DISEÑO ELECTRÓNICO
MANO INMOOV IMITADORA IMITADORA DE MOVIMIENTOS
Integrantes:
Cristian García Jonathan Paillacho Cristhian Román Andrés Tapia Tapia NRC: 2310 Nivel: Séptimo
19 de enero de 2015
1.
Tabla de d e contenido conten ido
Indice de contenido 1.
Tabla de contenido............... contenido................................... ........................................ ....................................... ................................. .............. 2
2.
Res Resumen men Eje Ejec cutiv tivo ..........................................................................................4
3.
........................................................... ............................................................... ........................................... .. 5 Objetivos....................................... 3.1.
.......................................................... ........................................ .......................................... ...................... 5 General......................................
3.2.
Específicos ...............................................................................................5
4.
Plan Plante team amie ient nto o del del Pro Probl blem ema a ..............................................................................5
5.
oti otiva vaci ci!n !n del del Pro Pro"e "ect cto o ....................................................................................5
#.
$ust $ustif ific icac aci! i!n n del del Pro" Pro"ec ecto to..................................................................................6
%.
arco te te!rico..................................................................................................6
&.
'ip!tesis......................................................................................................14
(.
)esarrollo.....................................................................................................15 (.1. .1.
)ia*ram rama de de blo blo+ +ues ...............................................................................15
(.2 (.2.
)esc )escri ripc pci! i!n n de de los los blo+ blo+ue ues s .......................................................................15
(.3. .3.
)ia*ram ramas de de ,lu ,lujo..................................................................................16
(.4.
-lculos.................................................................................................16
(.5 (.5.
)ia* )ia*ra rama ma es+u es+uem emt tic ico o .............................................................................17
(.#. .#.
/ista sta de de ma materi teria ales les ...................................................................................18
10.
............................................................ ........................................ ................................... ............... 18 Presupuesto........................................
11.
-ron -rono* o*ra rama ma de ejec ejecuc uci! i!n n del del Pro" Pro"ec ecto to ..........................................................19
12.
-onclusiones.............................................................................................20
13.
Recomendaciones ......................................................................................21
14.
iblio*rafía ................................................................................................22
15.
......................................................... ....................................... ............................................. .......................... 22 neos.....................................
15.1.
'ojas cnicas ....................................................................................22
Indice de Tablas Tabla Tabla 1: Presupuesto................... Presupuesto....................................... ........................................ .............................................. .......................... .... 10
Indice de Ilustracione
2
Ilustración 1: Piezas de la ano..........................................................................7 Ilustración 2: Piezas dedo !ndice......................................................................... 7 Ilustración ": #orte realizado a la pal$a para %acilitar i$presión.......................8 Ilustración 4: &astidor de la $ano 'pal$a(.........................................................9 Ilustración 5: )ise*o co$pleto + acople de la $ano......................................... 10 Ilustración 6: ,cople de las piezas con -ilo....................................................... 10 Ilustración 7: ,cople de los sero$otores al $ecanis$o de la $ano + al ,rduino............................................................................................................. 11 Ilustración 8: /nsa$ble de los sensores en el uante.......................................11 Ilustración 9: )iara$a del circuito de control..................................................12 Ilustración 10: #ódio en ,rduino.....................................................................14 Ilustración 11: #ircuito de #ontrol..................................................................... 17 lustración 12: #oneiones del circuito..............................................................17
"
TEMA: MANO INMOOV IMITADORA DE MOVIMIENTOS
2. Resumen Ejecutivo En este pro"ecto se construir una mano rob!tica capa6 de ser controlada por un *uante provisto de sensores. /a se7al obtenida por estos sensores ser procesada en un microcontrolador8 para esto se utili6ara un rduino 9:O8 +ue es una plataforma de ;ard
nmoov ?open source@ para adaptarlas a nuestras necesidades reali6ando pe+ue7as modificaciones. -on el desarrollo de este pro"ecto de busca empe6ar una línea de investi*aci!n rob!tica ;umanoide " principalmente en aplicaciones prostticas. sí contribuir con nuestro entorno para +ue
las personas con discapacidad ten*an una oportunidad con esta
iniciativa8 "a +ue muc;as de estas personas sufren amputaciones en miembros superiores8 en particular producidos por debajo del codo8 lo +ue da como resultado una importante prdida de la funcionalidad en estas personas8 afectando a su calidad de vida. Aiendo esta aplicaci!n el comien6o para a lar*o pla6o poder desarrollar una pr!tesis totalmente funcional.
