65 Victor Hilario Mendez Salas

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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

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

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

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

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)

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.

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


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).


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].


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].


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].


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].


8

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].


9

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.


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


11

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.

Captulo 2. Mano Humana y Msculo Biolgico.

12

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].


13

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.


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.


15

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


16

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):


17

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


18

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].


19

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)


20

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.


21

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:

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


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


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


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.


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.


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.


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).


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.


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.


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


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.


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


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


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


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

65 Victor Hilario Mendez Salas

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