INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE LIBRES Organismo Público Descentralizado del Gobierno del Estado de puebla

INGENIERÍA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES

“TALLER DE INVESTIGACIÓN II”

“YO, ROBOT”

PRESENTA:

AMADOR TELLEZ GUSTAVO LEONEL

AVILES NABOR AMALIA

GONZÁLEZ SOTO PATRICIA AMELIA

HERNÁNDEZ COBA CRISTINA

RAMÍREZ MUÑOZ DIEGO ALFONSO

LIBRES, PUEBLA ABRIL 2011

INTRODUCCIÓN.

La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots, esta combina diversas disciplinas como son como son: La Mecánica, La Electrónica, La Informática, La Inteligencia Artificial

y la ingeniería de control. Otras arias importantes de los robots son el Algebra, los Autómatas Programables y las Maquinas de Estado.

Isaac Asimov fue el redactor de las tres leyes de la robótica, las leyes son formulaciones matemáticas impresas en los senderos positrónicos del cerebro de los robots (lo que hoy llamamos ROM).

1. Un robot no puede dañar a un ser humano o por su inacción dejar que un ser humano sufra daños.

2. Un robot debe obedecer las órdenes que le son dadas por un ser humano excepto si estas entran en conflicto con la primera ley.

3. Un robot debe proteger su propia existencia hasta donde esta ley no entre en conflicto con la primera o la segunda ley.

Estas leyes surgieron como medidas de protección para los seres humanos.

Con constantes accidentes en el mundo hace pensar que muchas personas que llegan a perder alguna extremidad de su cuerpo no vuelven a mirar la vida del mismo modo, y sobre todo si se trata de algo tan importante como lo es una mano, cambian por completo su modo de vivir y caen en una profunda depresión que en algunos casos culminan con su vida.

Con ayuda de áreas como: la mecánica, electrónica, informática, inteligencia artificial, ingeniería de control y la medicina, se investigara que materiales no son dañinos para el cuerpo humano esto es con respecto a la medicina, en otras áreas como la mecánica y la electrónica se examinara si los circuitos no tienen repercusiones hacia las ondas cerebrales, al tener fundamentado todo esto, se procederá a realizar el esqueleto de lo que será el reemplazo de la extremidad ya mencionada creando modelos matemáticos y una serie de restricciones previamente programadas para que no se salga del control cerebral que se pretende lograr.

Podemos llegar a crear extremidades del cuerpo humano permitiendo a las personas que han sufrido algún tipo de amputación agarrar objetos y hacer, dentro de sus posibilidades, una vida normal sin dañar a su cuerpo, sino al contrario adaptarse tan bien a sus prótesis de tal modo que se lleguen a sentir como si fuese su propia mano, así mismo ayudarlos a no ser discriminados por la sociedad.

CAPITULO I

Las manos forman parte de las extremidades del cuerpo humano, están localizadas en los extremos de los antebrazos, son prensiles y tienen cinco dedos cada una. Abarcan desde la muñeca hasta la yema de los dedos en los seres humanos.

Son el principal órgano para la manipulación física del medio. La punta de los dedos contiene algunas de las zonas con más terminaciones nerviosas del cuerpo humano; son la principal fuente de información táctil sobre el entorno, por eso el sentido del tacto se asocia inmediatamente con las manos. Como en los otros órganos pares (ojos, oídos, piernas), cada mano, está controlada por el hemisferio del lado contrario del cuerpo. Siempre hay una dominante sobre la otra, la cual se encargará de actividades como la escritura manual, de esta forma, el individuo podrá ser zurdo, si la predominancia es de la mano izquierda (siniestra) o diestro si es de la derecha (diestra); este es un rasgo personal.

La mano humana consiste en una palma central (cuyos huesos forman el metacarpo) de la que surgen cinco dedos, está unida al antebrazo por una unión llamada muñeca (cuyos huesos forman el carpo). Además, la mano está compuesta de varios, músculos y ligamentos diferentes que permiten una gran cantidad de movimientos y destreza.

