Gráficas y tablas
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Introducción
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Objetivo
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Antecedentes
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La mano humana
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Diseño y montaje
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a. Parte mecánica b. Parte electrónica
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Recomendaciones
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Conclusiones
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Anexos
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Bibliografía
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Figura 1. Mano de alt-Rupin
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Figura 2. Estructura ósea de la mano
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Figura 3. Varilla de madera
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Figura 4. Mini bisagras
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Figura 5. Cáncamo
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Figura 6. Plantilla de mano
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Figura 7. Especificaciones de ángulo para el dedo articulado
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Figura 8. Sistema montado de la mano articulada
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Figura 9. Montaje del dedo pulgar
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Figura 10. Topes en las articulaciones para su movilidad
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Figura 11. Montaje de servos
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Figura 12. Posición de servos
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Figura 13. Arduino MEGA
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Figura 14. Módulo controlador de servos
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Figura 15. Protoboard
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Figura 16. Botón pulsador
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Figura 17. Conexiones para el módulo controlador de servos
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Figura 18. Conexiones en el simulador Fritzing
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Figura 19. Robot humanoide para usos espaciales Robonaut – NASA
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Figura 20. Robonaut Hand – NASA
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Figura 21. Estructura interna de la Robonaut Hand – NASA
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Tabla 1. Costo total de materiales
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Tabla 2. Costo de materiales de montaje
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Tabla 3. Tablas de especificaciones de falanges
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Tabla 4. Costo de materiales electrónicos
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Tabla 5. Conexiones entre arduino y el modulo controlador de servos
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El área de robótica destinada al estudio de manos robóticas está adquiriendo cada vez más importancia, esto se debe a los adelantos tecnológicos en materia de actuadores, sistemas de control y sensores. En los últimos años, casi todos los sistemas de este tipo se han desarrollado para ser incorporados en robots humanoides, prótesis humanas y tele operación a distancia. Asimismo, se han utilizado para conocer más a fondo el comportamiento de la mano humana. La mano humana es y ha sido el órgano principal para la manipulación física, su sistema sensorial y sistema nervioso son los más complejos de todo el cuerpo, la punta de los dedos contiene una de las zonas con más terminaciones nerviosas y son la principal fuente de información táctil, es por eso que el sentido del tacto se asocia inmediatamente con las manos. El filósofo griego Aristóteles se refería a la mano del hombre como el instrumento de instrumentos , puede decirse que es la herramienta más maravillosa que la naturaleza ha creado, una de las citas más impactantes que lo describe a la perfección está en un libro de Kapandji que se transcribe a continuación: “La mano del hombre, en su complejidad, se revela, pues, como una estructura perfectamente lógica y adaptada a sus diferente funciones. Su arquitectura refleja el principio de economía universal. Es uno de los más bellos logros del universo ”.
El objetivo es el diseño e implementación de una mano robótica, con capacidad de movimiento en los dedos de forma individual o todas a la misma vez mediante el control de servo-motores con 6 grados de libertad.
La primera prótesis de miembro superior registrada data del año 2000 a.C., fue encontrada en una momia egipcia; la prótesis estaba sujeta al antebrazo por medio de un cartucho adaptado al mismo. Con el manejo del hierro, el hombre pudo construir manos más resistentes y que pudieran ser empleadas para portar objetos más pesados, tal es el caso del general romano Marcus Sergius, que durante la Segunda Guerra Púnica (218 – 202 a.C.) fabricó una mano de hierro para él, con la cual portaba su espada, fue ésta la primera mano de hierro registrada. En la búsqueda de mejoras en el año de 1400 se fabricó la mano de alt-Ruppin construida también en hierro, constaba de un pulgar rígido en oposición y dedos flexibles, los cuales eran flexionados pasivamente, éstos se podía fijar mediante un mecanismo de trinquete y además tenía una muñeca movible.
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Figura 1. Mano de alt-Ruppin construida con hierro en el año 14000 .
No es sino hasta el siglo XVI, que el diseño del mecanismo de las prótesis de miembro superior se ve mejorado considerablemente, gracias al médico militar francés Ambroise Paré, quién desarrolló el primer brazo artificial móvil al nivel de codo, llamado “Le petit Loraine”.