4
3. Objetivos 3.1. General
-onstruir mano derec;a >noov e implementar el control +ue permita la imitaci!n de los movimientos bsicos de los dedos de una mano ;umana.
3.2. Específicos -onstruir mano derec;a >noov utili6ando la impresora 3) )imension A 1200es disponible en el laboratorio de procesos de manufactura. >mplementar un circuito de control +ue permita a la mano rob!tica recrear los movimientos reali6ados por los dedos de una mano ;umana.
4. Planteamiento del Problema Para aplicar los conocimientos ad+uiridos a lo lar*o de nuestra carrera universitaria se opt! por reali6ar el pro"ecto de la mano imitadora de movimientos impresa en la impresora 3) )imensionst 1200es disponible en los laboratorios de procesos de manufactura tomando como base los modelos di*itales de las pie6as disponibles en >nmoov ?open source@ para adaptarlas a nuestras necesidades reali6ando pe+ue7as modificaciones. dems implementando un sistema de control mediante servomotores e ;ilo de pescar se busca controlar el movimiento de los dedos8 esto *racias a un circuito +ue nos permitir enla6ar un *uante con sensores ,le con la mano impresa. Esto lo lo*ramos con variaciones de resistencias propias de los sensores al momento de fleionar los dedos del *uante8 con lo +ue se espera recrear el movimiento natural de una mano.
5. Motivación del Proecto El *rupo de estudiantes de la -arrera de >n*eniería ecatr!nica de la 9niversidad de las ,uer6as rmadas +ueremos llevar a cabo un pro"ecto +ue est vinculado directamente con la sociedad " +ue aporte principalmente a las personas con discapacidad física de miembros superiores. En el país eisten alrededor de 2&24 personas re*istradas " carneti6adas +ue presentan problemas con su miembro superior se*Bn el ?-O:)>A8 200(@. /a ma"oría de estas personas poseen una pr!tesis de tipo cosmtica o pasiva8 la cual tiene muc;as limitaciones funcionales " no representan una a"uda real a la persona discapacitada.
5
Para nosotros es importante8 dentro de la línea de investi*aci!n en Rob!tica8 incrementar nuestro conocimiento " destre6as +ue permitan el desarrollo " perfeccionamiento de los sistemas +ue emulan los movimientos de al*unas partes del cuerpo ;umano8 con el objetivo de dise7ar sistemas rob!ticos +ue realicen actividades +ue el ser ;umano no puede desarrollar8 "a sea por limitaciones físicas8 por la eistencia de ambientes ;ostiles o manejo de sustancias peli*rosas8 +ue ponen en ries*o su se*uridad. otivados por el saber " el reto de crear nuevas soluciones a estos problemas8 nos ;emos encaminado a reali6ar un prototipo de pr!tesis +ue no solo sea ecelente calidad sino +ue su costo de ad+uisici!n sea c!modo para todas las personas8 dando así una soluci!n factible " contribu"endo activamente a nuestra sociedad.
!.
"usti#icación del Proecto
/a mano ;a sido la compa7era fundamental del cerebro para convertir el pensamiento en acci!n8 en ella8 las ideas se traducen mecnicamente en acciones8 estimulando así la construcci!n cerebral de nuevos pro*ramas motores8 redise7ando caminos sinpticos8 procesando datos visuales para crear formas de movimiento8 cambiando planos de referencia8
creando
representaciones
jerr+uicas
para
confi*urar
los
procesos
preceptBales Btiles en el control de movimientos. )e esta manera mediante la creaci!n de una mano rob!tica se busca crear las mismas funciones +ue una mano normal para en un futuro poder usarla por personas con discapacidad +ue perdieron una amputaci!n entre el codo " la mu7eca.
$. Marco teórico INMOOV
continuaci!n una pe+ue7a rese7a sobre la fuente de donde se bas! el dise7o de la manoC D>noovD8 es el primer robot ;umanoide de tama7o natural. Gael/an*evin es
un modelista " escultor francs8 >noov es su pro"ecto personal8 +ue se inici! en enero de 20128 es el primer robot de tama7o natural impreso Open Aource 3). Replicable en cual+uier impresora 3) con una superficie 121212cm8 se concibe como una plataforma de desarrollo para las universidades8 laboratorios.
6
CONSTRUCCIÓN DEL MECANISMO
Ilustración 1: Piezas de la ano
-omo se observa la mano tiene 33 pie6as +ue tienen +ue sern impresas8 se*Bn el crono*rama en esta semana se imprimirn 24 pie6as correspondientes a los dedosC índice8 medio8 anular " me7i+ue.