Dedos

Nombre de los dedos de fuera a dentro, con la palma hacia arriba:

1. Pulgar2. Índice3. Dedo medio4. Anular5. Meñique

El pulgar

El primer dedo es el dedo pulgar (conectado al trapecio) está en el lado interno de la mano, paralelo al brazo. El pulgar puede rotar fácilmente 90º, perpendicularmente a la palma, no como el resto de dedos que solamente pueden rotar cerca de 45º. Una forma fiable de reconocer manos verdaderas en el resto de animales (no humanos) es observar si poseen pulgares oponibles. Los pulgares oponibles se diferencian por poder oponerse al resto de los dedos en una acción muscular conocida como oposición.Los otros cuatro dedos de la mano se localizan en el borde exterior de la palma. Estos cuatro dedos pueden ser plegados hacia la palma, esto permite sostener objetos y además agarrar otros más pequeños.

Huesos de la mano.

Fig. 1.1

La mano humana tiene al menos 27 huesos: el carpo o muñeca tiene 8; el metacarpo o palma tiene 5 y los 14 huesos restantes son digitales.

Huesos de la muñeca

La muñeca tiene ocho huesos (los huesos carpianos), dispuestos en dos grupos de cuatro. Estos huesos encajan en una pequeña cavidad formada por los huesos del antebrazo el radio y el cúbito, si bien es de resaltar que el cúbito no se articula verdaderamente con ninguno de los huesos de la muñeca. Bajo la cara inferior del cúbito se encuentra el ligamento triangular de la muñeca, que sí se articula con los huesos.

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.

Huesos de la palma

La palma de la mano tiene cinco huesos (los huesos metacarpos), uno por cada dedo.

Huesos digitales

Las manos humanas contienen catorce huesos digitales, también llamados falanges: dos en el pulgar, y tres en cada uno de los otros cuatro dedos; cabe mencionar que el pulgar no tiene falange media. Estos son:

la falange distal la falange media

la falange proximal.

Anatomía de la mano

Cada mano posee 27 huesos, 8 en el carpo, 5 metacarpianos y un total de 14 falanges. En conjunto forman un canal de concavidad anterior por el que se deslizan los tendones de los músculos flexores de los dedos.

Los 8 huesos del carpo se organizan en dos filas o hileras, una superior y otra inferior .De radial a cubital la fila superior compuesta de los huesos escafoides (escafoideum), semilunar (lunatum), piramidal (triquetum) y pisiforme. La fila inferior la forman el trapecio (trapecium), trapezoide (trapezoideum), hueso grande (capitatum) y hueso ganchoso (amatum).

A excepción del hueso piramidal, pisiforme, y del ganchoso, la mayor parte de los huesos del carpo presentan forma cuboides y constan de seis caras. Las caras anteriores y posteriores son rugosas y corresponde a las caras palmar y dorsal de la mano. Las caras superior, inferior y lateral o medial son articulares, excepto las caras laterales de los huesos que están en los extremos de ambas filas del carpo.

Fila superior

Hueso escafoides: Es el más lateral, alargado de la superior e inferior y de medial a lateral. Se describen en él:

Cara anterior: rugosa y prolongada por una saliente denominada tubérculo del hueso escafoides, donde se inserta el ligamento colateral radial del carpo.

Cara posterior: es estrecha y reducida en un surco rugoso.

Cara superior: convexa, articular y relacionada con el radio.

Cara inferior: convexa y articular para los huesos trapecio y trapezoide.

Cara medial: posee dos superficies articulares: una superior, pequeña y otra inferior más extensa.Cara lateral: rugosa y excavada por un surco.

Hueso semilunar: situado entre el escafoides y el piramidal.

Cara anterior: convexa y rugosa.Cara posterior: casi plana y rugosa.

Cara superior: convexa y se articula con el radio.Cara inferior: es cóncava y se une al hueso grande lateralmente y medialmente con el hueso ganchoso por medio de una superficie estrecha.Cara medial: articula con el hueso piramidal.

Cara lateral: articula con el hueso escafoides.

Hueso piramidal: presenta una forma de una pirámide cuadrangular.

Cara anterior: tiene una superficie articular algo convexa destinada al hueso pisiforme.

Cara posterior: presenta una saliente rugosa transversal, la cresta del hueso piramidal donde se inserta un fascículo del ligamento colateral cubital del carpo.

Cara superior: convexa articulada con el disco articular.

Cara inferior: cóncava, en conexión al hueso ganchoso.

Vértice medial: este vértice es rugoso.Cara lateral (base): articulada con el hueso semilunar.

Hueso pisiforme: hueso irregularmente redondeado.

Cara anterior: la superficie de inserción del músculo flexor cubital del carpo en su parte superior y del músculo abductor del meñique en su parte inferior.

