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CAPITULO II MARCO TEÓRICO
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1. BASES TEÓRICAS.
A lo largo del desarrollo del presente de investigación se planteó la
necesidad de dar a conocer algunos términos que tanto para la ingeniería
como para la medicina adecuan la completa reali zación de la misma,
consiguiendo así los términos para cada una de las ramas involucradas.
Para lograr llevar un orden de los temas relacionados con la
investigación se han dividido los basamentos teóricos de la siguiente
manera:
1.1. BASES TEÓRICAS PARA LA INGENIERÍA
La amplia gama de recursos con la que la ingeniería se vale obliga
a tener en cuenta la definición de los términos que se relacionan directa e
indirectamente con el desarrollo de la presente investigación, desarrollando
este punto con lo siguiente:
§ PROTOTIPO
Según la Enciclopedia Encarta 98 es un modelo o versión inicial
de un producto, previsto para probar y desarrollar el diseño. Antes de invertir
en el equipo necesario para fabricar en serie un producto, el fabricante debe
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estar convencido de que el diseño es seguro y fiable. Los
diseñadores e ingenieros emplean prototipos para conseguirlo.
Los prototipos pueden ser muy sencillos, con sólo unos pocos
componentes. Un ejemplo sería un prototipo para averiguar la velocidad de
giro de una cuchilla de una cortacésped cuando es impulsada por un motor
eléctrico determinado. Lo único que haría falta sería un motor, una cuchilla
y una fuente de alimentación.
El papel fundamental de un prototipo es reducir el riesgo de
errores de diseño. Con los prototipos, los fabricantes pueden adquirir
confianza en sus diseños y justificar la inversión necesaria para su
producción en serie.
§ MANIPULADOR
Un manipulador mecánico se puede modelar como una cadena
articulada en lazo abierto con unos cuerpos rígidos (elementos) conectados
en serie por una articulación de revolución o prismática movida por
actuadores. Un soporte final se une a una base mientras que el otro está
libre y unido con una herramienta (efector final) para manipular objetos o
realizar tareas de montaje. El movimiento relativo en las articulaciones
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resulta en el movimiento de los elementos que posicionan el elemento final
en una orientación deseada. En la mayoría de las aplicaciones de robótica,
se está interesado en la descripción espacial del efecto final del manipulador
con respecto a un sistema de coordenadas de referencia fija (K.S.FU, 1.988).
MODELOS DEL MANIPULADOR
CONTROL DE MOVIMIENTOS
Beer y Russell alegan que la Dinámica es la parte de la mecánica
que se encarga del análisis de los cuerpos en movimiento. La primera
contribución importante a la dinámica fue hecha por Galileo (1564-1642), los
experimentos de Galileo sobre cuerpos uniformemente acelerados
condujeron a newton (1642-1727 ), a formular sus leyes fundamentales del
movimiento.
La dinámica y el control de manipuladores. Comportamiento
dinámico del manipulador. Actuadores. El sistema de control.
Especificaciones de posicionamiento. Control independiente por articulación.
Programación de robots. Niveles del lenguaje. Programación gestual.
Programación textual. Características de los lenguajes a nivel robot.
Programación el VAL II. (Buscar más información con referencia a dinámica
para complementar la idea)
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Así mismo señalan que la dinámica se divide en dos partes:
Cinemática: Que es el estudio de la geometría en movimiento y
se usa para relacionar el desplazamiento, velocidad, aceleración y el tiempo
sin hacer referencia a la causa del movimiento.
Cinética: Es el estudio de la relación que existe entre las fuerzas
actuando sobre un cuerpo, su masa y movimiento, la cinética se usa para
predecir el movimiento causado por fuerzas conocidas o para determinar las
fuerzas necesarias para producir un cierto movimiento.
En síntesis, se alega que tanto la cinemática como la cinética se
involucran dentro del área de la medicina ya que relacionan velocidad,
movilidad y las diferentes fuerzas actuantes que deben realizar los pacientes
con dificultad para articular la flexión de la rodilla, todo ello que conlleva a la
realización del prototipo controlado por PC.
1.2. BASES TEÓRICAS PARA LA MEDICINA
Al igual que la ingeniería la medicina se vale de términos básicos
para poder lograr tener una visión más clara y precisa de lo que se desea,
cuando no se tienen conocimientos amplios del tema a discutir; entre estos
términos tenemos:
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§ ARTICULACIÓN DE LA FLEXIÓN DE RODILLA
La articulación de la rodilla establece la unión entre el muslo y la
pierna. En los vertebrados inferiores, los dos huesos de la pierna, casi de
igual longitud, entran en relación con la extremidad inferior del hueso del
muslo. En el hombre, por efecto del desarrollo considerable que ha tomado
la tibia solo este hueso se articula con el fémur; el peroné es muy reducido,
resultando ser una pieza esquelética secundaria, que no forma parte
absolutamente de la articulación. La articulación de la rodilla es, pues,
femorotibial, resultando por esto muy diferente, morfológicamente
considerada, de su homóloga la articulación del codo, en la que se logra ver
que la extremidad inferior del húmero se articula a la vez con los dos huesos
del antebrazo. Por lo demás, desde el punto de vista mecánico, pertenece al
mismo grupo de esta última; es una articulación troclear, o sea una
trocleartrosis.
Tres huesos contribuyen a formar las superficies articulares de la
rodilla: por parte del muslo, el extremo inferior del fémur, por parte de la
pierna, el extremo superior de la tibia, completando por delante y por arriba
por la cara posterior de la rótula. (Testut, Latarjet).
a. Extremo inferior del fémur. En el extremo inferior del fémur,
visto por su cara anterior, distinguimos desde luego una superficie articular
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en forma de polea, la tróclea femoral constituida, como todas las poleas, por
dos carillas laterales que, inclinándose la una hacia la otra, forman un surco
redondeado y obtuso, que constituye la garganta de la tróclea. Este surco,
dispuesto en el plano sagital, se dirige oblicuamente, como la misma polea,
de arriba abajo y de delante atrás. Al llegar a la parte más inferior del hueso
se separan las dos carillas trocleares, hasta entonces contiguas, con lo cual
la garganta de la tróclea resulta remplazada por una ancha escotadura. Esta
escotadura, en el punto que ocupa, divide la extremidad inferior del fémur en
dos eminencias voluminosas, llamadas cóndilos, y habida cuenta de su
situación, recibe el nombre de escotadura intercondílea.
A su vez, tanto el cóndilo interno como el externo son divergentes
de delante atrás, de lo cual resulta que el diámetro transversal del extremo
inferior del fémur es más extenso en su parte posterior que en la anterior.
Así mismo la parte Ínfero posterior de los cóndilos es la única que tiene
superficie articular; que esta superficie articular, seguida de delante atrás
pertenece primeramente a un circulo de gran radio, después de un circulo de
radio mucho menor, y , por consiguiente, que se enrolla de manera de voluta,
o mejor dicho, que describe una curva espiral, cuyos radios van decreciendo
de la parte anterior a la posterior. Gráficamente se muestra de la siguiente
manera:
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Figura No. 1
CORTE SAGITAL DEL CÓNDILO INTERNO DEL FÉMUR (Según Bugnion)
a. cóndilo. – b. Tróclea. – c. Límite condilotroclear Fuente: Testut y Latarjet
Según las mediciones de Weber, este radio de curvatura, que es
de 43 milímetros al principio , desciende, hacia atrás, hasta 16,85 milímetros.
Hemos de añadir que las superficies articulares de los cóndilos son un poco
más anchas en su parte anterior que en la posterior, de lo que resulta que la
superficie de contacto femorotibiales mayor en la extensión (posición en la
que los cóndilos descansan sobre la tibia por su parte anterior) que en la
flexión (posición en la que los cóndilos descansan sobre la tibia por su parte
posterior).
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Comparados entre sí, los dos cóndilos del fémur, aunque
constituidos sobre el mismo tipo, no son idénticos. El cóndilo interno se halla
sumamente desviado hacia dentro y el cóndilo externo lo esta mucho menos
hacia fuera. Además, la superficie articular del cóndilo interno es mucho más
larga que la del extremo: la primera mide 9 ó 10 centímetros, y la segunda
7,5 a 8 centímetros únicamente. Por último, como se deduce de las
mediciones tomadas por Bugnion, el radio de la curvatura del cóndilo
externo, considerado de atrás a delante, aumenta más rápidamente que el
del cóndilo interno. Como se ve, todas estas disposiciones tienen gran
influencia sobre el mecanismo de la articulación de la rodilla y en ellas
encontramos, en gran parte, la explicación de la asociación constante de los
movimientos de rotación con los de flexión y extensión.
