23-24 hernando cimadevilla lajud - jesus gustavo herrera perez

S.E.P. S.E.S. D.G.E.S.T.

CUERNAVACA, MOR. JUNIO 2006

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO

cenidet

“DISEÑO DE UN SISTEMA ARTICULADO EMULANDO EL MOVIMIENTO DE UNA MANO”

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN

INGENIERÍA MECATRÓNICA

P R E S E N T A N :

ING. HERNANDO CIMADEVILLA LAJUD

ING. JESÚS GUSTAVO HERRERA PÉREZ

D I R E C T O R E S D E T E S I S

DR. MARCO A. OLIVER SALAZAR

DR. DARIUSZ SZWEDOWICZ WASIK

Dedicatoria

A Dios, por guiarme y hacerse presente en las personas para darme la fuerza de seguir adelante a pesar de todos los obstáculos que se me presentaron.

A mi madre, Verónica Lajud y a mi padre, Hernando Cimadevilla por su

amor, apoyo y dedicación incondicional de toda la vida, que hicieron de mí un hombre de bien, digno y lleno de valores por la familia y de superación diaria. Por todo eso y más, mil gracias padres míos.

A mi hermana, Zaira Cimadevilla por brindarme todo su amor, confianza y

apoyo pero sobre todo por ser parte de mi vida, te adoro hermana. A mi abuelita, por su amor y plegarias para salir siempre adelante, gracias

abuela. A la familia Ortega Lajud, por brindarme su hogar, espacio, tiempo, confianza

pero sobre todo, su amor y apoyo para salir adelante en mis proyectos de vida, muchas gracias.

A mi novia, Alejandra Barbachano por darme todo su amor y apoyo

incondicional día con día para darme las fuerzas y la alegría de seguir y terminar esta etapa de mi vida, amor gracias por todo.

A mis mejores amigos Edson López, Gustavo Herrera, Roberto Ovando, Luís

Madrid, José Rullán, Miguel Villarreal, Luís Díaz, Félix Rivera, Roberto Guzmán, Ángel Contreras, Iván Miranda, Rafael Baizabal y Oscar Platas por sus consejos, alegrías, experiencias, preocupaciones, convivencias e interés, pero sobre todo por su amistad y apoyo, así como por formar un pilar muy importante en mi vida, gracias amigos míos les agradezco infinitamente pensar en mi y ayudarme a ser lo que soy.

A Gustavo Herrera Pérez, por su dedicación, superación, motivación y apoyo

para hacer de este un proyecto una gran experiencia, gracias amigo, fuiste el mejor que me pudo tocar de compañero de tesis.

Dedicatoria A mi madre Catalina Pérez Martínez: mamá por tu gran apoyo y ejemplo, por el cariño que me has brindado, y por la educación que me diste, esto es por ti mamá. A mi padre Jesús Herrera Romero: papá, por que a lo largo de mi vida me hiciste responsable y trabajador, por que tu ejemplo me arrastró hasta donde estoy hoy. A mi hermana Ana Rita Herrera Pérez, gordita, siempre has estado ahí en las buenas y en las malas, a mi lado, siempre a mi lado, con todo mi cariño y mi admiración este trabajo es para ti mi niña. A mi hermano Julio Antonio Herrera Pérez: flaco con todo mi cariño, por que siempre has sido un aliciente para mí, te dedico este trabajo. A mi sobrina Krystina: llegaste en un momento crítico de trabajo y angustia y con solo mirar tu rostro y estrecharte entre mis brazos me diste la energía necesaria para seguir adelante, para ti con todo mi amor. A mi tío Alberto Pérez Martínez: las cosas no son fáciles, en el camino hay muchas dificultades, algunas tan grandes que pueden impedirte el paso, pero también, hay amigos que te ofrecen su apoyo para salir adelante. Tío, por tu apoyo, tu compañía, pero sobre todo, por tu amistad y cariño gracias por estar conmigo y hacer posible este sueño. A mi novia Gabriela Solorio, un pilar en este trabajo, quien me sostuvo cuando estuve apunto de caer, quien con esa mirada tan dulce me enseñó que siempre hay más allá, quien con cariño compartió mi angustia. Linda gracias por estar conmigo gracias por ser así, con todo mi cariño te dedico mi trabajo. A mi abuela Ana Ma. Martínez Bueno, abue por ser cómplice en mi aventura por brindarme todo tu apoyo, gracias por estar conmigo. A mi ahijado Jorge Diego, por que tu sonrisa y tu entusiasmo siempre han sido para mi motivo para seguir adelante, para ti con todo mi cariño. A la manada de lobatos Colmillo Blanco, a todos los miembros de mi manada, tuve que dejarlos, pero este es el testimonio de que akela cumplió, siempre lo mejor.

A mis viejas: Edson, Ovando, Cima: con cariño para Uds. con los que empecé una nueva vida, cómplices y amigos. A mis hermanos Francisco, Pablo, Rafa, Mauricio, lo que en este documento va plasmado lleva una parte de Uds., por que a través del tiempo fueron marcando mi ser, con cariño y respeto para ustedes A mis abuelos paternos, por que siempre han sido un ejemplo y siempre he contado con su apoyo. A mis primos, a todos y cada uno de ustedes por haberme brindado su confianza y respeto. A mis tíos, por su apoyo y aliento con cariño. También a todas y cada una de las personas que nos dieron aliento para seguir adelante. Hernando Cimadevilla Lajud: El camino fue difícil y ambos lo sabemos, trabajamos hombro con hombro hasta el final, en las buenas y en las malas, en esas tantas noches de desvelo, vieja, con todo mi cariño, admiración y respeto.

Agradecimientos

Agradecemos a Dios por ayudarnos a superar las adversidades y brindarnos la oportunidad de ser las personas que al día de hoy somos, gracias.

A nuestras familias por el amor y apoyo que nos brindaron cada día a partir de

que iniciamos nuestros estudios de posgrado. Al Dr. Marco A. Oliver Salazar y al Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik por su

confianza y apoyo incondicional para realizar este trabajo. Al comité revisor constituido por la M.C. Claudia Cortés García, el Dr. Raúl

Pinto Elías y el Dr. José Ma. Rodríguez Lelis por sus acertadas correcciones y valiosos comentarios que nos motivaron a enriquecer este trabajo.

A todos nuestros maestros que con su paciencia nos transmitieron

conocimientos y experiencia para lograr un verdadero aprendizaje. A los ingenieros del cnad Juan C. Rivera, Rubén Góngora, Arcadio, Martín

Cordero, Román, Felipe Camarena por su amistad y apoyo diario para culminar este proyecto.

A nuestros amigos mecatrónicos de generación: chava, chente, joaco, beto,

escobedo y fercho, por su valiosa amistad y apoyo escolar brindado a lo largo de las clases.

A nuestros amigos de casa Edson López y Roberto Ovando y a los que casi

vivían con nosotros José L. Rullán y Rafael Máxim por su compañía, anécdotas y experiencias vividas juntos.

Al Consejo del Sistema Nacional de Educación Tecnológica (cosnet) y a la

Secretaría de Ecuación Pública (SEP) por el apoyo económico brindado para realizar la maestría y llevar acabo el proyecto.

Al Centro Nacional de Actualización Docente (cnad) por su valiosa

colaboración para el desarrollo y manufactura de la mano cenidet. Finalmente, agradezco al Centro Nacional de investigación y Desarrollo

Tecnológico por permitir superarnos.

I

Resumen

En este trabajo de investigación se presenta el diseño y construcción de una mano robot de cuatro dedos con cuatro grados de libertad (GDL) cada uno. El objetivo del trabajo es desarrollar un sistema antropomorfo capaz de emular algunos de los movimientos de la mano humana.

Durante décadas el desarrollo de sistemas robóticos que emulen el

comportamiento de las diferentes partes del cuerpo humano ha sido motivo de múltiples investigaciones en todo el mundo. La mano humana, al ser una extremidad de suma importancia en el desarrollo de las actividades cotidianas del ser humano, es tema de investigación de diferentes instituciones que en la actualidad han intentado reproducirla. Sin embargo, aún no se ha logrado emular su destreza totalmente. Es por esto que cenidet, con el diseño y construcción de su mano busca incursionar en este rubro de investigación.

La mano cenidet tiene cuatro dedos (índice, medio, anular y pulgar) capaces de realizar movimientos de flexión, extensión, aducción y abducción similares a los de la mano humana. Las articulaciones de cada uno de los dedos tienen movimientos independientes actuados por motores de CD a través de tensores en configuración de lazo cerrado.

La mano robot es una compleja estructura mecánica construida a base de aluminio, con dimensiones y formas similares a las de la mano humana, capaz de sostener objetos rígidos de hasta 500 gr.

El control de posición de cada una de las articulaciones de los dedos de la

mano cenidet se realiza con un controlador tipo PID programado bajo tecnología FPGA (por sus siglas en inglés Field Programmable Gate Array), en un lenguaje de alto nivel: Labview v7.1.

III

Abstract

This work presents the design and construction of a robotic hand consisting of four fingers with four degrees of freedom (DOF) each one. The objective of this work is to develop an anthropomorphous system able to emulate some movements of the human hand.

During decades the development of robotic systems emulating the behavior of

different parts of the human body has been of reason for multiple researches around the world. Since the human hand is an important limb for the development of common activities of the human being, its engineering reproduction is an investigation topic in different universities. However, nobody has yet totally reproduced it. For this reason cenidet is getting involved into the problem of designing and constructing a mechatronic hand in order to gain knowledge in this area.

The cenidet hand has four fingers (index, middle, ring and thumb) capable to

perform movements of flexion, extension, adduction, and abduction likewise a human hand. The joints of each one of the fingers have independent movements driven by DC motors and tensors in closed loop configuration.

The robot hand is a complex mechanic structure made of aluminum with

dimensions and shapes similar to the human hand capable of supporting objects up to 500 gr.

Position control of each one of the finger joints of the cenidet hand is achieved with a programmed PID controller using FPGA (Field Programmable Gate Array) technology in a high level language, Labview v7.1

IV

Índice general Lista de figuras ………………………………………………………………..…VI Lista de tablas …………………………………………………………………... IX Lista de símbolos ………………………………………………………………… X 1 Generalidades....................................................................................... 1-1

1.1 Marco conceptual y revisión del estado del arte..................................... 1-2 1.1.1 Mano UTAH/MIT........................................................................... 1-2 1.1.2 Mano Stanford/JPL ......................................................................... 1-3 1.1.3 Mano BARRETT............................................................................ 1-3 1.1.4 Mano UB......................................................................................... 1-4 1.1.5 Mano Yokohama............................................................................. 1-5 1.1.6 Mano BH-2 ..................................................................................... 1-5 1.1.7 Mano UNT...................................................................................... 1-6 1.1.8 Mano Northeastern.......................................................................... 1-6 1.1.9 Mano DLR I.................................................................................... 1-7 1.1.10 Mano LMS...................................................................................... 1-7 1.1.11 Mano DIST ..................................................................................... 1-8 1.1.12 Mano Robonauta............................................................................. 1-9 1.1.13 Mano DLR II................................................................................. 1-10 1.1.14 Mano TUAT/Karlshure................................................................. 1-10 1.1.15 Mano Tokio................................................................................... 1-12 1.1.16 Mano Ultralight............................................................................ 1-12 1.1.17 Mano MA-I .................................................................................. 1-13 1.1.18 Mano GiFu.................................................................................... 1-14 1.1.19 Mano Shadow ............................................................................... 1-16

1.2 Objetivo general.................................................................................... 1-17 1.3 Planteamiento del problema.................................................................. 1-17 1.4 Justificación .......................................................................................... 1-17 1.5 Alcances................................................................................................ 1-17 1.6 Organización de la tesis ........................................................................ 1-18 1.7 Bibliografía ........................................................................................... 1-19

2 Biomecánica............................................................................................. 2-1 2.1 Huesos y uniones de la mano y de la muñeca......................................... 2-1 2.2 Movilidad de las uniones del dedo y de la muñeca ................................ 2-2 2.3 Músculos de la mano y antebrazo........................................................... 2-4 2.4 Sistema de transmisión de los dedos de la mano cenidet........................ 2-7 2.5 Conclusiones ........................................................................................... 2-9 2.6 Bibliografía del capítulo ....................................................................... 2-10

V

3 Cinemática y dinámica de la mano cenidet ............................................ 3-1 3.1 Representación Denavit-Hartenberg del dedo robot............................... 3-1 3.2 Problema cinemático directo................................................................... 3-2 3.3 Problema cinemático inverso.................................................................. 3-4

3.3.1 Primera consideración para abordar la redundancia ....................... 3-5 3.3.2 Segunda consideración para abordar la redundancia ...................... 3-7

3.4 Modelo dinámico .................................................................................. 3-10 3.4.1 Ecuaciones de Lagrange ............................................................... 3-10 3.4.2 Modelo dinámico de un dedo de 3 GDL....................................... 3-11

3.5 Conclusiones ......................................................................................... 3-16 3.6 Bibliografía ........................................................................................... 3-16

4 Diseño Mecánico....................................................................................... 4-1 4.1 Dedos de la mano cenidet ....................................................................... 4-2

4.1.1 Descripción esquemática y funcional de un dedo........................... 4-2 4.1.2 Detalle de las partes que forman los dedos..................................... 4-5

4.2 Palma de la mano cenidet. ...................................................................... 4-7 4.3 Antebrazo de la mano cenidet................................................................. 4-8 4.4 Construcción. .......................................................................................... 4-9 4.5 Actuadores ............................................................................................ 4-10 4.6 Especificación de masa ......................................................................... 4-11 4.7 Conclusiones. ........................................................................................ 4-12 4.8 Bibliografía ........................................................................................... 4-12

5 Electrónica y programación de la mano cenidet.................................. 5-1 5.1 Variables de la mano cenidet .................................................................. 5-1 5.2 Acondicionamiento de señales................................................................ 5-2 5.3 Electrónica de potencia ........................................................................... 5-4 5.4 Electrónica de control ............................................................................. 5-5 5.5 Programación .......................................................................................... 5-7 5.6 Conclusiones ........................................................................................... 5-9 5.7 Bibliografía ............................................................................................. 5-9

6 Simulación y pruebas funcionales de la mano cenidet ......................... 6-1 6.1 Controlador PID...................................................................................... 6-1

6.1.1 Pruebas de movimiento................................................................... 6-3 6.2 Prueba de carga ....................................................................................... 6-9 6.3 Conclusiones ......................................................................................... 6-10 6.4 Bibliografía ........................................................................................... 6-11

7 Conclusiones finales y trabajos futuros ................................................. 7-1 7.1 Sugerencia para trabajos futuros. ............................................................ 7-4

VI

Lista de figuras

Figura 1.1. Mano Utah/MIT [1]. ...................................................................................... 1-2 Figura 1.2. Mano Stanford/JPL [2] .................................................................................. 1-3 Figura 1.3. Mano BARRETT [3]. .................................................................................... 1-4 Figura 1.4. Mano UB [4].................................................................................................. 1-5 Figura 1.5.Acomodo de los motores y representación de la transmisión y sensado de

la mano UB [5]............................................................................................... 1-5 Figura 1.6. Esquema de la Mano BH-2 [6]. ..................................................................... 1-6 Figura 1.7. Fotografía de la Mano UNT [7]..................................................................... 1-6 Figura 1.8. Fotografía de la Mano DLR I [9]. ................................................................. 1-7 Figura 1.9. Fotografía de la Mano LMS [10]................................................................... 1-8 Figura 1.10.Fotografía de la Mano DIST [11]. ................................................................ 1-8 Figura 1.11.Mano robonauta de la NASA. [12]............................................................... 1-9 Figura 1.12.Fotografía de la Mano DLR segunda generación [13]. .............................. 1-10 Figura 1.13.Mano TUAT/Karlshure [14]....................................................................... 1-11 Figura 1.14.Mecanismo de agarre de un solo dedo y mecanismo de unión de los

eslabones de la mano TuaT/Karlshure [14]. ............................................. 1-11 Figura 1.15. Fotografía del acomodo de los motores lineales de CD [15]. ................... 1-12 Figura 1.16. Mano Ultralight [16].................................................................................. 1-13 Figura 1.17. Fotografía de la Mano MA-I [17].............................................................. 1-13 Figura 1.18. Motor para movimiento de flexión y extensión, abducción y aducción y

del plgar de la mano MA-I [17]. ............................................................... 1-14 Figura 1.19. Fotografía de la Mano GiFu [18]............................................................... 1-14 Figura 1.20. Esquema del mecanismo de la mano GiFu [18]. ....................................... 1-15 Figura 1.21. Fotografías de la Mano shadow [19]. ........................................................ 1-16 Figura 2.1. Huesos y uniones de la mano y de la muñeca [1].......................................... 2-1 Figura 2.2. Articulaciones involucradas en la cadena cinemática del dedo..................... 2-2 Figura 2.3. Flexión y extensión de un dedo [4]. .............................................................. 2-3 Figura 2.4. Aducción y abducción [5]. ............................................................................ 2-3 Figura 2.5. Músculos anteriores y exteriores de la mano humana [1]. ............................ 2-5 Figura 2.6. Supinación y pronación de la mano humana [4]. .......................................... 2-5 Figura 2.7. Músculos de la mano [1]. .............................................................................. 2-6 Figura 2.8. Tendón que envuelve al dedo: envolturas anulares y cruzadas [9-11]. ......... 2-6 Figura 2.9. Configuración de los sistemas de transmisión por tendones. ........................ 2-8 Figura 2.10.(a) Modelo de una articulación simple accionada por un actuador

rotacional. Configuración cerrada. (b) Estructura de un actuador que flexiona y un que resorte extiende una articulación simple. ....................... 2-9

VII

Figura 3.1 Representación geométrica de un dedo de tres GDL. .................................... 3-1 Figura 3.2. Gráfica de puntos alcanzables por el dedo. ................................................... 3-3 Figura 3.3. Dedo robot de tres GDL con movimiento en un plano. ................................ 3-4 Figura 3.4. Representación del ángulo θf. ........................................................................ 3-5 Figura 3.5. Reducción del modelo a dos GDL................................................................. 3-6 Figura 3.6. Simulación cinemática inversa para el punto Px =1.414 Py =9.656 con

valores de: θf=130 y 140.................................................................................... 3-7 Figura 3.7. Simulación cinemática inversa para el punto Px =4.83 Py =10.38 para

valores de: θf=85, 90, y 95 ................................................................................ 3-7 Figura 3.8. Simulación cinemática inversa para el punto Px=1.414 Py=9.656 para

valores de: K=1, 0.9 y 0.8.................................................................................. 3-9 Figura 3.9. Simulación cinemática inversa para el punto Px=2 Py=11 para valores

de: k=1, 0.85 y 0.75 ............................................................................................ 3-9 Figura 3.10. Simulación cinemática inversa para el punto Px=1 Py=11 para valores

de: k= 1, 0.85 y 0.65 ....................................................................................... 3-9 Figura 3.11. Cadena cinemática abierta de n eslabones................................................. 3-10 Figura 3.12. Dedo robot de tres GDL. ........................................................................... 3-11 Figura 3.13. Resultados de simulación del modelo dinámico del dedo robot. .............. 3-15 Figura 3.14. Representación esquemática de la simulación del modelo dinámico de

un dedo de 3 GDL..................................................................................... 3-15 Figura 4.1. Mano cenidet. ................................................................................................ 4-1 Figura 4.2. Articulaciones del dedo mecánico................................................................. 4-2 Figura 4.3.Representación esquemática del sistema de transmisión por tendones

para un dedo de tres grados de libertad para los movimientos de flexión y extensión. .................................................................................................... 4-3

Figura 4.4 Representación funcional del sistema de transmisión mediante tensores para un dedo de tres grados de libertad en configuración cerrada para los movimientos de flexión y extensión. ............................................................. 4-3

Figura 4.5.Representación esquemática y funcional del sistema de transmisión mediante tensores para realizar los movimientos de abducción y aducción del dedo. ......................................................................................... 4-4

Figura 4.6. Detalle de las piezas de los dedos.................................................................. 4-6 Figura 4.7. Detalle interior de la palma ........................................................................... 4-7 Figura 4.8. Piezas que forman la palma. .......................................................................... 4-8 Figura 4.9 Detalle de las piezas y motores que forman el antebrazo............................... 4-9 Figura 4.10 Sección transversal del dedo ...................................................................... 4-10 Figura 4.11 Motores usados en la mano cenidet............................................................ 4-11 Figura 5.1.Diseño en CAD de la tarjeta de recolección y ordenamiento de señales ....... 5-2 Figura 5.2.Distribución de conectores para las tarjetas recolectoras y de

ordenamiento de datos ............................................................................... 5-2 Figura 5.3. Tarjeta principal............................................................................................. 5-3 Figura 5.4. Representación de las respectivas conexiones de la tarjeta principal............ 5-3 Figura 5.5. Conector SCB-68........................................................................................... 5-4 Figura 5.6. Tarjeta de potencia en CAD. (a) Vista isométrica, (b) Vista frontal real. ..... 5-4 Figura 5.7. Tarjeta de control PCI-7831R con tecnología FPGA [2]. ............................. 5-6 Figura 5.8. cRIO-9002 con tecnología FPGA embebida [2]. .......................................... 5-6

VIII

Figura 5.9. FPGA cRIO-9002 con el controlador de tiempo real cRIO-9102 y los cuatro (dos cRIO-9263 y dos cRIO-9201) módulos cRIO de entradas y salidas analógicas........................................................................................ 5-6

Figura 5.10. Esquema de flujo de la información para la mano cenidet.......................... 5-7 Figura 5.11. Pantalla principal de la mano cenidet. ......................................................... 5-7 Figura 5.12. Panel del subprograma de la FPGA............................................................. 5-8 Figura 6.1. Resultados de simulación para con un controlador PID................................ 6-2 Figura 6.2. Movimiento de la falange proximal de 0 a 45°. ............................................ 6-3 Figura 6.3. Fotografía del movimiento de flexión de la falange proximal. .................... 6-4 Figura 6.4. Movimiento de la falange proximal de 45 a 0°. ............................................ 6-4 Figura 6.5. Movimiento de la falange medial de 0 a -90°. .............................................. 6-5 Figura 6.6. Fotografía del movimiento de flexión de la falange medial.......................... 6-5 Figura 6.7. Movimiento de la falange medial de -90° a 0°. ............................................. 6-6 Figura 6.8. Movimiento de la falange distal de 0 a -90°.................................................. 6-6 Figura 6.9. Fotografía del movimiento de flexión de la falange distal. ........................... 6-7 Figura 6.8. Movimiento de la falange distal de -90° a 0°. ............................................... 6-7 Figura 6.11. Movimiento de abducción/aducción de 0° a 10°......................................... 6-8 Figura 6.12. Fotografía del movimiento de aducción/aducción. Posición....................... 6-8 Figura 6.13. Movimiento de abducción/aducción de 10° a 0°......................................... 6-9 Figura 6.14. Capacidad de carga de la mano cenidet....................................................... 6-9 Figura 6.15. Prueba de fuerza en los dedos de la mano cenidet .................................... 6-10