Cara posterior: ligeramente cóncava, en conexión con la cara anterior del hueso piramidal.

Cara lateral: presenta un surco poco profundo en relación con la arteria cubital del carpo.

Fila inferior

Hueso trapecio: el más lateral de la segunda fila.

Cara anterior: presenta un surco, limitado lateralmente por una cresta saliente, denominada tubérculo del hueso trapecio.

Cara posterior: rugosa, presenta en sus extremos lateral y medial un tubérculo destinado a la inserción de ligamentos.

Cara superior: cóncava en relación con el hueso escafoides.

Cara inferior: convexa de anterior a posterior. Articula con el primer hueso metacarpiano.

Cara medial: se halla en relación, mediante dos superficies articulares distintas, con el hueso trapezoide superiormente y el hueso metacarpiano inferiormente en el segundo.

Cara lateral: es rugosa.

Hueso trapezoide: situado entre el hueso trapecio y el hueso grande.

Cara anterior y posterior: rugosa.

Cara superior: es cóncava y se articula con el hueso escafoides.

Cara inferior: se une al segundo hueso metacarpiano.

Cara medial: es cóncava y se articula con el hueso grande.

Cara lateral: es convexa superior a inferior y cóncava de anterior a posterior.

Hueso grande: es el más voluminoso de los huesos del carpo. Se describen en él una parte superior redondeada cabeza, un cuerpo y una zona intermedia denominada cuello.

Cara anterior: es rugosa

Cara posterior: se prolonga inferiormente por medio de una saliente: la apófisis de hueso grande.

Cara superior: convexo y se articula con los huesos escafoides y semilunar.

Cara inferior: superficie articular en la cual se distinguen tres carillas yuxtapuestas para el 2,3 y 4 hueso metacarpiano.

Cara medial: presenta una superficie articular destinada al hueso ganchoso.

Cara lateral: se une superiormente al hueso escafoides e inferiormente al hueso trapezoide.

Hueso ganchoso: presenta la forma de un prisma triangular .Consta de cinco caras: dos bases no articulares, una anterior y otra posterior, y tres caras articulares.

Cara anterior: presenta una saliente en forma de gancho.

Cara posterior: rugosa.

Cara inferior: es articulada y está dividida en dos carillas: una lateral y cóncava para el cuarto metacarpiano, y otra medial, cóncava de anterior a posterior y convexa de lateral a medial, para el quinto metacarpiano.

Cara súperomedial: convexo superiormente y cóncavo inferiormente, es rugosa a lo largo de su borde inferior.

Cara lateral': se articula con el hueso grande.

Macizo óseo carpiano ¨ Canal carpiano y conducto carpiano ¨

Los ocho hueso del carpo forman en conjunto un macizo óseo que presenta 4 caras (anterior, posterior, superior e inferior) y dos bordes (lateral y medial) .

Canal Carpiano: Este canal está limitado lateralmente por los tubérculos de los huesos escafoides y trapecio, y medialmente por la eminencia del hueso pisiforme y el hueso ganchoso.

Conducto Carpiano: Por donde discurren el nervio mediano, y los tendones de los músculos flexor superficial de los dedos, flexor profundo de los dedos y flexor radial del carpo.

Metacarpo

Constituye el esqueleto de la palma y del dorso de la mano, se compone de 5 huesos largos. Los espacios limitados entre ellos se denominan espacios interóseos.

De lateral a medial reciben el nombre de primero, segundo, tercero, cuarto y quinto metacarpiano.

a) Características comunes de los huesos metacarpianos Se distingue un cuerpo y dos extremos: la base y la cabeza del hueso metacarpiano.

1) Cuerpo: Describen una curva de concavidad anterior y posee una forma prismática triangular. a.- Cara posterior: Ligeramente convexa, ancha inferiormente y afilada superiormente.

b.- Dos Caras, lateral y medial: Limitan los espacios interósios y en las que se insertan los músculos interósios.

c.- Dos bordes, lateral y medial: Más marcados en la mitad inferior que en la superior.

d.- Borde anterior: Cóncavo.

2) Base: La base superior y cuboides.

a.- Cara superior: Articular en relación con los huesos de la segunda del carpo.

b.- Dos caras, lateral y medial: Articulares, en conexión con las de los metacarpianos vecinos.

c.- Cara dorsal y palmar: Presenta rugosidades en las que se insertan ligamentos y músculos.