En su parte anterior, la superficie articular del cóndilo se continúa
con la carilla correspondiente de la tróclea. De ordinario, en el límite
respectivo de las dos superficies articulares, condílea y troclear, existe una
línea de separación, representada por una cresta obtusa, por detrás de la
cual se encuentran un surco más o menos marcado. En línea, línea
condilotroclear, muy visible en la figura No 2, empieza en el borde lateral de
cada cóndilo, a nivel de una escotadura mucho más marcada en el cóndilo
interno que en el extremo. Desde este punto se dirige oblicuamente hacia
atrás y adentro, hacia la escotadura intercondílea: la línea interna se dirige
hacia el vértice de la escotadura, pero la externa termina 8 ó 10 milímetros
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más lejos, en el borde interno del cóndilo correspondiente. La observación
demuestra que la línea condilotroclear es ordinariamente más pronunciada
en el cóndilo interno que en el externo: de cincuenta fémures, Mikulicz ha
encontrado las dos líneas a corta diferencia iguales en treinta y uno, la
interna más marcada que en la externa en dieciséis, y, al contrario, la externa
más marcada que la interna en tres. Terrillon ha dejado establecido desde
hace muchos años que las líneas condilotrocleares, en la estación de pie, se
corresponden con el borde superior de los fibrocartílagos semilunares, por lo
cual no son otra cosa que las huellas marcadas en las superficies articulares
por estos fibrocartílagos. Así se comprende que se las encuentre más
acentuadas cuanto mayor es la edad del sujeto.
Figura No. 2 EXTREMIDAD INFERIOR DEL FÉMUR DERECHO, CON SU COLLAR
CAPSULAR.
1. Cóndilo interno. – 2. cóndilo externo. – 3. tróclea. – 4. 4´. Líneas condilotrocleares interna y externa. – 5. escotadura intercondilea. – 6. cápsula articular. – 7. ligamento lateral interno. – 8. ligamento lateral externo. – 9. ligamento cruzado posterior. – 10. ligamento cruzado anterior. – 11. ligamento adiposo. – 12. tendón del poplíteo.
Fuente: Testut y Latarjet
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En estado fresco, la superficie troclear y las dos superficies
articulares condíleas están cubiertas de una capa de cartílago hialino, cuyo
espesor, por término medio, es de 2,5 a 3 milímetros. Esta capa, aunque
continua en toda su extensión, no es uniforme. En la tróclea es más gruesa
en la garganta, y en la vertiente extra más que en la vertiente interna. En los
cóndilos se encuentra también mucho más desarrollada en la parte media
que en los bordes. Visto en cortes frontales, el revestimiento cartilaginoso
de los cóndilos tiene la forma de media luna, cuya concavidad, dirigida hacia
arriba, rodea la superficie la superficie ósea correspondiente.
b. Extremo superior de la tibia. El extremo superior de la tibia
ofrece a la articulación de la rodilla sus dos cavidades glenoideas: una de
ellas, la interna, es a la vez más larga y está más hondamente excavada que
la externa, la cual es más ancha, ligeramente cóncava en sentido
transversal, plana o algo convexa en sentido antero posterior, y se prolonga
5 o 6 milímetros sobre la cara posterior del hueso.
Las dos cavidades glenoideas están separadas una de otra por la
espina de la tibia, especie de masa ósea cuadrilátera que termina por arriba
en dos tubérculos, uno interno y otro externo, Sobre este particular se
planteo que la espina de la tibia está un poco más aproximada al plano
posterior del hueso que al anterior, y, por otra parte, que cada superficie
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articular glenoidea sobresale del nivel de la espina que prolongarse hasta el
tubérculo correspondiente. Por delante y por detrás de la espina tibial,
siempre entre las dos cavidades glenoideas, se ven dos superficies
triangulares, rugosas y muy irregulares, la superficie preespinal y la superficie
retroespinal. Gráficamente se presenta así:
Figura No. 3
EXTREMIDAD SUPERIOR DE LA TIBIA DERECHA VISTA POR ARRIBA CON SU COLLAR CAPSULAR
Fuente: Testut y Latarjet
En estado fresco las dos superficies articulares de la tibia están
cubiertas, como la del fémur, por una capa de cartílago hialino, cuyo grosor
máximo corresponde siempre a la parte media de las cavidades glenoideas,
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exactamente en el punto en que se ejerce, en la estación de pie, la presión
más considerable. En la glena interna, el revestimiento cartilaginoso mide
por término medio 3 ó 4 milímetros de espesor; no modifica sensiblemente la
forma de la superficie articular; pero no sucede lo mismo respecto de la glena
externa, y esto porque la capa cartilaginosa que se extiende sobre ella es
mucho más gruesa en su parte media que en sus dos extremidades, anterior
y posterior. Resulta de ello que la superficie articular, que en el hueso seco
aparece casi plana en sentido antero posterior, en estado fresco es
decididamente convexa en el mismo sentido. En la glena externa, el
revestimiento cartilaginoso alcanza 6 y 7 milímetros de espesor.
c. Cara posterior de la rótula. La rótula presenta, en su cara
posterior, una superficie articular prolongada en sentido transversal, que
ocupa las tres cuartas partes superiores, o tal vez las cuatro quintas, de esta
cara.
Una cresta obtusa, de dirección vertical, divide esta superficie
articular en dos carillas laterales: una externa, más grande y excavada en su
centro, y otra interna, un poco más pequeña, ligeramente cóncava o tal vez
plana, a veces subdividida por una línea oblicua hacia abajo y adelante en
dos carillas secundarias. En estado fresco, la superficie articular de la rótula
presenta un revestimiento cartilaginoso de considerable espesor. Vista en
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corte horizontal, esta capa cartilaginosa es casi uniforme; apenas se atenúa
a nivel de sus bordes y mide de 3 a 4 milímetros.
d. Modo de corresponderse las precitadas superficies
articulares. Para constituir la articulación de la rodilla, las tres superficies
articulares que acabamos de describir, femoral, tibial y rotuliana, están
dispuestas del modo siguiente. La superficie articular rotuliana hallase desde
luego aplicada contra la tróclea femoral , la garganta de la tróclea se
corresponde con la cresta vertical de la rótula; por otra parte, las dos carillas
laterales o vertientes de la tróclea ligeramente convexas, se corresponden
con las dos carillas laterales de la rótula, las cuales, como hemos visto, son
ligeramente cóncavas. Por su parte, las dos superficies, condíleas, convexas
a la vez en sentido transversal y en el antero posterior, descansa sobre las
dos cavidades glenoideas de la tibia. Respecto de este punto, hemos de
hacer notar que, por su parte más interna, por la parte que se levanta a lo
largo de la espina, cada superficie glenoidea se pone en relación, en una
extensión de muchos milímetros, con la cara interna o axil del cóndilo
correspondiente. Esta disposición se ve muy claramente en la figura No. 4,
que representa un corte frontal de la articulación. Por último, el espacio
intercondíleo del fémur corresponde, por parte de la tibia, lo que llamaremos
espacio ínter glenoideo, formado por la espina de la tibia y por las dos
superficies rugosas preespinal y retroespinal, colocadas una por delante y la
otra por detrás de la espina.
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Si ahora consideramos de un modo más general las superficies
articulares de la rodilla, encontramos: por parte del fémur, uniendo la tróclea
propiamente dicha a las superficies articulares condíleas que son su
continuación, una verdadera polea, cuya garganta, muy marcada en la parte
anterior y superior del hueso, está reemplazada en la parte inferior y
posterior por la escotadura intercondílea. En correspondencia con esta polea
encontramos, por parte de la pierna, una superficie inversamente
configurada, constituida por la reunión de la superficie rotuliana con las dos
cavidades glenoideas de la tibia; con la garganta de la polea se corresponde
la cresta vertical de la rótula, reemplazada por abajo y atrás, como la
garganta troclear misma, por el espacio ínter glenoideo; con las vertientes de
la polea se corresponden las dos caras laterales de la rótula, continuadas,
por parte de la tibia, cada una por la cavidad glenoidea correspondiente.