La mano humana es una de las herramientas más maravillosas y más difíciles de imitar. Hay numerosos estudios e investigaciones científicas que solo se dedican a descubrir su funcionamiento, tanto muscular como sensorial. La estructura de la mano está compuesta básicamente por huesos, músculos, tendones, ligamentos y un sistema nerviosos sensorial muy sofisticado. Todos estos elementos, funcionando simultáneamente de forma coordina dan a la mano humana una innumerable cantidad de posiciones, movimientos y acciones. Todo ello gracias a su función más importante: . Podemos encontrar una gran cantidad de seres vivos en la naturaleza que disponen de elementos o herramientas para realizar tareas de agarre, manipulación y corte; pero es en la mano humana donde encuentra prácticamente la perfección. Este grado de perfección se da básicamente a la disposición que tiene el pulgar con respecto a los demás dedos de la mano. Como curiosidad, existen tantas manos diferentes como seres humanos en el planeta. Todas ellas tienen casi la misma c apacidad de movimientos y acciones. El sistema sensorial de la mano es extremadamente sensible y preciso. Es asimismo imprescindible, no solo para la propia acción sino también para la interpretación visual de distancias y los grosores, y es un educador de la vista, con la capacidad de reconocer un objeto sin la contribución de la misma. Tal y como dice el Dr. K apandji, “… nuestra visión del mundo sería aplanada y sin relieve sin la mano…”.
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Centrándose exclusivamente en la mano, se compone de 27 huesos divididos en tres grupos: el carpo, los metacarpos y las falanges, se conecta a la muñeca a través de la palma y está dotada de 20 GDL (grados de libertad) accionados por cerca de cuarenta músculos, la estructura ósea se muestra en la figura 2.
Figura 2. Estructura ósea de la mano.
Cada dedo está compuesto por tres falanges (Distal, intermedia y proximal), a excepción del dedo pulgar que solo tiene dos (distal y proximal). El dedo pulgar está fijo por debajo de los otros dedos y puede realizar los movimientos de cierre y rotación, debido a la gran movilidad de su metacarpo.
El proyecto compondrá de tres partes:
La primera, de como se ha construido la mano, las articulaciones y el movimiento. La segunda parte es la de como se ha implementado las funciones de control. La tercera es el programa de control.
Mecánica S/. 66.00 Electrónica S/. 322.60 Total S/. 388.60 Tabla 1. Costo total de materiales
Varilla de madera 1m Mini-bisagras Cáncamos
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1 14 5
S/. 25.00 S/. 1.00 S/. 0.20
S/. 10.00 -
S/. 25.00 S/. 24.00 S/. 1.00
Nilón 0.35mm 1 rollo Tornillería variada Banda elástica 5 Pieza de madera 1 Tabla 2. Costo de materiales de montaje
S/. 2.00 S/. 5.00 aprox. S/. 1.00 S/. 4.00
-
TOTAL
S/. 2.00 S/. 5.00 S/. 5.00 S/. 4.00 S/. 66.00
tiene como objetivo simular las falanges de la mano repartidas
en 15 partes.
Figura 3. Varilla de madera
tiene como objetivo simular las articulaciones de la mano con 14
unidades.
Figura 4. Mini bisagras
tiene como objetivo ser un canal de apoyo para los tendones de la mano.
Figura 5. Cáncamo
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tiene como objetivo simular los tendones de la mano. tiene como objetivo simular el antebrazo.
Previamente antes del ensamblado de las falanges y articulaciones que componen la mano articulada se hizo un boceto de plantilla de la mano en papel (Ver figura 6), para tener claras cuáles son las articulaciones y medidas aproximadas de cada falange.
Figura 6. Plantilla de mano
Una vez realizado, se tiene las medidas aproximadas para realizar los cortes en la varilla, las medidas de cada falange se muestran en los cuadros siguientes: Para digitus tert (medio) Tabla 3. Tablas de especificaciones de falanges 7 Distal 3.7e+02 8 Intermedia 3.7e+02 9 Proximal 2.7e+02 * Los números de cada falange están enumeradas según la figura 6. Para el digitus anularis (anular) 4 5 6
Distal Intermedia Proximal
4.2e+02 3.2e+02 2.7e+02
Para digitus index (índice) 13 14 12
Distal Intermedia Proximal
Para digitus minimus (meñique)
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4.2e+02 2.7e+02 2.7e+02
1 2 3
Distal Intermedia Proximal
3.7e+02 2.7e+02 2.2e+02
Para digitus pollex (pulgar) 13 Distal 14 Proximal A* ------------*No se encuentra en la figura 6
3.7e+02 2.7e+02 2.7e+02
En las piezas cortadas se hizo agujeros centrales en cada una de ellas para conectarlas con las bisagras. Antes de finalizar el montaje definitivo, se tomó en cuenta algunos detalles importantes.