3) Cabeza: Representa el extremo inferior del hueso metacarpiano. Es aplanada de lateral a medial.

a.- Cara inferior: Convexa y articular, articulándose con la base de la falange proximal.

b.- Dos caras, lateral y medial: Ligeramente deprimidas y superiormente a dicha de presión, un tubérculo donde se insertan ligamentos colaterales de la articulación metacarpo Falangica.

c.- Cara dorsal: Rugosa.

d.- Cara palmar: Esta ocupada en gran parte por la superficie articular.

B) Algunas características propias de cada hueso metacarpiano.

1) Primer hueso metacarpiano:

a.- Es el más corto y voluminoso de todos. b.- Su base no presenta superficie articulares lateral y medial.

2) Segundo hueso metacarpiano:

a.- Es el más largo de todos los huesos metacarpiano. b.- La cara dorsal de la base presenta el apófisis estiloide del segundo hueso metacarpiano.

3) Tercer y cuarto hueso metacarpiano:

a.- Cada uno de la cara lateral o medial correspondiente de las bases presenta superficies Articulares.

b.- El cuarto hueso metacarpiano es mucho más delgado que el tercero.

4) Quinto hueso metacarpiano:

a.- Su base presenta una sola carilla articular lateral.

b.- La carilla medial de esta base presenta un tubérculo destinado a la inserción del músculo extensor cubital del carpo.

Falanges

Cada dedo, con excepción del dedo pulgar, consta de tres segmentos óseos: La falange. El pulgar presenta solamente dos. Se designan con los nombres de falange proximal, media y distal.

La falanges son huesos largos, presentan un cuerpo y dos extremos : La base y la cabeza de la falange.

a.- Falange proximal:

1) Cuerpo: Es semi cilíndrico, convexo posteriormente y ligeramente cóncavo anteriormente.

2) Base: Presenta una cavidad glenoidia para la cabeza del metacarpiano y dos carillas palmares para los huesos sesamoidios y dos tubérculos laterales, determinados para la inserción de los ligamentos colaterales de las articulación metacarpo falangica.

3) Cabeza: Termina en una tróclea relacionada con la base de la falange media. La superficie articular se extiende ampliamente sobre la cara palmar de la cabeza.

b.- Falange media:

1) Cuerpo: Es semejante al de la falange proximal.

2) Base: Provista de una superficie articular Formada por dos vertientes laterales separadas en una cresta roma.

3) Cabeza: Presenta la misma configuración que la de la falange proximal.

c.- Falange distal:

1) Cuerpo: Es muy corto, convexo dorsalmente, y plano en su cara palmar.

2) Base: Es semejante al de la falange media.

3) Extremo distal: Ancho y convexo posteriormente, presenta en su cara palmara una superficie rugosa y saliente de forma de herradura.

d.- Falange del dedo pulgar:

1) Falange proximal: Semejante a las otras falanges proximales de los otros dedos.

2) Falange distal: Es análogo a la falange distal.

No obstante, las dos falanges del dedo pulgar son más voluminosas que las de los otros dedos.

Huesos sesamoideos

Se da el nombre de huesos sesamoideos a unos pequeños huesos que presentan la forma de sésamo. En la mano existe un número variable de huesos sesamoideos, todos situados en la cara palmar. Dos son constantes y se encuentran en la cara palmar de la articulación metacarpofalángica del de los dedos índice y meñique .Con menos frecuencia se observan en las articulaciones metacarpofalángicas del dedo medio y del anular y en la articulación interfalángica del dedo pulgar.

Usos de las manos

El pulgar en oposición a los demás dedos permite asir objetos con facilidad.

El uso principal de las manos es el de tomar y sostener objetos, aunque de estos usos generales derivan muchos más, debido a la gran versatilidad de movimiento del que es capaz la mano, así como por la precisión que puede alcanzar en estos movimientos. Ejemplos de usos de las manos son:

Las manos y los dedos son "utensilios" primordiales para poder comer y beber. Las manos se utilizan en múltiples costumbres, como el saludo (véaseapretón de

manos). Con la mano se puede gesticular, e incluso existen lenguajes de señas para la

comunicación con personas sordas o con problemas auditivos. Algunos gestos pueden ser especialmente obscenos (dependiendo del país o ámbito), como también ocurre con el lenguaje verbal, y un ejemplo es el puño con el dedo corazón extendido, o con el índice y meñique extendidos.