Así, pues, la articulación de la rodilla presenta todos los elementos
morfológicos que caracterizan las articulaciones trocleares, por lo cual resulta
plenamente justificado el sitio que le hemos asignado a la nomenclatura.
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Figura No. 4
CORTE FRONTAL DE LA RODILLA DERECHA, PARA DEMOSTRAR LAS RELACIONES RESPECTIVAS DE LAS SUPERFICIES ARTICULARES Y
EL VARIABLE ESPESOR DE LOS REVESTIMIENTO CARTILAGINOSOS.
Fuente: Testut y Latarjet (1978)
MOVIMIENTOS
La articulación de la rodilla disfruta principalmente de los dos
movimientos fundamentales que caracterizan las articulaciones trocleares: la
flexión y la extensión. Tiene, además, movimientos de rotación y de
inclinación lateral (Testut, Latarjet).
a. Flexión y Extensión. La flexión es un movimiento por el cual la
cara posterior de la pierna se aproxima a la cara posterior del muslo, y la
extensión, un movimiento en sentido opuesto, por el cual las dos precitadas
superficies se separan una de otra. Por lo demás, estos dos movimientos
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pueden ejecutarse de tres modos distintos, moviéndose la tibia sobre el
fémur, moviéndose el fémur sobre la tibia y moviéndose simultáneamente los
dos huesos uno sobre otro.
Por otra parte, los dos movimientos de flexión y extensión no son
nunca movimientos puros y aislados, pues la observación directa demuestra
claramente: primero, que la flexión se acompaña constantemente de una
rotación de la tibia hacia dentro o, lo cual viene a ser lo mismo, de una
rotación del fémur hacia fuera; segundo, que la extensión va así mismo
asociada a una rotación de la tibia hacia fuera o del fémur hacia dentro.
La flexión y la extensión se efectúan alrededor de un eje
transversal que pasa aproximadamente por las dos tuberosidades condíleas,
o, de otro modo, por las dos inserciones femorales de los ligamentos
laterales y de los cruzados. Si suponemos el caso de que el muslo se mueve
sobre la pierna inmóvil, los cóndilos ruedan alrededor el precipitado eje, de
delante hacia atrás en la flexión y de atrás a delante en la extensión. Hemos
de añadir, no obstante, que el eje de rotación no es fijo, sino que varía a
medida que se efectúa el movimiento; esto es una consecuencia de la forma
misma de las superficies articulares condíleas, las que como hemos dicho
antes, no son regularmente esféricas, pues su radio de curvatura aumenta
gradualmente de atrás a delante. Pero no es esto todo, pues los dos
cóndilos no se limitan a rodar sobre sus glenas respectivas, como las dos
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ruedas de un carro sobre el suelo, sino que, como desde hace mucho tiempo
han dejado consignado los hermanos Weber, se deslizan sobre sus glenas a
medida que se efectúa el movimiento de rotación. Estos dos movimientos,
deslizamiento y rotación, son simultáneos, y es de notar que los cóndilos más
se deslizan que ruedan.
El movimiento de deslizamiento de los cóndilos tiene su razón de
ser en la disposición que existe entre la superficie articular condílea, que es
relativamente más larga, y la glena tibial, que es mucho más corta. Por lo
demás, esto queda demostrado por el experimento siguiente de los
hermanos Weber (Figura No.5). Abrase una rodilla en extensión y señálense
en ella dos puntos a (en el fémur) y b (en la tibia), por los que los dos huesos
estén en mutuo contacto. Hecho esto, dóblese el fémur sobre la tibia, y
entonces veremos (trazo encarnado en la figura No. 5) que el punto de
contacto tibial de las superficies articulares ha retrocedido desde b hasta b´,
y el punto femoral ha subido de a hasta a´. Ahora bien, si medimos la
distancia que separa b de b´ y a de a´, obtendremos cifras muy diferentes.
Si el cóndilo se limitase a rodar como la rueda de un carro sobre el plano
horizontal en que se apoya, las dos distancias serían exactamente iguales; si
resultan desiguales es porque el cóndilo, al propio tiempo que rueda, se
desliza de atrás a delante sobre la superficie de la tibia.
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De modo que, en la flexión del muslo sobre la pierna inmóvil, los
cóndilos ruedan de delante atrás, al mismo tiempo que se deslizan de atrás a
delante sobre las cavidades glenoideas de la tibia. Del mismo modo, en la
extensión del muslo sobre la pierna, los cóndilos, moviéndose en sentido
inverso, ruedan de atrás a delante al mismo tiempo que se deslizan de
delante atrás.
Figura No. 5
CORTE SAGITAL DEL CÓNDILO INTERNO Y DE LA CAVIDAD GLENOIDEA PARA DEMOSTRAR EL MODO DE LOCOMOCIÓN DEL
FÉMUR EN LA FLEXIÓN Y EN LA EXTENSIÓN (MODIFICADO SEGÚN BUGNION).
El trazo negro indica el fémur en estado de extensión, el trazo encarnado, en estado de flexión. a y b, dos puntos por los cuales el fémur y la tibia se tocan en la extensión. a´ y b´ las nuevas posiciones que toman los puntos precipitados en la flexión. c, impresión condilotroclear. a, d, cartílago semilunar.
Fuente: Testut y Latarjet
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Los movimientos de flexión y extensión son muy extensos: el
camino que recorre la pierna al pasar de la extensión varía, según los casos,
de 130 a 160°. << La amplitud del movimiento del gínglimo, dice Bugnion,
desde 130° aproximadamente (según nuestras medidas) cuando lo
efectuamos lentamente por la acción de los músculos; nuestros flexores,
especialmente el semimembranoso y del bíceps femoral, háyanse insertos de
modo muy favorable para que puedan llevar más lejos la flexión. Pero si
contraemos bruscamente esos músculos, dando a la pierna una impulsión
súbita, el grado de la flexión aumenta, hasta el punto de que el talón viene a
dar contra la tuberosidad del isquion. Los mismo puede efectuarse
pasivamente cogiendo el pie con la mano para doblar por completo la rodilla,
y esto se realiza con facilidad tanto mayor cuanto que en este caso obramos
sobre un brazo sobre un brazo de palanca muy largo. Lo mismo sucede
cuando, estando de rodillas, nos agachamos sobre el suelo hasta dar con el
isquion al talón. En este momento el ángulo de flexión puede evaluarse en
150° ; en el cadáver puede llegar a 155 y hasta 160°. >>
b. Rotación. La pierna rueda sobre el muslo (o el muslo sobre la
pierna) lo mismo hacia dentro que hacia fuera: en la rotación hacia dentro la
punta del pie se acerca al plano medio y, al contrario, se aleja de él en la
rotación hacia fuera. Estos movimientos de rotación van por lo común
unidos, como ya hemos visto anteriormente, a los dos movimientos de flexión
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y extensión; pero, además de esta rotación que llamaremos combinada, la
rodilla presenta otra rotación independiente, es decir, que se efectúa sin
relación con los movimientos de flexión y extensión.
Los movimientos de rotación se ejecutan alrededor de un eje
vertical que pasa, no precisamente por la parte media de la articulación, sino
un poco por dentro de esta parte media, por la tuberosidad interna de la
espina tibial. De ello resulta que las dos tuberosidades de la tibia (los dos
cóndilos cuando es el fémur el que se mueve) cambian ambas de sitio pero
en sentido inverso, dirigiéndose una hacia delante cuando la otra se dirige
hacia atrás, y viceversa. De ello resulta también que el cóndilo externo, por
efecto de la mayor longitud de su brazo de palanca, se disloca en una
extensión mayor que el cóndilo interno.
La amplitud de los movimientos de rotación presenta extensas
variaciones individuales, y respecto de este particular hemos de distinguir la
rotación voluntaria y la rotación pasiva. La rotación voluntaria es la que uno
mismo imprime a la pierna contrayendo los músculos rotatorios;
ordinariamente es insignificante, por no decir nula. La rotación pasiva, es
decir, la que se imprime a la pierna de otro sujeto acogiéndola con las manos
y comunicándole un movimiento de rotación sobre el muslo previamente
sujetado, es mucho más extensa y oscila entre 35 y 40°.