Ilustración !: Piezas dedo índice
7
En la fi*ura se observa las pie6as +ue conforman el dedo índice ubicadas en la orientaci!n en las +ue se imprimirn. 9bicadas de esta forma se optimi6a el uso del material de modelado.
Ilustración ": Corte realizado a la palma para #acilitar impresión
)ebido a +ue la impresora disponible utili6a material de soporte " en los canales presentes en la palma este material presenta dificultades de ser etraído8 se decidi! imprimir esta pie6a en dos partes. Para ello se reali6! un corte.
%RA&R'(A(')* +E ,A MA*O Modelamiento Para el modelamiento de la mano utili6amos el softnmoov. /as pie6as de la mano necesitaban ser anali6adas " en al*unos casos modificados debido a +ue el soft
8
l*unas de las pie6as8 ,i*ura 18 tuvieron +ue ser recortadas por la mitad "a +ue ei*en un nivel alto de complejidad internamente8 " la remoci!n del material de relleno se volvía una tarea perjudicial a la pie6a.
Ilustración $: %astidor de la mano &palma'
'm-resión de las -ieas 9na ve6 obtenidos los dise7os de las pie6as8 >lustraci!n 58 se procedi! a la impresi!n de las mismas8 proceso +ue tomaba lar*o períodos de tiempo debido a la complejidad " la cantidad de material a utili6arse. /a impresi!n se la reali6a en una placa base de plstico +ue se calienta en una fase previa a la impresi!n8 esta placa toma temperaturas alrededor de los (5- con el fin de tener mejor ad;erencia del material. Posteriormente la impresora coloca material como base de la pie6a la cual estar en contacto directo con la placa para evitar contratiempos en el desmolde de la pie6a8 "a +ue la pie6a en sí sufriría da7os al desmoldarse por estar demasiado ad;erida a la placa. /as impresiones pueden tomar varias ;oras8 por ejemplo la pie6a de la ,i*ura 1 tom! alrededor de 5 ;oras en imprimirse.
9
Ilustración (: )ise*o completo + acople de la mano
+esmolde de la -iea 9na ve6 impresa la pie6a re+uerida se procede al desmoldarla8 se recomienda desmontar cuando ;a acabado de imprimir "a +ue la placa se encuentra caliente " es ms sencillo desmoldarla con la facilidad de poder despe*ar el material base ad;erido a la placa con lo +ue se lo*ra reutili6ar las placas de impresi!nH por eso es importante tener mu" en cuenta los tiempos de impresi!n.
Ensamble de la mano Para el ensamblaje de la mano nos basamos en los dise7os modificados +ue usamos para la impresi!n de las pie6as8 ,i*ura 28 con lo cual procedimos al armado de las mismas junto con ;ilo de pesca para simular los tendones. /ue*o procedimos a acoplar los diferentes componentes como se muestra en las si*uientes fi*urasC
Ilustración ,: Acople de las piezas con hilo
10
Ilustración -: Acople de los ser.omotores al mecanismo de la mano + al Arduino
Ilustración /: 0nsamle de los sensores en el 2uante
11
+'/E0O +E, ('R(1'TO +E (O*TRO,
Ilustración 3: )ia2rama del circuito de control
-omo se observa se ;a colocado un divisor de tensi!n para cada fleoresistencia +ue se ubican en cada dedo de la mano8 estas estn representadas en el dia*rama como potenci!metros8 a continuaci!n se lee una se7al de voltaje en los pines anal!*icos de la placa +ue van desde el 0 ;asta el 4 provenientes de cada dedo. travs del c!di*o reali6ado " car*ado en el microcontrolador dic;as se7ales son procesadas " enviadas a travs de los pines P +ue van desde el 5 ;asta el 11 ;acia el pin de -O:RO/ de cada servomotor8 de esta forma se traduce la variaci!n de resistencia de los sensores en un *iro de un n*ulo en los servomotores8 produciendo así la imitaci!n del movimiento.
()+'O 'MP,EME*TA+O
12
1"
Ilustración 14: Códi2o en Arduino
Ae puede observar en las im*enes8 este es el c!di*o implementado en el microcontrolador8 este c!di*o permite ;acer la interpretaci!n de las se7ales de los sensores ad+uiridas en los pines anal!*icos8 " transformarlas en pulsos de control ?P@ para el *iro de los servomotores.