La mano también sirve como instrumento de medida. Una mano extendida es un palmo, aunque su longitud es muy variable según la persona.

Las personas invidentes pueden utilizar sus manos como instrumentos de lectura mediante la escritura en Braille. En esta escritura, la sensibilidad de los dedos entra en acción ya que han de ser capaces de sentir los pequeños surcos en el papel de los que se compone.

Una mano cerrada es un puño, y puede servir para golpear o para sujetar objetos pequeños. Una mano cerrada con el dedo índice extendido sirve para señalar o tocar algo.

También se puede sujetar un lápiz u otro instrumento similar para escribir o dibujar. La escritura es una actividad que realmente exige una gran precisión y coordinación de los distintos músculos y articulaciones que componen la mano.

Utilizarlas para comunicarse o aliviar el dolor mediante técnicas de masaje, también denominado "tacto estructurado".

Otro uso es el de obtener placer físico. La mano ha dado surgimiento a la regla de la mano derecha, que es un convenio

práctico empleado en Física y Mecánica. Debido a la versatilidad del movimiento de la mano, ésta puede ser usada para

interpretar instrumentos musicales.

Tomar un objeto y manipularlo es una actividad que nos parece muy natural, y hasta simple, ya que los humanos la realizamos sin esfuerzo. Pero la realidad es que todo aquel que quiso darle esta capacidad a una máquina ha descubierto que se trata de una tarea para nada fácil de implementar.

A demás de la cantidad de articulaciones que se necesitan para darle versatilidad a una mano robótica, se necesita sensibilidad táctil.

Para que podamos mover las falanges como lo hacemos, los dedos de la mano humana poseen 3 articulaciones cada uno —15 en total en toda la mano—. A éstas hay que agregarles la articulación principal de la muñeca.

De ellas, seis son juntas de doble eje de movimiento o "universales". Traducido a actuadores, o motores, para hablar en términos sencillos, esto significa que para mover una mano de manera diestra deben actuar orquestadamente 21 de estos actuadores, todos ellos ubicados en un espacio bastante acotado.

Y cuando descubrimos que hacen falta sensores de tacto como los que tenemos nosotros en las manos, veremos que, como mínimo, se necesitan unas dos decenas de ellos.

Recordemos que además hacen falta sensores de temperatura, o nuestra mano robótica correrá graves riesgos de resultar dañada.

Obsérvese en la imagen de abajo los diversos sensores de presión (áreas de color negro), de distintas formas, que se utilizan en esta mano experimental.

Obsérvense los sensores en la punta y parte media de los dedos, y en la "palma"

CAPITULO II

Fig. 2.1

La mano humana y sus movimientos

La articulación de la muñeca tiene dos grados de libertad de movimientos. Esto significa que necesita una junta universal. Y, por supuesto, ya que soporta la totalidad de cualquier esfuerzo que se hace con la mano (más el propio peso de ella), requiere de actuadores potentes.

Los dedos también tienen dos grados de libertad en su articulación con la palma (llamada metacarpofalangeal en nuestra anatomía, ya que articula la falange proximal con el hueso metacarpiano). Uno de los movimientos (el lateral, que nos permite abrir los dedos) es muy limitado, pero el otro (llamado de flexión) es extremadamente amplio.

El pulgar tiene una movilidad excepcional —por esto es absolutamente clave en las habilidades de manipulación—, y los otros cuatro dedos se mueven de manera limitada en sentido lateral, aunque su capacidad de flexión (para abrir y cerrar la mano) es muy buena. Esta capacidad de flexionar así los dedos es, claro, muy importante para la habilidad que tenemos de atrapar objetos y mantenerlos con seguridad.

En la imagen a la derecha se observan los nombres que se le han asignado a las capacidades de movimiento lateral de los dedos. Se le llama abducción al movimiento que permite separarlos y aducciónar movimiento que los pone todos juntos.

En la mano humana este movimiento es limitado, con una cierta interconexión entre los dedos, lo que los hace moverse más o menos juntos. Sin embargo, con un esfuerzo de voluntad es posible moverlos por separado, unos milímetros a cada lado. Esta movilidad es muy importante en el ajuste de la cavidad de agarre de la mano, que así puede atrapar objetos mayores al tener los dedos abiertos.

