La prótesis de brazo biomédica se ideo con el
propósito de reducir la discapacidad que adquieren
las personas que han sido victimas de las minas antipersonal u
otros desastres. El problema de las minas antipersonal existe en
Colombia desde hace más de veinte años, sin embargo
en los últimos 4 años, en vez de disminuir, ha
aumentado de manera desproporcionada. De hecho, Colombia es el
único país En América Latina y uno de los
pocos en el mundo donde cada día se siembran Más
minas antipersonal. Así, en el cuatrienio comprendido
entre los años 1998 y 2001 ocurrieron en el país
274 accidentes con minas antipersonal, y en el siguiente
cuatrienio comprendido entre los años 2002 y 2005 la cifra
se elevó a 1.829 accidentes, lo que significa un aumento
de 568% en el número de accidentes en los últimos 8
años. Como podemos observar las minas antipersonal son un
problema muy notorio en nuestro pais y no hay razon mas
justificante para darse cuenta del por que elegimos esta idea,
pues, es muy gratificante para nosotros como patriotas ayudar a
esta poblacion tan vulnerable y tan marginada.
INDUCCION Recientemente se han desarrollado estudios en la
Universidad Militar Nueva Granada en el laboratorio de
Robótica e Inteligencia artificial (LRIA) en donde se
desarrolló una mano antropomórfica que imita los
modelos prensiles humanos pero cuyo inconveniente sigue siendo el
elevado número de actuadotes utilizados y el costo para su
implementación
LA MANO HUMANA Como se observa, el dedo pulgar esta fijo por
debajo de los otros dedos y puede realizar los movimientos de
cierre y rotación, debido a la gran movilidad de su
metacarpo.Esto permite variar la orientación del plano en
que se desarrolla el movimiento de doblado y extensión del
dedo pulgar, propiedad a través de la cual es posible
oponer el dedo pulgar a los otros dedos. Con el término
abducción se en tiende el movimiento de salida del dedo
del eje del brazo. El movimiento de
Extensión/Abducción es la capacidad de
extensión del pulgar hacia la parte exterior y
flexión hacia el interior de la palma. El término
Oposición se define como la capacidad de unión de
las puntas del pulgar y el meñique. La
Aducción/Abducción es la capacidad de acercamiento
y alejamiento del pulgar de la palma, cuando ambos se encuentran
en un mismo plano.
DISEÑO DEDO ARTICULADO Con base en estudios de la
biomecánica de la mano y de sus medidas
antropométricas, ver tabla 3.1, para definir la
cinemática este mecanismo articulado, cuyo tamaño y
movimientos de cierre son los más similares a los de un
dedo humano. Para este estudio se ha utilizado las
características del dedo índice
Simulaciones en SolidWorks® y Visual Nastran, hansido
desarrolladas para comprobar que el movimiento decierre sea
apropiado y para comprobar que no hayinterferencia
mecánica, se muestra el prototipo construido enel
laboratorio de procesos de mecanizado de la
UniversidadTecnológica de Pereira con la
característica de que elmecanismo es un mecanismo de
barras y esta dentro de loseslabones como muestra la figura
Para entender como funciona el mecanismo, se hace
acontinuación la clasificación de este en grupos de
Assur com. se ve a continuación
El actuado utilizado es de tipo rotacional, y se
encuentraacoplado a un tornillo sin fin, permitiendo así
la realización deun movimiento de tipo lineal, y por otro
lado el movimientogeneral del dedo, como se puede observar en la
fig. 5, esrealizado a través de un mecanismo de barras que
esta inseridodentro de las falanges.
SISTEMA BIOLOGICO DEDO MECANICO Huesos Resina , compuestos
plásticos Articulaciones Revolución Tendones
Sistema palancas en acero Músculos Micro motor de CC
PRUEBAS Y RESULTADOS Se realizó el análisis
cinetostático de mecanismo del dedorobot. Para ello se
recurre al análisis y síntesis de mecanismospor
grupos de Assur. El análisis se inicia con la
solucióngráfica de las posiciones obtenidas con el
mecanismo en un software CAD, se calcula manualmente las fuerzas
yreacciones que se generan en cada junta y posteriormente
seimplementa un programa de computador sobre la plataformade
Matlab V7.0 para la solución de las ecuaciones, luego
secomparan los resultados obtenidos en forma gráfica y
enforma manual, se obtuvo que error es mínimo (en torno
de0.006%) lo que implica que las soluciones fueron
aceptables
Pruebas experimentales han sido desarrolladas con elprototipo.
Para estas experiencias se han utilizado uninstrumento virtual
desarrollado sobre LabView para lageneración de una
señal de PWM2 para control de velocidad ysentido de giro
del actuados, además del instrumento virtualpara la
medición de fuerzas las cuales son registradas en
lossensores (tipo Flexiforce3) durante una prueba de contacto Una
secuencia de movimiento del dedo es mostrada en laFigura 7, donde
son presentadas tres posiciones, superior,intermedia e inferior.