IX

Lista de tablas

Tabla 1.1. Características de la mano UTAH/MIT.......................................................... 1-2 Tabla 1.2. Características de la mano Stanford/JPL. ....................................................... 1-3 Tabla 1.3. Características de la mano BARRETT. .......................................................... 1-4 Tabla 1.4. Características de la mano DLR I. ................................................................. 1-7 Tabla 1.5. Características de la mano LMS. .................................................................... 1-8 Tabla 1.6. Características de la mano DIST. ................................................................... 1-9 Tabla 1.7. Características de la mano Robonauta de la NASA. ...................................... 1-9 Tabla 1.8 Características de la mano DLR II................................................................. 1-10 Tabla 1.9. Características de la mano TUAT/Karlshure................................................ 1-11 Tabla 1.10. Características de la mano Ultralight.......................................................... 1-12 Tabla 1.11. Características de la mano ME-I................................................................. 1-14 Tabla 1.12. Características de la mano GIFU II. ........................................................... 1-15 Tabla 1.13. Características de la mano Robot Shadow company. ................................. 1-16 Tabla 2.1. Rangos de movimiento de flexión y extensión de un dedo. ........................... 2-3 Tabla 2.2. Rangos de movimiento en abducción y aducción de un dedo. ....................... 2-4 Tabla 2.3. Características del tensor para la mano cenidet. ............................................. 2-7 Tabla 3.1. Representación D-H........................................................................................ 3-2 Tabla 4.1. Características de los dedos de la mano cenidet. ............................................ 4-4 Tabla 4.2. Lista de las piezas del dedo............................................................................. 4-6 Tabla 4.3 Lista de las piezas que forman la palma. ......................................................... 4-8 Tabla 4.4 Piezas que forman el antebrazo. ...................................................................... 4-8 Tabla 4.5 Pares necesarios en cada articulación para que la mano pueda sostener

500 gr ........................................................................................................... 4-10 Tabla 4.6. Características de los actuadores de la mano cenidet ................................... 4-11 Tabla 4.7 Masas de los subensambles que integran la mano cenidet. ........................... 4-11 Tabla 5.1. Señales involucradas en la manipulación de la mano cenidet. ....................... 5-1

X

Lista de símbolos

Cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Cnad Centro Nacional de Actualización Docente GDL Grados de libertad FPGA Field Programmable Gate Array MCP Metacarpal-falangeal PIP Interfalangeal-proximal DIP Interfalangeal-distal RDM Rango de movimiento FPD Flexor profundo digitorum FSD Flexor superficial digitorum ai Distancia entre ejes z αi Ángulos entre ejes z di Distancia entre ejes x θi Ángulos entre ejes x n Número de grados de libertad Ai Matriz de transformación del eslabón i-1 al i Tn Matriz de transformación homogénea para un dedo de n grados de libertad si sin θi ci cos θi Li Longitud del eslabón i θ Vector de las variables articulares x Vector de ubicación del punto final del dedo robot. ( q ) Vector de posiciones articulares ( q ) Vector de velocidades articulares ( q ) Vector de aceleraciones articulares (τ ) Vector de fuerzas o pares ejercidos externamente por los actuadores. E Energía total K Energía cinética U Energía potencial L Lagrangiano de un sistema robótico

iq Posición angular del eslabón i

iq Velocidad angular del eslabón i

iq Aceleración angular del eslabón i

iτ Par ejercido en la i-ésima articulación Lci Distancia el centro de masa del eslabón i

XI

im Masa del eslabón i ( ),

iv q q Velocidad del centro de masa del eslabón i

iI Momento de inercia referido al centro de masa del eslabón i g Aceleración de la gravedad (9810 mm/s2) h Distancia vertical del plano de referencia al punto de interés PID Proporcional-Integral-Derivativo PWM Modulación de ancho de pulso τ Par del motor Kp Constante proporcional Kv Constante derivativa Ki Constante integral ep Error de posición ev Error de velocidad PD Proporcional-Derivativo PD+G Proporcional-Derivativo con compensación de la gravedad

Capítulo 1. Generalidades “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

1-1

1 Generalidades

Aparte de la capacidad de raciocinio, uno de los factores que marca la diferencia del ser humano con los demás seres vivos es la destreza de sus manos que, con más de veinticinco grados de libertad (GDL), le permiten realizar tareas que otros seres vivos no pueden por sus limitaciones físicas. Esto ha motivado la inquietud de muchos investigadores alrededor del mundo para reproducir sistemas robóticos de gran destreza.

Con la evolución de la tecnología la construcción de efectores finales1 de alta destreza ha permitido incursionar en diversas áreas con resultados extraordinarios: En la industria, realizando tareas complejas y repetitivas, en aplicaciones médicas como apoyo quirúrgico y prótesis, en entretenimiento con sistemas animados, en materia de seguridad con sistemas teleoperados trabajando en ambientes hostiles y peligrosos por mencionar algunos.

La mano humana es un complejo y sofisticado sistema para la ingeniería. Su estudio involucra el comportamiento de músculos, huesos, tendones y ligamentos, los cuales deben considerarse como un conjunto coordinado de elementos con la finalidad de obtener un diseño funcional.

Los diferentes movimientos de la mano humana están dictados por una variedad de estímulos externos procesados por el cerebro y provenientes del sistema sensorial, lo que permite interactuar con el medio ambiente; es por esto que un sistema robótico necesita de una variedad de sensores capaces de procesar las diferentes variables del medio para emular los sentidos y así poder tomar decisiones.

Uno de los aspectos que más se ha resaltado y que se busca actualmente a lo largo de las diferentes investigaciones en manos robot es el antropomorfismo, el cual se define como la tendencia a atribuir rasgos y cualidades humanas a los prototipos desarrollados.

1 Los manipuladores están constituidos por elementos con articulaciones entre ellos, donde en el último se coloca un órgano terminal, herramienta o como se conoce en la robótica efector final.


1-2

1.1 Marco conceptual y revisión del estado del arte

El desarrollo de humanoides posee fascinantes problemas en la realización de habilidades de manipulación, los cuales están aún sin resolver. Debido al contenido científico y a su utilidad en la mayoría de las aplicaciones robóticas, el problema de la manipulación ha sido profundamente investigado, por lo que muchos resultados están ya disponibles, pero recalcando que aún existen muchos conocimientos que se deben adquirir para pensar en poder cerrar esta gigante brecha de investigación. A continuación se presenta una recopilación de las principales manos que se han construido a lo largo del mundo.

1.1.1 Mano UTAH/MIT

En el Instituto de Tecnología de Massachussets se desarrolló una mano con 16 GDL (ver Figura 1.1), con cuatro dedos de cuatro GDL cada uno. Cuenta con un antebrazo donde se colocan los actuadores neumáticos que mueven cada una de las articulaciones mediante un arreglo de tendones conducidos por poleas [1]. El diseño contiene grandes complicaciones en el sistema de control de la mano, por lo que los límites y confiabilidad del sistema son impredecibles.

(a) (b)

Figura 1.1. a) Fotografía. b) Representación de la transmisión mediante poleas y tensores [1].

Tabla 1.1. Características de la mano UTAH/MIT.

Número de dedos 4 Auto contenida/antebrazo Antebrazo Grados de libertad 16

Tipo de actuadores Actuadores neumáticos (16 actuadores)

Tipo de transmisión Tendones Medios de transmisión Poleas


1-3

1.1.2 Mano Stanford/JPL

En el Centro de Robótica y Sistemas de Manufactura de la Universidad de Kentucky (UK por sus siglas en inglés), se analizaron tres sistemas mecánicos: El de la Universidad de Stanford (mano JPL), del Tecnológico de Utah (Mano MIT) y el de la Universidad de Belgrado (mano USC) y se propusieron cuatro mejoras a dichos sistemas llegándose a la construcción de la mano UK (ver Figura 1.2), la cual está constituida por tres dedos con nueve GDL, movida bajo la acción de nueve servomotores de CD y un sistema tendonal [2]. Las mejoras del sistema se enfocaron a la funcionalidad en el ensamble, las interferencias en los tensores, el número de actuadores y el acoplamiento de las acciones. Una de las aportaciones de este sistema, es que a diferencia de los otros sistemas de N grados de libertad que necesitan de N+1 motores para poder ser actuados, la mano UK redujo el número de actuadores a solo N, es decir tiene el mismo número de actuadores que grados de libertad.

(a) (b) Figura 1.2. a) Mano Stanford/JPL. .b) Transmisión mediante poleas y tensores [2].

Tabla 1.2. Características de la mano Stanford/JPL. Número de dedos 3 Auto contenida/antebrazo Autocontenida Grados de libertad 9 Tipo de actuadotes Motores de CD Tipo de transmisión Tendones Medios de transmisión Poleas/Canales

1.1.3 Mano BARRETT

La compañía Barrett Technology presentó un diseño de ocho ejes altamente flexibles para el agarre (ver Figura 1.3), los cuales pueden ser reconfigurados en tiempo real para dar seguridad y confort en el agarre de la amplia variedad de formas de objetos que puede manipular sin herramientas [3]. El prototipo consta de tres dedos con nueve GDL, tres en cada dedo, y no es antropomórfica, pero es muy empleada en la industria.


1-4

Necesita sólo cuatro servomotores de CD para mover sus ocho ejes; la electrónica de comunicaciones, los cinco microcontroladores y los sensores, se encuentran dentro de la palma.

(a) (b)

Figura 1.3. a) Mano BARRETT, b) Representación de la transmisión del movimiento [3].

Tabla 1.3. Características de la mano BARRETT. Número de dedos 3 Auto contenida/antebrazo Auto contenida Grados de libertad 4 Tipo de actuadores Motores eléctricos Tipo de transmisión Estímulo y arrastre de los engranes Medios de transmisión Engranes

1.1.4 Mano UB

En la Universidad de Bologna en Italia, con el apoyo del Consejo Nacional de Investigación se desarrolló un prototipo de una mano robot denominada “mano robot UB” (ver Figura 1.4) constituida por la palma y tres dedos. El sistema está provisto de un grupo de sensores a lo largo de las extremidades que ofrecen información de la fuerza ejercida sobre la superficie de la extremidad, calculando bajo algoritmos el centro de gravedad del objeto que se sujeta [4]. Las 11 articulaciones de la mano son actuadas mediante un sistema de poleas y tendones. El sistema tendonal, que provee al sistema de movimiento, se encuentra sujeto a la acción de un grupo de servomotores de CD.


1-5

(a) (b)

Figura 1.4. a) Mano UB, b) Representación de la transmisión de movimiento y acomodo de los servomotores [4].

1.1.5 Mano Yokohama

En la Universidad de Yokohama en Japón en el año de 1993, se desarrolló una mano robot con sensores táctiles en las puntas de los dedos (ver Figura 1.5). La mano consta de cuatro dedos con cuatro uniones actuadas por motores de CD con tensores, los cuales son manejados por seis microcontroladores de 32 bits [5]. Cada dedo tiene un sensor táctil en la punta que tiene una capa de silicón con una cavidad llena con un fluido incompresible. Usando estos sensores y potenciómetros montados a un lado de cada unión son controladas la fuerza y posición de las puntas de los dedos.

(a) (b)

Figura 1.5. a) Acomodo de los motores e uniones. b) Representación de la transmisión y sensado [5].

1.1.6 Mano BH-2

En la Universidad de Beijín de Aeronáutica y Astronáutica en China, se desarrolló una mano de tres dedos con tres uniones respectivamente (ver Figura 1.6); dos de las uniones están en los nudillos y la otra está entre el segmento más lejano y en el de en medio de cada dedo [6]. El dedo pulgar puede emular los movimientos del dedo pulgar de la mano humana. La unión más alejada de la palma tiene un GDL y las otras dos uniones


1-6

constan de dos grados de libertad, por lo que ésta sería una de las principales diferencias en comparación con la mano Stanford. Los parámetros geométricos de la colocación de los dedos de la mano humana son obtenidos por el método de optimización forzada. La palma está ahuecada, por lo que da la facilidad de dejar pasar los tensores a través de ella, al igual que las señales. Esta palma tiene una superficie plana, la cual ayuda a tener un poderoso agarre y mejora la estabilidad del mismo.

Figura 1.6. Esquema de la Mano BH-2 [6].

1.1.7 Mano UNT

En la Universidad Nacional de Taipei, Taiwán (UNT), en el Laboratorio de Robótica e Ingeniería Mecánica, en el año de 1996, se diseñó un nuevo mecanismo (ver Figura 1.7) de una mano de robot multi-dedos, que tiene los cinco dedos de la mano con 17 GDL, en contraste con un manejador tradicional tendonal [7]. Los dedos de la mano UNT a base de engranes se manejan individualmente y sus sensores y actuadores están dentro de la palma, lo que ayuda a tener una dimensión semejante a la de la mano humana, haciendo que se pueda montar fácilmente en robots industriales y para aplicaciones en minusválidos en términos de prótesis.

Figura 1.7. Fotografía de la Mano UNT [7].

1.1.8 Mano Northeastern

En la Universidad de Northeastern de Boston se desarrolló una mano robótica de tres dedos posicionados en los vértices de un triángulo, dos de los dedos formados por tres eslabones y el restante por sólo dos [8]. Para dimensionar el sistema se tomó en cuenta el tamaño de la mano de un hombre adulto. El sistema es movido con una red tendonal actuada mediante motores de CD. Para operaciones de agarre y manipulación de objetos la mano se monta en un robot PUMA 200. El sistema es capaz de manipular objetos con diferentes formas y superficies.


1-7

1.1.9 Mano DLR I

En el Centro Aeroespacial de Alemania se desarrolló la mano DLR I (ver Figura 1.8) como parte de un sistema complejo de manipulación de bajo peso con el fin de desenvolverse en el espacio para la ayuda de astronautas [9]. Es una mano articulada multisensorial semi-antropomórfica de 12 GDL con cuatro dedos, montada sobre un sensor de fuerza y posición de seis ejes. Todos los actuadores están contenidos en la palma de la mano, así como en los dedos mismos (de ahí su gran tamaño), por lo que la transmisión del movimiento es por poleas y tendones. La mano está típicamente controlada por un guante de datos para la telemanipulación de sus habilidades de agarre.

Figura 1.8. Fotografía de la Mano DLR I [9].

Tabla 1.4. Características de la mano DLR I. Número de dedos 4 Auto contenida/antebrazo Auto contenida Grados de libertad 12 Tipo de actuadores Motores eléctricos CD Tipo de transmisión Tendones Medios de transmisión Poleas

1.1.10 Mano LMS

En el Laboratorio de Mecánica de Sólidos de la Universidad de Poitiers en Francia desarrolló la mano LMS (ver Figura 1.9), que posee cuatro GDL por dedo, tres para el movimiento de flexión-extensión y uno para el movimiento de aducción-abducción, por lo que su antropomorfismo conlleva a que sus movimientos sean los óptimos para un humanoide [10]. La estructura es muy ligera y hecha de aluminio, cuenta con 16 motores lineales de CD y cada uno con un sensor de posición, y su transmisión es mediante cables de polietileno.


1-8

Figura 1.9. Fotografía de la Mano LMS [10].

Tabla 1.5. Características de la mano LMS. Número de dedos 4 Auto contenida/antebrazo Antebrazo Grados de libertad 16 Tipo de actuadores Motores eléctricos Tipo de transmisión Tendones Medios de transmisión Poleas/canales

1.1.11 Mano DIST

En la Universidad de Génova en Italia se desarrolló una mano mecánica de 16 GDL de cuatro dedos (ver figura 1.10), cada uno con cuatro GDL y con un alto grado de destreza; la principal meta seguida durante el desarrollo de la mano DIST ha sido un diseño de tamaño pequeño y ligero con cinemática antropomórfica muy diestra, de fácil instalación, incluso en un pequeño manipulador [11].

Figura 1.10. Fotografía de la Mano DIST [11].


1-9

Tabla 1.6. Características de la mano DIST. Número de dedos 4 Auto contenida/antebrazo Antebrazo Grados de libertad 16 Tipo de actuadores Motores eléctricos CD Tipo de transmisión Tendones Medios de transmisión Poleas/canales

1.1.12 Mano Robonauta

En el Laboratorio de la NASA en Estados Unidos se construyó una mano de cinco dedos con 14 GDL (ver figura 1.11), los cuales son manejados por motores brushless de CD que se encuentran colocados en un antebrazo para transmitir la potencia a cada uno de los dedos [12]. Las uniones de la base del dedo permiten ± 25° de giro y 100° de elevación, los segundos y terceros empalmes se ligan directamente para cerrarse con ángulos iguales. Los dedos de agarre cierran con un ángulo aproximado a los 90°. Debido a la complejidad de la geometría de sus partes casi todas están hechas de aluminio directamente maquinado. Contiene sensores absolutos de posición antocontenidos en cada unión de la mano, codificadores incrementales en los motores, sensores táctiles que proporcionan la posición y fuerza necesaria para cerrar el lazo de control.

(a) (b) Figura 1.11. Mano robonauta de la NASA. a) Fotografía (b) Esquema de forma de agarre de un dedo con su

estructura rígida [12].

Tabla 1.7. Características de la mano Robonauta de la NASA. Número de dedos 5 Auto contenida/antebrazo Antebrazo Grados de libertad 14 Tipo de actuadores Motores eléctricos Tipo de transmisión Ejes rígidos Medios de transmisión ---


1-10

1.1.13 Mano DLR II

Los resultados del uso de la mano de DLR I mencionada en el punto 1.3.9 al ser analizados permitieron grandes avances en la tecnología de agarre; y esto permitió el diseño de una nueva generación de manos diestras robustas [13]. Tiene una estructura esquelética abierta para un mejor mantenimiento y tiene semicubiertas las articulaciones de los dedos, la palma es reconfigurable y se ha equipado con actuadores de más alcance, tal como para alcanzar los 30N en la yema del dedo (ver Figura 1.12). Cuenta con sensores de esfuerzo de torsión para medir la fuerza de la yema del dedo de 6 GDL, la electrónica está integrada junto con la nueva arquitectura de la comunicación que permite una reducción del cableado en la mano a solamente 12 líneas. La mano DLR II cuenta con 13 GDL manejados por servomotores de CD.

Figura 1.12.Fotografía de la Mano DLR segunda generación [13].

Tabla 1.8 Características de la mano DLR II. Número de dedos 4 Auto contenida/antebrazo Auto contenida Grados de libertad 13 Tipo de actuadores Motores eléctricos Tipo de transmisión Conducción por engranes Medios de transmisión ---

1.1.14 Mano TUAT/Karlshure

En la Universidad de Agricultura y Tecnología (por sus siglas en inglés UTAT) de Tokio en el departamento de Ingeniería de Sistemas Mecánicos, y junto con el departamento de Ciencia Computacional y Control en la Universidad de Karlsruhe, en Alemania, en el año 2000 diseñaron una mano humanoide TUAT/Karlshure (ver Figura 1.13) que trabaja tanto en forma autónoma como interactivamente, en cooperación con humanos, la cual es manejada por un sólo motor ultrasónico esférico; incluye los cinco


1-11

dedos de la mano, cuatro dedos tienen 3 grados de libertad y el pulgar sólo 2 GDL, ya que la reproducción del mismo es muy complejo. Estos dedos se unen a una palma que ayuda al agarre, realizado en formas: el denominado palmar y agarre lateral [14].

(a) (b) (c) Figura 1.13. a) Los huesos y uniones de la mano humana, b) La estructura de la mano humanoide,

c) Comparación de agarre de la mano humana con la mano TUAT/Karlshure [14].

Esta mano se mueve con un solo actuador, el cual hace que cierre la mano tomando el objeto que se encuentre a su alcance, el mecanismo se muestra en la Figura 1.14.

(a) (b) Figura 1.14. a) Mecanismo de agarre de un solo dedo, b) Mecanismo de unión de los eslabones [14].

Tabla 1.9. Características de la mano TUAT/Karlshure. Número de dedos 5 Auto contenida/antebrazo Antebrazo Grados de libertad 1 Tipo de actuadores Motor eléctrico Tipo de transmisión Barras rígidas Medios de transmisión ---


1-12

1.1.15 Mano Tokio En la Universidad de Denki Tokio en Japón, en el año 2000 se construyó una mano

de cinco dedos (ver Figura 1.15), con 16 micromotores de CD montados dentro de los dedos y de la palma. Cada dedo tiene de tres GDL, uno para flexionar la unión interfalangeal y dos para flexionar y contraer la unión metacarpiofalangeal [15]. Cuenta con un mecanismo de enlace que trasmite la curvatura de la mano al rotar o girar el eje del dedo índice y pulgar alrededor del dedo medio o mayor, y el dedo pequeño alrededor del dedo anular contraponiendo el interior de la superficie del dedo al frente de la palma.

Figura 1.15. Fotografía del acomodo de los motores lineales de CD [15].

1.1.16 Mano Ultralight

En el Centro de Investigación de Karlshure en Alemania, se desarrolló una mano artificial (ver Figura 1.16) de muy bajo peso, con habilidades muy semejantes a la mano humana, por lo que puede tomar y mover una gran variedad de objetos de diferentes geometrías [16]. Cuenta con cinco dedos y en total cuenta con un total de 13 GDL independientes, manejados por una nuevo tipo de actuador hidráulico flexible de tamaño pequeño. Los actuadores están integrados totalmente en los dedos, los cuales hicieron posible el diseño de una mano muy compacta y ligera que se puede utilizar como mano para prótesis o como mano para un humanoide.