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Los experimentos de Bugnion sobre este particular nos enseñan
que la amplitud de la rotación independiente varía mucho según la posición
que ocupa la pierna: nula en la extensión , aumenta rápidamente al empezar
el movimiento de flexión y alcanza un máximo entre los 40 y 60° de flexión
completa no pasa de 2 a 6°.
c. Inclinación lateral. Fijado el fémur en un torno y colocada la
pierna en semiflexión, pueden comunicarse la tibia ligeros movimientos de
inclinación lateral, ya hacia dentro (inclinación lateral interna), ya hacia fuera
(inclinación lateral externa). Estos movimientos son todavía más limitados
que los de la rotación: las oscilaciones que en este sentido pueden
imprimirse a la extremidad inferior de la tibia, en condiciones ordinarias, no
pasan de 2 a 2 y medio centímetros de amplitud. Los movimientos laterales
de la tibia están limitados por la tensión de los ligamentos laterales y de los
ligamentos cruzados. Por lo demás, disminuyen a medida que nos alejamos
de la semiflexión : apenas apreciables en la flexión extrema, son nulos en la
extensión completa.
ACCIÓN DE LOS LIGAMENTOS Y DE LOS MENISCOS EN LOS MOVIMIENTOS DE LA RODILLA.
a. Ligamento rotuliano. La rótula, íntimamente ligada a la tibia
por el ligamento rotuliano, acompaña a este último hueso en sus
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desplazamiento: deslizándose a lo largo de la tróclea femoral, baja en la
flexión y sube en la extensión. En la extensión normal, estando el sujeto de
pie, la base de la rótula se encuentra situada a la altura de la tróclea o algo
por debajo de la misma; en la flexión extrema corresponde al cóndilo por su
parte superior y por su parte inferior al paquete adiposo anterior de la rodilla
que la separa de la tibia.
b. Función y desplazamiento de los meniscos. La acción de
los meniscos ha adquirido mucho importancia desde que se estudian sus
lesiones traumáticas. Tomamos las líneas que siguen de la documentada
comunicación de Mouchet y Tavernier (1970, Pág. 560):
§ Los meniscos completan a la manera de rodetes glenoideos y
cotiloideos las superficies glenoideas de la tibia; con sus bordes elevados
estas superficies se convierten en verdaderas cavidades en las que son
recibidos los cóndilos. Los meniscos reparten, pues, de una manera regular
la presión de los cóndilos femorales sobre las mesetas de la tibia. Como
dicen muy bien Dujarier y Braine, no hacen el oficio de talones debajo de
una pierna demasiado corta; son más bien comparables, como decía
Farabeuf, a los rodetes que emplean los panaderos que llevan los cestos la
cabeza. Esta comparación no siempre es enteramente justa, pues el rodete
del panadero sostiene todo el peso de la carga, mientras que el apoyo del
cóndilo femoral se hace directamente sobre la parte central de la meseta
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tibial y los meniscos no soportan en condiciones normales más que una
pequeña porción de presión. Su sección triangular los hace huir
constantemente bajo la presión como una pepita de naranja apretada entre
los pulpejos de los dedos. Las conexiones que los unen a la tibia son
sólidas, pero demasiado laxas para mantenerlos en su lugar bajo la presión.
Su papel es, es suma, secundario. Consiste principalmente en rellenar el
espacio angular que separa las superficies del fémur de las de la tibia,
adaptándose sin cesar a la forma de este espacio que varía según las
posiciones de la rodilla.
§ Se comprende, por consiguiente, que en su supresión operatoria no
dificulta mucho el juego de la articulación. El espacio que queda vacío es
ocupado por el líquido sinovial.
§ Así se explica que en esta huida incesante ante la presión femoral
que los rechaza hacia delante en la extensión y hacia atrás en la flexión,
pueden ser pellizcados por el condilo que los tritura o arranca.
§ Estos desplazamientos de los meniscos en los movimientos han sido
estudiados con mucha precisión en los trabajos clásicos, a los que nada hay
que añadir.
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§ En la flexión de los meniscos se desplazan de delante atrás sobre la
meseta tibial y aproximan uno a otros por sus extremos posteriores.
§ En la flexión completa del menisco externo esta a mas de un
centímetro y el menisco interno a ocho milímetros aproximadamente por
detrás del borde anterior de la meseta tibial. “ La parte anterior de las
cavidades glenoideas esta, pues, al descubierto ( Roud ) figura 6 . Los
meniscos se hacen mas anchos y mas cortos porque no están en relación
mas que con la cara posterior, poco extensa, de los condilios femorales”.
§ En la extensión los meniscos se desplazan de atrás a delante y se
aproximan uno al otro por delante.
§ En la extensión completa los meniscos llegan al borde anterior de la
meseta tibial. La parte posterior de las cavidades glenoidales queda al
descubierto en la (Fig. No 6) y los meniscos se tornan alargados y
adelgazados, pues la extensa cara inferior de los cóndilos femorales los
comprime.
§ Estos deslizamientos de los meniscos sobre la meseta tibial no
pueden producirse sin ocasionar de forma de estos fibrocartílagos, puestos
que sus extremos son fijos.
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§ En la rotación de la pierna, los desplazamientos de los meniscos
están mucho mas limitados que en la flexión y la extensión. El movimiento de
rotación de la pierna hacia fuera, aquel en cuyo curso se producen tan a
menudo las lesiones meniscales, la parte anterior del menisco interno sigue a
la cápsula a la que se adhiere y la que se mueve de atrás a delante y de
adentro a fuera, mientras que su extremo posterior es rechazado hacia tras
por el condilo femoral que resbala en este sentido, de lo que resulta una
fuerte tracción del menisco que puede ocasionar el arrancamiento de su
cuerno anterior o la fisuración del menisco.
Figura No 6
DESPLAZAMIENTOS DE LOS MENISCOS (MOUCHET Y TAVERNIER)
Fuente: Testut y Latarjet
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c. Funcionamiento de los ligamentos cruzados. Los
ortopedistas ingleses han estudiado particularmente en estos últimos tiempos
la acción de los ligamentos cruzados. Según ellos, el ligamento cruzado
anterior se pone tenso en la extensión, se relaja en la flexión ligera y se pone
de nuevo tenso en la hiperflexión . El ligamento cruzado posterior se pone
tenso en la flexión completa, se relaja en la semiflexión y se tiende
ligeramente de nuevo en la extensión. En la extensión completa el ligamento
cruzado anterior se opone a la movilidad antero posterior,; cruzado posterior
cumple el mismo papel en la flexión. En semiflexión es posible, pues, obtener
un ligero deslizamiento antero posterior de la tibia sobre el fémur. En esta
misma posición es posible un poco de rotación interna por la relajación del
ligamento cruzado anterior y el ligamento interno. No creemos que esta
rotación esté limitada por el cruzamiento de los ligamentos cruzados. La
rotación externa es relativamente fácil: está limitada por las fibras
superficiales del ligamento lateral interno y por el ligamento cruzado
posterior.
La rotura o la distensión de los ligamentos cruzados se manifiestan
por la posibilidad de movimientos de deslizamientos antero posterior (signo
del cajón), y por un aumento de los movimientos de rotación.
51
d. Ligamentos laterales. Los ligamentos laterales se ponen
ambos tensos en la extensión y contribuyen a restringir este movimiento;
pero éste se halla particularmente limitado por la tensión del ligamento
posterior (ligamento de Winslow) de la articulación de la rodilla y por el
ligamento cruzado anterior. Accesoriamente estos ligamentos laterales, el
cruzado posterior y los músculos isquiotibiales, limitan la extensión. En la
flexión completa el ligamento lateral externo se relaja, mientras que el interno
queda ligeramente tenso. En la semiflexión se obtiene su relajación máxima.
MÚSCULOS MOTORES
Los músculos motores de la articulación de la rodilla se dividen,
según el movimiento que determinan, en flexores, extensores, rotatorios
hacia fuera y rotatorios hacia dentro:
a. Son flexores: principalmente, el bíceps y el semimembranoso;
accesoriamente el semitendinoso, los gemelos, el poplíteo, el plantar
delgado, el sartorio y el recto interno.
b. Son extensores: el cuadriceps (principalmente sus tres
porciones de inserción femoral) y el tensor de la fascia lata.
52
c. Son rotatorios hacia fuera: los fascículos largo y corto del
bíceps.
d. Son rotatorios hacia dentro: el semimembranoso, el poplíteo
y los tres músculos de la pata de ganso (semitendinoso, recto interno y
sartorio).