En la Figura 8 son presentadosresultados de
simulación
Los resultados obtenidos a través del software
Matlabconfirman la suposición de que las fuerzas son
pequeñascomparadas con los cálculos
estáticos realizados en formamanual para las diferentes
posiciones del mecanismo. Parauna rosca ACME se calcula la fuerza
compensadora y a partirde esta fuerza son calculadas las otras
fuerzas para cada unode los pontos de la trayectoria En la tabla
3.3 son presentados los principales resultados obtenidos con
ayuda de Matlab®, donde se puede verificar que la trayectoria
de un determinado punto P, en el extremo del mecanismo, describe
unas posiciones aceptables en relación al movimiento de un
dedo humano, como porejemplo, la velocidad que se obtuvo en forma
experimental fue de 5 mm/s, y el resultado obtenido en
simulación es de4,95 mm/
Otra técnica para la simulación de mecanismo
utilizada espor medio del toolbox de Matlab Simmechanics, la
figura 9muestra la referencia tenida en cuenta para el montaje.
En lafigura 10 se presenta la respectiva implementación
Referencia para el montaje en Simmechanics
CONCLUSIONES A través del curso de este trabajo se
plantearon lasestrategias para la implementación de un
dedo robótico para eldesarrollo de grippers para
aplicaciones industriales o para fines protésicos. La
mayoría de los desafíos de la fabricacióndel
dedo robot se presentaron debido a su forma
decaracterísticas antropomórficas. Esto hace
difícil la manufactura de ciertas piezas, por ejemplo las
las barras detransmisión y los eslabones que conforman las
falanges, puesestos deben cumplir con unas dimensiones
particulares.Otro hecho importante es lograr que el dedo robot
tengaotro grado de libertad en su base para lograr mayor
destrezaen la manipulación de objetos de geometrías
complejas, y a lavez calcular las fuerzas que se generan en la
nuevaconfiguración
El hecho de que el robot fue construido en forma
manualsignificó demoras en la construcción final
debido a los erroreshumanos inherentes en este tipo de trabajos.
Pero también hayque resaltar que las formas logradas
satisfacen lascaracterísticas antropométricas
(forma, tamaño), variables atener en cuenta. Ahora bien,
es claro que las técnicasmodernas para el maquinado de
piezas complejas puedefacilitar y minimizar muchos errores, por
ejemplo empleandotécnicas de CAD/CAM/CAE o
estereolitografía
El material utilizado (Teflón) para la fabricación
de lasfalanges, tiene características mecánicas
aceptables, ademásde ser de bajo costo, lo que hace que
sea tenido en cuenta enfuturos diseños de
bioingeniería.Este dedo robot facilitara la
implementación de una manocompleta la cual puede ser usada
en aplicaciones deInteligencia artificial con robots humano
idees, obviamenteincorporando algunas mejoras para dotar de
sensores para laadquisición de diferentes sensaciones como
por ejemplotemperatura, para control dinámico del sistema
en lazocerrado.Un sensor, en detalle, se podría aplicar a
todos loselementos constitutivos del dedo robot, por ejemplo una
uñapodría ser utilizada, como sus contrapartes
biológicas, estauña seria un transductor importante
de la información con elcual es dedo robot podría
raspar, cavar, y golpear ligeramenteobjetos, una propuesta se
muestra en la figura
Este tipo de trabajos requieren del uso de las
diferentesteorías para el análisis y
síntesis de mecanismos, y demuestraque la
ingeniería puede tomar como fuente de inspiración
labiomecánica para el desarrollo de nuevos sistemas que
emulenel movimiento humano
Científicos piensan en brazos robot controlables mediante
nervios reconectados Correcto, la idea no es nueva en su concepto
básico, pero cuantos más ejemplos veamos, mejor. Un
médico especialista del Instituto de Rehabilitación
de Chicago y un profesor de la Universidad Northwestern han
desarrollado una técnica que permite el uso de brazos
artificiales únicamente con el pensamiento, igual que
harías con uno de carne y hueso. El proceso, llamado
TMR (de targeted muscle reinnervation) funciona
básicamente reconectando al pecho nervios residuales que
en tiempos llevaban información en dirección a la
extremidad amputada; cuando el usuario piensa en mover su brazo
el músculo se contrae, y con la ayuda de un
electromiograma (EMG) la señal es 'dirigida a un
microprocesador en el brazo artificial que decodifica los datos y
le dice al brazo qué hacer'. Actualmente solo es posible
realizar cuatro movimientos con la tecnología disponible,
aunque ya se están efectuando estudios para ver si se
puede ampliar el dinamismo de las prótesis.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA MANO ROBÓTICA