Fig. 2.1 Articulaciones del dedo

Fig. 2.3 Movimientos de una mano

El movimiento amplio y fluido de flexión, en cambio, no sólo es

necesario, sino imprescindible, para la habilidad de manipular. Y muy especialmente en el pulgar, que es el único dedo capaz de enfrentarse, uno a uno, con los otros dedos, lo que nos permite asir con precisión objetos pequeños y delicados.

Las manos robóticas requieren un especial trabajo de diseño en esta parte de su capacidad de operación: la flexión de todos los dedos y la movilidad del pulgar. Las soluciones no son fáciles y, por lo general, requieren de sistemas especiales de engranajes, o actuadores poco comunes, muy miniaturizados, y diversos tipos de implementaciones para los tendones

artificiales. De hecho, aún está en discusión cuál sería la forma más eficiente de implementar las soluciones, como se puede observar en las discusiones que se presentan dentro de los ejemplos que ofrecemos más adelante.

Si bien hay manos robóticas que emulan estrechamente la anatomía de nuestras manos, es común ver otras soluciones. Una de las cosas notables de la mano humana es que el dedo meñique no tiene una gran utilidad para la manipulación; se puede decir que es casi innecesario. Por esta razón las manos robóticas suelen obviarlo, y se construyen con tres dedos manipuladores más el pulgar. También hay manos robóticas con sólo tres dedos en total, aunque compensan esto con algunas capacidades de movilidad fuera de lo común.

Algunos ejemplos de manos robóticas

Hay grandes esfuerzos en todo el mundo para mejorar la capacidad de manipulación de los robots, tratando de acercarse a la mágica destreza de nuestras manos. Veremos unos ejemplos, como el "NAIST Hand project", del NARA Institute of Science and Technology, a cargo de Jun Ueda como director de proyecto. Este equipo lleva años trabajando en la búsqueda de este logro. El propósito del proyecto es desarrollar la manipulación diestra usando sensaciones táctiles.

Fig 2.5

Presentamos también la "Shadow Dextrous Hand" (que se ve en la imagen arriba de todo a la derecha, comparada con una mano humana), producida por Shadow Robot Company. Esta mano robótica, que se vende en el mercado comercial, opera con unos raros actuadores llamados "músculos de aire" (air muscles).

La mano NAIST: conceptos aplicados

Fig.2.4 Dedos robóticos

La mano NAIST tiene 4 dedos, que en conjunto suman 12 grados de libertad de movimiento (movimientos posibles). Cada dedo tiene 3 grados de libertad; dos de ellos en la articulación del dedo con la palma y uno en la falange media del dedo (la falange del extremo del dedo o "yema" se mueve en conjunto con la falange media). Todos los actuadores están incluidos en la palma. Las articulaciones se mueven gracias a engranajes especialmente diseñados, que no utilizan alambres como tendones.

La forma em que se ha solucionado el mecanismo reduce las restricciones de espacio para colocar los actuadores y proporciona un buen acceso para el mantenimiento.

Módulo de un dedo

El módulo tiene 3 articulaciones (llamadas MP, PIP and DIP). La articulación MP tiene dos grados de libertad, que son los que corresponden a los movimientos de aducción/abducción y flexión/extensión. La articulación PIP tiene 1 grado de libertad, con movimiento de flexión/extensión.

El movimiento de flexión/extensión de la articulación DIP está acoplado con el movimiento de la articulación PIP. Esta construcción se basa en el conocimiento de la fisiología de las articulaciones PIP y DIP en los humanos, que se mueven sincronizadas. Como resultado de todo esto, cada dedo posee 3 grados de libertad de movimientos independientes.

Fig.2.6

Mecanismo de engranajes

Generalmente, debido a que la articulación MP tiene 2 grados de libertad, es difícil mover la articulación de la falange PIP con un mecanismo ubicado en la palma de la mano, enlazado mecánicamente de algún modo.

Por lo tanto, en los mecanismos convencionales de mano robótica los motores para las articulaciones PIP/DIP se incluyen en la propia articulación del dedo.

Esto impone una gran restricción de tamaño, por lo que no se pueden utilizar motores con suficiente fuerza.

Esto era una dificultad que se debía superar para lograr suficiente fuerza en la yema del dedo, aunque la fuerza de torsión común en la articulación MP fuese suficiente.

