudan y también restringen su capacidad teórica total de movimiento. Este concepto se ha denominado la teoría de los grados de libertad (GDL) del movimiento

Los grados de libertad (GDL) de una articulación son definidos (Zatsiorsky, 1998 en Acero, 2005) como las coordenadas independientes requeridas para caracterizar completamente un cuerpo, sistema o posición. Un solo grado de libertad entonces, puede ser definido como la forma independiente en que un cuerpo se mueve ya sea en traslación o rotación. Un cuerpo suspendido en el aire tiene 6 grados de libertad máximos pues este puede trasladarse y rotar sobre tres ejes independientes (sagital, transversal (longitudinal) y frontal) o sea, dos movimientos por tres ejes igual seis GDL

Según Acero (2002), las articulaciones diartrósicas (sinoviales) o móviles del cuerpo humano dependiendo de su tipo poseen mayor o menor número de GDL y son clasificadas teniendo 1, 2, o 3 GDL. El número máximo teórico de GDL por cada articulación es de 6 si estuviesen suspendidas en el espacio pero este no es el caso del cuerpo humano que esta interconectado. Si algunos de los movimientos traslacionales

dentro de una articulación son asumidos como muy pequeños, entonces, 3 GDL del total de 6 son ignorados resultando que las articulaciones más móviles tendrían 3 GDL.

Las articulaciones planas (Inter-metacarpianas) y macho-hembra (Coxo-femoral o Gleno-humeral) tienen tres grados de libertad ·GDL (ver figuras 2 y 3).

Las articulaciones de silla de montar y elipsoidales permiten movimientos rotacionales hacia atrás y hacia delante, arriba y hacia abajo pero no permite rotación transversal por consiguiente son del tipo 2 GDL (ver Figura 4)

Con un grado de libertad son llamadas mecánicamente en bisagra o gozne o pívot y permite la retracción o extensión de uno de los extremos (ver Figura 5).

4. ANALISIS BIOMECANICANICO DE EXTENSION Y FLEXION DEL BRAZO HUMANO

Para el movimiento del brazo durante los dos ejercicios desarrollados se usaron 3 marcadores

ubicados en 3 prominencias óseas del brazo y antebrazo. Como podemos observar se

manejaron el brazo y el antebrazo como dos segmentos corporales rígidos durante el análisis

del movimiento. Los marcadores fueron fabricados con un recubrimiento en material reflectivo

para mejorar la visibilidad en la imagen. Tras la adquisición de las imágenes por medio de una

cámara de video análoga se digitalizo el video y se divido en frames o cuadros, por ser una

cámara análoga la frecuencia de muestreo de la cámara era de 30 cuadros por segundo.

Posteriormente se desarrolló un software para procesar los datos y otro para graficarlos y

filtrarlos. El software para procesar los datos y determinar el ángulo articular fue desarrollado

en Visual Basic 6.0, y para ello se usó la teoría general de pendientes, útil en nuestro caso por

ser una análisis bidimensional. A continuación se explicara un caso particular del algoritmo

usado para determinar el ángulo articular:

En el caso del hombro se halla la pendiente M1 de los dos puntos que determinan el segmento

corporal del brazo, posteriormente se halla el ángulo de dicha pendiente con la horizontal

llamado q1 , formando el triángulo que se puede ver en la figura inferior podemos hallar el

ángulo de interés dado por 90 - q1 . Hay que recordar que el ángulo de flexión y extensión del

hombro se mide con respecto a la vertical que pasa por el punto 1.

En el caso del ángulo del codo se usaron tres puntos como los indica la siguiente imagen. Se tienen en cuenta las pendientes de las dos rectas determinadas por esos tres puntos, M1 y M2, a partir de ellas se determinan los dos ángulos con la horizontal q1 y q2. En este caso en particular el ángulo de flexión-extensión del codo esta determinado por 180 - q1 + q2 .

De esta forma se determina los ángulos del codo y el hombro para cada frame. Todos estos

datos son guardados en un vector y enviados a MATLAB. En MATLAB se realiza el filtrado y

suavizado de las curvas de los ángulos. Tambien se determinan los vectores de velocidad.

Para suavizar la curva se usa una interpolación cúbica del vector original, posteriormente para

filtrar las altas frecuencias producto de la vibración de los marcadores se usa un filtro

pasabajas de 6Hz.

ANÁLISIS BIOMECÁNICO DE FLEXIÓN Y EXTENSIÓN DEL ANTEBRAZO

Ubicados los marcadores reflectivos en el hombro, codo y muñeca se le pide que realice el

movimiento de extensión del antebrazo polea alta (Figura 1) partiendo de flexión se toman

varios cuadros para determinar el ángulo del movimiento analizado (figura 1- A) este para la

flexión y extensión del antebrazo.