. i-ótesis El presente pro"ecto busca en un futuro poder evaluar la eficiencia " eficacia en el aprendi6aje de actividades motoras de prensi!n8 mediante una mano rob!tica como a"uda aumentativa para discapacitados con amputaci!n entre el codo " la mu7eca. Partiendo de este principio se define el pro"ecto a partir de la si*uiente pre*untaC IEs capa6 una persona con amputaci!n traumtica a nivel entre el codo " la mu7eca8 de aprender a reali6ar la actividad motora8 en procesos prensiles de precisi!n8 de forma ms eficiente " efica68 utili6ando una pr!tesis de mano +ue toma se7ales mioelctricas del propio cuerpoJ
14
. +esarrollo .6. )ia*rama de blo+ues
(.2.
)escripci!n de los blo+ues
)ise7o de la manoC Ae refiere a la construcci!n de la mano inmoov desde su
dise7o en AolidorFs ;asta su impresi!n en una impresora 3). limentaci!nC Para el funcionamiento de todo el pro"ecto se utili6a una fuente )-8
+ alimente el rduino " lo Aervomotores. GuanteC En el *uante sirve como imitadora de los movimientos de la mano. Ae7al de posici!nC Para eso se adecua dentro del *uante los sensores fle8 +ue dependiendo el movimiento de la mano8 este envía una se7al anlo*a +ue lue*o
ser procesada a travs del rduino. rduino 9noC El rduino 9no sirve como microcontrolador para el procesamiento de los datos obtenidos a travs de los sensores fle8 +ue enviarn una se7al a travs del P8 para +ue controle los servomotores la imitaci!n del movimiento
de la mano. AervomotoresC Estos son controlados a travs de los pines P del rduino 9no8 +ue dependiendo de los sensores fle8 estos ;arn +ue el servomotor mueva a un
n*ulo determinado. ano inmmovC Est ser controlada por los servomotores unidos a ;ilos +ue ;arn mover la mano dependiendo el n*ulo +ue se mueva el servomotor.
15
(.3.
)ia*ramas de ,lujo
16
o -a+ $oi$iento
17
(.4. -lculos En base al dia*rama del circuito de controlC
3i -a+ $oi$iento
Ilustración 11: Circuito de Control
Ae puede apreciar +ue el circuito de acondicionamiento de los sensores ,le es una resistencia de 100K +ue va conectada ;acia los pines de la entrada anal!*ica del rduino. (.5.
)ia*rama es+uemtico
lustración1!: Cone5iones del circuito
En la fi*ura se muestra una mejor visuali6aci!n de las coneiones a reali6arC AervomotoresC los cables rojo ?voltaje 5L@8 ne*ro ?G:)@8 amarillo ?pulso de -O:RO/@.
18
,leoresistenciasC cables ne*ro8 caf8 a6ul8 anaranjado ?G:)@8 cables blanco8 verde ?;acia resistencias@8 cables violeta ?;acia pines anal!*icos@. (.#.
/ista de materiales
rduino 9:O >mpresora 3) 5 Aervomotores 5 Aensores ,le 5 resistencias 100KM Guante P- 5 -able de :ailon -able 9P -omputadora con soft
67. Presu-uesto
Tala 1: Presupuesto
Cantidad 1 1 5 5 1 1 2 metros 1 metro
Especificación Arduino UNO Impresión MANO Servomotor !"e#oresistencias $uante %C& Ca'"e de Nai"on Ca'"e U(% $astosvarios TOTAL
Costo 35 300 0 5 2 10 1 1 515
19
66.
(rono8rama de ejecución del Proecto
20
,#TII),)
II#I
I
Inicio )e Pro+ecto
17112014
)ise*o de pro+ecto
24112014 27112014
3elección de sensores
27112014
)ocu$entación del pro+ecto 3elección de actuadores #onstrucción del ecanis$o
T,3
Plantea$iento e ideas principales 3elección + acondiciona$iento "0112014 de sensores
01122014
/ntrea del plan de pro+ecto
04122014 07122014
Pruebas de censado + elección de actuadores
08122014 18122014 I$presión de $ano robótica
/nsa$ble
,cople de actuadores + 24122014 co$probación del %unciona$iento )ise*o de pistas + circuito 05012015 08012015 controlador Prora$ación + pruebas de 12012015 15012015 so%tare I$presión + soldadura de 19012015 29012015 ele$entos 02022015 05022015 ,cople de todos los ele$entos
in )e Pro+ecto
07022015
Pruebas del $ecanis$o )ise*o del circuito de control )esarrollo del 3o%tare /laboración de placa
62.