Tabla 1.10. Características de la mano Ultralight. Número de dedos 5 Auto contenida/antebrazo Antebrazo Grados de libertad 13 Tipo de actuadores neumático Tipo de transmisión Conducción directa Medios de transmisión ---


1-13

(a) (b)

Figura 1.16. a) Mano Ultralight. b) Representación de los dispositivos de un dedo [16].

1.1.17 Mano MA-I En la Universidad Politécnica de Cartagena en España se construyó la mano

mecánica denominada MA-I (Mano Artificial Inteligente, ver figura 1.17), diseñada y construida en el Instituto de Organización y Control de Sistemas Industriales (IOC) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), como parte de un sistema integrado para la experimentación y prueba de estrategias de aprehensión y manipulación de objetos [17]. La configuración básica de la mano es de 4 dedos con 4 GDL cada uno. Se resumen las principales características de la mano, acorde con los criterios de diseño, tanto del hardware como del software, incluyendo aspectos de la parte mecánica, eléctrica y electrónica, así como del sistema de control.

Figura 1.17. Fotografía de la Mano MA-I [17].


1-14

En la Figura 1.18 se muestra la colocación de los motores para cada una de las

articulaciones.

(a) (b) (c) Figura 1.18. a) Motor para movimiento de flexión y extensión, b), Motor para movimiento del dedo pulgar

en la base, c) Motores para movimiento de aducción y abducción de cada dedo [17].

Tabla 1.11. Características de la mano ME-I. Número de dedos 4 Auto contenida/antebrazo Auto contenida Grados de libertad 16 Tipo de actuadores Motores CD Tipo de transmisión Directa Medios de transmisión ---

1.1.18 Mano GiFu

En la Universidad de Gifu en Japón se desarrolló una mano (ver Figura 1.19) que consta de cinco dedos, todos unidos y manejados por servomotores ubicados en la palma [18]. El dedo pulgar tiene cuatro uniones con cuatro GDL, mientras que los otros dedos solo tienen tres. Los ejes cercanos a la palma son ortogonales en un punto como en el caso de la mano humana. La mano GiFu puede estar equipada con sensores de fuerza de seis ejes en cada yema de los dedos y un sensor táctil con 624 puntos de detección en la superficie. La única desventaja de este diseño es que al ser autocontenida, las dimensiones son superiores a las de una mano promedio humana.

Figura 1.19. Fotografía de la Mano GiFu [18].


1-15

El medio de transmisión del movimiento y posicionamiento de los motores,

codificadores de posición y uniones de la mano GiFu se representan en la Figura 1.20.

Figura 1.20. Esquema del mecanismo de la mano GiFu [18].

Tabla 1.12. Características de la mano GIFU II. Número de dedos 5 Auto contenida/antebrazo Auto contenida Grados de libertad 16 Tipo de actuadores Servomotores CD Tipo de transmisión Engranes gusano Medios de transmisión ---


1-16

1.1.19 Mano Shadow

Shadow Robot Company en el Reino Unido en el año 2003, publicó el desarrollo de un sistema robótico que emula las características de la mano humana (ver Figura 1.21), el cual utiliza músculos neumáticos y una red tendonal para la actuación del sistema. El sistema con 24 ejes de movimiento busca reproducir lo más fielmente posible los movimientos de la mano [19]. Cuenta con un sistema de retroalimentación de posición y se está trabajando actualmente en el sistema de sensado táctil.

Figura 1.21. Fotografías de la Mano Shadow [19].

Tabla 1.13. Características de la mano Robot Shadow company. Número de dedos 5 Auto contenida/antebrazo Antebrazo Grados de libertad 24 Tipo de actuadores neumáticos Tipo de transmisión tendones Medios de transmisión ---

A lo largo de muchos años los investigadores han intentado reproducir los

movimientos de la mano humana con diferentes fines y desde diferentes perspectivas, ya sea para fines médicos (prótesis) o manipuladores diestros para la industria. Aún se encuentran lejos de reproducir fielmente dicho comportamiento, por lo que es necesario realizar nuevas aportaciones apoyadas en las investigaciones que se han hecho.


1-17

1.2 Objetivo general

Diseñar y construir una mano mecánica antropomorfa capaz de emular los movimientos de flexión y extensión de los dedos de la mano humana, a base de tensores actuados por motores de CD.

1.3 Planteamiento del problema Durante décadas el desarrollo de sistemas robóticos que emulen el comportamiento

de las diferentes partes del cuerpo humano ha sido motivo de múltiples investigaciones en el mundo. La mano humana al ser una extremidad de suma importancia en el desarrollo de las actividades cotidianas del ser humano es tema de investigación de diferentes instituciones, en la actualidad existen más de 15 diferentes manos robot que han intentado reproducirla, pero aún no se ha logrado construir un sistema que logre emular su destreza.

Actualmente, existen actividades que algunos seres humanos no pueden desarrollar, ya sea por limitaciones físicas o por ambientes hostiles que pongan en riesgo su integridad, por ejemplo, en trabajos manuales relacionados con el montaje de elementos explosivos, radioactivos o tóxicos o en el diseño y construcción de prótesis de manos con características antropomorfas con ciertas facultades de movimiento, siendo de gran importancia estos desarrollos para fines médicos. En el estudio de estos problemas, la robótica como parte de la mecatrónica, resulta de gran utilidad para proponer alternativas de solución a los mismos.

1.4 Justificación

Las actividades cotidianas que para el ser humano resultan fáciles, tales como el ver y el uso de sus extremidades representan un desafío para la robótica debido a la cantidad de variables involucradas y el procesamiento de las mismas.

El buen desempeño en la vida del ser humano, tiene que ver con la manipulación de

diferentes tipos de herramientas para realizar tareas específicas de manera eficiente, por lo que resulta de suma importancia que dentro de las líneas de investigación de la mecatrónica se genere el conocimiento necesario que permita la incursión en el desarrollo y mejora de los sistemas emuladores de los movimientos del ser humano.

1.5 Alcances

Diseñar y construir una mano robot de al menos tres dedos, con tres GDL cada uno, que emule los movimientos de flexión y extensión de los dedos de la mano humana capaz


1-18

de sostener objetos sólidos de hasta 500 gr, así como conocer la cinemática involucrada en el diseño propuesto.

1.6 Organización de la tesis

Está tesis está repartida en capítulos de acuerdo a los pasos necesarios para la realización de la mano cenidet como: anatomía de la mano humana, biomecánica, estudio de movimiento, antropometría, diseño y construcción física, control y electrónica.

Capítulo 2 Biomecánica de la mano cenidet. Se hace un estudio de la anatomía

de la extremidad superior, concretamente la mano, muñeca y antebrazo con el objetivo de establecer las especificaciones para el diseño de la mano cenidet, como lo son: rangos de movimiento y restricciones de las articulaciones y enrutado, manejo y acomodo de los tensores.

Capítulo 3 Cinemática y dinámica de la mano cenidet. Se hace el estudio analítico de la geometría y del movimiento de los sólidos que conforman la mano cenidet, específicamente en un dedo. Este análisis puede ser extendido a los dedos restantes pues son parecidos entre sí.

Capítulo 4 Diseño y construcción de la mano cenidet. Se muestra el diseño y construcción completo y por partes, de las piezas que conforman a la mano cenidet: dedos, palma y antebrazo.

Capítulo 5 Electrónica y programación de la mano cenidet. Se muestra el diseño de las tarjetas electrónicas y su interacción con todas las señales involucradas utilizando tecnología basada en arreglo de compuertas programables “FPGA”, para realizar el monitoreo y control de las articulaciones para la mano cenidet.

Capítulo 6 Pruebas, resultados y observaciones

Capitulo 7 Conclusiones y trabajos futuros

Anexo A Características de los actuadores de la mano cenidet

Anexo B Definición y especificación de entradas y salidas para la mano cenidet

Anexo C Planos de algunas partes de la mano cenidet.


1-19

1.7 Bibliografía [1] S.C. Jacobsen, J. K. Salisbury and J. J. Craig, 1986. “Design of the Utah/MIT dexterous hand”, in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1520-1532. [2] Gongliang Guo, William A. Gruver, Xikang Qian, 1991. “A robotic hand mechanism with rotating fingertips and motor-tendon actuation”, Center for robotics and manufactuting Systems, Universidad de Kentucky, Lexington, KY 40506-0108. [3] W.T.Townsend, 2000. “MCB - Industrial robot feature article-Barrett Hand grasper- programmably flexible part handling and assembly”, in industrial Robot: An International Journal Vol.27 NO. 3 pp.181-188. [4] Claudio Bonivento, Eugenio Faldella, Gabrielle Basura, 1991. “The University of Bologna Robotic Hand Project: Current state and future developments”, IEEE Trans on Robotics and Automation. [5] Hideaki Hashimoto, Hideki Ogawa, Massao Obama, Toshiya Umeda, Kyoishi Katuno, Takao Furukawa, July 1993. “Development of a multifingered robot hand with fingertip tactiles sensors” Proceeding of the 1993 IEEE/JSJ International Conference on Intelligent Robots and System. Yokohama, Japan. [6] Yang Yang, Yuru Zhang, Qi Xian Zhang, 1995. “A performance evaluation of BH-2 dexterous robotic hand”, IEEE Trans on Robotics and Automation. [7] Li-Ren Lin, Han-Pang Huang, April 1996. “Mechanism design of a new multifingered robot hand” Proceeding of the IEEE international conference on Robotics and Automation Minneapolis, Minnesota. [8] Jill D. Crisman, Chaitanya Kanojia, Ibrahim Zeid, June 1996. “Graspar: A flexible, easily controllable robotic hand”, Jill D. IEEE Robotics & Automation Magazine. [9] J.Butterfass, G.Hirzinger, S.Knoch, H.Liu, 1998. “DLR’s Multisensory articulated Part I: Hard- and Software Architecture”, in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2081-2086. [10] J.P. Gazeau, S. Zeghloul, M. Arsicualt, J.P. Lallemand, 2001. “The LMS hand: force and position controls in the aim of fine manipulation of objects”, in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2642- 2648. [11] Caffaz, and G. Cannata, 1998. ”The design and development of the DIST-hand Dextrous Gripper”, in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.2075-2080. [12] C.S. Lovchik and M.A. Diftler, 1999. “The Robonaut Hand: a dexterous robot hand for Space”, Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 907-912. [13] J. Butterfa_, M. Grebenstein, H. Liu and G. Hirzinger, 2000. “DLR-Hand II: Next generation of a dextrous robot hand”. German Aerospace Research Center (DLR) Institute of Robotics and Mechatronics P.O. Box 1116, D-82230 Wessling, Germany. [14] Naoaki Fukaya, Shigeki Toyama, Tamim Asfour, Rudiger Dillman, 2000. “Design of the TUAT/Kalsruhe humanoide hand”. Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Tokyo.


1-20

[15] K. Ohnishi, T. Tajima I, Sahito, 2000. “Anthropomorphic hand control for robotic hand-arm”, Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Tokyo. [16] Schulz, S.; Pylatiuk, C.; Bretthauer, G., 2001. “A new ultralight anthropomorphic hand”, Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Seoul, Korea, Page(s): 2437 -2441 vol.3. [17] Raúl Suárez, Patrick Grosch, 2001. “Mano mecánica MA-I”. Instituto de Organización y Control de Sistemas Industriales (IOC) Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) Av. Diagonal 647, planta 11, 08028 Barcelona, España. [18] Haruhisa Kawasaki, Hisayuki Shimomura, Yuuji Shimizu, 2001. “Educational-industrial complex development of an anthropomorphic robot hand “Gifu hand’”, Advanced Robotics, Vol. 15, No. 3, pp. 357-363. [19] Shadow Robot Company, 2003. “Design of a dexterous hand for advanced CLAWAR applications”, http://www.shadowrobot.com/index.shtml.

http://www.shadowrobot.com/index.shtml

Capítulo 2. Biomecánica “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

2-1

2 Biomecánica

En este capítulo se presenta un estudio de la anatomía de la extremidad superior,

específicamente mano, muñeca y antebrazo, poniendo especial énfasis en los datos que puedan ayudar en la toma de decisiones para seleccionar los parámetros más convenientes para la construcción de la mano cenidet. Por tal motivo, se presenta el estudio de los rangos de movimiento de cada articulación de los dedos de la mano humana, tanto para establecer su importancia en el movimiento como para determinar su área de acción.

2.1 Huesos y uniones de la mano y de la muñeca

Veintisiete huesos conforman la mano y la muñeca, de los cuales 14 huesos son falanges en los dedos, 5 metacarpianos en el área de la palma, y 8 carpos en la muñeca, formando tres grupos importantes en la mano humana, como se ve en la Figura 2.1 [1].

Figura 2.1. Huesos y uniones de la mano y de la muñeca [1].


2-2

Para el diseño de la mano cenidet solo fueron consideradas las tres falanges de los dedos incluyendo sus articulaciones. La primera articulación corresponde a la unión metacarpal-falangeal (MCP), la segunda a la interfalangeal-proximal (PIP) y la tercera a la interfalangeal-distal (DIP) del dedo [2,3] ordenados según la Figura 2.2.

Figura 2.2. Articulaciones involucradas en la cadena cinemática del dedo.

2.2 Movilidad de las uniones del dedo y de la muñeca

La Flexión es la curvatura o reducción del ángulo que forman partes del cuerpo y la Extensión, se define, por lo general, como el retorno de la flexión. Cuando la extensión excede el estado neutro, se denomina hiperextensión.

El promedio del rango de movimiento (RDM) en el ser humano de la DIP en flexión y extensión va desde los 60 a 70°, la PIP desde 100 a 110° [2], así como la del MCP es de aproximadamente 90° (ver Figura 2.3). Los dedos de la mano individualmente muestran diversos rangos de movimiento entre sí, por ejemplo el RDM de la unión DIP del dedo índice es de 70° y la del dedo meñique es de 95°, o el RDM de la abducción y de la aducción está sobre 60° para el dedo índice, 45° para el dedo medio, 45° para el dedo anular, y 50° para el dedo meñique, esto se debe a que el RDM de los uniones MCP en flexión-extensión disminuyen su magnitud con el aumento en la desviación del movimiento de abducción-aducción [3]. Es por esto que se decidió un RDM promedio para las diferentes articulaciones de la mano cenidet.

El movimiento de flexión en la unión MCP alcanza los 90° y solo es frenado por el choque del mismo cartílago sobre el metacarpiano. El movimiento de extensión apenas rebasa la posición de reposo y está limitado por la tensión de los tendones flexores. Partiendo de esto, las restricciones de movimiento que se necesitan realizar para que la mano cenidet se desempeñe de manera similar a la mano humana serán validadas y habilitadas tanto en software como hardware.


2-3

Figura 2.3. Flexión y extensión de un dedo [4]. Todos los dedos de la mano humana tienen un aspecto similar (ver Figura 2.3), por lo

que los rangos de movimientos de cada articulación son parecidos, más no iguales como se había mencionado anteriormente. En este trabajo se tomaron valores iguales para cada dedo, los cuales se engloban en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Rangos de movimiento de flexión y extensión de un dedo.

Articulación Movimiento Rango de movimiento DIP Flexión/Extensión 70° PIP Flexión/Extensión 110°

MCP Flexión/Extensión 90°

La abducción es el movimiento de un segmento del cuerpo más allá de su eje medio de éste o a la parte a la que va unido, y la aducción es el movimiento de un segmento o combinación de segmentos del cuerpo hacia su eje medio o a la parte a la que está o están unidos. Los movimientos de abducción y aducción (ver Figura 2.4) de los dedos están fuera de los objetivos de este trabajo, por lo que no se implementarán en el análisis matemático, pero se dejará lista la mano mecánicamente para realizar dichos movimientos en trabajos futuros.

Figura 2.4. Aducción y abducción [5].


2-4

El RDM de abducción y aducción de los dedos de la mano cenidet se detalla en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2. Rangos de movimiento en abducción y aducción de un dedo. Articulación Movimiento Rango de movimiento

MCP del índice, medio y anular Abducción/Aducción ±10° MCP del pulgar Abducción/Aducción ±25°

La mano humana tiene 25 grados de la libertad (GDL) cuando se mueve libremente sin llevar un objeto [6]. La mano cenidet cuenta con 4 dedos (índice, medio, anular y pulgar) cada uno con cuatro GDL controlados individualmente, pudiendo realizar los rangos de movimientos de flexión y extensión anteriormente comentados.

2.3 Músculos de la mano y antebrazo

Dependiendo del origen de los músculos, los músculos que actúan en los dedos de la mano se clasifican como: músculos intrínsecos (originados en la mano) y extrínsecos (originados en el antebrazo). Los músculos extrínsecos son más grandes y están relacionados a la fuerza de la mano, y los músculos intrínsecos son más pequeños y están asociados con los movimientos delicados y finos de los dedos [8].

Los músculos extrínsecos se clasifican funcional y estructuralmente en dos grupos de músculos, los anteriores y los posteriores (ver figura 2.5). Los músculos anteriores son flexores de dedos y la mano y los músculos posteriores son extensores. Los flexores principales de las falanges y de la mano son el flexor profundo digitorum (FPD) y el flexor superficial digitorum (FSD). FPD se utiliza para doblar los dedos sin carga, mientras que el FSD se utiliza cuando se requiere de fuerza adicional, por ejemplo, una contracción voluntaria máxima. Los tendones de FPD están conectados con la falange distal, mientras que los tendones FSD están conectados con la falange medial. El FPD se divide en dos partes, una donde la parte radial está conectada con el dedo índice y la otra donde la parte cubital está conectada con el dedo medio, anular, y meñique, por lo que el dedo índice demuestra un movimiento más independiente que los otros dedos. Hay tres tipos de grupos de músculos en los intrínsecos; tenar (flexión del pulgar y abducción/aducción) hipotenar (flexión del dedo meñique y aducción), y media palmar (flexión de las uniones MPC y abducción/aducción).


2-5

Figura 2.5. Músculos anteriores y exteriores de la mano humana [1].

El músculo supinador envuelto alrededor de la porción posterior superior del radio trabaja sinérgicamente con el músculo del bíceps braquiorradial para supinar (el giro del antebrazo de manera que la palma de la mano se oriente hacia arriba) la mano. Hay dos músculos que son responsables de la pronación (giro del antebrazo de manera que la palma de la mano se oriente hacia abajo) de la mano (ver la Figura 2.6), que son el músculo pronador teres, que está situado en el lado intermedio superior del antebrazo, y el pronador cuadrado, que se extiende entre el cubo y el radio en el cuarto distal del antebrazo, (ver Figura 2.7). La mano cenidet no será capaz de realizar los movimientos de supinación y pronación, ya que la muñeca estará fija a un antebrazo.

Figura 2.6. Supinación y pronación de la mano humana [4].


2-6

Figura 2.7. Músculos de la mano [1].

El tendón sinovial envuelve los dedos para proporcionar baja fricción en el

deslizamiento de los tendones, dentro de las envolturas y nutrientes del tendón, el cual puede ser modelado como un sistema de poleas, por lo tanto hay dos tipos de poleas en los dedos las A y las C; cinco poleas anulares (A1-A5) y tres poleas cruzadas (C1-C3), ver Figura 2.8. Las poleas A2 y A4 son las más importantes para las funciones normales de los movimientos del dedo y de la transferencia de la fuerza, la polea A3 es la polea más débil pero la más flexible [9-11], la cual llega a utilizarse más cuando A2 y/o A4 se dañan [12].

Figura 2.8. Tendón que envuelve al dedo, con envolturas anulares (A) y cruzadas (C) [9-11].

Un sistema de transmisión mecánico debe ser capaz de transmitir movimiento desde un árbol de entrada a uno de salida, al mismo tiempo proporcionar la potencia suficiente


2-7

para realizar alguna acción [13]. Existe una gran variedad de sistemas de transmisión, tales como mecanismos articulados, sistemas de engranajes, levas y seguidores, cadenas, tensores y poleas. Sin embargo, cuando la distancia entre el árbol de entrada y el de salida es bastante grande, es necesario utilizar trenes de mecanismos, constituidos por sistemas mecánicos simples conectados de tal forma que un sistema conducido es a la vez conductor del siguiente. El objetivo es conseguir un sistema de transmisión que se asemeje a los sistemas biológicos de tendones, y en este sentido y desde esa perspectiva, el mecanismo de transmisión más a fin para la mano cenidet es el tren de poleas y tensores.

La principal ventaja de este tipo de transmisión es que permite localizar los

actuadores en un lugar remoto con respecto a la carga. Este alejamiento de los actuadores al sistema de referencia base permite reducir el tamaño, peso e inercia de los dedos. Por contra se deben superar los inconvenientes relacionados con la flexibilidad de los tensores, como las vibraciones, el contragolpe o movimiento flojo de la correa a altas velocidades, y el rozamiento que origina una pérdida de potencia en la transmisión. De hecho, los sistemas biológicos se caracterizan por tener un alto rendimiento de transmisión, ya que la fricción entre los tendones y las cápsulas de las articulaciones en la mano humana es nula, por lo que se debe tener especial cuidado en la selección del material más apropiado para los tendones. El principal problema en el diseño de sistemas con tensores tiene que ver con la localización y dimensionamiento de las poleas, y posteriormente la ruta de los tensores sobre éstas. El sistema de transmisión utilizado en la mano cenidet se detalla a continuación.

En la Tabla 2.3 se muestran las características del tensor que moverá las articulaciones de la mano cenidet.

Tabla 2.3. Características del tensor para la mano cenidet. Diámetro 0.7mm Tensión máxima de trabajo 150N Material 3000 microfilamentos a base de nylon Resistencia A la abrasión

2.4 Sistema de transmisión de los dedos de la mano cenidet

Existen dos tipos de configuraciones para sistemas de transmisión basados en poleas y tensores: las cerradas y las abiertas [14]. Los manipuladores robóticos que utilizan tendones presentan tres configuraciones de cadenas cinemáticas según la Figura 2.9, las cuales pueden ser clasificadas en n, n+1 y 2n actuadores (w), donde n representa el número de grados de libertad [15].


2-8

Figura 2.9. Configuración de los sistemas de transmisión por tendones.