Para que al montar los dedos a la mano, las gomas posteriores no obliguen a flexionarlos hacia atrás, cosa que dificultaría o impediría la articulación natural de cada una de ellas, antes de encolar las bisagras, debe fijarse en que quede bien empotradas de manera que con los dedos estirados las dos partes traseras tengan contacto [figura 7.A]. Para que se permita la flexión entre dos piezas a 90º aproximadamente [figura 7.C], hubo que limarse las extremidades en el ángulo a propiado (unos 45º) [figura 7.B]. Recordar que la articulación inferior de cada dedo, que se unirá a la mano, también deberá disponer del agujero correspondiente para insertar la bisagra.
Figura 7. Especificaciones de ángulo para el dedo articulado
Una vez montado el sistema, queda más o menos como en la siguiente imagen (figura 8).
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Figura 8. Sistema montado de la mano articulada
Para el dedo pulgar, el sistema de montaje es diferente, porque el movimiento natural es diferente al resto de dedos. La parte inferior es atornillada al rebaje de la mano, permitiendo el libre movimiento.
Figura 9. Montaje del dedo pulgar
Para que el sistema de dedos no flexione hacia atrás, hay un tope (figura 10.D) que va detrás del sistema digital que evita dicha flexión con respecto a la mano y el conjunto digital, además se observa las articulaciones y topes (figura 10.C) que permiten la movilidad del pág. 9
conjunto. Con esta solución se evita que los dedos flexionen para atrás de manera antinatural.
Figura 10. Topes en las articulaciones para su movilidad
Continuando con el montaje general se requiere colocar fijadores para guiar los tendones a través de los dedos para la flexión, una vez hecho, el siguiente paso es la colocación de servos. Pero antes, hay que tener en cuenta porqué se usan 6 servos y no 5 si los dedos controlados son 5, la respuesta es que mientras los otros 4 dedos se gobiernan con un solo servo por dedo, el pulgar está gobernado por dos servos, uno realiza el movimiento de flexión–extensión igual que los otros, y el segundo realiza el movimiento sobre la primera falange (adelante–atrás).
Figura 11. Montaje de servos
Como se puede observar en la figura 11 y la figura 12, cada servo tiene una posición definida y diferente del resto.
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Figura 12. Posición de servos
Los movimientos de las levas, no se deben estorbarse entre ellas ni tampoco que se estrellen contra los servos, así como también el recorrido de los cables
Arduino MEGA 1 S/. 90.00 Modulo controlador de 14 S/. 55.00 servos Servo motor 6 S/. 20.00 Protoboard 1 S/. 14.00 Botón pulsador 4 S/. 0.40 Cables 1 paquete S/. 12.00 Fuente de alimentación 1 Tabla 4. Costo de materiales electrónicos
S/. 15.00 S/. 15.00
S/. 105.00 S/. 70.00
TOTAL
S/. 120.00 S/. 14.00 S/. 1.60 S/. 12.00 S/. 322.60
micro controlador con 54 pines digitales, 16 entradas análogas, un cristal oscilador de 16MHz, una conexión USB, un botón de reset y una entrada para la alimentación de la placa. La comunicación entre la computadora y arduino se produce a través del puerto serie, sin embargo posee un convertidor usb-serie, por el que utilizan las impresoras. Arduino MEGA puede ser programado de una manera muy fácil utilizando el lenguaje propio de Arduino junto a la interfaz Arduino IDE.
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Figura 13. Arduino MEGA
controlador de servos de 16 canales con chip el PCA9685 a través de 12C, la gran versatilidad de este módulo es que solo requiere de 2 pines para controlar todas las señales PWM y no requiere señal alguna de oscilador o temporización, por lo que funciona de forma totalmente autónoma, para programarlo solo requiere cargar la librería de Adafruit en Arduino.
Figura 14. Módulo controlador de servos
es una especie de tablero con orificios, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos.
Figura 15. Protoboard
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un botón o pulsador es un dispositivo utilizado para realizar cierta función, es activado al ser pulsados con un dedo. Permite el flujo de corriente mientras es accionado, cuando ya no se presiona sobre el vuelve a su posición de reposo.