YGUANTE SENSORIZADO Una vez entendidos los conceptos
básicos necesarios para la realización deeste
proyecto, en este capítulo se describe la
construcción tanto del guantesensorizado como de la mano
robótica, así como todo el hardware necesariopara
realizar las tareas de control.En un inicio se trató de
construir sensores fotoeléctricos basados en
lapercepción de una fuente luminosa n. constante a
través de un ducto elástico, conun LED en un
extremo y una foto resistencia en el otro, pero, la
implementaciónfísica en el guante era muy
difícil e incómoda debido principalmente al
espacioreducido que se tiene. Por lo tanto, se procedió a
utilizar otro método mediantesensores infrarrojos de
reflexión utilizados comúnmente en robots
seguidoresde línea. Su reducido tamaño y sencillez
de acondicionamiento fueron factoresclaves para su
selección
Se utilizó conceptos muy generales en cuanto al
diseño de la parte mecánicade la mano
robótica, debido a que este proyecto está enfocado
principalmente a las tareas y algoritmos de control de la
misma.Para el diseño de la mano robótica se
tomó como punto de referencia a la mano humana tomando en
cuenta los siguientes conceptos.Debe ser auto-contenida; esto es,
que la mano sea una pieza independiente.Debido a ello no posee
tendones o elementos de transmisión externos a la propia
mano. Además debe ser antropomorfa; esto es, debe tener la
apariencia de una mano humana, se buscó un diseño
con características antropomorfas. Por último las
dimensiones deben ser lo más cercanas posibles a las de
una mano humana. 26 Tomando en cuenta todos estos aspectos se
procede a describir el diseño y laconstrucción de
todo el hardware utilizado.
ARQUITECTURA DEL SISTEMA El guante sensorizado es un elemento
provisto con sensores fotoeléctricos, loscuales determinan
la posición de las articulaciones de cada dedo de una
manodiestra. Las señales de los sensores son
acondicionadas, procesadas ytransmitidas a través de una
interface RS-232 cuando la etapa de control lorequiera.El
hardware está formado por un guante diestro flexible,
sobre el cual sonmontados estratégicamente los sensores
fotoeléctricos. Son en total 15sensores
fotoeléctricos cuya salida acondicionada es un valor
analógico y elelemento de control, del cual se
tratará posteriormente, posee 5 entradas parala
conversión A/D (analógica-digital); por ello fue
necesario incluir una etapa deselección de datos, con
ello, mediante un barrido de lectura de los sensores,una de las
15 entradas es conectada a una única entrada
analógica delelemento de control para su conversión
A/D.Una
Una vez digitalizados los datos estos son procesados, almacenados
yactualizados continuamente para ser transmitidos a través
de una Interfase RS-232 cuando la etapa de control de la mano
robótica los requiera.En la Figura 2.1 se muestra un
diagrama con la arquitectura del guantesensorizado.
GUANTE Para el desarrollo del guante sensorizado se
utilizó un guante diestro de la marca MerchPro modelo
Wells Lamont #7707M, el cual está confeccionado con 60% de
nylon y 40% de poliuretano en la palma; y, 96% de
poliéster y 4% deSpandex en el dorso. Se eligió
este tipo de guante debido a la flexibilidad que se requiere.
Este guante se lo puede observar en la Figura
DISEÑO DEL DISPOSITIVO FOTOELÉCTRICO SENSOR El
dispositivo fotoeléctrico sensor consta de un
emisor-receptor de luz y un ducto elástico.
EMISOR-RECEPTOR DE LUZ Se utilizó como dispositivo
fotoeléctrico emisor-receptor de luz al circuitointegrado
SG2BC, el cual es un sensor óptico reflectivo; es decir,
presenta unavariación en su señal de salida por la
menor o mayor reflexión de luz infrarrojaemitida por una
fuente de luz infrarroja constante. Su salida es de
tipotransistor. Para este proyecto se utilizan 15 sensores
ópticos los cuales son ubicadosestratégicamente en
el guante sensor con el fin se sensar la flexión de
cadauna de las articulaciones. Cada uno de los sensores son
conectados a unaetapa de acondicionamiento
DUCTO ELÁSTICO Para el presente proyecto se utilizo un
ducto elástico de color negro debido a que se requiere
evitar cualquier interferencia externa hacia el dispositivo
sensor, así como cualquier fuga de luz hacia el exterior.
Debido a que la fuenteluminosa es constante, las paredes del
ducto incrementan o decrementan el numero de rayos reflejados por
las paredes hacia el receptor según el ángulode
flexión del ducto. Analizando las articulaciones de los
dedos se llegó a la conclusión que la medida ideal
del ducto es de 1 a 1.5 cm. Siendo un total de15 unidades.