En una configuración cerrada [16], los tensores envuelven a las poleas en un lazo cerrado presentado en la Figura 2.10a, donde el rendimiento de la transmisión de potencia depende de la fricción entre la polea y el tensor. El movimiento que ofrece la configuración en lazo cerrado es bidireccional, es decir, el número de actuadores coincide con el número de grados de libertad del sistema (w=n), lo que hace a este tipo de configuración muy atractiva en términos económicos y de espacio en el sistema robótico. Por tal razón este tipo es el elegido para implementarse en la mano cenidet, ya que uno de los objetivos del trabajo es dar el mayor antropomorfismo posible. Ésta configuración de n actuadores para n GDL, muestra cómo un actuador rotacional puede ser usado para manejar una articulación simple, usando un par de tendones opuestos (ver Figura 2.10a. La configuración cerrada requiere de un pretensado para evitar el destensado de los tendones cuando la articulación se mueva a altas velocidades, o cuando la articulación presente una perturbación no deseada. El contragolpe (backlash en inglés), puede ser superado mediante el pretensionado apropiado de los tensores, sin embargo, esto produce un incremento de la fricción y de las vibraciones del sistema. En cambio, los tendones en configuración abierta [16] se caracterizan por tener un extremo conectado al eslabón y el otro al músculo, de forma que éste es capaz de tirar del tensor. Es importante destacar, que en estos mecanismos los tensores nunca funcionan por compresión y que los pares de fuerza son unidireccionales (ver Figura 2.10b). Esta configuración impide que se produzcan contracciones pequeñas cuando es usado un resorte rígido, el cual es necesario para una fuerza de extensión alta y un tiempo de respuesta rápido, es decir, se necesita de una alta disipación de energía en el actuador para tirar constantemente y mantener un par cero en la articulación, siendo ésta su principal desventaja [17].


2-9

(a) (b)

Figura 2.10. (a) Modelo de una articulación simple accionada por un actuador rotacional. Configuración cerrada. (b) Estructura de un actuador que flexiona y un resorte extiende una articulación simple.

2.5 Conclusiones

La mano humana tiene rangos de movimientos (RDM) muy variados, ya que es influenciado por el movimiento de los demás músculos (antebrazo, mano y dedos) aumentando así la complejidad al tratar de emular sus movimientos, haciendo con esto que la mano humana sea el miembro anatómico más difícil de reproducir tanto en forma como en movimiento. Debido a dicha complejidad algunos movimientos pueden ser despreciables, ya que pueden catalogarse algunos de ellos como redundantes, por lo que la mano cenidet tiene rangos de movimientos promedio con valores iguales para cada unión (MCP, PIP y DIP) de los cuatro dedos. Se estableció un sistema de transmisión en configuración cerrada a base de poleas y tensores por las siguientes razones:

• Por ser el más semejante al sistema de transmisión de la mano humana. • Porque permite colocar los actuadores en un lugar remoto con respecto a la

carga para eliminar peso, volumen, inercia y sobre todo darle mayor antropomorfismo.

• Porque con el tipo de actuadores seleccionados permite una transmisión bidireccional del movimiento, gracias a que el número de actuadores w es igual al número de grados de libertad n del sistema, los cuales son representados por las uniones MCP, PIP y DIP del cada uno de los dedos. Este tipo de transmisión también ayuda a reducir el costo total del proyecto.

De acuerdo a las especificaciones que se han hecho, la mano cenidet resulta de gran

importancia, ya que hasta donde se tiene conocimiento, en México, no se encuentra ninguna con dichas características.

Actuador

Tensor

Carga

Tensor

Resorte

Actuador

Carga


2-10

2.6 Bibliografía del capítulo [1] Fuentes Santoyo Rogelio, Salvador De Lara Galindo, 1997. “Corpus: Anatomía humana general”. Ed. Trillas. [2] Steindler A., 1955. ”Kinesiology of the human body under normal and pathological Conditions”. Thomas, Springfield, IL. [3] Schultz RB, Stroave A, Krishnamurthy S., 1987. “Metacarpophalangeal joint motion and the role of the collateral ligaments”. International Orthopedics 11: 149-155. [4] Julius Panero, Martín Zelnik., 1991. “Las dimensiones humanas en los espacios interiores estándares antropométricos”, GG/México. Ed. G. Pili, S.A. de C.V., México. [5] Lauren Banks Jessica, 2001. “Design and control of an anthropomorphic robotic finger with multi-point tactile sensation”, MIT, artificial intelligence laboratory. [6] Tubiana R., 1981. “Architecture and functions of the hand”. In: Tubiana R (ed) The Hand, vol 1. W. B. Saunders, Philadelphia, PA, pp 19-93. [7] Zatsiorsky VM, Li ZM, Latash ML., 2000. “Enslaving effects in multi-finger force production”. Exp Brain Res 131: 187-195. [8] Freivalds A., 2004. “Biomechanics of the upper limbs: mechanics, modeling, and musculoskeletal injuries”. CRC Press, Austin, TX. [9] Manske PR, Lesker PA., 1977. “Strength of human pulleys”. Hand 9: 147-152 [10] Idler RS., 1985. “Anatomy and biomechanics of the digital flexor tendons”. Hand Clin 1: 3-11. [11] Lin GT, Cooney WP, Amadio PC, An KN, 1990. “Mechanical properties of human pulleys”. J Hand Surg [Br] 15: 429-434. [12] Marco RA, Sharkey NA, Smith TS, Zissimos AG, 1998. ”Pathomechanics of closed rupture of the flexor tendon pulleys in rock climbers”. J Bone Joint Surg Am 80: 1012-1019. [13] Juan I Mulero Martínez, Fco. García Cordoba, Jorge Feliu-Batlle, “Control and drive an anthropomorphic finger by a system tendon”. [14] Francisco García Córdova, José J. Martínez Álvarez, Roque J. Saltaren Pazmiño, Antonio Guerrero González, y Juan López Coronado, 2001. “Diseño mecatrónico de un dedo antropomórfico parte I: Mecánica”. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática. Universidad Politécnica de Cartagena. Campus Muralla del Mar. C/Doctor Fleming S/N, 30202, Cartagena, Murcia, España. [15] S. C. Jacobsen, and H. Ko, and E. K. Iversen, and C. C. Davis, 1989. ”Antagonistic control of a tendon driven manipulator”, IEEE Int. Conf. on Robotics and automation, pp. 1334-1339, Scottsdale, AZ. [16] Lee, J. J, 1991. ”Tendon-driven manipulators: Analysis, synthesis, and control”. Thesis Report. Harvard University. [17] Nakano, Y. and Hosada, Y. 1984. ”Hitachi’s Robot hand” Robotics Age, pp. 18-20.

Capítulo 3 .Cinemática y dinámica de la mano cenidet “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

3-1

3 Cinemática y dinámica de la mano cenidet El objetivo de la cinemática de un manipulador es el estudio analítico de la geometría,

la posición y del movimiento de los sólidos que lo conforman, con respecto a un sistema de referencia coordenado, sin considerar las fuerzas y momentos que lo producen, es decir, se interesa por la descripción analítica del movimiento espacial del robot como una función del tiempo, y en particular por las relaciones entre la posición y la orientación del extremo final del robot, con los valores que toman sus coordenadas articulares [1]. Existen dos problemas fundamentales a resolver en la cinemática del robot: el directo y el inverso.

La información obtenida de la cinemática no ofrece datos con respecto a las fuerzas y

los momentos necesarios para obtener los movimientos de las articulaciones del robot, para alcanzar esta información es necesario involucrarse en el estudio dinámico, el cual se ocupa de la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y el movimiento que en él se origina.

3.1 Representación Denavit-Hartenberg del dedo robot En 1955 Denavit y Hartenberg propusieron un método para describir y representar la

geometría espacial de los elementos de una cadena cinemática, y en particular un robot con respecto a un sistema de referencia fijo (ver Figura 3.1).

Los parámetros Denavit Hartenberg del dedo índice están dados en la Tabla 3.1 [2].

Figura 3.1 Representación geométrica de un dedo de tres GDL.


3-2

Tabla 3.1. Representación D-H. Eslabón ai αi di θi

1 L1 0° 0 θ1*

2 L2 0° 0 θ2*

3 L3 0° 0 θ3*

donde:

ai= distancia entre ejes z αi=ángulos entre ejes z

di=distancia entre ejes x θi=ángulos entre ejes x

En particular se estudia la relación entre las variables espaciales ligadas a las articulaciones (coordenadas articulares) y las variables que proporcionan la posición y orientación del extremo del manipulador (coordenadas operacionales) como se ve en la Figura 3.1.

Hay dos problemas fundamentales a resolver:

• Problema cinemático directo. • Problema cinemático inverso

3.2 Problema cinemático directo

Consiste en obtener la posición y orientación en un manipulador respecto de un sistema de referencia global, cuando se conoce el vector de coordenadas generalizadas{ }q :

( ){ } ( ) ( ) ( )1 2, , ,

Tnq t q t q t q t= ⎡ ⎤⎣ ⎦… …(3.1)

donde las qi son coordenadas generalizadas y n es el número de grados de libertad.

Para desarrollar una aproximación sistemática y generalizada que describa la localización de los elementos de un manipulador con respecto a un sistema coordenado fijo se utilizan análisis de álgebra vectorial y matricial.

Dado que los eslabones de un manipulador pueden rotar y/o trasladarse con respecto a

un sistema coordenado, el sistema coordenado de un eslabón se establecerá a lo largo del eje de unión para cada eslabón. El problema cinemático directo se reduce a encontrar la matriz de transformación que relaciona el sistema coordenado del eslabón al sistema coordenado de referencia [3], es decir, dar solución a la ecuación:

( )x f θ= …(3.2)

donde x representa el vector de coordenadas del punto final del dedo y θ el vector de variables articulares del mismo.


3-3

La matriz de transformación homogénea para un dedo de tres grados de libertad está

dada por [3]:

33 0 1 2 3T A A A A= = …(3.3)

Donde Ai representa la matriz de transformación del eslabón i-1 al i [3].

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

01 2 1 2 3 1 2 1 2 3 1 2 1 2 3 1 2 1 2 301 2 1 2 3 1 2 1 2 3 1 2 1 2 3 1 2 1 2 33

0 0 10 0 0

1 2 1 2 3 3 1 2 1 2 3 3 2 1 2 2 1 2 1 1

1 2 1 2 3 3 1 2 1 2 3 3 2 1 2 2 1

c c s s c c s s c s c c s s s c s s c c

s c c s c c c s s s s c s s s c c s s cT

c c s s L c c s s c L s L c c L s s L c

s c c s L c c c s s L s L s c L c s

⎡ − − + − − +⎢⎢ − − − − − − − −= ⎢⎢⎢⎢⎣

− + + + + +

− − + − − + 2 1 101

L s

⎤⎥⎥+ ⎥⎥⎥⎥⎦

…(3.4)

donde: si=sin θi, ci=cos θi Li= Longitud del eslabón i Con los datos obtenidos de la solución del problema cinemático directo, considerando

los RDM2 de los dedos de la mano cenidet, se encontraron los puntos que la yema de un dedo puede alcanzar, realizando movimiento de flexión y extensión como se muestra en la Figura 3.2.

Figura 3.2. Gráfica de puntos alcanzables por el dedo.

2 Ver capítulo dos Tablas 2.1 y 2.2.


3-4

3.3 Problema cinemático inverso

La solución del problema cinemático inverso, consiste en encontrar la configuración adecuada de los valores de las variables articulares del robot para alcanzar la posición deseada, es decir, dar solución a la siguiente ecuación:

1f xθ −= …(3.5)

donde:

θ =Vector de las variables articulares x =Vector de ubicación del punto final del dedo robot.

El problema cinemático inverso se complica aun más cuando el número de variables

del robot es mayor que las coordenadas cartesianas que describen el espacio de trabajo del sistema, provocando redundancia cinemática. Esto resulta de suma importancia cuando se aborda el tema de las manos robot, ya que cada una de ellas contiene un considerable número de grados de libertad. Por ejemplo, la mano robot UTAH-MIT cuenta con cuatro dedos y 16 GDL [4], la mano Stanford-JPL tres dedos y nueve GDL [5], la mano DLR-II [6] cuatro dedos y 16 GDL, y la mano cenidet con cuatro dedos y 16 GDL. El gran número de variables articulares involucradas en las manos robóticas provocan que el problema cinemático inverso no esté completamente definido o que sea un sistema con múltiples soluciones.

El problema cinemático inverso involucra la solución de una ecuación no lineal,

expresada por la ecuación 3.5.

Para abordar el problema cinemático inverso de la mano cenidet se considera un solo dedo de tres GDL, ya que los demás tienen un comportamiento muy similar.

Figura 3.3. Dedo robot de tres GDL con movimiento en un plano.


3-5

El dedo desarrolla movimiento planar sobre el plano x-y, lo cual simplifica la solución del modelo cinemático inverso, ya que el análisis se enfoca a encontrar la configuración de las tres variables articulares que permiten alcanzar el punto deseado (Px,Py), presentado en la Figura 3.3. Sin embargo el sistema resulta ser redundante en un GDL, por lo que el problema radica en cómo manejar dicha redundancia. Es importante hacer notar que el problema es abordado en el dominio de la posición.

Después del estudio del comportamiento de la cinemática del dedo robot se tomó la

decisión de abordarla desde dos perspectivas diferentes e independientes una de otra, las cuales se enlistan a continuación:

1. Establecer como fijo el ángulo (θf) de una de las falanges con respecto al plano

palmar 2. Considerar que el movimiento de la falange distal es proporcional al de la medial.

3.3.1 Primera consideración para abordar la redundancia

La primera consideración tomada para resolver el sistema, considerada la más simple, es el establecer como fija una de las tres variables articulares con respecto al plano palmar, esto conduce a que la falange de la cual se ha establecido como fijo el ángulo se considere como parte de la falange anterior, eliminando con esto la redundancia en el sistema.

Por ser la falange distal la de menor longitud y por tanto la que modificará en menor

grado el alcance del punto final del dedo se estableció el ángulo θf (definido en la ec. 3.6) como constante, dicho ángulo es medido entre el plano palmar y la falange distal, como se muestra en la Figura 3.4.

1 2 3fθ θ θ θ= + + …(3.6)

Figura 3.4. Representación del ángulo θf.


3-6

Con esta consideración el problema a resolver se reduce a un sistema de 2 GDL

como lo muestra la Figura 3.5.

Figura 3.5. Reducción del modelo a dos GDL.

Encontrando un nuevo punto (Xd,Yd), el cual no es redundante:

3

3

cos

sind x f

d y f

x P L

y P L

θ

θ

= −

= − …(3.7)

…(3.8)

donde Xd y Yd son las coordenadas del extremo final de la falange medial que representan el punto a resolver después de considerar la existencia de θf, como se muestra en la Figura 3.5.

Con la reducción a dos GDL pueden deducirse los valores para θ1 y θ2 como se

muestra en las ecuaciones 3.9 y 3.10.

( )2 2 2 21 21

21 2

cos2

d dx y L LL L

θ −⎡ ⎤+ − +⎢ ⎥=⎢ ⎥⎣ ⎦

…(3.9)

1 1 2 21

1 2 2

sintan tancos

d

d

y Lx L L

θθθ

− −⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟ ⎜ ⎟+⎝ ⎠⎝ ⎠

…(3.10)

Con las ecuaciones que representan a los ángulos de los dos primeros eslabones, se

puede encontrar el valor de θ3.

3 1 2( )fθ θ θ θ= − + …(3.11)

La condición para que el sistema sea consistente con el sistema real es que:


3-7

( )2 21 2d dx y L L+ ≤ + …(3.12)

En las siguientes graficas mostradas en las Figuras Figura 3.6 y Figura 3.7 se muestra

el comportamiento del dedo con diferentes valores de θf.

(a) (b)

Figura 3.6. Simulación cinemática inversa para el punto Px =1.414 Py =9.656 con valores de: a). θf=130° y b). θf=140°.

Al modificar el valor del ángulo θf se observa que pueden existir múltiples soluciones para un mismo punto como se ver en la Figura 3.7.

(a) (b) (c)

Figura 3.7. Simulación cinemática inversa para el punto Px =4.83 Py =10.38 para valores de: a) θf=85°, b) θf=95° y c). θf=90°.

3.3.2 Segunda consideración para abordar la redundancia

La segunda consideración para eliminar la redundancia en el sistema, está basada en la observación del comportamiento del dedo humano, en el cual existe una dependencia del movimiento entre las dos ultimas articulaciones. Con ello se propone una ecuación extra [7], de la forma:

3 2Kθ θ= …(3.13)

donde K es una constante de proporcionalidad ( )0 1K< ≤ .


3-8

La constante de proporcionalidad K se determinó comparando los ángulos de las falanges medial y distal flexionadas en una muestra de 31 personas, siendo entre 0.7 y 1, por lo que el promedio es de K=0.8.

Del sistema original se puede ver que las coordenadas del punto final están dadas por

las siguientes ecuaciones:

( ) ( )321321211 θθθθθθ +++++= CosLCosLCosLPx …(3.14)

( ) ( )321321211 θθθθθθ +++++= SinLSinLSinLPy …(3.15)

Elevando al cuadrado las ecuaciones 3.14 y 3.15 y sumándolas se tiene:

( )22

2 2 2 21 3 1 2 2 2 3 3 1 3 2 32 2 2x yP P L L L L L Cos L L Cos L L Cosθ θ θ θ+ = + + + + + + …(3.16)

Sustituyendo 3.13 en 3.16 se encuentra que:

( ) ( )( )2

22 2 2 2

1 3 1 2 2 2 3 2 1 3 22 2 2 1x yP P L L L L L Cos L L Cos K L L Cos Kθ θ θ+ = + + + + + + ..(3.17)

O bien:

( ) ( )( )2 2 21 0Acos Bcos K Ccos K Dθ θ θ+ + + + = …(3.18) donde:

1 2

2 3

22

A L LB L L==

1 32 2 2 2 2

1 2 3

2

x y

C L L

D L L L P P

=

= + + − −

Para el caso más simple, en donde K=1 se tiene que:

( ) ( )2 2 22 0Acos Bcos Ccos Dθ θ θ+ + + = …(3.19)

Usando la identidad de 2 2cos 2 cos senβ β β= − , se tiene:

( )2

2 22 cos cos 0C A B D Cθ θ+ + + − = …(3.20)

De donde la ecuación 3.20 resulta una ecuación cuadrática en θ2, misma que puede ser resuelta para el valor de 2cosθ . Encontrando con esto los valores para los ángulos θ2 y θ3.

El valor de θ1 está dado por la siguiente ecuación:


3-9

( )( )

2 2 3 21 11

1 2 2 3 2

2tan tan

cos cos 2y

x

P L sen L senP L L L

θ θθ

θ θ− − ⎛ ⎞+⎛ ⎞

= − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟+ +⎝ ⎠ ⎝ ⎠ …(3.21)

Si se considera 1K ≠ la ecuación resultante a resolver es 3.18, la cual es una ecuación

no lineal que no puede resolverse algebraicamente y solo puede hacerse mediante métodos de aproximación.

Mediante el polinomio de Taylor aplicado a la ec. 3.18 y con valores de K ≠ 1 se

encontraron los valores para las tres variables articulares.

En simulación se probaron diferentes puntos con valores de K comprendidos entre 0.7 y 1 según los resultados obtenidos del muestreo realizado, ver Figuras 3.8-3.10.

(a) (b) (c)

Figura 3.8. Simulación cinemática inversa para el punto Px=1.414 Py=9.656 para valores de: a) K=1, b) K=0.9 y c) K=0.8.

(a) (b) (c)

Figura 3.9. Simulación cinemática inversa para el punto Px=2 Py=11 para valores de: a) K=1, b) K=0.85 y c) K=0.75.

(a) (b) (c)

Figura 3.10. Simulación cinemática inversa para el punto Px=1 Py=11 para valores de: a) K=1, b) K=0.95 y c) K=0.65.


3-10

3.4 Modelo dinámico

El modelo dinámico de un robot, se ocupa de la relación entre las fuerzas generalizadas que actúan sobre un cuerpo y el movimiento que en él se origina. Por lo tanto, el modelo dinámico de un robot tiene por objetivo conocer la relación entre el movimiento del robot y las fuerzas implicadas en el mismo [1], cuya relación se obtiene matemáticamente de:

• La localización del robot, definida por sus variable articulares o por las

coordenadas de localización de su extremo y sus derivadas • Las fuerzas y pares aplicados en las articulaciones • Los parámetros dimensionales del robot

El modelo dinámico del robot consiste en una ecuación diferencial (ordinaria)

vectorial en las posiciones articulares (q), para el caso de estudio generalmente de segundo orden [8], pudiéndose expresar como:

…(3.22)

donde: , ,q q q representan la posición, velocidad y aceleración del sistema respectivamente y τ la fuerza o pares ejercidos externamente por los actuadores.

El modelo dinámico del dedo de tres grados de libertad fue empleado para la realización de simulaciones de movimiento del sistema, y en el diseño de controladores que permiten obtener posiciones deseadas, considerando las características y restricciones físicas del dedo para ser implementados en el sistema real.

El modelado del dedo robot se abordó con base en las ecuaciones de movimiento de Lagrange, el cual es un método energético.

3.4.1 Ecuaciones de Lagrange

Figura 3.11. Cadena cinemática abierta de n eslabones.

( ), , , 0f q q q τ =( ), , , 0f q q q τ =( ), , , 0f q q q τ =


3-11

Considérese la cadena cinemática en lazo abierto de n grados de libertad de la Figura 3.11. La energía total del robot E es la suma de las energías cinéticas K y potenciales U de los eslabones que la componen [8].

( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )( ), ,E q t q t K q t q t U q t= + …(3.23)

El lagrangiano L del sistema robótico es la diferencia entre la energía cinética y potencial del mismo [8].

( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )( ), ,L q t q t K q t q t U q t= − …(3.24)Las ecuaciones del movimiento de Lagrange de segundo orden para un robot

articulado [8] es la siguiente:

( ) ( ), ,i

i i

L q q L q qddt q q

τ∂ ∂⎡ ⎤

− =⎢ ⎥∂ ∂⎣ ⎦ …(3.25)

3.4.2 Modelo dinámico de un dedo de 3 GDL

El sistema de estudio es un dedo robot de tres GDL, cuyas uniones articuladas están asociadas con las variables articulares qi, como se muestra en la Figura 3.12. El dedo se desplaza en el plano vertical x-y.

Figura 3.12. Dedo robot de tres GDL.


3-12

donde: Li=longitud eslabón i Lci=distancia el centro de masa del eslabón i La energía cinética del dedo completo puede descomponerse en tres términos, la suma

de las energías cinéticas de cada una de las falanges.