Fig. 2.7 Caja de engranajes y motores

En el concepto de diseño de la mano NAIST, los 3 actuadores están dentro de la palma; el motor 1 es para aducción/abducción de la articulación MP (movimiento lateral del dedo en la palma), el 2 para flexión/extensión de MP (flexión del dedo completo), y el 3 para flexión/extensión de PIP (flexión de las falanges media y la del extremo del dedo; son los engranajes dorados).

Como se observa en la foto, en la articulación MP se conjugan dos juegos diferentes de movimiento, producidos por tres engranajes cónicos. El eje de salida del motor 3 pasa a través del engranaje y de la polea que están unidas al motor 2.

La mejor manera de comprender los movimientos de esta caja de engranajes es ver el vídeo ubicado en la página original de los diseñadores de esta mano (está en formato MPG y tiene una extensión de 9,6 Mb).

Sensor táctil de la punta de los dedos

Lo más interesante de este diseño, por lo poco común, es el sensor que se utiliza para obtener una realimentación táctil de la presión de los dedos sobre un objeto que se toma con la mano robótica. El sensor consiste de una semiesfera transparente de gel, una pequeña cámara de vídeo y un sensor de fuerza que se utiliza para implementar la estimación directa del deslizamiento.

Este control de la fuerza de sujección tiene las siguientes ventajas:

El senseo, que se realiza por medio de un análisis de la imagen del área de contacto, es muy preciso.

Se estima directamente el valor de deslizamiento sin conocer el coeficiente de fricción.

La fuerza de agarre es estable gracias a una realimentación directa del valor de deslizamiento. Estimando el valor de deslizamiento en el momento en que éste comienza, se puede estimar una fuerza estable de sujección.

La mano robótica Shadow Dextrous

La mano Shadow Dextrous es un sistema de mano humanoide que reproduce 24 grados de libertad de movimientos de la mano de un humano, de la manera más exacta posible. La han diseñado para que tenga una fuerza y sensibilidad al movimiento comparables a los de la mano humana.

Se trata de un sistema completo, autocontenido. La sección del antebrazo contiene los músculos y las válvulas que los manejan. El sistema incorpora los controles necesarios para el control de la mano, entre ellos programas de computadora bajo la licencia GNU GPL.

Las dimensiones y proporciones de esta mano son las de un varón humano típico. La estructura del antebrazo es comparable en longitud al antebrazo humano, aunque en la base se ensancha hasta 146 mm.

Algunas medidas más:

Longitud de un dedo desde la yema del dedo al centro del nudillo: 100 mm.

Longitud del pulgar: 102 mm. Longitud de la palma desde el nudillo medio al eje de

movimiento de la muñeca: 99 mm. Grosor de la palma: 22 mm. Fig. 2.8 Ancho de la palma: 84 mm. Ancho del pulgar en la base: 34 mm. Desde la base del antebrazo al eje de movimiento de la muñeca: 434 mm.

La mano, sensores, músculos y las válvulas de control tienen un peso total de 3,8 kilogramos. El centro de masa está a aproximadamente 160 mm de la base.

Existe cierta variedad en velocidades de movimiento entre las piezas de la mano. Los diversos métodos de movimiento producen variación en las velocidades máximas. El movimiento general es, en promedio, de algo más de la mitad de la velocidad de la de un ser humano. Por ejemplo, el tiempo de transición desde abierto a cerrado de la mano completa es de 0,2 segundos, aproximadamente.

Sensores de posición

La rotación de las articulaciones se mide con sensores de efecto Hall que tienen una resolución típica de 0,2 grados. Estos datos se digitalizan localmente con convertidores analógico / digitales de 12 bits. La velocidad de muestreo se puede configurar hasta llegar a un máximo de 180 Hz.

Sensores de presión

La presión en cada músculo se mide con sensores de presión de estado sólido colocados directamente en las válvulas. Se mide con una resolución de 12 bits en un rango de 0 a 4 bars.

Músculos de aire

Los músculos de aire (Air Muscles) o, mejor, músculos neumáticos, se comportan de una manera muy similar a un músculo biológico. Cuando se les insufla aire comprimido, se contraen hasta alcanzar un 40 % de su longitud original. A medida que se van contrayendo, la fuerza que ejercen se reduce, pero la primera parte del recorrido es suficientemente potente. Por esa razón, por lo general se los utiliza ampliando el movimiento por medio de una palanca.