Comparados entre sí por su volumen y fuerza los grupos
musculares recíprocamente antagonistas distan mucho de ser equivalentes.
Las medidas tomadas por los hermanos Weber nos enseñan, respecto a este
particular, que el peso de los flexores (sin los gemelos, el plantar y el
poplíteo) es de 818 gramos, al paso que los extensores pesan 1.291 gramos;
y, por otra parte, los rotatorios hacia dentro pesan 566 gramos y los rotatorios
hacia fuera pesan tan sólo 275 gramos. Resulta, pues, que los extensores
superan a los flexores, y los rotatorios hacia dentro son superiores a los
rotatorios hacia fuera.
El predominio de los extensores sobre los flexores se explica por
el hecho de que los extensores, cuando se contraen para enderezar el muslo
sobre la pierna, luchan contra el peso del cuerpo entero, obstáculo adicional
que no existe en los movimientos de flexión. Respecto del predominio de los
rotatorios hacia dentro sobre los rotatorios hacia fuera, depende, como
observa Bugnion, de que la flexión combinada con la rotación hacia dentro es
53
el movimiento típico habitual, y la rotación hacia fuera sólo un movimiento
excepcional.
1.3. CONSIDERACIONES MÉDICAS
Según Clarencio Galeno y María Márquez en su obra
“Goniometría Articular” (1990, Pág. 130), plantean las siguientes
consideraciones:
En todas las mediciones se tomará en cuenta la posición
anatómica como posición de partida, exceptuando la articulación del tobillo.
Los puntos de referencias serán ubicados por el operador
mediante palpación.
Es muy importante que el evaluador realice una exploración
pasiva sin instrumento, con la finalidad de estimar la amplitud; luego se
efectúa activamente la goniometría y se comparan los datos con la
articulación indemne.
En algunos casos la posición del evaluador no es la más indicada,
sin embargo, hemos preferido presentar esa disposición para mayor claridad
en la explicación del método. En todos los casos debe ajustarse el
goniómetro con ambas manos.
54
El instrumento para realizar las mediciones puede ser de material
plástico o de metal y tener diversas formas y tamaños, pero su construcción
obedece a un diseño básico: un cuerpo o protractor con una escala doble, un
eje y dos brazos.
La apreciación de la escala puede variar entre 1 y 5 grados. El
brazo estacionario puede contener divisiones en centímetros para la
medición de la amplitud digital.
El goniómetro debe alinearse al cuerpo del paciente tomando en
cuenta los puntos de referencia anatómicos y específicos de la parte a
evaluar, sin embargo, puede decirse que el brazo estacionario se coloca en
una línea paralela al eje longitudinal del segmento proximal y que el brazo
móvil se sitúa paralelamente del eje longitudinal al segmento distal.
El fulcro (centro) del goniómetro debe ser colocado en las
proximidades del eje de movimiento de la articulación. Puesto que este eje
puede cambiar durante la excursión, es preferible alinear perfectamente los
brazos del instrumento y al final del movimiento reajustar el fulcro a la
proximidad del eje de movimiento.
55
1.4. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LA ROBÓTICA
THE ROBOT INSTITUTE OF AMERICA define el robot como “un
manipulador multifuncional reprogramable, diseñado para desplazar
materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante
movimientos programados variables para el desempeño de diversas tareas”
(C. Belovep.1990, Pág. 1086).
Durante la década de 1.970 se combinaron adelantos sinérgicos
en microprocesadores, controles, software, sensores y computadoras para
producir los robots adaptativos inteligentes de que ahora se dispone.
La palabra robot proviene de la palabra checa robota, que significa
trabajo. El diccionario Webster define a un robot como “un dispositivo
automático que efectúa funciones ordinariamente asignadas a los seres
humanos”. Según K. S. Fu define que “un robot industrial es un manipulador
de uso general controlado por computador que consiste en algunos
elementos rígidos conectados en serie mediante articulaciones prismáticas o
de revolución”.
Según la definición de los robots se puede clasificar en función de
sus componentes principales: Clasificación de robots industriales, tipo de
manipulador, tipos de controladores y motores primario.
56
OBJETIVOS DE LA ROBÓTICA
En análisis, las consecuencias más evidentes de la utilización de
los robots son el aumento de la productividad y la mejora de la calidad de los
productos, pues la repetibilidad y la precisión son dos de sus características
fundamentales. Estas ventajas se constatan más ampliamente, en los países
desarrollados, como EE.UU., Japón y Europa.
Las causas que ocasionan la mejora de la productividad son:
§ Aumento de la velocidad en los procesos productivos.
§ La repetición automática de los movimientos del robot, con
optimización de la velocidad, representa una reducción en el ciclo parcial
controlado por el manipulador, así como un incremento del rendimiento total
de la producción.
§ El elevado tiempo de funcionamiento sin fallos que es previsible
esperar de un robot repercute, favorablemente, en la consecución de un
trabajo uniforme e ininterrumpido.
57
§ Mantenimiento reducido y empleo de módulos normalizados en la
reparación de averías, con lo que se consigue minimizar los tiempos de
parada.
§ Optimización sustancial del empleo del equipo o maquinaria
principal a la que el robot alimenta en numerosas aplicaciones. El robot
permite trabajar a la máxima velocidad a las máquinas que atiende, así como
operar con las características más favorables de los equipos junto con los
que trabaja.
§ Acoplamiento ideal para producciones de series cortas y medianas.
La fácil programación, unida a la adaptabilidad de numerosas herramientas
de trabajo, permite al robot constituirse como una célula flexible de
fabricación.
§ Rápida amortización de la inversión. La sustitución de la mano de
obra que el robot introduce va acompañada de una reducción importante de
los costos directos e indirectos.
Cabe destacar, entre estos últimos, un mejor uso de las
herramientas, lo que implica una mayor duración de las mismas.
58
CONFIGURACIÓN BÁSICA DE LOS ROBOTS
De una forma global, se puede considerar que un robot se
compone fundamentalmente de tres partes:
EL MANIPULADOR
El manipulador constituye la parte mecánica del robot. Está
formado por:
§ Varios elementos relacionados entre sí mediante uniones que
permiten su movimiento relativo. Se denomina a estas uniones “pares
cinemáticos” y generalmente, el movimiento relativo permitido es una
rotación alrededor de un eje (par de rotación) o una traslación (par
prismático).
§ Dispositivos de agarre y sujeción (gripping mechanism), y que
poseen la capacidad de sujetar, orientar y operar sobre las piezas
manipuladas. En ocasiones, en lugar de un dispositivo de agarre, se coloca
una herramienta.
59
§ Sistemas motores, como motores eléctricos tipo paso a paso,
dispositivos neumáticos e hidráulicos, motores eléctricos de corriente
continua, etc. Estos sistemas proporcionan una energía mecánica, que se
transmite directamente o a través de elementos auxiliares, como engranajes,
correas dentadas, etc.
Dado que un robot dispone, generalmente, de manos o
herramientas intercambiables, se suelen hacer referencias, a veces al
manipulador.
LOS SISTEMAS SENSITIVOS
Son aquellos dispositivos que permiten la interacción del robot con
su entorno. Los sensores empleados pueden ser de varios tipos diferentes,
entre los cuales se encuentran:
§ De fuerza.
§ De visión.
§ De sonido.
Se denominan también, sensores del primer grupo, como “de
contacto directo”, mientras que los otros se conocen como “remotos” o de “no
contacto”.
60
Los sensores de contacto directo se han utilizado, principalmente,
para la búsqueda de objetos mediante peso, la medición de las fuerzas y
momentos que se producen al realizar determinadas tareas, etc.. En cuanto
a los sensores remotos, su forma de operación consiste en la identificación
de objetos en su entorno, localización, etc. Para ello se han utilizado medios
diversos, incluso el láser y dispositivos electro-óptico.
El control
Según el concepto de manipulador, el sistema de control debe
“controlar” el movimiento del mecanismo producido por la variación en el
tiempo de los grados de libertad. Existen diferentes técnicas de control
aplicado a robots; en efecto se puede controlar, únicamente, la posición o,
también, la velocidad (“control cinemático”). Si, además, se tiene en cuenta
las propiedades dinámicas del manipulador y de los motores, aparece el
denominado “control dinámico”. En el caso de considerar, la variación de los
parámetros del robot con la posición, surge “el Control Adaptativo” (Figura 7).