( ) ( ) ( ) ( )1 2 3, , , ,K q q K q q K q q K q q= + + …(3.26)

Donde ( ),iK q q representa la energía cinética asociada a la masa i (i=1, 2, 3).

La energía cinética para cada una de las falanges se calcula de la siguiente manera:

( ) ( )2 21 1, ,2 2i i ii

K q q m v q q I q= + …(3.27)

donde:

im = masa del eslabón i

( ),i

v q q =velocidad del centro de masa del eslabón i

iI =momento de inercia referido al centro de masa del eslabón i

iq =velocidad angular del eslabón i referida a su centro de masa

De forma análoga la energía potencial puede descomponerse en la suma de las energías potenciales de cada una de las falanges del dedo, es decir:

( ) ( ) ( ) ( )1 2 3U q U q U q U q= + + …(3.28)

La energía potencial para cada una de las falanges está dada por la siguiente relación:

( )i iU q m gh= …(3.29)

donde: g = aceleración de la gravedad (9810 mm/s2) h = distancia vertical del plano de referencia al punto de interés

El lagrangiano del dedo puede encontrarse de la siguiente manera [8]:

( ) ( ) ( ), ,L q q K q q U q= − …(3.30)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2 3 1 2 3, , , ,L q q K q q K q q K q q U q U q U q= + + − − − …(3.31)


3-13

( ) ( ) ( )( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

22 2 2 2 2 21 1 1 1 2 1 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2

2 22 2 22 1 2 3 1 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 2 1 1 2

1 3 2 3 1 1 2 3 2 3 3 1 2 1

1 1 1, 2 cos2 2 2

1 1 2 cos2 2

2 cos 2 cos

[

c c

c

c c

L q q m L I q m L q L q q L Lc q q q q

I q q m L q L q q L q q q L L q q q q

L L q q q q q q L L q q q q

⎡ ⎤= + + + + + + +⎣ ⎦

+ + + + + + + + + +

+ + + + + ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )

22 3 3 1 2 3

1 1 1 2 1 1 2 2 1 2 3 1 1 3 2 1 2

3 3 1 2 3

1]2

cos cos cos cos cos

cosc c

c

q q I q q q

m gL q m gL q m gL q q m gL q m gL q q

m gL q q q

+ + + + + +

+ + + + + +

+ + +… (3.32)

Desarrollando las ecuaciones del movimiento de Lagrange para el dedo robot, se

encuentran las funciones que describen el par para cada articulación; acomodándolo de forma matricial se tiene el siguiente sistema [8]:

( ) ( ) ( ),M q q C q q q g qτ = + + …(3.33)

Específicamente para el sistema de 3 GDL, queda de la siguiente manera:

1 11 12 13 11 12 13 1

2 21 22 23 21 22 23 2

3 31 32 33 31 32 33 3

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

M q M q M q C q C q C q gM q M q M q q C q C q C q q gM q M q M q C q C q C q g

τττ

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥= + +⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

…(3.34)

donde:

2 2 2 2 2 211 1 c1 2 1 3 1 1 2 c2 3 2 2 3 c3 3 2 1 c2 2

3 1 2 2 3 2 c3 3 3 1 c3 2 3

M =m L +m L +m L +I +m *L +m L +I +m L +I +2m L L cos(q )+ 2m L L cos(q )+2m L L cos(q )+2m L L cos(q +q )

2 2 212 2 c2 3 2 2 3 c3 3 2 1 c2 2 3 1 2 2 3 2 c3 3

3 1 c3 2 3

M =m L +m L +I +m L +I +m L L cos(q )+m L L cos(q )+2m L L cos(q )+ m L L cos(q +q )

213 3 c3 3 3 2 c3 3 3 1 c3 2 3M =m L +I +m L L cos(q )+m L L cos(q +q )

21 12M =M 2 2 2

22 2 c2 2 3 2 3 c3 3 2 c3 3 3M =m L +I +m L +m L +2m L L cos(q )+I 2

23 3 c3 3 2 c3 3 3M =m L +m L L cos(q )+I

31 13M =M

32 23M =M 2

33 3 c3 3M =m L +I


3-14

11 2 1 c2 2 2 3 1 2 2 2 3 1 c3 2 3 2 c3 3 3

12 2 1 c2 2 2 3 1 2 2 2 3 1 c3 2 3 2 3 2 c3 3 3

13 3 1 c3 2 3 1 3 1 c3

C =-2m L L sin(q )q -2m L L sin(q )q -2m L L sin(q2+q3)q -2m L L sin(q )qC =-m L L sin(q )q -m L L sin(q )q -m L L sin(q +q )q -2m L L sin(q )qC =-2m L L sin(q +q )q -2m L L sin( 2 3 2 3 1 c3 2 3 3 3 2 c3 3 3q +q )q -m L L sin(q +q )q -m L L sin(q )q

21 3 2 c3 3 3 2 1 c2 2 1 3 1 2 2 1 3 1 c3 2 3 1

22 3 2 c3 3 3

23 3 2 c3 3

C =-2m L L sin(q )q +m L L sin(q )q +m L L sin(q )q +m L L sin(q +q )qC =-2m L L sin(q )qC =-m L L sin(q3)q

31 3 2 c3 3 1 3 1 c3 2 3 1 3 2 c3 3 2

32

33 3 2 c3 3 3

C =m L L sin(q )q +m L L sin(q +q )q +2m L L sin(q )q ;C =0C =m L L sin(q )q

1 1 c1 1 2 1 1 2 c2 1 2 3 1 1 3 2 1 3 3 c3 1 2 3

2 2 c2 1 2 3 2 1 3 3 c3 1 2 3

3 3 c3 1 2 3

g =m gL sin(q )+m gL sin(q )+m gL sin(q +q )+m gL sin(q )+m gL sin(q +q )+m gL sin(q +q +q ) g =m gL sin(q +q )+m gL sin(q +q )+m gL sin(q +q +q )g =m gL sin(q +q +q )

En la Figura 3.13 se presenta el comportamiento del sistema3 para entradas de par cero en cada una de las articulaciones y las siguientes posiciones iniciales: q1=0, q2=0 y q3=22.5˚. Se escogió darle una posición inicial distinta de cero a la falange distal, para representar, de una manera más clara, que cualquier cambio en la posición de cualquier falange representa un cambio en la posición de las demás falanges del dedo.

a).Comportamiento de la Falange Proximal

b).Comportamiento de la Falange Medial

Figura 3.13.Resultados de simulación del modelo dinámico del dedo robot.

3 Los parámetros para la simulación se obtuvieron del diseño real de un dedo, ver Tabla 7.1.

t(s) t(s)

q1(˚) q2(˚)


3-15

c).Comportamiento de la Falange distal

Figura 3.13.Resultados de simulación del modelo dinámico del dedo robot, posición (˚) Vs tiempo (s).

Considérese el dedo de la Figura 3.14a en el instante de tiempo cero las falanges

proximal y medial se encuentran alineadas con el eje y (q1=q2=0), en ese mismo instante la falange distal mantiene un ángulo de 22.5˚ con respecto a la vertical (ver Figura 3.14a). Un instante de tiempo después la falange distal cae por efecto de la gravedad generando una trayectoria en donde el valor de q3 oscila entre 20 y -20˚ aproximadamente, a la vez que genera oscilación en las primeras dos falanges en menor escala, debido a que la falange distal es de menor tamaño (Ver figura 3.14b). Es importante resaltar que las oscilaciones generadas por el movimiento en la falange distal son permanentes debido a que en el modelo dinámico no se consideró la fuerza de fricción ni amortiguamiento en el sistema. Los resultados del comportamiento del sistema para las condiciones antes mencionadas presentan oscilaciones libres de cada una de las falanges del dedo y pueden verse en las Figura 3.13 y 3.14.

(a) (b)

Figura 3.14. Representación esquemática de la simulación del modelo dinámico de un dedo de 3 GDL.

t(s)

q3(˚)


3-16

3.5 Conclusiones

Dado que el sistema es redundante en un GDL se tomaron dos consideraciones distintas. En la primera se mantuvo constante el ángulo θf de la falange distal con respecto del plano palmar, reduciéndose así el sistema a dos GDL. La segunda consideración está basada en la observación del comportamiento del movimiento entre las dos últimas falanges del dedo humano, por tanto se decidió establecer una simplificación empírica y abstracta del sistema 3 2Kθ θ= donde K varía en un intervalo de 0.7 a 1.

El estudio dinámico de un dedo permitió observar el comportamiento de la planta con

diferentes condiciones de trabajo. También puede ser usado para conocer las fuerzas y momentos involucrados en las articulaciones durante el movimiento, esta información es importante ya que permite seleccionar y probar controladores fuera de línea con resultados muy similares a los reales.

3.6 Bibliografía [1] Antonio Barrientos, Felipe Peñin y otros, 1997. “Fundamentos de robótica”, Ed McGraw-Hill. [2] Denavit J., Hartenberg R. S., 1955. “A kinetic notation for lower pair mechanisms Base on Matrices”, Trans. ASME, J. Appl. Mech. E. 77, 22, pp. 215-222. [3] K.S.Fu, R. C. Gonzales, C. S. G. Lee, 1988. “Robótica: Control, detección, visión e inteligencia”, México DF., Ed. Mc Graw Hill. [4] S.C. Jacobsen, et al, 1986. “Design of the Utah/MIT Dexterous Hand”, in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1520-1532. [5] R.A. Grupen, J.A. Coelho Jr., 2000. “Acquiring state from control dynamics to learn grasping policies for robot hands”, Department of Computer Science-Laboratory for Perceptual Robotics. [6] Butterfass, J.; Grebenstein, M.; Liu, H.; Hirzinger, G., 2001. “DLR-Hand II: Next Generation of a Dextrous Robot Hand”, Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Seoul, Korea. [7] Sundar Narasimhan, 1987. “Dexterous Robotic Hand: Kinematics and control”, Master Degree Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Artificial Intelligence Laboratory. [8] Rafael Kelly, Víctor Santibáñez, 2003. “Control de movimiento de robots manipuladores”, Ed. Prentice Hall.

Capítulo 4. Diseño Mecánico “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

4-1

4 Diseño Mecánico

Uno de los objetivos de la etapa de diseño de la mano cenidet fue asemejar el prototipo lo más posible a la mano humana (ver Figura 4.1), incluyendo en ello características de volumen y forma singulares, lo que da a la mano cenidet una característica especial en comparación con las demás manos existentes alrededor del mundo.

Figura 4.1. Mano cenidet.

Es importante resaltar que el volumen de la mano cenidet está limitado por los

componentes comerciales disponibles en el mercado. En esta sección se abordarán los detalles correspondientes al diseño, construcción y

ensamble de la mano cenidet. Para su explicación funcional el diseño de la mano cenidet se detallará de la

siguiente manera:

1. Dedos 2. Palma 3. Antebrazo

Nota: Los archivos en CAD correspondientes a la mano robot se encuentran en un disco compacto adjunto a este documento de tesis.


4-2

4.1 Dedos de la mano cenidet El diseño mecánico funcional de los cuatro dedos es igual y por esta razón a

continuación se presentan los detalles de construcción correspondientes a uno. Las tres falanges de cada uno de los dedos constituyen una cadena cinemática

abierta de 4 GDL, los cuales le permiten realizar movimientos de flexión, extensión, abducción y aducción.

Como se aprecia en la Figura 4.2 el dedo consta de 4 articulaciones rotacionales,

tres de ellas para flexión-extensión y una para abducción-aducción. Cada articulación del dedo, es actuada mediante un tensor unido a un motor de CD en configuración de lazo cerrado, lo que permite concentrar los motores en un antebrazo, reduciendo así la masa de cada una de las falanges de los dedos.

Figura 4.2. Articulaciones del dedo mecánico.

4.1.1 Descripción esquemática y funcional de un dedo.

La representación esquemática permite visualizar fácilmente los enrutamientos de los tensores, los cuales denominaremos líneas de transmisión, ya que a través de ellos se transmitirá potencia a cada articulación. En la Figura 4.3 está representada la transmisión de la potencia de un dedo de tres GDL, correspondiente a una configuración de tipo cerrado para los movimientos de flexión y extensión. La principal función de las poleas conductoras (i), es la de conducir las líneas de transmisión a todas las falanges, sin que los tensores (t) se puedan enredar entre ellos; por consiguiente, la rotación de las poleas conductoras (i) será la misma que tenga la polea motriz (j).

Unión MCP Falange Proximal

Falange Medial

Falange Distal

Unión DIP

Unión PIP


4-3

Figura 4.3. Representación esquemática del sistema de transmisión por tendones para un dedo de tres grados de libertad para los movimientos de flexión y extensión.

La representación funcional se utiliza para describir todos los elementos mecánicos

relevantes en un esquema gráfico, como los ejes, poleas, tensores, entre otros elementos. En los enrutados en forma cerrada el tensor pasa sobre la polea motriz de la articulación, llegando a un punto de sujeción donde el tensor está fijo y de donde saldrá el otro extremo del tensor para ser tirado por un actuador (motor de CD), lo que ocasiona que la polea motriz gire en el mismo sentido al que este girando el actuador; esto da el carácter de bidireccionalidad. Los cruces dentro del dedo sirven para darle tensión al tensor, así como un movimiento más controlado. En la Figura 4.4 se describe funcionalmente el enrutamiento de tendones para un dedo antropomorfo de la mano cenidet para los movimientos de flexión y extensión.

Figura 4.4 Representación funcional del sistema de transmisión mediante tensores, para un dedo de tres grados de libertad, en configuración cerrada para los movimientos de flexión y extensión.

t1

t2

a

b

c

Polea motriz

Punto de sujeción 1



cruce

cruce

t3

Polea j Polea j+1

Polea j+2 Polea i

Poleas i

t1 t2

t3

a b c


4-4

La representación funcional para los movimientos de abducción y aducción de los dedos está representada por la Figura 4.5. Si el tensor t4 es jalado en dirección D el dedo realizará el movimiento marcado con D1 y t5 se moverá como D3, y si t5 es jalado en dirección D, se realizará el movimiento marcado con D2 y t4 se moverá como D4, produciendo así los movimientos de abducción y aducción del dedo.

Figura 4.5. Representación esquemática y funcional del sistema de transmisión mediante tensores para realizar los movimientos de abducción y aducción del dedo.

En conjunto, los dedos de la mano pueden sostener objetos rígidos de sección

transversal circular de hasta 90 mm de diámetro, o cualquier otra sección circunscrita en la misma. Las características de los dedos de la mano cenidet se resumen en la Tabla 4.1, mismas que se observan en la Figura 3.12.

Tabla 4.1. Características de los dedos de la mano cenidet. Descripción Símbolo Valor Unidades

Longitud falange proximal del dedo Índice L1 31 mm

Longitud falange proximal dedo Medio/Pulgar L1 41 mm

Longitud falange proximal dedo Anular L1 36 mm

Longitud falange medial de los dedos L2 24 mm

Longitud falange distal de los dedos L3 27.8 mm

Distancia al centro de masa de la falange proximal del

dedo Índice Lc1 10.05 mm


dedo Medio/Pulgar Lc1 13.44 mm


dedo Anular Lc1 12.15 mm

Distancia al centro de masa de la falange medial de los

dedos Lc2 10.96 mm

a b c

t4

D1

D2

t5 D3

D4

D


4-5

Continuación Tabla 4.1. Distancia al centro de masa de la falange distal de los

dedos Lc3 11.77 Mm

Masa falange proximal del dedo Índice m1 17.6 gr

Masa falange proximal del dedo Medio/Pulgar m1 21 gr

Masa falange proximal del dedo Anular m1 19.3 gr

Masa falange medial de los dedos m2 11.8 gr

Masa falange distal de los dedos m3 11.3 gr

Inercia de la falange proximal del dedo Índice I1 4946.5 gr mm2

Inercia de la falange proximal del dedo

Medio/Pulgar I1 9911.5 gr mm2

Inercia de la falange proximal del dedo Anular I1 7115.19 gr mm2

Inercia de la falange medial de los dedos I2 2893.96 gr mm2

Inercia de la falange distal de los dedos I3 2703 gr mm2

Gravedad g 9810 mm/seg2

4.1.2 Detalle de las partes que forman los dedos. El dedo está formado por 53 piezas, de las cuales 22 fueron compradas y 31 fueron

diseñadas y manufacturadas. El detalle de las piezas que forman los dedos puede apreciarse en la Figura 4.6 y se

resumen en la Tabla 4.2. Para mayor información de algunas de las piezas del dedo pueden verse los planos

en el anexo C.


4-6

Figura 4.6. Detalle de las piezas de los dedos

Tabla 4.2. Lista de las piezas del dedo Núm. Parte Diseñada Comprada

1 Cubierta Distal x 2 Cubierta Medial x 3 Cubierta Proximal x 4 Tornillo M2 x 5 Base Dedo x 6 Seguro tipo E 5mm x 7 Polea Motriz Proximal x 8 Eje Base-Proximal x 9 Placa Proximal x 10 Perno Tensor Proximal x 11 Polea Motriz Medial x 12 Polea Loca x 13 Rodamiento de Bolas x 14 Eje Proximal-Medial x 15 Perno Tensor Medial x 16 Placa Medial x 17 Polea Motriz Distal x 18 Eje Medial-Distal x 19 Placa distal x 20 Flecha Distal x 21 Perno Tensor Distal x


4-7

4.2 Palma de la mano cenidet. La palma es un ensamble rígido que dentro de sus principales funciones tiene el

mantener unidos los cuatro dedos. El diseño de la palma permite al pulgar con sus 4 GDL oponerse con los otros tres dedos.

En el interior de la palma se encuentran las piezas que conducen a los tensores por

el camino adecuado para llegar hasta el antebrazo, donde se unen a los motores que dan movimiento a cada una de las articulaciones de los dedos.

Figura 4.7. Detalle interior de la palma Como se muestra en la Figura 4.8a diez piezas fundamentales forman la palma (ver

Tabla 4.3), de las cuales tres constituyen el exterior (ver Figura 4.8b) y están diseñadas de manera tal que sus superficies forman geometrías complejas en 3D que asemejan la mano humana.

Antebrazo

Tensores del dedo anular

Tensores del dedo medio

Tensores del dedo índice

Tensores del dedo pulgar


4-8

(a) (b)

Figura 4.8. Piezas que forman la palma.

Tabla 4.3 Lista de las piezas que forman la palma. Número Pieza

1 Palma superior 1 2 Ruta tensores pulgar 3 Palma superior 2 4 Ruta tensores 3 5 Salida tensores derecha 6 Placa unión palma-antebrazo 7 Salida tensores izquierda 8 Palma inferior 9 Ruta tensores 1 10 Ruta tensores 2

4.3 Antebrazo de la mano cenidet La palma está unida mediante una placa de aluminio al antebrazo que le da soporte

a la mano completa. Como se muestra en la Figura 4.9, los 16 motores han sido acomodados en el antebrazo en un mismo plano (ver Tabla 4.4), permitiendo con ello una trayectoria más recta de los tensores, reduciendo fricción durante el movimiento.

Tabla 4.4 Piezas que forman el antebrazo.

Número Pieza 1 Placa unión palma-antebrazo 2 Base motor 3 Motor 1724 4 Motor 2342


4-9

Continuación Tabla 4.4 5 Polea motriz 6 Soporte antebrazo 7 Mesa mano cenidet 8 Motor 2242 9 Placa antebrazo

Figura 4.9 Detalle de las piezas y motores que forman el antebrazo.

4.4 Construcción.

Para la manufactura de las piezas fue necesario trabajar en colaboración con el Centro Nacional de Actualización Docente (CNAD). En el mecanizado de piezas fue usado el siguiente equipo:

• Fresadora vertical convencional • Torno CNC • Torno convencional • Centro de maquinado de fresado vertical CNC de tres ejes.

Las piezas de la mano cenidet fueron construidas en una aleación de aluminio 6061,

este material fue elegido debido a su baja densidad, sus propiedades mecánicas y a su


4-10

20mm

10mm

facilidad de mecanizado. Dichas propiedades disminuyen el tiempo de manufactura y el peso del prototipo.

4.5 Actuadores

Las articulaciones de cada uno de los dedos de la mano cenidet son actuadas mediante motores de CD, ya que es muy sencillo controlarlos.

Los actuadores fueron seleccionados de la siguiente manera:

La mano se diseñó para sostener 500gr, por lo que se hizo la siguiente aproximación para seleccionar los actuadores: se tomó como perfil de los dedos un tubo de aluminio con la sección transversal mostrada en la Figura 4.10.

Figura 4.10 Sección transversal del dedo

En base a esta consideración se pudieron aproximar los pares que se necesitan

para que la mano pueda sostener dicho peso. A continuación en la Tabla 4.5 se muestran los resultados obtenidos con la ecuación:

P Fd= …(4.1)

Donde P es el par, F la Fuerza y d la distancia.

Tabla 4.5 Pares necesarios en cada articulación para que la mano pueda sostener 500 gr

Falange \ dedo Índice Medio Anular Pulgar Distal 69.3 mNm 75.5 mNm 75.5 mNm 75.5 mNm Medial 164.7 mNm 187.8 mNm 187.8 mNm 187.8 mNm

Proximal 318 mNm 379.7 mNm 361.4 mNm 379.7 mNm

Debido a las necesidades de par en cada articulación, se implementaron tres tipos de motores (ver Figura 4.11); las características4 de cada uno de ellos [1] se resumen en la Tabla 4.6.

4 Las características completas de los actuadores se pueden ver en el anexo A.


4-11

Figura 4.11 Motores usados en la mano cenidet

Tabla 4.6. Características de los actuadores de la mano cenidet Motor 1724T012SR 2224U012SR 2342S012CR

Voltaje Nominal 12 V 12 V 12 V Potencia de salida 2.17 W 4.05 W 12 W

Eficiencia 80 % 82 % 80 % Velocidad sin carga 7900 rpm 7800 rpm 8100 rpm

Par de salida 4.2 mNm 4.99 mNm 15.95 mNm Caja de reducción 66:1 66:1 66:1

4.6 Especificación de masa La masa de la mano cenidet es un parámetro que debe considerarse en el diseño del

brazo para su montaje, es por ello que en la Tabla 4.7 se presentan las masas de los subensambles que conforman la mano cenidet.