Figura 16. Botón pulsador
El problema que presenta el , es que únicamente suministra un máximo de 50Ma, y los 6 servos consumen bastante más, para solucionar esta escasez se dispone de un módulo controlador de servos , que permite el gobierno de hasta 15 servos y también permite la alimentación exclusiva para los servos. Sin entrar en detalles del funcionamiento del módulo, las conexiones de los servos van a los pines de colores, que van debidamente rotulados de izquierda a derecha, se conecta el , , … hasta el en nuestro caso, pero podrían conectarse hasta 16 servos si fuera necesario. Y los colores corresponden amarillo a , rojo a y negro a superior va la entrada de la alimentación externa de 5V, Vcc y GND.
Figura 17. Conexiones para el módulo controlador de servos
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; en la parte
A la izquierda la conexión se une al módulo con el arduino MEGA, según el siguiente esquema:
GND GND 21 20 5v No conectado Tabla 5. Conexiones entre arduino y el modulo controlador de servos
La conexión completa, en el simulador Fritzing es como sigue:
Figura 18. Conexiones en el simulador Fritzting
Para la conexión de los botones, pin1 se conecta a 5v de arduino, el pin2 a una entrada digital del arduino en esa misma línea de circuito se conecta a GND de arduino sin antes poner una resistencia de 10KOhmnios. En la figura 17 se nota claramente cómo debe conectarse a excepción de los círculos grises que es otra estructura de control mediante coordenadas X,Y de joysticks.
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El proyecto se puede mejorar si se dispondría de una impresora 3D para imprimir piezas huecas perfectamente diseñadas para su montaje, dentro de ellas se puede colocar además sensores de fuerza, movimiento, temperatura, etc., pareciéndose cada vez más a una mano humana.
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Los servomotores adquiridos son de una calidad simple (la fuerza que ejerce no es mucha y existen grandes posibilidades de que se averíe rápidamente) por lo que se recomienda usar servomotores de más potencia.
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La mano robótica articulada no es muy estable en el diseño de sus parte mecánicas, sería conveniente hacer piezas de materiales livianos teniendo en cuenta el diseño estético, además la estructura de control se podría ajustar mediante señales electromiográficas (EMG) el cual detecta las señales eléctricas del antebrazo del paciente. Las estructuras de control son diversas: se puede con un potenciómetro, modulo controlador Joystick, sensores flex adaptadas a un guante, lectura y detección de nervios del antebrazo, etc.
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La mano robótica del robot humanoide Robonaut, desarrollado por la NASA, es probablemente en estos momentos, la mano robótica con mayor similitud a la mano humana. El Robonaut fue diseñado para ayudar a los astronautas en tareas en el espacio (Extra Vehicular Activity – EVA ). La finalidad del Robonaut es reemplazar a los astronautas en las tareas de la nave, tanto dentro como fuera de ellas, y en aquellos lugares donde el ser humano corre peligro. Por este motivo, el robot fue concebido con forma y escala idéntica al hombre y es tele operado. A parte de ser el primer robot humanoide en poseer movimiento fino y un control de torque – fuerza para realizar sus movimientos; la destreza de su mano robótica, la Robonaut Hand , se encuentra lo suficientemente elevada para llevar a cabo tareas prácticamente imposibles con cualquiera del resto de las manos robóticas ideadas en esa época.
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Figura 19. Robot humanoide para usos espaciales Robonaut – NASA
El peso y las dimensiones de la Robonaut Hand son realmente antropomórficos. De esta forma, es capaz de realizar movimientos y de tener una destreza similar a la mano humana.
Figura 20. Robonaut Hand – NASA
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Figura 21. Estructura interna de la Robonaut Hand – NASA
Kapandji, A. I., (1996). Cuadernos de fisiología articular. Cabás, Ramiro, (2011). Tesis doctoral. Metodología de diseño de manos robóticas basada en los estados de su sistema accionador. Universidad Carlos III de Madrid. Quenayás Burgos, Cesar Augusto, (2010). Tesis de Maestría. Diseño y construcción de una prótesis robótica de mano funcional adaptada a varios agarres. Universidad del Cauca Popoyán. Editorial Médica Americana, (2001). “Dedos de la mano” en la Terminología Anatómica Internacional. Págs. 2 y 5.
Arduino Mega. Recuperado de http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560
Arduino IDE. Recuperado de http://arduino.cc/download/
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Simulador Fritzing. Recuperado de http://fritzing.org/download/ Jaume Nin (2016). Proyecto Mano Articulada. Recuperado de http://prometec.net/proyecto-mano-articulada/