ANÁLISIS

Tiempo de recorrido completo 2 segundos

Tiempo de extensión de antebrazo 800 milisegundos, fase concéntrica.

Tiempo de flexión de antebrazo 1100 milisegundos, fase excéntrica.

Fase de acoplamiento, tiempo necesario para la invertir la dirección del movimiento

donde se realiza la contracción isométrica y se alcanza a los 900 milisegundos y dura

aproximadamente 100 ms.

Contracción Anisométrica.

Se observa que el hombro genera rotación en la extensión del antebrazo.

Déficit de preactivación de musculatura periescapular.

En el momento de inicio de la extensión del antebrazo realiza ligera flexión de tronco

con hombros hacia delante.

El hombro realiza un desplazamientos antero posteriores figura 1 (B)

Se comprueba que la contracción muscular dinámica no genera igual tensión y

velocidad constante a nivel de codo y hombro en este tipo de maquinas. Figura 1 (C -

D).

El eje de rotación del hombro es policéntrico ya que su radio de curvatura a nivel

glenohumeral presenta diferencias anatómicas siendo su relación geométrica diferente.

Esto es un análisis general desde la cinemática partiendo de la descripción geométrica.

Aplicación útil para la rehabilitación de hombro y codo.

Palanca de primer genero para la extensión y flexión del antebrazo en el ejercicio de

extensión polea alta esta es de ínter apoyo donde la potencia (músculo) la realiza el

tríceps braquial.

La porción larga del tríceps es estabilizadora en la componente X del hombro.

La porción larga del tríceps es una palanca de segundo genero para el hombro.

Velocidad media en la ejecución del movimiento 0,3 m/seg

Trabajo mecánico = mgh = 60 lb. x 9,81m/seg. x 0,3 m = 176.58 julios

Potencia media = 176 J / 2 seg = 88 watios

5. BIOMATERIALES

Son materiales aptos para permanecer temporal o definitivamente dentro del cuerpo humano, sin que produzca biotoxicidad. A continuación veremos en la tabla 1 los biomateriales más usados. Tabla 1: Biomateriales y sus Aplicaciones.

Aplicación Materiales utilizados Esquelético Reemplazo de articulaciones (cadera, rodilla) Titanio, Aleaciones TI- AL-V, acero inoxidable, polietileno (PE) Placas óseas Acero inoxidable, aleaciones de cobalto - cromo Cemento óseo Polimetilmetacrilato

(PMMA) Reparación de defectos óseos hidroxiapatita (HAP) Tendones y ligamentos artificiales Teflón, Dacrón Implantes Dentales Titanio, óxido de aluminio, fosfato de calcio Sistema Cardiovascular Injertos vasculares Dacrón, teflón, poliuretano (PU) Válvulas del corazón Tejidos modificados, acero inoxidable, fibra de carbono Catéter Silicona, teflón, PU Reemplazo de rganos Corazón Artificial PU Sustituto de la piel Silicona, colágeno compuesto Riñón artificial (diálisis) Celulosa, poliacrilonitrilo Máquina de corazón-pulmón Silicona rganos de los sentidos Reemplazo Coclear Electrodos de platino Lentes intraoculares PMMA, silicona, hidrogeles Lentes de Contacto Acrilatos de silicona, hidrogeles Apego Corneal Hidrogeles de colágeno

3.1

Características de los biomateriales

3.1.1

Biocompatibilidad

Se denomina a la capacidad del material para ser usado en alguna aplicación específica dentro del cuerpo humano sin que este reaccione de manera inadecuada y detecte a la protesis como cuerpo extraño activando las diferentes lineas de defensa del organismo es decir que los anticuerpos no reaccionan a la presencia de este en contacto con los tejidos receptores. [7] [8]

3.1.2

Bioinercia

Es la capacidad de un biomaterial de no provocar reacción alguna en los tejidos vivos circundantes después de su implantación en el organismo. Cabe recalcar que ciertos casos puede presentarse una mínima respuesta inmunológica de tipo inflamatoria [8]

3.1.3

Bioactividad

En algunos casos, los biomateriales tienen la capacidad de estimular o provocar una acción biológica en tejido receptor. Es así, que un material bioactivo provoca una respuesta biológica específica en su relación con los tejidos favoreciendo así su integración. [8]

3.2

Tipos de biomateriales

Algunos metales, cerámicos, poliméricos y compuestos o híbridos, son parte del grupo de biomateriales,mismos que son diseñados “para interaccionar con sistemas

biológicos para evaluar, tratar, aumentar o reemplazar cualquier tejido, órgano o función del cuerpo”

Es así que en la clasificación de los biomateriales se antepone la palabra “bio” para denotar que es un biomaterial.