Tabla 4.7 Masas de los subensambles que integran la mano cenidet.

Ensamble o pieza (cantidad) Masa (gr) Falange proximal del dedo pulgar/medio (2) 20

Falange proximal del dedo índice (1) 17 Falange proximal del dedo anular (1) 19

Falange medial de los dedos (4) 12 Falange distal de los dedos (4) 11

Palma (1) 215 Base dedo (4) 3.5

Motor 1724 (8) 56 Motor 2242 (4) 96 Motor 2342 (4) 177

Considerando los cuatro dedos, todas las piezas que constituyen la palma y los

motores (sin el antebrazo), la mano cenidet tiene una masa de 1940. gr.

Motor 2342

Motor 2224

Motor 1724


4-12

4.7 Conclusiones.

La mano cenidet es un prototipo antropomorfo capaz de emular mecánicamente los movimientos de flexión, extensión, abducción y aducción de los dedos de la mano humana. Cuenta con 16 GDL repartidos equitativamente en los cuatro dedos (índice, medio, anular y pulgar), lo que da a las articulaciones la característica de independencia de movimiento.

Para la selección de los actuadores se consideró que la mano fuera capaz de sostener

500gr con los cuatro dedos, con estos parámetros se encontró el par máximo requerido en cada una de las falanges (ver Tabla 4.4).

Las falanges de los dedos se mueven con un sistema de transmisión a base de poleas

y tensores actuados por motores de CD en configuración de lazo cerrado, es decir, el número de GDL es igual al número de actuadores (w=n), esto con el fin de reducir peso, volumen, y tamaño al prototipo, ya que uno de los objetivos es darle el mayor antropomorfismo posible. La mano cenidet tiene alrededor de 440 piezas, de las cuales 174 han sido diseñadas y manufacturadas y las 266 restantes son tornillos, tuercas y rodamientos. Los dedos de la mano están sujetos a una palma rígida con geometría 3D que la asemeja a la palma del ser humano. La palma se encuentra unida a un antebrazo donde se alojan los 16 actuadores que dan movimiento a cada una de las falanges de los dedos.

La mano cenidet tiene una masa (palma y dedos) de aproximadamente 400gr. Fue

diseñada para sostener objetos rígidos de hasta 500 gr de una sección transversal circular de 90mm de diámetro (o cualquier otra circunscrita dentro en este) , lo que representa que cada dedo debe tener movimiento hasta con una masa externa de 125 gr; la mano extendida tiene una altura desde la punta del dedo medio hasta la base de la palma de 214 mm, un ancho de 84.4 mm, esto en conjunto con los rangos de movimiento y las superficies en 3D de los dedos y la palma dan al sistema semejanza con la mano humana, y características importantes como efector final.

4.8 Bibliografía [1] MicroMo Electronics Main Catalog Edition 2, March 2004.

Capítulo 5. Electrónica de la mano cenidet “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

5-1

5 Electrónica y programación de la mano cenidet

Al conceptualizar a la mano cenidet como un sistema autocontenido, las variables que se deben manipular aumentan la complejidad de la adquisición de los datos necesarios para logar movimientos controlados e independientes de cada una de las falanges de la mano, por lo que se dividió en tres etapas: la etapa de acondicionamiento de señales con tres tarjetas diseñadas y dos conectores de marca NI5, la etapa de potencia con cuatro tarjetas diseñadas y la etapa de control con dos tarjetas con tecnología basada en arreglos de compuertas programables FPGAs (por sus siglas en inglés Field Programmable Gate Array) de marca NI.

5.1 Variables de la mano cenidet

Las variables que intervienen en la mano cenidet se pueden clasificar de la siguiente manera:

• Alimentación de 12V para los motores de la mano y la etapa de potencia • Alimentación de 5V para sensores de posición y circuitos integrados • Dos señales digitales por motor para los sensores de posición • Dos terminales analógicas para alimentación de cada motor • Una señal analógica PWM para cada motor • Una señal analógica para sensado de corriente en cada motor • Una señal digital para el sentido de giro de cada motor.

Lo que hace un total de 82 señales independientes, de las cuales 50 son digitales de entrada/salida y 32 analógicas de entrada/salida y están divididas como se muestra en la Tabla 5.1.

Tabla 5.1. Señales involucradas en la manipulación de la mano cenidet.

Señales analógicas de entrada 16 Señales analógicas de salida 16 Señales digitales de entrada 32 Señales digitales de salida 16 Señal de alimentación 5V 1 Señal de alimentación 12V 1

5 NI por sus siglas en inglés National Instruments.


5-2

5.2 Acondicionamiento de señales

Esta etapa es llevada a cabo por tres tarjetas electrónicas diseñadas y dos conectores de marca NI. Dos tarjetas son iguales a la de la Figura 5.1 y realizan tres tareas principalmente. La primera tarea es la de llevar alimentación de 5V a cada uno de los sensores de posición de los motores. Al existir movimiento en los motores aparece la segunda tarea, la cual se encarga de recolectar y ordenar en dos grupos de canales (A y B), las señales generadas por los sensores de posición de cada uno de los 16 motores, y posteriormente llevarlas hasta la tarjeta principal. Los sensores de posición angular (en inglés encoders) tienen una resolución de 512 cuentas por vuelta del motor, pero como los motores tienen caja de reducción de 1:66, la resolución aumenta a 33792 cuentas por vuelta, lo que daría una resolución de 0.10489° por cuenta. La tercera tarea es la de hacer llegar las señales analógicas6 a cada una de las terminales de los motores generadas por la electrónica de potencia.

(a) (b) Figura 5.1. (a) Diseño en CAD de la tarjeta de recolección y ordenamiento de señales vista frontal, (b) Foto

de la tarjeta real. Al ser diferentes los motores, eléctricamente7 hablando estas dos tarjetas cuentan

con ocho conectores de seis terminales, y dos de dos terminales cada una, como se ve en la Figura 5.2, los cuales están repartidos de la siguiente forma: Seis conectores de seis terminales manejan dos motores para falanges mediales, dos para distales y dos para movimientos de abducción/aducción, y los dos conectores restantes de seis terminales junto con los de dos terminales manejan a dos motores para las falanges proximales.

Figura 5.2. Distribución de conectores para las tarjetas recolectoras y de ordenamiento.

6 Está señal varía según la acción de control en el PWM de cada motor. 7 Para más detalles de los motores ver anexo A

Conector de 6 terminales

Conector de 2 terminales


5-3

Para más detalles de estas tarjetas referirse al anexo B. La tercera tarjeta que interviene en esta etapa es la tarjeta denominada principal,

mostrada en la Figura 5.3, y es donde se interconectan todas las tarjetas y conectores, se hace el enrutado y el reparto de las señales para las diferentes etapas.

(a) (b)

Figura 5.3. Tarjeta principal. (a) Vista isométrica en CAD, (b) Foto de la tarjeta principal real. Por la tarjeta principal pasan las 82 señales mencionadas anteriormente y son

repartidas como se observa en la Figura 5.4. Para mayor detalle de las conexiones referirse al anexo B.

Figura 5.4. Representación de las respectivas conexiones de la tarjeta principal.

En esta etapa también intervienen dos conectores iguales al de la Figura 5.5, denominados SCB-68-MIO y SCB-68-DIO. El conector SCB-68-MIO realiza dos tareas, la primera es la distribución de los sentidos de giro para cada motor de la mano, provenientes de la etapa de control, llevándolos a la tarjeta principal donde se enrutarán

Hacia el conector SCB-68-DIO

Hacia el conector SCB-68-MIO

Hacia los Módulos 1 y 2 cRIO

Alimentación 5V Alimentación 12V

Conexión a tarjeta recolección y

ordenamiento 1

Conexión a tarjeta recolección y

ordenamiento 2

Ranuras de expansión para tarjetas de potencia

1

2

3

4

Hacia los Módulos 3 y 4 cRIO


5-4

tanto a la tarjeta de potencia como al motor correspondiente; la segunda tarea es la de llevar ocho señales analógicas que corresponden a las señales PWM de los dedos índice y medial de la tarjeta de control PCI-7138R a la tarjeta principal, donde también se enrutarán a la tarjeta de potencia y motor correspondiente.

(a) (b)

Figura 5.5. Conector SCB-68. (a)Vista exterior isométrica, (b) Vista interior isométrica. El conector SCB-68-DIO, es el encargado de llevar todas las señales de los

sensores de posición provenientes de la tarjeta principal a la tarjeta de control PCI-7831R, para procesar los datos y obtener la posición real de cada una de las falanges de la mano.

5.3 Electrónica de potencia Esta etapa se lleva a cabo por cuatro tarjetas iguales a la mostrada en la Figura 5.6, las cuales son insertables en las ranuras de expansión de la tarjeta principal en orden indistinto gracias a su modularidad. Cada tarjeta se encarga de suministrar la potencia necesaria para actuar los motores de la mano con el par que se necesite para que la falange llegue a la posición deseada. El par se puede manipular con el fin de que el dedo sea capaz de levantar tanto su propio peso como el del objeto que este sujetando, mediante un control sobre el par aplicado8, lo que se traduciría en un aumento o disminución de la fuerza con que la mano apriete y/o sujete algún objeto. También esta tarjeta es la encargada de invertir el sentido de giro del motor correspondiente, si así lo hubiese decidido la etapa de control.

(a) (b)

Figura 5.6. Tarjeta de potencia en CAD. (a) Vista isométrica, (b) Vista frontal real.

8 El control del par no se realizó por estar fuera de los objetivos de este trabajo.


5-5

Cada una de las cuatro tarjetas cuenta con cuatro indicadores luminosos (una por motor), en caso de que exista sobrecalentamiento en algún circuito dedicado al manejo de algún motor de la mano, esto con el fin de realizar alguna actividad de paro.

Cada tarjeta tiene la capacidad manejar un dedo completo, es decir, cuatro

motores al mismo tiempo, lo que se traduce en el movimiento de flexión y extensión de cada una de las falanges (proximal, medial y distal), y el movimiento de abducción y aducción del dedo correspondiente. Cada tarjeta esta capacitada para hacer un seguimiento de la corriente demandada por cada motor de la mano, cuyos valores pueden hacer un estimado de la fuerza con que dicha falange está apretando al objeto, además de poder realizar con esto un control de par y por ende de fuerza, el cual no fue implementado por estar fuera de los objetivos. Para mayor información sobre las tarjetas de potencia referirse al anexo B.

5.4 Electrónica de control

Esta etapa es llevada a cabo por una tarjeta (ver Figura 5.7) y un módulo cRIO (ver Figura 5.8) con tecnología basada en FPGAs, las cuales se emplearon debido al tamaño, velocidad, baja potencia de consumo y flexibilidad de actualización de la lógica central del FPGA pero sobre todo por el paralelismo que tiene en el manejo de las entradas y salidas. Un FPGA es un chip que contiene millones de compuertas lógicas sin cablear que se pueden programar y configurar eléctricamente para entregar funciones específicas de hardware usando software para desarrollo de sistemas, automatización y control.

La tarjeta PCI-7831R mostrada en la Figura 5.7 se encuentra en una de las ranuras

del bus PCI (por sus siglas en inglés Pheripheral Component Interconnect) de una computadora, y su chip FPGA está dedicado a adquirir todas las señales de los sensores de posición de cada falange de la mano, al mismo tiempo que determina las posiciones (actual y anterior), velocidades (actual y anterior) y sentidos (actual y anterior) en el que la o las falanges se están moviendo en ese momento, resaltando que estas operaciones se ejecutan en paralelo, dándole independencia a cada falange. Esta información se utiliza para que los controladores de tipo PID proporcionen las señales de control correspondientes para llevar a la o las falanges a la posición deseada. Esto se traduce en invertir el sentido de giro del motor para que la falange se mueva en sentido contrario si así se requiriera, como la de dar la señal PWM (por sus siglas en inglés Pulse Width Modulation) correspondiente para que los motores varíen su velocidad, según sea el valor de la magnitud de la acción de control. Este control se realiza en paralelo e independiente para cada una de las falanges que se estén moviendo en ese instante. Esta tarjeta FPGA sólo tiene la capacidad de dar señal PWM a ocho de los 16 motores, siendo aquí donde entra una de las tareas de los módulos que se insertan en el módulo cRIO-9002 (ver Figura 5.8), el cual aparentemente es solo un chasis, pero en él se encuentra embebido un chip FPGA que interactuará con el controlador cRIO-9102, y los módulos que se inserten en las ranuras que se encuentren disponibles (ver Figura 5.9).


5-6

Figura 5.7. Tarjeta de control PCI-7831R con tecnología FPGA [2].

Figura 5.8. cRIO-9002 con tecnología FPGA embebida [2].

El módulo cRIO-9002 cuenta con un chip FPGA dedicado a dos tareas, la primera

a adquirir la información medida por los módulos cRIO-9102 (entradas analógicas, ver Figura 5.9), para hacer un estimado de la fuerza que están realizando las falanges. La mano cenidet no tiene sensores de fuerza, tal estimado de fuerza se realiza midiendo la corriente que demanda cada motor. La segunda tarea del módulo cRIO-9002 es la de suministrar las otras ocho señales PWM mediante los módulos cRIO-9263 (Salidas analógicas, ver Figura 5.9)que la tarjeta PCI-7831R no puede suministrar. En el módulo cRIO-9002 se inserta el controlador cRIO-9102, que es un controlador de tiempo real de punto flotante en el que se encuentra toda la lógica para el control PID de toda la mano cenidet, y este a su vez se comunica vía ethernet con la PC, para realizar tanto un monitoreo de todas las falanges de la mano como el de dar las inicialmente las posiciones deseadas a las que las falanges deben llegar.

Figura 5.9. FPGA cRIO-9002 con el controlador de tiempo real cRIO-9102 y los cuatro (dos cRIO-9263 y dos cRIO-9201) módulos cRIO de entradas y salidas analógicas.

En la Figura 5.10 se muestra cómo intervienen todas las tarjetas y módulos para el flujo de la información para la mano cenidet.

Controlador cRIO-9102

Módulos cRIO-9263

Módulos cRIO-9102

Ranuras disponibles

1 2 3 4 5, 6, 7, 8


5-7

Figura 5.10. Esquema de flujo de la información para la mano cenidet.

El sistema completo puede demandar hasta 101 W cuando trabaja a su máxima potencia, contemplando los 16 motores de CD y las siete tarjetas diseñadas para las tres etapas de la electrónica de la mano cenidet.

5.5 Programación

La mano cenidet tiene 16 motores para realizar sus movimientos, y están controlados individualmente por controladores tipo PID programados en Labview 7.1.

El programa principal ejecuta varios subprogramas con tareas específicas, y a su

vez interactúa directamente con ellos para el monitoreo y control de la mano cenidet. En la Figura 5.11 se muestra la pantalla del programa principal, donde se observan los estados de las variables de posición real, posición deseada y velocidad de cada una de las articulaciones, siendo éste el programa donde se establecen las rutinas y/o secuencias de movimiento para cada una de las falanges de la mano.

Figura 5.11. Pantalla principal de la mano cenidet.

MONITOREO MÓDULOS cRIO

TARJETAS COLECTORAS

MANO CENIDET

TARJETAS DE POTENCIA

TARJETA PRINCIPA

L

DATOS

DATOS

DATOS

TARJETA PCI-7831R

DATOS


5-8

El panel del subprograma clave para el programa principal se muestra en la Figura 5.13 y se encuentra físicamente en un chip FPGA, el cual se encarga de determinar la posición y velocidad de los motores en tiempo real en el mismo instante de tiempo, basado en la información de los sensores de posición de cada uno de los motores (ver ecuaciones 5.1 y 5.2).

Figura 5.12. Panel del subprograma de la FPGA.

La ecuación que se utiliza para calcular la posición es:

( )( )

( )( )# 360

# / Re Recuentas

PPulsos v ducción

°= …(5.1)

Donde: Los pulsos por revolución de los sensores de posición son 512. La reducción del motor de CD tiene una relación de 66:1.

La ecuación que se utiliza para calcular la velocidad es:

( )( )

1# #int

n ncuentas cuentasV

ervalo de tiempo fijo−−

= …(5.2)

El subprograma que realiza las operaciones necesarias para obtener el valor de la

señal de control para un controlador de tipo PID está basado en la ecuación 5.3 y 5.4, [1].

p v iK q K q Kτ ξ= + + …(5.3)

y

qξ = …(5.4)


5-9

Donde:

τ es el par del motor Kp es la constante de proporcionalidad Kv es la constante derivativa Ki es la constante integral q es el error de posición q es el error de velocidad

5.6 Conclusiones

La complejidad de los sistemas robóticos que tratan de emular el comportamiento humano es muy grande, debido a la información que debe manipularse en tiempos cortos, por lo que se requiere electrónica especializada con tiempos de muestreo alto, tanto para adquirir las señales como para tomar decisiones basadas en la información de los sensores al “mismo tiempo”. En la mano cenidet se manipulan 80 señales independientes entre E/S analógicas y digitales, por lo que además de utilizar tarjetas de marca NI, se tuvieron que diseñar y construir siete tarjetas electrónicas para que los chips FPGAs, junto con los programas y subprogramas con tareas específicas generados, se pudieran encargar del control y monitoreo de cada una de las 16 articulaciones de la mano.

5.7 Bibliografía [1] Rafael Kelly, Víctor Santibáñez, 2003. “Control de movimiento de robots manipuladores”. Ed. Prentice Hall. [2] National Instruments Company, “Reconfigurable I/O configured with the Labview FPGA module”, http://www.ni.com.

http://www.ni.com/


5-10

Capitulo 6. Simulación y pruebas funcionales de la mano cenidet “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

6-1

6 Simulación y pruebas funcionales de la mano cenidet

Aún cuando el diseño de controladores para esta aplicación no forma parte de los objetivos de este trabajo, el modelo dinámico desarrollado para el emulador de algunos movimientos de la mano humana la planta permitió el diseño de algunos controladores. De esa forma se simuló el comportamiento del efector y también se programaron estos controladores en el prototipo real. Esto permitió obtener información cualitativa de la sintonización de los controladores.

Con la finalidad de controlar posición en cada una de las articulaciones de la mano se simularon tres algoritmos de control en lazo cerrado [1]:

• Controlador Proporcional Derivativo (PD) • Controlador PD con compensación de la gravedad (PD+G) • Controlador Proporcional Integral Derivativo (PID)

La interpretación de los resultados obtenidos en simulación permitió seleccionar un

tipo de estos controladores para ser implementado en la planta física (mano cenidet), siendo éste el controlador tipo PID, ya que mostró un mejor comportamiento en comparación con los otros dos controladores propuestos (PD y PD+G).

6.1 Controlador PID

La ley de control PID simplificada puede escribirse de la siguiente manera:

p v iK q K q Kτ ξ= + + …(6.1)

qξ = …(6.2)

Donde: τ es el par del motor Kp es la constante de proporcionalidad Kv es la constante derivativa Ki es la constante integral q es el error de posición q es el error de velocidad

Los parámetros de sintonización que utiliza el controlador PID se obtuvieron a través

de la metodología presentada por Kelly [1] y son: Kp= 2.2x107, Kv= 2.972x107

y


6-2

Ki= 1.1x107, los cuales fueron utilizados en la simulación del sistema para controlar posición en las articulaciones.

a). Posición deseada de -33˚ en la falange proximal.

b). Posición deseada de -85˚ en la falange medial.

c). Posición deseada de 65˚ en la falange distal.

Figura 6.1. Resultados de simulación para con un controlador PID En las gráficas de la Figura 6.1 se puede observar el comportamiento de la posición de

las tres articulaciones de un dedo cuando se llevan a una posición deseada. Cada articulación parte de la posición cero y va a una posición previamente establecida llegando en menos de un segundo, esto por el controlador PID. Se observa también que el error de posición en estado estable tiende a cero; dicho error puede variar dependiendo de la sintonización de los parámetros del controlador.

q3(˚)

q2(˚)

q1(˚)

t(s)

t(s)

t(s)


6-3

Cabe resaltar que el modelo dinámico encontrado es una aproximación a la planta real, por lo que los valores de sintonización utilizados en la simulación y en el sistema real son diferentes. Esto se debe a que no se consideró la dinámica de los tensores, la fuerza de fricción entre los tensores y la palma en el modelo y a que como se ve en la Figura 6.1, la respuesta del sistema en simulación es muy rápido, que para efectos de está planta no es lo deseado, ya que las falanges de la mano humana no se mueven realmente a esas velocidades. Por tal razón los parámetros utilizados en el controlador en el sistema real son: Kp= 7x104

, Kv= 2x103 y Ki= 2x103.

6.1.1 Pruebas de movimiento

Se realizaron pruebas de movimiento en cada una de las falanges de la mano cenidet, llevándolas desde una posición de reposo (0°) a una posición deseada y viceversa. Es importante resaltar que la medición de posición de cada una de las falanges es indirecta, es decir, la posición es medida a través del sensor de posición del motor (encoder).

Se observaron resultados similares en cada uno de los dedos de la mano cenidet. Para

mostrar el comportamiento de los dedos a continuación se muestran los resultados obtenidos en el dedo medio:

La falange proximal se llevó de una posición de 0 a 45° en aproximadamente 70 mseg

hasta que llegó al estado estable de 45.01° y conservando un error de 0.01°, como se muestra en la Figura 6.2 y 6.3. Dicho movimiento afectó las posiciones de las demás falanges del dedo de la siguiente forma: la medial se movió 0.33°, la distal 1.62° y la de abducción/aducción de 0°.

Figura 6.2. Movimiento de la falange proximal de 0 a 45°.

45.01°


6-4

(a) (b)

Figura 6.3. Fotografía del movimiento de flexión de la falange proximal. Posición: (a) Inicial, (b) Final.

Posteriormente, se regresó la falange proximal de 45 a 0° en aproximadamente 77

mseg hasta que llegó al estado estable de 0.17°, y conservando un error de 0.17° como se ve en la Figura 6.4. Dicho movimiento afectó las posiciones de las demás falanges del dedo de la siguiente forma: la medial regresó de 0.33 ° a 0.1 °, la distal de 1.62° a 0° y la de abducción/aducción permaneció en 0°.

Figura 6.4. Movimiento de la falange proximal de 45 a 0°.