61
Posición
Adaptativo
Dinámico
Cinemático
De
De
Punto a
Velocidad
P. Dinámicas
Variación de parámetro
(K.S.Fu,1988) Figura No. 7
Clasificación de los robots.
La clasificación de los robots se describe según K. S. Fu como:
§ Robots inteligentes: Son manipuladores o sistemas mecánicos
multifuncionales controlados por computador, capaces de relacionarse con
un entorno a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto
programables). Actualmente se están dedicando grandes esfuerzos a la
investigación en este tipo de robots, pero se encuentran, aún, en una fase
62
prácticamente experimental, en la que la “inteligencia artificial” de que se les
intenta dotar se perfecciona día a día.
§ Robots con control por computadora: Son similares a los del
grupo anterior, pero carecen de capacidad de relacionarse con el entorno
que les rodea. Como puede verse, si se les añade los sensores adecuados y
el “software” operativo conveniente, se convierten en robots inteligentes.
§ Robots de aprendizaje: Se limitan a repetir una secuencia de
movimientos, realizada con la intervención de un operador y memorizada.
§ Manipuladores: Son sistemas mecánicos multifuncionales, cuyo
sencillo sistema de control permite gobernar el movimiento de sus elementos
de la siguiente manera:
Manual, cuando el operario controla directamente el manipulador.
De secuencia variable, cuando es posible alterar algunas de las
características de los ciclos de trabajo.
63
CLASIFICACIÓN MECÁNICA:
Los manipuladores pueden clasificarse conforme a su
configuración mecánica, como se explican sus disposiciones comunes:
§ Brazo articulado que gira en torno a un eje vertical y tres ejes
horizontales.
§ Brazo cartesiano o x-y-z que se mueve horizontalmente con
articulaciones en voladizo.
§ Brazo cilíndrico que gira en torno a un eje vertical y también tiene
movimiento radial.
§ Brazo esférico que gira en torno a los ejes vertical y horizontal y
también se mueve radialmente.
§ Robot con bastidor en forma de caja o de caballete que se
desplaza horizontalmente en X, Y y Z y que tiene una articulación extra en el
extremo del brazo suspendido, para la rotación de balanceo, cebeceo y
guiñada.
§ Brazo con dos articulaciones que giran en torno a ejes verticales,
una tercera que se mueve hacia arriba y abajo, y la capacidad de girar el
sujetador en torno a un eje vertical. Esta última configuración se conoce
como brazo robot de montaje con acomodación selectiva (SCARA) debido a
su capacidad inherente de desplazarse ligeramente en el plano horizontal
64
para compensar el desalineamiento de piezas sin permitir que estas giren, lo
cual podría causar su apretamiento.
CLASIFICACIÓN SEGÚN SUS MOVIMIENTOS:
La clasificación según sus movimientos descritas por K. S. Fu son:
§ Sin servocontrol: El programa controla el movimiento de los
diferentes componentes del robot que realiza en un posicionamiento “punto a
punto” en el espacio.
§ Con servocontrol: Este tipo de control permite, a su vez, dos
formas de trabajo.
§ Gobierno de los movimientos de los elementos del robot en
función de sus ejes: Los desplazamientos pueden realizarse punto a punto
con “trayectoria continua”. Los movimientos se establecen en función de la
posición respecto a los ejes de coordenadas (x, y, z) y de la orientación de la
mano o herramienta del robot.
65
CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES PARA ROBOTS
La clasificación de los controladores para los robots se detallan
como:
§ Control manual con botones de pulsación u otros.
§ Lógica de reveladores o neumática con secuencia fija.
§ Controlador programable.
§ Microprocesador con capacidad de servocontrol.
§ Control por computadora del movimiento con capacidad lógica.
§ Control por computador con capacidad de movimiento, lógica,
procesamiento de datos, detector (sensor) y comunicaciones.
En el nivel microprocesador con capacidad de servocontrol la
programación se realiza en el ámbito de un lenguaje ensamblador. Por
encima de este nivel suele requerirse un lenguaje de programación de alto
nivel para el control adecuado y detallado del manipulador.
Desde el punto de vista de análisis de control, el movimiento de un
brazo se suele efectuar en dos fases de control distintas. La primera es de
control del movimiento aproximado durante el cual el brazo se mueve desde
una posición / orientación inicial hasta la cercanía de la posición / orientación
final deseada a lo largo de una trayectoria planificada. El segundo es el
66
control del movimiento fino en el cual el efector final del brazo interacciona
dinámicamente con el objeto utilizando información de la reglamentación
sensorial para completar la tarea.
Los métodos industriales actuales para diseñar el sistema de
control de un robot tratan cada articulación del brazo como un
servomecanismo simple. El método del servomecanismo modela la dinámica
variable del manipulador de forma inadecuada porque desprecia el
movimiento y configuración del brazo en conjunto. El resultado es una
velocidad de respuesta y amortiguamiento del servo reducido, limitando la
precisión y velocidad del efector final, lo que les ha apropiado solamente
para las tareas de precisión limitada. Como resultado de ello, los
manipuladores controlados de esta forma se mueven a velocidades lentas
con vibraciones innecesarias.
LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN DEL ROBOT
Un gran obstáculo cuando se usan manipuladores como maquinas
de uso general es la dificultad de una comunicación eficiente y adecuada
entre el usuario y el sistema robot, de tal forma que el usuario pueda dirigir el
manipulador para cumplir la tarea dada. Hay varias maneras de comunicarse
con un robot, de las cuales utilizaremos los lenguajes de programación de
alto nivel.
67
Los lenguajes de programación de alto nivel suministran una
solución más general para resolver el problema de la comunicación hombre-
robot. En la década anterior, los robots fueron utilizados con éxito en áreas
tales como soldadura por arco voltaico o pintura con spry utilizando el
guiado. Estas tareas no requieren interacción entre el robot y su entorno y
pueden ser programadas fácilmente por guiado. Sin embargo, la utilización
del robot para llevar a cabo las tareas requiere interacción técnica de
programación en lenguajes de lato nivel ya que el robot de la línea de
producción suele confiar en la realimentación de los sensores y este tipo de
interacción solo pueden ser mantenida por métodos de programación que
contengan condiciones.
La programación de robots es bastante diferente de la
programación tradicional. Podemos definir varias consideraciones que
debemos mantener para cual método de programación de robots: los
objetos a manipular por un robot son objetos tridimensionales que tienen
numerosas propiedades físicas; los robots trabajan en un espacio
especialmente complicado; la descripción y representación de los objetos
tridimensionales en una computadora son imprecisas y la información de los
sensores tiene que ser controlada, manejada y utilizada de forma adecuada.
Por lo que se refiere a los lenguajes de programación aplicados a la robots,
son varios los que hoy en día, están desarrollados, los cuales se
68
mencionaran a continuación, WAVE, LAMA, VAL, AL, MAL, AUTOPASS,
etc. Asimismo, casi todos los lenguajes están capacitados para trabajar con
información procedente de sensores, es decir, enfocados, ya, hacia los
robots inteligentes. En estos robots el sistema de control debe ser capaz de
decidir automáticamente, planificar el trabajo, controlar los movimientos e
interpretar los datos suministrados por los sensores. Evidentemente que la
velocidad con que cuente el computador y la capacidad condicionan al robot
de una mejor forma.
Volviendo al tema de los lenguajes de programación de su
relación con el control se puede mencionar de una forma general que esto
permite realizarlo en cuatro estados diferentes, Motor, Mano de sujeción,
Objeto manipulado y tarea a realizar. (El cuarto estado puede ser realizado
en caso de ser un robot inteligente).
CARACTERÍSTICAS DE LOS LENGUAJES DE NIVEL DE
ROBOTS
El lugar se establece en un lugar del trabajo y quedan fijas las
partes que definen los objetos fijos y los alimentadores.
69
La tarea definida se divide en una secuencia de acciones tales
como las de los movimientos del robot, sujeción de objetos y desarrollo de
inserción.
Se añaden órdenes para que los sensores detecten situaciones
anormales, tales como la capacidad de localizar un tornillo. Se vigila el
proceso de tarea.
El programa queda depurado y mejorado por interacción por lo
mencionado con anterioridad.