22122014
(onclusiones
$onat;an Paillac;o
El pro"ecto propuesto es una iniciaci!n ;acia el rea de dise7o " construcci!n de pr!tesis mecatr!nicas adems de la construcci!n de robots " desarrollo de
inteli*encia artificial. Ae vio reflejada la utilidad de un conversor anlo*o di*ital en esta aplicaci!n "a +ue la se7al anlo*a enviada por los sensores ,le ?variaci!n de resistencia@ es convertida mediante rduino para proporcionar el *iro a los motores mediante la
pro*ramaci!n dise7ada. travs de este pro"ecto se ;a cubierto varios campos de nuestra carrera como son el dise7o mecnico " el dise7o electr!nico con el fin de aplicar este pro"ecto a producciones en serie del mismo o de pro"ectos similares +ue partan de la misma idea e incluso mejorar su tecnolo*ía.
-rist;ian Romn
/a impresi!n en 3) acorta los tiempos de construcci!n del prototipo.
21
Para reali6ar la impresi!n es recomendable colocar las pie6as en la 6ona de
impresi!n ubicada " orientada correctamente. En esta etapa del pro"ecto no aplica la norma de dise7o electr!nico "a +ue es una etapa de construcci!n de la parte mecnica del pro"ecto.
ndrs apia
El dia*rama de control indica c!mo funciona el circuito reali6ado. El es+uema de conei!n reali6ado en ,rit6in* en una ;erramienta de *ran a"uda para no errar en las coneiones a reali6ar8 en este dia*rama se indica al elemento físico ms no a su símbolo.
-ristian García
/a etapa de construcci!n " dise7o de la placa ser basado en las norma >P- 2221 con el fin de crear un circuito de buena prestaciones " ecelente calidad. Estas normas nos brindan conocimiento " criterios tcnicos validados por la eperienciaH nos proporciona un len*uaje comBn para describir atributos de calidad en el dise7o " fabricaci!n de los circuitos impresos " brinda *arantías al contar con un nivel
definido " conocido de calidad en los productos electr!nicos. El prototipo de la mano imitadora de movimientos podría tener varias aplicaciones en el campo industrial8 especialmente en el manejo de materiales peli*rosos.
63.
Recomendaciones
$onat;an Paillac;o
Para la impresi!n de la pie6a de la palma ubicar a la pie6a en el soft
impresora 3). -on lija de a*ua proporcionar un acabado uniforme a las pie6as para lue*o dar el
acabado final con vapor de acetona /impiar o lavar las pie6as lue*o de dar el acabado con el vapor de acetona de esta forma se evitar +ue las pie6as +ueden manc;adas.
-rist;ian Romn
)ebido al costo de la impresi!n en 3) se recomienda redise7ar las pie6as si es necesario8 para utili6ar la menor cantidad del material.
22
Reali6ar pruebas con los sensores ,le para *raduar los ran*os de *iro en los +ue se van a desenvolver el servomotor.
ndrs apia
9bicar los pines de conei!n de acuerdo a los declarados en el c!di*o para evitar
problemas. )etallar en el es+uema de conei!n todos los elementos +ue se involucran en la conei!n sin obviar nin*uno.
-ristian García
9tili6ar cables de diferentes colores para diferenciar las mBltiples se7ales +ue
eisten el circuito " evitar coneiones err!neas. ratar de cumplir los ;itos se*Bn como avan6a el tiempo para evitar conflictos +ue comprometan la inte*ridad de la fabricaci!n del pro"ecto.
64. &iblio8ra#9a •
>noov. ?2012@. InMoov . Obtenido de ;ttpCNN<<<.inmoov.frNprojectN
•
Electr!nica Embajadores . ?200(@. spectrasymbol.com . Obtenido de ;ttpCNN<<<.electronicaembajadores.comNdatosNpdf1NssNssfNssf022.pdf
65. Aneos 15.1.
'ojas cnicas
SENSOR FLEX
Es un sensor el cual varía su resistencia al ser fleionado.
2"
Es-eci#icaciones /on*itudC 282 inc; Resistencia nominalC 25Ko;mios oleranciaC 30 Potencia nominalC 085 ?1 de pico@
/ER;O MOTOR /<366
Ae utili6! este servo motor el cual es mu" comBn en el mercado " tiene las características necesarias para su uso +ue en este pro"ecto.
Especificaciones tcnicasC
?'>E- R-) KORE >:-.8 2002@
24