La falange medial se llevó de una posición de 0 a -90° en aproximadamente 165 mseg

hasta que llegó al estado estable de -89.77° y conservando un error de 0.23°, como se muestra en la Figura 6.5 y 6.6. Dicho movimiento afectó las posiciones de las demás falanges del dedo de la siguiente forma: la proximal se mantuvo en 0°, la distal 1.65° y la de abducción/aducción de 0°.

0.17°


6-5

Figura 6.5. Movimiento de la falange medial de 0 a -90°.

(a) (b)

Figura 6.6. Fotografía del movimiento de flexión de la falange medial. Posición: (a) Inicial, (b) Final. Posteriormente, se regresó la falange distal de -90 a 0° en aproximadamente 130 mseg

hasta que llegó al estado estable de -0.18° y conservando un error de 0.18°, como se ve en la Figura 6.7. Dicho movimiento afectó las posiciones de las demás falanges del dedo de la siguiente forma: la proximal se mantuvo en 0°, la distal pasó de 1.65° a -0.4° y la de abducción/aducción permaneció en 0°.

-89.77°


6-6

Figura 6.7. Movimiento de la falange medial de -90° a 0°.

La falange distal se llevó de una posición de 0 a -90° en aproximadamente 160 mseg

hasta que llegó al estado estable de -89.75° y conservando un error de 0.25°, como se muestra en la Figura 6.8 y 6.9. Dicho movimiento afectó las posiciones de las demás falanges del dedo de la siguiente forma: la proximal se mantuvo en 0°, la medial se mantuvo en 0° y la de abducción/aducción de 0°.

Figura 6.8. Movimiento de la falange distal de 0 a -90°.

-0.18°

-89.75°


6-7

(a) (b)

Figura 6.9. Fotografía del movimiento de flexión de la falange distal. Posición: (a) Inicial, (b) Final. Posteriormente, se regresó la falange distal de -90 a 0° en aproximadamente 142 mseg

hasta que llegó al estado estable de -0.19°, conservando un error de 0.19° como se ve en la Figura 6.10. Dicho movimiento afectó las posiciones de las demás falanges del dedo de la siguiente forma: la proximal se mantuvo en 0°, la medial se mantuvo en 0° y la de abducción/aducción permaneció en 0°.

Figura 6.10. Movimiento de la falange distal de -90° a 0°.

El movimiento de abducción/aducción se llevó de una posición de 0 a 10° en

aproximadamente 50 mseg hasta que llegó al estado estable de 9.75°, conservando un error de 0.25° como se muestra en la Figura 6.11 y 6.12. Dicho movimiento no afectó las posiciones de las demás falanges del dedo.

-0.19°


6-8

Figura 6.11. Movimiento de abducción/Aducción de 0° a 10°.

(a) (b)

Figura 6.12. Fotografía del movimiento de aducción/aducción. Posición: (a) Inicial, (b) Final. Posteriormente se regresó el movimiento de abducción/aducción de 0 a 10° en

aproximadamente 42 mseg hasta que llegó al estado estable de 0.16°, conservando un error de 0.16°, como se ve en la Figura 6.13. Dicho movimiento no afectó las posiciones de las demás falanges del dedo.

9.75°


6-9

Figura 6.13. Movimiento de abducción/Aducción de 10° a 0°.

6.2 Prueba de carga

Una de las especificaciones de diseño fue la capacidad de carga, la cual se estableció en 500 gr para la mano completa, considerando objetos sólidos. En base a este parámetro se realizaron diferentes pruebas.

Para realizar las pruebas se tomó como objeto de carga una botella de 600 ml de

volumen, con una masa de 600 gr cuando se encuentra llena de agua. Como se muestra en la Figura 6.14, la mano fue capaz de sostener la botella de 600 gr.

Figura 6.14. Capacidad de carga de la mano cenidet

. Con la finalidad de conocer la fuerza de apriete que puede ejercer cada uno de los dedos se desarrollaron pruebas de carga, jalando bloques de aluminio de diferente masa,

0.16°


6-10

como se ve en la Figura 6.15, encontrando que el dedo continúa con movilidad hasta con una carga de 200gr en el extremo final.

Figura 6.15. Prueba de fuerza en los dedos de la mano cenidet

6.3 Conclusiones Existe una infinidad de controladores que se pueden implementar en una planta para

realizar algún proceso de control, cuya tarea será que dicho proceso se realice de la manera más óptima. Dicha planta determina el o los tipos de controladores más adecuados para realizar el control del proceso mismo.

Cada articulación en la mano cenidet tiene un controlador de posición tipo PID

programado sobre tecnología FPGA, que por su paralelismo y rapidez de procesamiento (25 nseg) puede realizar todos los cálculos matemáticos necesarios para mover cada articulación al mismo tiempo a la posición deseada, mediante la acción del controlador.

Los parámetros de sintonización del controlador determinan el comportamiento de los procesos de la planta, ya sea en hacer que la respuesta del proceso sea más rápida o lenta, más eficiente o menos eficiente, etc., por lo que la sintonización del controlador para la mano cenidet se baso en el comportamiento de la mano humana.

Los controladores programados permitieron alcanzar las posiciones deseadas a cada

una de las articulaciones en tiempos menores a los 200 ms con errores de hasta 0.25 °. Es importante resaltar que el error en estado estable de las articulaciones y el tiempo de respuesta pueden ser modificados según las necesidades de la aplicación a la que esté dedicado el sistema.

Los algoritmos de control implementados en la mano cenidet están basados en

técnicas clásicas de análisis de sistemas. Es importante probar en algoritmos de control

m=200 gr


6-11

inteligentes, ya que puede generar mejoras significativas en el desarrollo de las tareas de la planta.

La mano cenidet tiene una masa (palma y dedos) de aproximadamente 400 gr y es capaz de sostener objetos rígidos de 600 gr, lo que le da una característica importante como efector final, ya que se podría unir a un brazo robot y realizar tareas de manipulación complejas gracias a su destreza.

6.4 Bibliografía [1] Rafael Kelly, Víctor Santibáñez, 2003. “Control de Movimiento de Robots Manipuladores”. Ed. Prentice Hall.


6-12

Capítulo 7. Conclusiones y trabajos futuros “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

7-1

7 Conclusiones finales y trabajos futuros

Durante los anteriores seis capítulos se han presentado los aspectos más relevantes

de esta investigación, buscando establecer las bases necesarias para inducirse en el tema.

El diseño de la mano cenidet nace como una propuesta para fortalecer la línea de Robótica y Automatización de Procesos en el cenidet, buscando también el desarrollo de efectores con utilidad en manipulaciones dedicadas y un futuro desarrollo de prótesis. A lo largo de este desarrollo se ha requerido de mucho trabajo y personal para su realización.

Es importante resaltar que una mano robot con las características de la mano cenidet

es un tema de investigación de muchos años, y en el que cada día que pasa los diseñadores van adquiriendo experiencias que pueden mejorar el prototipo.

Uno de los factores de más peso para el diseño de la mano cenidet fue el

antropomorfismo, partiéndose de ahí con la conceptulización de la misma dando la pauta para la búsqueda de componentes especiales que permitieran construir un prototipo con dimensiones y características similares a las de la mano humana. La selección de componentes fue complicada, ya que por sus dimensiones no es sencillo encontrar en el mercado nacional insumos (rodamientos, tornillos, poleas, tensores) con las características necesarias; por esto fue forzosa la importación de la mayoría de los insumos del prototipo.

Una vez con los primeros diseños, el problema fue la construcción de los prototipos.

En esta etapa de la investigación fue de suma importancia la ayuda brindada por el Centro Nacional de Actualización Docente (CNAD), el cual brindó el apoyo y la capacitación necesaria tanto para la manufactura de las diferentes piezas de los primeros prototipos como de la mano cenidet completa en sus instalaciones. Para la construcción de las piezas de la mano cenidet fue seleccionado como material de trabajo el aluminio debido a sus buenas prestaciones mecánicas y a su facilidad de manufactura. Cabe resaltar que la etapa de manufactura fue la más tardada en la investigación, ya que fueron maquinadas más de 500 piezas con características y dimensiones variadas.

Al igual que los demás insumos, los actuadores de la mano cenidet son importados,

debido a que en el país no se encontraron motores eléctricos con las características necesarias en cuanto a dimensiones y par de salida. Una vez maquinados y ensamblados los primeros prototipos de los dedos junto con los actuadores, se empezaron las pruebas de movimiento, por lo que fue necesaria la unión de las etapas mecánica, eléctrica y computacional.


7-2

Debido a las 80 señales que intervienen para que los dedos de la mano se muevan, fue necesario diseñar y construir siete tarjetas que hacen entendibles las señales para el controlador, para el suministro de potencia a los actuadores, como para agrupar y ordenar las señales de los sensores.

Es importante mencionar que previo a las pruebas de laboratorio, se desarrollaron

los estudios teóricos necesarios para abordar el problema con él suficiente conocimiento, resaltando el estudio dinámico de un dedo, permitiendo con el obtener información vital para las pruebas. El modelo dinámico permitió entre otras cosas probar algunos tipos de controladores, pudiendo así realizar la selección del mejor de ellos siendo un controlador tipo PID. También fue posible encontrar los valores de las constantes del controlador Kp= 7x104

, Kv= 2x103 y Ki= 2x103 (sintonización) cuya información redujo el tiempo de

pruebas con los actuadores.

En las etapas de prueba de los primeros prototipos los factores evaluados fueron los siguientes:

• Funcionalidad del prototipo completo

Es importante resaltar que aunque el diseño ya se había probado en CAD fue necesario construir el prototipo para evaluar aspectos como: si el prototipo era ensamblable y sí los ajustes mecánicos del mismo permitían la movilidad deseada.

• Dinámica de los actuadores

Los parámetros de velocidad, alimentación, reducción y sensado de posición angular de los actuadores, fueron fundamentales para realizar la programación de los controladores y el diseño de la electrónica de potencia.

• Sintonización de los controladores

Para obtener el comportamiento deseado de la planta es necesario establecer los valores del controlador basados en el modelo dinámico. • Comportamiento de los controladores

Tomando como punto de partida los datos obtenidos con los controladores simulados, se decidió el tipo de controlador que tenía el mejor desempeño para ser implementado en la planta real. • Funcionamiento de los tensores

El sistema de transmisión es determinante en la movilidad de las falanges, por lo que el comportamiento del tensor en diferentes condiciones de trabajo fue decisivo para conocer si es apto para la aplicación.


7-3

• Funcionamiento de la etapa eléctrica de potencia

Fue necesario realizar pruebas eléctricas para determinar que la electrónica de potencia era lo suficientemente capaz de soportar la cantidad de corriente que demandaba el actuador.

Estos factores arrojaron información suficiente para hacer las consideraciones

necesarias antes de dar el paso a la siguiente etapa, la construcción de la mano cenidet completa.

En la última etapa de construcción se trabajó tanto en la construcción del sistema completo de acondicionamiento de señales eléctricas como en la manufactura de las partes complementarias del prototipo.

Con el ensamble mecánico completo, la etapa eléctrica de potencia y control y la programación de los algoritmos de control necesarios se dio inicio a la etapa de pruebas del sistema completo.

Con las pruebas del sistema completo fue necesario hacer algunos ajustes, entre ellos, el cambio del tensor, buscándose otras alternativas y encontrando el mejor funcionamiento en un hilo de polietileno, que es usado en las raquetas de badmington.

Con la mano cenidet se hicieron pruebas de movimiento en cada una de las articulaciones, carga de la mano completa y fuerza de cada uno de los dedos, las cuales fueron limitadas debido a la falta de la infraestructura necesaria en el área de metrología.

Con el desarrollo de pruebas, se comprobó experimentalmente que cada uno de los dedos de la mano cenidet es capaz de continuar con movilidad hasta con una carga de 200gr en la falange distal, también se demostró que la mano cenidet puede sujetar objetos sólidos de hasta 600 gr, lo cual queda por arriba de la especificación inicial (500gr).

El objetivo de la investigación planteado al principio de la misma consistía en diseñar una mano robot de tres dedos con tres GDL cada uno y con la capacidad de desarrollar movimientos de flexión y extensión, este objetivo fue superado a lo largo de la investigación y actualmente se cuenta con un prototipo de la mano cenidet.

La mano planteada al inicio del trabajo consistía de 12 GDL, la mano cenidet actualmente cuenta con 16 GDL, la diferencia entre el prototipo planteado y el actual radica en el aumento de un dedo (anular) y en que también se diseño y construyó cada uno de los dedos, de manera que puedan realizar movimientos de abducción y aducción, lo que da a la mano mayor destreza de movimiento.

Durante el desarrollo de la investigación se obtuvo experiencia muy importante, la

cual, aunada a las observaciones hechas durante las pruebas, permiten hacer recomendaciones para trabajos futuros relacionados con la mano cenidet.


7-4

7.1 Sugerencia para trabajos futuros.

Es importante resaltar que los resultados obtenidos con esta primera versión de la mano cenidet son susceptibles a mejoras. No obstante el conocimiento que se ha generado ha sido muy importante, y servirá para futuras versiones de la mano. Es importante considerar las siguientes recomendaciones: En el área de instrumentación:

• Incorporar sensores de tacto para obtener la información necesaria de fuerza, para que la mano robot pueda sostener y manipular diferentes objetos sin romperlos o deformarlos.

• Implementar sensores de posición en cada articulación, para determinar que las falanges que se estén moviendo correspondan a la posición que se desea realmente.

• Equipar a la mano con hardware y software para protegerla de movimientos anatómicamente inexistentes en una mano humana, y que puedan dañar la estructura de la mano cenidet.

• Agregar sensores de fuerza para monitorear la tensión de los tensores En el área mecánica:

• Disminuir el volumen de la mano completa buscando componentes de menor dimensión.

• Incluir en el diseño la muñeca, ya que los movimientos que ésta ofrece aumentarán la destreza de la mano, dando mayor área de trabajo.

• Trabajar con otro tipo de materiales, por ejemplo polímeros, que le darían mayor antropomorfismo a la mano, disminuirían peso, aparte de que modificarían la fricción entre los dedos y palma con los objetos para darle mayor capacidad de agarre y prensión.

• Diseñar un mecanismo que permita orientar los motores longitudinalmente, con lo que se reduciría el tamaño del antebrazo y mejoraría el la transmisión de la potencia

En el área electrónica:

• Disminuir el tamaño de las tarjetas electrónicas con el fin de colocarlas dentro del antebrazo mismo para aumentar el antropomorfismo evitando así tener cables externos al prototipo.

La mano humana está constituida por una compleja estructura mecánica y un

completo sistema sensorial, que le da características únicas y difíciles de emular a la robótica, es por esto que entre más instrumentación y mayor información del entorno pueda adquirirse, los prototipos como la mano cenidet podrán reproducir con más presición el comportamiento de la mano humana.

Anexo A. Características de lo actuadores de la mano cenidet “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

A-1

ANEXO A

CARACTERÍSTICAS DE LOS ACTUADORES DE LA MANO CENIDET


A-2

Motor 1724 + caja de reducción 16/7 (66:1) + encoder IE2-512

Hoja de datos del motor 1724SR

Hoja de datos caja de reducción serie 16/7


A-3


Hoja de datos motor 2224SR

Hoja de datos caja de reducción serie 20/1


A-4


Hoja de datos motor 2342CR

Hoja de datos Caja de reducción serie 23/1


A-5

Hoja de datos encoder Serie IE2 - 512


A-6

Anexo B. Definición y especificación de entradas y salidas “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

B-1

ANEXO B

DEFINICIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE ENTRADAS Y SALIDAS PARA

LA MANO CENIDET


B-2

El diagrama esquemático de las tarjetas 1 de recolección y ordenamiento de señales es

1 23 45 6

MOTOR MEDIAL 1(MM1)

CONECTOR DE SEIS TERMINALES

1 23 45 6

MOTOR MEDIAL 2 (MM2)


1 23 45 6

MOTOR DISTAL 1 (MD1)


1 23 45 6



1 23 45 6

MOTOR ABD/AD 1 (MD3)


1 23 45 6



+5V

+5V

+5V +5V

+5V

+5V

+5V+5V

1 23 45 6

MOTOR PROXIMAL 1 (MP1)


1 23 45 6



+ +--

GND +5VCANAL A-MP1CANAL B-MP1CANAL A-MP2CANAL B-MP2CANAL A-MM1CANAL B-MM1CANAL A-MM2CANAL B-MM2CANAL A-MD1CANAL B-MD1CANAL A-MD2CANAL B-MD2CANAL A-MD3

GND+5VCANAL B-MD4CANAL A-MD4CANAL B-MD3

CANAL A-MP1CANAL B-MP1 CANAL A-MP2CANAL B-MP2

CANAL A-MM1CANAL B-MM1

GND

CANAL A-MM2CANAL B-MM2

CANAL A-MD1CANAL B-MD1 CANAL A-MD2CANAL B-MD2

CANAL A-MD3

+5V

CANAL B-MD4 CANAL A-MD4CANAL B-MD3

MP1 +MP1 -MP2 +MP2 -MM1 +MM1 -MM2 +MM2 -MD1 +MD1 -MD2 +MD2 -MD3 +

MD4 -MD4 +MD3 -

MP1 +MP1 - MP2 +MP2 -

MM1 +MM1 - MM2 +MM2 -

MD1 +MD1 - MD2 +MD2 -

MD3 + MD4 - MD4 +MD3 -

ENTRADAS EXTERNAS FALANGE PROXIMALCONECTOR DE DOS TERMINALES

ENTRADAS EXTERNA MOTOR PROXIMALCONECTOR DE DOS TERMINALES

123456789

101112131415161718

192021222324252627282930313233343536

J1

CONNECTOR CENT36-1

Diagrama esquemático de la tarjeta 2 de recolección y ordenamiento de señales es

1 23 45 6



1 23 45 6



1 23 45 6

MOTOR DISTAL (MD3)


1 23 45 6



1 23 45 6



1 23 45 6



+5V

+5V

+5V +5V

+5V

+5V

+5V+5V

1 23 45 6



1 23 45 6



+ +--

GND +5V

GND+5V

GND

+5V

CONECTOR DE DOS TERMINALESENTRADAS EXTERNAS MOTOR PROXIMAL

CONECTOR DE DOS TERMINALESENTRADAS EXTERNAS MOTOR PROXIMAL

123456789

101112131415161718

192021222324252627282930313233343536

J2

CONNECTOR CENT36-2


MD8 -MD8 +MD7 -

CANAL A-MP3CANAL B-MP3CANAL A-MP4CANAL B-MP4CANAL A-MM3CANAL B-MM3CANAL A-MM4CANAL B-MM4CANAL A-MD5CANAL B-MD5CANAL A-MD6CANAL B-MD6CANAL A-MD7

CANAL B-MD8CANAL A-MD8CANAL B-MD7

MP3 +MP3 - MP4 +MP4 -

MM3 +MM3 - MM4 +MM4 -

MD5 +MD5 - MD6 +MD6 -

MD7 + MD8 - MD8 +MD7 -

CANAL A-MP3CANAL B-MP3 CANAL A-MP4CANAL B-MP4

CANAL A-MM3CANAL B-MM3 CANAL A-MM4CANAL B-MM4

CANAL A-MD5CANAL B-MD5 CANAL A-MD6CANAL B-MD6

CANAL A-MD7 CANAL B-MD8 CANAL A-MD8CANAL B-MD7


B-3

Diagrama de conexión del conector de seis terminales es

1 Motor +/ NC 2 Motor -/ NC 3 Tierra del sensor de posición 4 5V del sensor de posición 5 Canal B del sensor de posición6 Canal A del sensor de posición Nota: En el caso de los motores para las falanges proximales las terminales 1 y 2 no son usadas debido a que la alimentación del motor es independiente del conector de seis terminales.