CARACTERÍSTICAS DE LOS LENGUAJES A NIVEL DE
TAREAS
Un sistema de programación a nivel de tareas permite al usuario
describir la tarea en un lenguaje de alto nivel; un planificador de la labor
consultará una base de datos y transformará las especificaciones de las
tareas en un programa a nivel de robot. Si nos basamos en esta descripción,
podemos dividir la planificación de tareas en tres fases conceptuales:
Modelado del mundo, especificación de tareas y síntesis del programa.
Cada una de ellas se encuentra intrínsecamente relacionadas.
70
Como ejemplo una arquitectura posible para el planificador de la
tarea. La persona encargada de descomponer la tarea divide la
especificación de la tarea en una serie de sub-tareas y se extrae información
tales como, estado inicial, estado final, posición de sujeción, operando,
especificaciones y relaciones de aproximaciones. Las sub-tareas, por tanto,
pasan por el planificador de sub-tareas que generan el programa robot
requerido.
El concepto de planificación es bastante parecido a la idea de
generación automática de programas en inteligencia artificial. El usuario de
los requisitos de entrada y salida de un programa deseado y el generador de
programas nos da un programa que producirá el comportamiento deseado y
de entrada y salida (BAR y col. "1.981, 1.982").
Figura No. 8
Descomposición de la tarea
Planificación de
Especificaciones de
Modelo
..........
Conocimiento
Programa de
PLANIFICACIÓN DE LAS TAREAS
71
§ MODELIZACIÓN DEL MUNDO
Se necesita una modelización del mundo para describir las
propiedades geométricas y físicas de los objetos (incluyendo al robot) y para
representar al estado de la disposición de los objetos en el lugar de trabajo.
§ ESPECIFICACIÓN DE TAREA
La planificación de tarea se hace con un lenguaje de alto nivel. En
el nivel mas alto nos gustaría utilizar los lenguajes naturales para la entrada,
sin tener que dar todos los pasos. La solución actual es emplear un lenguaje
para la entrada con una sintaxis y cinemática bien definidas, donde
especificaremos la tarea completa.
Una tarea completa se puede escribir como una secuencia de
estados del modelo del mundo. Los estados se pueden obtener de las
disposiciones de los objetos en el lugar del trabajo y una forma de especificar
la configuración es utilizar las relaciones espaciales entre los distintos
objetos.
72
§ SÍNTESIS DE UN PROGRAMA PARA ROBOTS
La síntesis de un programa para robots desde una especificación
de tarea es una de las fases más importantes y difíciles de la planificación de
tarea. Los pasos principales de esta fase son la planificación de la sujeción,
planificación del desplazamiento y comprobación del plan. Antes de que se
pueda llevar a cabo la planificación, se debe convertir la especificación de la
tarea simbólica en una forma utilizable.
ESPECIFICACIÓN DE LA POSICIÓN
En los robots de la línea de producción, los robots y las partes
están, en general, confinadas a un lugar de trabajo bien definido. Lo habitual
es que las partes queden restringidas a objetos físicos fijos y alimentadores
para minimizar las incertidumbres de la posición. Trabajar con conjuntos de
partes situadas aleatoriamente requiere visión y ésta no constituye todavía
una práctica normal en la industria.
La solución más común utilizada para describir la orientación y
posición de los objetos en el lugar de los objetos en el lugar de trabajo es por
sistema de coordenadas. Se suelen representar por matrices de
transformación homogénea 4x4. Un sistema consta de una submatriz 3x3
73
(que especifica la orientación) y un vector (que especifica la posición) que
están definidos a un mismo sistema base.
ESPECIFICACIÓN DE MOVIMIENTO
La operación más común en los robots de la línea de producción
es la operación de recoger y colocar. Consiste en llevar al robot desde la
configuración inicial hasta la configuración de sujeción, recoger el objeto y
llevarlo hasta la configuración final. En general, el movimiento queda
especificado como una secuencia de objetivos de posición que el robot debe
tener. Sin embargo la simple especificación de las configuraciones inicial y
final no es suficiente. El sistema planifica el camino sin considerar los objetos
del lugar de trabajo y algunos obstáculos se pueden presentar en el camino
ya planificado. Para que el sistema genere un camino libre de choque, el
programador debe especificar los suficientes puntos intermedios o del paso
del camino.
Se puede especificar los objetivos de posición en un espacio de
segmentos variables o en un espacio cartesiano, dependiendo del lenguaje.
Una desventaja de esta clase de especificación es que el
programador debe planificar, por anticipado, todo el movimiento para poder
seleccionar los puntos intermedios. El camino resultante puede producir
74
movimientos impredecibles o ineficientes. Es más, describir un camino
complejo como una secuencia de puntos produce un programa largo de
forma inevitable.
CINEMÁTICA Y DINÁMICA DEL BRAZO DEL ROBOT
La cinemática del brazo del robot trata con el estudio analítico de
la geometría del movimiento de un brazo de robot con respecto a un sistema
fijo de coordenadas de referencia sin considerar las fuerzas o momentos
que originan el movimiento. Así, la cinemática se interesa por la descripción
analítica del desplazamiento espacial del robot como una función del tiempo,
en particular de las relaciones entre la posición de las variables de
articulación y la posición y orientación del efector final del brazo del robot.
La dinámica del robot, por otra parte, trata con la formulación
matemática de las ecuaciones del movimiento del brazo. Las ecuaciones
dinámicas de movimiento de un manipulador son un conjunto de ecuaciones
matemáticas que describen la conducta dinámica del manipulador. Tales
ecuaciones de movimientos son útiles para simulación en computadora del
movimiento del brazo, el diseño de ecuaciones de control apropiadas para el
robot y la evaluación del diseño y estructura cinemática del robot.
75
PLANIFICACIÓN DE LA TRAYECTORIA Y CONTROL DEL
MOVIMIENTO DEL MANIPULADOR
Con el conocimiento de la cinemática y la dinámica de un
manipulador con elementos series, sería interesante mover los activadores
de sus articulaciones para cumplir una tarea deseada controlando al
manipulador para que siga un camino previsto. Antes de mover el brazo, es
de interés saber si hay algún obstáculo presente en la trayectoria que el
robot tiene que atravesar (ligaduras de obstáculos) y si la mano del
manipulador necesita viajar a lo largo de una trayectoria especificada
(ligaduras de trayectoria). El problema del control de un manipulador se
puede dividir convenientemente en dos subproblemas coherentes: El
subproblema de planificación de movimiento (o trayectoria) y el subproblema
de control de movimiento.
La curva espacial que la mano del manipulador sigue desde una
localización inicial (posición y orientación) hasta una final se llama la
trayectoria o camino. La planificación de la trayectoria (o planificador de
trayectoria) interpola y / o aproxima la trayectoria deseada por una clase de
ecuaciones polinomiales y genera una secuencia de puntos de "consigna de
control" en función del tiempo para el control del manipulador desde la
posición inicial hasta el destino.
76
En general, el problema de control de movimientos consiste en: 1)
obtener los modelos dinámicos del manipulador, 2) utilizar estos modelos
para determinar leyes o estrategias de control para conseguir la respuesta y
el funcionamiento del sistema deseado. Desde el punto de vista de análisis
de control, el movimiento del brazo de un robot se suele realizar en dos fases
de control distintas. La primera es el control del movimiento de aproximación
en el cual el brazo se mueve desde una posición / orientación del destino
deseado a lo largo de una trayectoria planificada. El segundo es el control del
movimiento fino en el cual el efector final del brazo interacciona
dinámicamente con el objeto utilizando información obtenida a través de la
realimentación sensorial para completar la tarea.
Los enfoques industriales actuales para controlar el brazo del
robot tratan cada articulación como un servomecanismo de articulación
simple. Este planteamiento modela la dinámica de un manipulador de forma
inadecuada porque desprecia el movimiento y la configuración del
mecanismo del brazo de forma global. Estos cambios en los parámetros del
sistema controlado algunas veces son bastante significativos para ser
ineficaces las estrategias de control por realimentación convencional. El
resultado de ello es una velocidad de respuesta y un amortiguamiento del
servo reducido, limitando así la precisión y velocidad del efector final y
haciéndolo apropiado solamente para limitadas tareas de precisión. Los
manipuladores controlados de esta forma se mueven a velocidades lentas
77
con vibraciones innecesarias. Cualquier ganancia significativa en el
rendimiento de esta y otras áreas de control del brazo del robot requieren la
consideración de modelos dinámicos más eficientes, enfoques de control
sofisticados y el uso de arquitecturas de ordenadores dedicadas y técnicas
de procesamiento en paralelo.