BIOMETALES

Los metales se utilizan en muchas situaciones biomédicas, mismas que en muchas aplicaciones son muy específicas como es el caso de sustituir tejidos dañados o defectuosos con el fin de restablecer una función. Un ejemplo fehaciente de esto son las aplicaciones ortopédicas en las que parte o la totalidad de un hueso o articulación es sustituida o reforzada con aleaciones de metal. Otra aplicación en la que se usa en gran medida a los metales es la odontología donde estos son utilizados como material de relleno para obturaciones, en tornillos de soporte para implantes dentales y como material de sustitución dental. [10]

ELECCIÓN DEL MOTOR

SERVOMOTOR

Catálogos: http://www.fagorautomation.com.br/novo/produtos_e_manuais/motores/fxm_fkm/ MAN_FXM%20&%20FKM_MOTORS.pdf

SERVOMOTORES TRIFÁSICOS. FAMILIA FKM

Los servomotores de la familia FKM de Fagor son servomotores síncronos del tipo AC Brushless, de imanes permanentes. Están especialmente diseñados para trabajar junto a los reguladores Fagor.

Son apropiados para el control de ejes de avance y posicionamiento en aplicaciones de máquina-herramienta así como para sistemas de manipulación, maquinaria textil, impresión, robótica, En general, para cualquier aplicación que requiera una gran precisión en el posicionamiento.

Estas características son esenciales en muchas aplicaciones como alimentadores de banda, punzonadoras. Estos servomotores trifásicos han sido diseñados para el servicio sin refrigeración adicional externa. Únicamente se origina calentamiento en el devanado y paquete de chapas del estátor que puede disiparse a través de la carcasa. Esto permite que sean diseñados según la norma de protección IP 65 y no se ven afectados por líquidos ni suciedad.

Estos motores pueden disponer de encóder o resólver como captador de posición y opcionalmente de un freno electromecánico. La familia de motores FKM, disponible tanto para tensiones de alimentación de 220 V AC (bobinado F) como de 400 V AC (bobinado A) presenta tres series atendiendo al tamaño. Estas series son FKM2, FKM4 y FKM6.

Todos estos motores han sido fabricados conforme a las normas EN 60204- 1 y EN 60034 en cumplimiento de la Directiva Europea 98/37/CE de Seguridad sobre máquinas. Sus prestaciones son:

Amplia gama de potencias nominales que permiten disponer de rangos de potencia nominales desde 1 hasta 5 kW y velocidades nominales de 3000 a 6000 rev/min.

Par de salida uniforme. Alta relación par/volumen. Alta fiabilidad. Bajo mantenimiento. Conectores de potencia y captación girables.

1. Conector de alimentación del motor + freno (si procede).

2. Conector de captación motor (encóder senoidal, encóder TTL incremental ó resólver).

Serie FKM42

Página 16 Catalogo nombrado al principio.

CALCULO CORREAS

Potencia 3 KWP 3000W 1 HP=745.7 W

Potencia= 3000745.7

=4.02HP

Potencia transmitida (Pc)

Pc=P∗K P=4,02

K=1,2es el factor de correcionde la potencia ver tabala11del punto 5,2

Pc=P∗K=4.02∗1.2=4.83HP

por efectosde calculose dejara5HP

Selección del tipo de correa

Entramosen la tablade la Figura14 Seleccion de la seccion de la correa punto 5.3Con los siguientes valores

N=4500 rev/minP=5 HP

Tipo de correa seleccionada: Perfil “A”

Relación de transmisión (R)

Larelacion de transmision secalcula deacuerdoa lomostradoen el5.4

R=Nn

=45003000

=1.5

Diámetros de las poleas

Diámetro polea menor d 16,17 mm para correa de perfil “A”Diametro polea mayor conducida,D = 43,12* 1.5 =64.68 mm

Distancia entre ejes de poleas

Aplicandola formulaciondel5.6 , ladistancia entre ejesmínimaresulta ser de

Emí=338mmLuego ladistancia entre ejesde lamaquinaconductora y

conducida debe ser

E=87 para1Gdl ,80 para2Gdl ,75 para 4Gdl ,63 para 6Gdl y35 7Gdl

Longitud de la correa

En el punto 5.7 se puede acceder a la formulación que proporciona exacta que debe tener la correa (Lp), en función de la distancia entre ejes de poleas (E=87mm), el diámetro de la polea menor (d= 16,17 mm) y el diámetro de la polea mayor (D=64.68 mm)

Aplicando los valores anteriores resulta LP=304.8 mmSe selecciona una correa de perfil “A” con desarrollo nominal 308.337 mm