Diagrama esquemático de la tarjeta principal es

11421531641751861972082192210231124122513

J5DB25-1

GND-5 +5VCANAL A-MP1CANAL B-MP1CANAL A-MP2CANAL B-MP2CANAL A-MM1CANAL B-MM1CANAL A-MM2CANAL B-MM2CANAL A-MD1CANAL B-MD1CANAL A-MD2CANAL B-MD2CANAL A-MD3

GND-5+5VCANAL B-MD4CANAL A-MD4CANAL B-MD3


MD4 -MD4 +MD3 -

11421531641751861972082192210231124122513

J6DB25-2

ALIMENTACIÓN A 5V

+5V

ALIMENTACIÓN A 12V

+12V

+5V

GND-5

+12V

GND-12

SENSORES DE CORRIENTE 1 SENSORES DE CORRIENTE 2





GND-5

+5V

+5VMP3 +MP3 -MP4 +MP4 -MM3 +MM3 -MM4 +MM4 -MD5 +MD5 -MD6 +MD6 -MD7 +

MD8 -MD8 +MD7 -

GND-5


CANAL B-MD8CANAL A-MD8CANAL B-MD7 11421531641751861972082192210231124122513

J10DB25-6

RANURA DE EXPANSIÓN 4

11421531641751861972082192210231124122513

J9DB25-5


11421531641751861972082192210231124122513

J7DB25-3


11421531641751861972082192210231124122513

J8DB25-4


MP1

+

MP1

-M

P2 +

MP2

-M

M1

+

MM

1 -

MM

2 +

MM

2 -

MD

1 +

MD

1 -

MD

2 +

MD

2 -

MD

3 +

MD

4 -

MD

4 +

MD

3 -

MP3

+

MP3

-

MP4

+

MP4

-

MM

3 +

MM

3 -

MM

4 +

MM

4 -

MD

5 +

MD

5 -

MD

6 +

MD

6 -

MD

7 +

MD

8 -

MD

8 +

MD

7 -

+12V+5V

GND-5 GND-12

DIR

EC

CIÓ

N M

M2

DIR

EC

CIÓ

N M

P2

DIR

EC

CIÓ

N M

D3

DIR

EC

CIÓ

N M

D4

DIR

EC

CIÓ

N M

M3

DIR

EC

CIÓ

N M

P3

DIR

EC

CIÓ

N M

D5

DIR

EC

CIÓ

N M

D6

DIR

EC

CIÓ

N M

M4

DIR

EC

CIÓ

N M

P4

DIR

EC

CIÓ

N M

D7

DIR

EC

CIÓ

N M

D8

PWM

MD

3

PWM

MD

4

PWM

MM

2

PWM

MP2

PWM

MD

5

PWM

MD

6

PWM

MM

3

PWM

MP3

PWM MD7

PWM MD8

PWM MM4

PWM MP4

PWM MD5

PWM MD6

PWM MM3

PWM MP3

PWM MD3

PWM MD4

PWM MM2

PWM MP2

PWM MD1

PWM MD2

PWM MM1

PWM MP1

PWM

MD

7

PWM

MD

8

PWM

MM

4

PWM

MP4

S_C

MD

1S_

C M

D2

S_C

MM

1S_

C M

P1

S_C

MD

1

S_C

MD

2

S_C

MM

1

S_C

MP1

S_C

MD

3

S_C

MD

4

S_C

MM

2

S_C

MP2

S_C

MD

7

S_C

MD

8

S_C

MM

4

S_C

MP4

S_C

MD

5

S_C

MD

6

S_C

MM

3

S_C

MP3

S_C

MD

3S_

C M

D4

S_C

MM

2S_

C M

P2

S_C

MD

7S_

C M

D8

S_C

MM

4S_

C M

P4

S_C

MD

5S_

C M

D6

S_C

MM

3S_

C M

P3

DIRECCIÓN MM1

DIRECCIÓN MP1

DIRECCIÓN MD1

DIRECCIÓN MD2

DIRECCIÓN MM2

DIRECCIÓN MP2

DIRECCIÓN MD3

DIRECCIÓN MD4

DIRECCIÓN MM3DIRECCIÓN MP3

DIRECCIÓN MD5DIRECCIÓN MD6

DIRECCIÓN MM4DIRECCIÓN MP4

DIRECCIÓN MD7DIRECCIÓN MD8

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

1142

153

164

175

186

197

208

219

2210231124122513

J11

DB25-7

162738495

J12

DB9-1

+12V

GN

D-1

2+1

2VG

ND

-12

+12V

GN

D-1

2

GND-12

+5V

+5V

+5V

123456789

101112131415161718

192021222324252627282930313233343536

J3

CONNECTOR CENT36-3

123456789

101112131415161718

192021222324252627282930313233343536

J1

CONNECTOR CENT36-1

123456789

101112131415161718

192021222324252627282930313233343536

J2

CONNECTOR CENT36-2

GN

D-5

GN

D-5

GN

D-5

GND-12

1 2

34

56


B-4

Diagrama esquemático de las tarjetas de potencia

PARA LA RANURA DE EXPANSIÓN 1

Title

Number RevisionSize

B

11421531641751861972082192210231124122513

J7DB25-3


MP1

+

MP1

-

MM

1 +

MM

1 -

MD

1 +

MD

1 -

MD

2 +

MD

2 -

DIR

ECC

IÓN

MM

1

DIR

EC

CIÓ

N M

P1

DIR

EC

CIÓ

N M

D1

DIR

EC

CIÓ

N M

D2

PWM

MD

1

PWM

MD

2

PWM

MM

1

PWM

MP1

S_C

MD

1S_

C M

D2

S_C

MM

1S_

C M

P1

+12V

GN

D-1

2

R12K2

R6

2W1

R3680

R22K2

R44K7

C21nf

C310nf

+ C5

1000mf

+12V +12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U2-MP1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U1

LM3524DNC110nf

R54K7

C410nf

MOTOR DISTAL 1

MOTOR ABD/AD 1 (MD2)MOTOR MEDIAL 1

+12V

+12VMOTOR PROXIMAL 1

R72K2

R12

2W1

R9680

R82K2

R104K7

C71nf

C910nf

+ C10

1000mf+12V

+12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U4-MM1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U3

LM3524DNC610nf

R114K7

C810nf

+12V

+12V

R132K2

R18

2W1

R15680

R142K2

R164K7

C121nf

C1310nf

+ C15

1000mf

+12V +12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U6-MD1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U5

LM3524DNC1110nf

R174K7

C1410nf

+12V

+12V

R192K2

R24

2W1

R21

680

R202K2

R224K7

C171nf

C1910nf

+

C20

1000mf

+12V

+12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U8-MD2

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U7

LM3524DNC1610nf

R234K7

C1810nf

+12V

+12V

+12V

GND-12

PWM MD1

PWM MD2PWM MM1

PWM MP1

SALIDAS MP1MP1 +

MP1 -

MM1 +

MM1 -

MD1 +

MD1 -

MD2 +

MD2 -

DIRECCIÓN MM1

DIRECCIÓN MP1 DIRECCIÓN MD1

DIRECCIÓN MD2

IN1+3 IN1-2

IN2+5 IN2-6

IN3+10 IN3-9

IN4+12 IN4-13

OUT1 1

OUT2 7

OUT3 8

OUT4 14

VC

C+4

VE

E11

U9

LM324N

S_C MD1

S_C MD2S_C MM1

S_C MP1 +5V

+5V

Rled2330

D2LED2

Rin110K

Rf15K6

Ri11K

Rf25K6

Ri21K

Rin210K

IN1+3 IN1-2

IN2+5 IN2-6

IN3+10 IN3-9

IN4+12 IN4-13

OUT1 1

OUT2 7

OUT3 8

OUT4 14

VC

C+

4V

EE

11

U10

LM324N

+5V

Rin310K

Rf35K6

Ri31K

Rf45K6

Ri41K

Rin410K

Rled4330

D4LED4

Rled3330

D3LED3

Rled1330

D1LED1

GN

D-5

+5V

GND-5


Title

Number RevisionSize

B

R12K2

R6

2W1

R3680

R22K2

R44K7

C21nf

C310nf

+ C5

1000mf

+12V +12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U2-MP1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U1

LM3524DNC110nf

R54K7

C410nf

MOTOR DISTAL 3

MOTOR ABD/AD 2 (MD2)MOTOR MEDIAL 2

+12V


R72K2

R12

2W1

R9680

R82K2

R104K7

C71nf

C910nf

+ C10

1000mf+12V

+12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U4-MM1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U3

LM3524DNC610nf

R114K7

C810nf

+12V

+12V

R132K2

R18

2W1

R15680

R142K2

R164K7

C121nf

C1310nf

+ C15

1000mf

+12V +12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U6-MD1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U5

LM3524DNC1110nf

R174K7

C1410nf

+12V

+12V

R192K2

R24

2W1

R21

680

R202K2

R224K7

C171nf

C1910nf

+

C20

1000mf

+12V

+12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U8-MD2

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U7

LM3524DNC1610nf

R234K7

C1810nf

+12V

+12V

+12V

GND-12

PWM MD3

PWM MD4PWM MM2

PWM MP2

SALIDAS MP1MP2 +

MP2 -

MM2 +

MM2 -

MD3 +

MD3 -

MD4 +

MD4 -

DIRECCIÓN MM2


DIRECCIÓN MD4

IN1+3 IN1-2

IN2+5 IN2-6

IN3+10 IN3-9

IN4+12 IN4-13

OUT1 1

OUT2 7

OUT3 8

OUT4 14

VCC

+4

VEE

11

U9

LM324N

S_C MD3

S_C MD4S_C MM2

S_C MP2

+5V

Rled2330

D2LED2

Rin110K

Rf15K6

Ri11K

Rf25K6

Ri21K

Rin210K

IN1+3 IN1-2

IN2+5 IN2-6

IN3+10 IN3-9

IN4+12 IN4-13

OUT1 1

OUT2 7

OUT3 8

OUT4 14

VC

C+4

VE

E11

U10

LM324N

+5V

Rin310K

Rf35K6

Ri31K

Rf45K6

Ri41K

Rin410K

Rled4330

D4LED4

Rled3330

D3LED3

Rled1330

D1LED1

+5V

GND-5

11421531641751861972082192210231124122513

J8DB25-4


MP2

+

MP2

-

MM

2 +

MM

2 -

MD

3 +

MD

4 -

MD

4 +

MD

3 -

DIR

ECCI

ÓN

MM

2

DIR

ECCI

ÓN

MP2

DIR

ECC

IÓN

MD

3

DIR

ECC

IÓN

MD

4

PWM

MD

3

PWM

MD

4

PWM

MM

2

PWM

MP2

S_C

MD

3S_

C M

D4

S_C

MM

2S_

C M

P2

+12V

GN

D-1

2+5

VG

ND

-5


B-5


Title

Number RevisionSize

R12K2

R6

2W1

R3680

R22K2

R44K7

C21nf

C310nf

+ C5

1000mf

+12V +12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U2-MP1

LMD18200T

RT6G

ND

8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U1

LM3524DNC110nf

R54K7

C410nf

MOTOR DISTAL 3

MOTOR ABD/AD 3MOTOR MEDIAL 3

+12V


R72K2

R12

2W1

R9680

R82K2

R104K7

C71nf

C910nf

+ C10

1000mf+12V

+12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U4-MM1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U3

LM3524DNC610nf

R114K7

C810nf

+12V

+12V

R132K2

R18

2W1

R15680

R142K2

R164K7

C121nf

C1310nf

+ C15

1000mf

+12V +12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U6-MD1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U5

LM3524DNC1110nf

R174K7

C1410nf

+12V

+12V

R192K2

R24

2W1

R21

680

R202K2

R224K7

C171nf

C1910nf

+

C20

1000mf

+12V

+12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U8-MD2

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U7

LM3524DNC1610nf

R234K7

C1810nf

+12V

+12V

+12V

GND-12

PWM MD5

PWM MD6PWM MM3

PWM MP3

SALIDAS MP1MP3 +

MP3 -

MM3 +

MM3 -

MD5 +

MD5 -

MD6 +

MD6-

DIRECCIÓN MM3


DIRECCIÓN MD6

IN1+3 IN1-2

IN2+5 IN2-6

IN3+10 IN3-9

IN4+12 IN4-13

OUT1 1

OUT2 7

OUT3 8

OUT4 14

VC

C+4

VE

E11

U9

LM324N

S_C MD5

S_C MD6S_C MM3

S_C MP3

+5V

Rled2330

D2LED2

Rin110K

Rf15K6

Ri11K

Rf25K6

Ri21K

Rin210K

IN1+3 IN1-2

IN2+5 IN2-6

IN3+10 IN3-9

IN4+12 IN4-13

OUT1 1

OUT2 7

OUT3 8

OUT4 14

VC

C+4

VE

E11

U10

LM324N

+5V

Rin310K

Rf35K6

Ri31K

Rf45K6

Ri41K

Rin410K

Rled4330

D4LED4

Rled3330

D3LED3

Rled1330

D1LED1

+5V

GND-5

11421531641751861972082192210231124122513

J9DB25-5


MP3

+

MP3

-

MM

3 +

MM

3 -

MD

5 +

MD

5 -

MD

6 +

MD

6 -

DIR

ECC

IÓN

MM

3

DIR

ECCI

ÓN

MP3

DIR

ECCI

ÓN

MD

5

DIR

ECCI

ÓN

MD

6

PWM

MD

5

PWM

MD

6

PWM

MM

3

PWM

MP3

S_C

MD

5S_

C M

D6

S_C

MM

3S_

C M

P3

+12V

GN

D-1

2+5

VG

ND

-5


Title

Number RevisionSize

B

R12K2

R6

2W1

R3680

R22K2

R44K7

C21nf

C310nf

+ C5

1000mf

+12V +12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U2-MP1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U1

LM3524DNC110nf

R54K7

C410nf

MOTOR DISTAL 4

MOTOR ABD/AD 4MOTOR MEDIAL 4

+12V


R72K2

R12

2W1

R9680

R82K2

R104K7

C71nf

C910nf

+ C10

1000mf+12V

+12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U4-MM1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U3

LM3524DNC610nf

R114K7

C810nf

+12V

+12V

R132K2

R18

2W1

R15680

R142K2

R164K7

C121nf

C1310nf

+ C15

1000mf

+12V +12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U6-MD1

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U5

LM3524DNC1110nf

R174K7

C1410nf

+12V

+12V

R192K2

R24

2W1

R21

680

R202K2

R224K7

C171nf

C1910nf

+

C20

1000mf

+12V

+12V

BOOTSTRAP11

OUT1 2DIR3

BRAKE4

PWM5

BOOTSTRAP211

OUT2 10

THERMAL FLAG 9

VS

6

GN

D7

I SENSE 8

U8-MD2

LMD18200T

RT6

GN

D8

IN-1

IN+2

EMIT A 11COMP9

CT7

SNSE+4

SNSE-5 COL A 12

COL B 13

EMIT B 14

SD 10

OSC/SYNC 3

V+IN15

V(REF) 16

U7

LM3524DNC1610nf

R234K7

C1810nf

+12V

+12V

+12V

GND-12

PWM MD7

PWM MD8PWM MM4

PWM MP4

SALIDAS MP1MP4 +

MP4 -

MM4 +

MM4 -

MD7 +

MD7 -

MD8 +

MD8 -

DIRECCIÓN MM4


DIRECCIÓN MD8

IN1+3 IN1-2

IN2+5 IN2-6

IN3+10 IN3-9

IN4+12 IN4-13

OUT1 1

OUT2 7

OUT3 8

OUT4 14

VCC

+4

VE

E11

U9

LM324N

S_C MD7

S_C MD8S_C MM4

S_C MP4

+5V

Rled2330

D2LED2

Rin110K

Rf15K6

Ri11K

Rf25K6

Ri21K

Rin210K

IN1+3 IN1-2

IN2+5 IN2-6

IN3+10 IN3-9

IN4+12 IN4-13

OUT1 1

OUT2 7

OUT3 8

OUT4 14

VCC

+4

VE

E11

U10

LM324N

+5V

Rin310K

Rf35K6

Ri31K

Rf45K6

Ri41K

Rin410K

Rled4330

D4LED4

Rled3330

D3LED3

Rled1330

D1LED1

+5V

GND-5

11421531641751861972082192210231124122513

J10DB25-6


MP4

+

MP4

-

MM

4 +

MM

4 -

MD

7 +

MD

8 -

MD

8 +

MD

7 -

DIR

ECC

IÓN

MM

4

DIR

ECCI

ÓN

MP4

DIR

EC

CIÓ

N M

D7

DIR

EC

CIÓ

N M

D8

PWM

MD

7

PWM

MD

8

PWM

MM

4

PWM

MP4

S_C

MD

7S_

C M

D8

S_C

MM

4S_

C M

P4

+12V

GN

D-1

2+5

VG

ND

-5


B-6

A continuación se presentan las hojas de datos de los componentes comprados a National Instrument, para más detalles entrar a www.ni.com.

NI PCI-7831R

Reconfigurable Multifunction I/O Using the LabVIEW FPGA Module

Características

• Reconfigurable onboard synchronization and decision-making • 8 independent analog inputs, 4.0 µs conversions, 16-bit resolution, ±10 V • 8 independent analog outputs, 1.0 µs updates, 16-bit resolution, ±10 V • Configurable triggering and synchronization resolution of 25 ns • 96 synchronizable digital lines configurable as input, output, counter, or custom functionality

La tarjeta PCI-7831R cuenta con tres conexiones, Dos de tipo DIO (40 entradas/salidas

digitales) y una de tipo MIO (16 entradas/salidas digitales 8 entradas analógicas y 8 salidas analógicas) y están representadas por la siguiente imagen.

Conexión MIO

Conexión DIO-1

Conexión DIO-2

http://www.ni.com/


B-7

SCB-68 Shielded I/O Connector Block for DAQ Devices with 68-Pin Connectors

• Conexión con terminales de tornillo para fácil conexión de las E/S • Conector E/S blindado para de adquisición (DAQ) de la serie E o cualquier dispositivo PCMCIA DAQCard con conector

de 68 pines. • Para mediciones para termoacopladores de alta precisión usa acondicionamiento de señales SCC or SCXI • Dos áreas de propósito general para tableros • Sensor de compensación de unión fría sobre la tarjeta para mediciones con termoacopladores de bajo costo

El diagrama de conexión por pines de los conectores SCB-68 MIO y DIO están representados a continuación:

La mano cenidet está conectada de la siguiente forma: Para el conector MIO

PIN 2-9 GND- 12V PIN 36 Dirección Dedo Índice Falange

Proximal PIN 37

Dirección Dedo Índice Falange

Medial

PIN 38 Dirección Dedo Índice Falange

Distal PIN 39

Dirección Dedo Índice Falange

Abd-Adc PIN 40

Dirección Dedo Medio Falange

Proximal

PIN 41 Dirección Dedo Medio Falange

Medial PIN 42 No sirve PIN 43

Dirección Dedo Medio Falange

Abd-Adc


B-8

PIN 10 No sirve PIN 44 Dirección Dedo Anular Falange

Medial PIN 11

Dirección Dedo Anular Falange

Distal

PIN 45 Dirección Dedo Anular Falange

Abd-Adc PIN 12

Dirección Dedo Pulgar Falange

Proximal PIN 46


Medial

PIN 13 Dirección Dedo Pulgar Falange

Distal PIN 47


Abd-Adc PIN 55

PWM Dedo Índice Falange

Proximal

PIN 54 PWM Dedo

Índice Falange Medial

PIN 53 PWM Dedo

Índice Falange Distal

PIN 52 PWM Dedo Índice Abd-

Adc

PIN 51 PWM Dedo

Medio Falange Proximal

PIN 50 PWM Dedo

Medio Falange Medial

PIN 49 PWM Dedo

Medio Falange Distal

PIN 48 PWM Dedo Medio Abd-

Adc PIN 14-21 GND-12V

Para el conector DIO

PIN 1-26 GND-5V PIN 35 Canal A Dedo Índice Falange

Proximal PIN 36

Canal B Dedo Índice Falange

Proximal

PIN 37 Canal A Dedo Índice Falange

Medial PIN 38

Canal B Dedo Índice Falange

Medial PIN 39

Canal A Dedo Índice Falange

Distal

PIN 40 Canal B Dedo Índice Falange

Distal PIN 41

Canal A Dedo Índice

Abd-Adc PIN 42

Canal B Dedo Índice

Abd-Adc

PIN 32 Canal A Dedo Medio Falange

Proximal PIN 66

Canal B Dedo Medio Falange

Proximal PIN 45

Canal A Dedo Medio Falange

Medial

PIN 46 Canal B Dedo Medio Falange

Medial PIN 47

Canal A Dedo Medio Falange

Distal PIN 48

Canal B Dedo Medio Falange

Distal

PIN 50 Canal A Dedo

Medio Abd-Adc

PIN 49 Canal B Dedo

Medio Abd-Adc

PIN 51 Canal A Dedo Anular Falange

Proximal

PIN 52 Canal B Dedo

Anular Falange Proximal


Medial PIN 54

Canal B Dedo Anular Falange

Medial


Distal PIN 56

Canal B Dedo Anular Falange

Distal PIN 57

Canal A Dedo Anular

Abd-Adc

PIN 58 Canal B Dedo

Anular Abd-Adc

PIN 59 Canal A Dedo Pulgar Falange

Proximal PIN 60

Canal B Dedo Pulgar Falange

Proximal

PIN 61 Canal A Dedo Pulgar Falange

Medial PIN 62

Canal B Dedo Pulgar Falange

Medial PIN 29

Canal A Dedo Pulgar Falange

Distal

PIN 63 Canal B Dedo Pulgar Falange

Distal PIN 30

Canal A Dedo Pulgar

Abd-Adc PIN 64

Canal B Dedo Pulgar

Abd-Adc

PIN 31 Dirección Dedo Medio Falange

Distal PIN 65

Dirección Dedo Anular Falange

Proximal PIN


B-9

Características • 4 salidas analógicas simultaneas a 100 kS/s • 16 bits de resolución • Rango de operación de -40 to 70 °C • Calibración NIST-traceable • Operación Hot-swappable

Asignación de pines para el módulo cRIO-9263 ubicado en la ranura 1 del cRIO-9102

GND-12V

GND-12V

GND-12V

GND-12V

GND-12V

PWM Dedo Pulgar Falange Proximal

PWM Dedo Pulgar Falange Medial

PWM Dedo Pulgar Falange Distal

NC

PWM Dedo Pulgar Abducción-Aducción


B-10


Características

• 8 entradas analógicas con rango de ±10 V • Tiempo de muestreo de 500 kS/s • 12 bits de resolución , entradas tipo single-ended con terminales de tipo tornillo • Operación Hot-swappable, protección de sobrevoltaje e aislamiento • Calibración NIST-traceable • Rango de operación de -40 to 70 °C.

GND-12V

GND-12V

GND-12V

GND-12V

GND-12V

PWM Dedo Anular Falange Proximal

PWM Dedo Anular Falange Medial

PWM Dedo Anular Falange Distal

NC

PWM Dedo Anular Abducción-Aducción


B-11



Nota: S_C significa sensor de corriente

GND-5VS C-Dedo índice-Falange ProximalS C-Dedo índice-Falange MedialS C-Dedo índice-Falange Distal

S C-Dedo índice-Abducción-AducciónS C-Dedo Medial-Falange ProximalS C-Dedo Medial-Falange MedialS C-Dedo Medial-Falange Distal

S C-Dedo Medio-Abducción-Aducción

GND-5VS C-Dedo Pulgar-Falange ProximalS C-Dedo Pulgar-Falange MedialS C-Dedo Pulgar-Falange Distal

S C-Dedo Pulgar-Abducción-AducciónS C-Dedo Anular-Falange ProximalS C-Dedo Anular-Falange MedialS C-Dedo Anular-Falange Distal

S C-Dedo Anular-Abducción-Aducción


B-12

Características

• Controlador embebido LabVIEW Real-Time para control deterministico, y análisis • Puerto Ethernet 10/100baseT con red embebida y servidor de archivos con interfaz en panel remoto. • Puerto serial RS-232 par conexión con periféricos • Almacenamiento flash no volátil de 64 MB y 32 MB de memoria DRAM • Entrada de alimentación dual de 9 a 35 VCD.

NI cRIO-9102 8-Slot, 1 M Gate Reconfigurable Embedded Chassis

Características

• Sitentiza automáticamente el circuito del procesamiento de señales del control usando LabVIEW • 1 M de compuertas reconfigurables de E/S en la FPGA • Acepta cualquier modulo cRIO en cualquiera de sus 8 ranuras embebidas • Opción de montado DIN-rail • Rango de operación de -40 to 70 °C.

Anexo C. Planos de algunas partes de la mano cenidet “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de una mano”

C-1

ANEXO C

PLANOS DE ALGUNAS PARTES DE LA MANO CENIDET


C-2


C-3

23-24 hernando cimadevilla lajud - jesus gustavo herrera perez

Documents