1.5. SISTEMA DE INFORMACIÓN
Antes de definir lo que se entiende por sistema de información, se
hace necesario acotar que un Sistema es un gran número de objetos,
conceptos o conjunto de ambos, que ordenadamente se relacionan entre sí,
donde existe un conjunto de elementos asociados, existiendo un sistema. Así
mismo la teoría de sistemas según Senn, señala que un sistema es un
conjunto de entidades enmarcadas en una frontera, las cuales se asocian
entre sí y salen al medio exterior del sistema, con la finalidad de conseguir su
objetivo.
De tal manera que el Sistema de información es aquel en el cual
sus salidas y entradas están constituidas plenamente por información o
datos. El sistema procesa los datos de entrada y luego los convierte en
información de salida.(Senn)
78
Los sistemas de información no siempre son automatizados, solo
lo son cuando se hace uso del computador para ejecutar las tareas
asociadas al sistema.
Si no interviene el computador como herramienta en la ejecución
de tales tareas, el sistema es denominado Sistema Manual de información.
Un sistema de información automatizado está constituido por
subsistemas que incluyen hardware, software y medios de almacenamiento.
OBJETIVOS DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN
Los objetivos de un sistema de información son la razón de su
existencia, ya que loa caracterizan como tal, estos son:
§ Interactuar con el medio ambiente, con el fin de la obtención de
información y adaptación a los cambios que el medio produzca.
§ Permitir la captura y el proceso de los datos por las transacciones y
entidades, también distribuir la información a la empresa y su medio.
§ Facilitar la información para la ejecución de tareas, operaciones y
funciones de una organización en todos sus niveles.
79
FUNCIONES DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN
Básicamente las funciones de un sistema de información son las
de mantener en una constante retroalimentación el archivo y el
procesamiento de datos, además producir información y reportes.
Sin embargo, de una forma más detallada un sistema de
información debe ocuparse de:
§ Mantener el archivo de datos: su función principal es la de
ejecutar las operaciones básicas (ingresos, modificaciones y eliminación) de
archivos o registros de una base de datos o cualquier dispositivo de
almacenamiento.
§ Procesar los datos: se basa en el ordenamiento, clasificación y
cálculo de los datos originados por cualquier actividad o tomados
directamente de los medios de almacenamiento.
§ Producir información y reportes: se encarga de convertir todos
los datos originados de los procesamientos en información útil para el
usuario. Esta información, originada de las necesidades requeridas de las
bases de datos que pueden visualizarse por reportes tanto en pantalla como
en el medio impreso.
80
CICLO DE VIDA DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN
El ciclo de vida es un conjunto de actividades que realiza un grupo
de personas calificadas y capacitadas para el análisis, diseño e
implementación de un sistema de información (no siempre existe la
necesidad de la presencia de un grupo, esto es ya que un solo individuo
puede cumplir con tales funciones en conjunto). El ciclo de vida para el
desarrollo de sistemas de información debe cumplir con las siguientes
etapas:
§ Investigación preliminar.
§ Determinación de los requerimientos.
§ Diseño del sistema.
§ Desarrollo del software.
§ Prueba del sistema.
§ Implantación y evaluación.
Mas adelante, estas serán estudiadas en el capítulo III, habida
cuenta de ser seleccionadas las mismas y su correspondiente autor como la
metodología a utilizar en la investigación.
81
1.6. SOPORTES TÉCNICOS DE LA INTERFAZ
Para Peter Dyson (1.994, p.124) Una interfaz es un conjunto de
normas que definen la interconexión entre dos dispositivos que pueden
realizar funciones diferentes. Punto donde se hace la conexión entre dos
dispositivos de hardware, entre un usuario y un sistema o programa, o
simplemente entre dos aplicaciones.
Senn (1.992 p.518) define la interfaz como "una frontera entre el
usuario y la aplicación del sistema de cómputo (el punto donde el individuo y
la computadora interactúan)".
Como puede inferirse, sus características influyen en la eficiencia
del usuario, al igual que en la frecuencia de errores cuando se introducen
datos o instrucciones.
OBJETIVOS DE LA INTERFAZ
Recopilando los criterios de todos los anteriores autores referidos,
se concluye indicando a juicio de la presente investigación que estos
objetivos son:
82
§ Eficacia al lograr mediante el diseño de interfaces que tengan
enlaces exactos, o sea, que sea congruente con las necesidades de los dos
archivos.
§ Eficacia demostrada a través de interfaces que mejoran la
velocidad de enlace y de intercambio de datos para reducir errores.
§ Mostrar un diseño de interfaz adecuado para favorecer un
intercambio adecuado.
§ Productividad, considerada a través del apego a los principios del
diseño ergonómico de las interfaces y de sus áreas de trabajo.
FORMATO Y FUNCIÓN DE LAS INTERFACES
Cada interfaz posee una estructura y función específica. Las
señales eléctricas poseen una estructura constituida por niveles de tensión,
frecuencias y duración.
Lo que se trata de precisar es que, los mensajes de datos que un
dispositivo o programa pasa a otro poseen un formato particular.
De allí que al nivel del hardware, las señales electrónicas activan
funciones; los datos son leídos, grabados, transmitidos, recibidos, analizados
para verificar errores, etc.
83
Así mismo, a nivel de software las instrucciones activan el
hardware, método de acceso, protocolos de enlaces de datos, etc.
Sin embargo, a niveles más altos los datos transferidos o
transmitidos pueden por si mismos requerir la ejecución de funciones (cliente
/ servidor, programa - programa, etc.).
2. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
ARTICULACIÓN
Conexión entre los huesos. Se clasifican según su estructura y
movilidad, como fibrosa, cartilaginosa o sinovial (Galeno y Márquez, 1990,
Pág. 90).
CONDILEA, ARTICULACIÓN
Articulación sinovial en la que un condilio se aloja en una cavidad
elíptica, tal como ocurre en la articulación de la muñeca (Testut y Latarjet,
1978, Pág. 1089).
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CONDILO
Proyección redondeada que se encuentra en el extremo de un
hueso en la que se inserta los tendones de los músculos y se articula con los
huesos adyacentes (Testut y Latarjet, 1978, Pág. 1089).
ESCOTADURA
Incisura o depresión, principalmente en el borde de un hueso u
otro órgano.
REHABILITACIÓN
Restitución de un individuo o un órgano a la normalidad después
de una enfermedad incapacitante, una lesión o un periodo de adición o
encarcelamiento(Galeno y Márquez, 1990, Pág. 92).
TRODEA
Superficie lisa articular sobre la cual se desliza otra.
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3. SISTEMA DE VARIABLES
§ PROTOTIPO
Conceptualmente, es Modelo o versión inicial de un producto,
previsto para probar y desarrollar el diseño. Antes de invertir en el equipo
necesario para fabricar en serie un producto, el fabricante debe estar
convencido de que el diseño es seguro y fiable. Los diseñadores e ingenieros
emplean prototipos para conseguirlo.
Operacionalmente, son versiones iniciales de proyectos que al
estar en períodos de pruebas prolongadas antes de su manufacturación en
escala, pueden así confirmar anomalías antes de salir al mercado.
§ MANIPULADOR
Conceptualmente, Un manipulador mecánico se puede modelar
como una cadena articulada en lazo abierto con unos cuerpos rígidos
(elementos) conectados en serie por una articulación de revolución o
prismática movida por actuadores. La parte final de una de las bases de la
estructura se une a una base soporte mientras que el otro está libre y unido
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con una herramienta (efector final) para manipular objetos o realizar tareas
de montaje.
Operacionalmente, un manipulador es la unión de varios
elementos u objetos que interceptados entre sí por maquinarías controladas
por operadores, permiten realizar una tarea con una velocidad mayor y con
un margen de error mínimo.
§ ARTICULACIÓN DE LA FLEXIÓN DE RODILLA
Conceptualmente, La articulación de la rodilla establece la unión
entre el muslo y la pierna. En los vertebrados inferiores, los dos huesos de la
pierna, casi de igual valor, entran en relación con la extremidad inferior del
hueso del muslo (Galeno,1990,Pág. 70).
Operacionalmente, La articulación de la rodilla es la intersección
de los músculos y cartílagos que constituyen las partes entre la pierna y el
muslo, esto con la finalidad de permitir flexibilidad en la unión para así
permitir movilidad alguna.