Diseño e implementación de una mano robótica

antropomórfica

Abstract- The improving in the technology and robotics is

imminent in the present, men has been created a need to solve

their problems. For this reason, men create the need of create a

robotic hand for being used as a methodological model for

disabilities. Where the problematic is defined, it proceeds to

realize a model with anthropomorphic characteristics as the

hands have.

The human hand is characterized for having 21 grades of liberty.

Taking into account the necessary movements for the sign

language learning, it is required 15 grades of liberty. Through

theory of physiologic and biomechanics it makes a model

cinematic of the hand. This model will have the movements of

each phanlanx to generate signs language.

RESUMEN

El avance en la tecnología y la robótica es inminente en la actualidad,

pues el hombre ha creado una necesidad hacia esta para solucionar

sus problemas por esta razón se ve la necesidad de crear una mano

robótica para ser utilizada como un modelo metodológico para

discapacidades. Al definir dicha problemática se procede a realizar

un modelo con las características antropomórficas que tiene una

mano.

La mano humana se caracteriza por tener 21 grados de libertad al

tener en cuenta los movimientos necesarios para el aprendizaje de

señas se requieren 15 grados de libertad, a través de teoría fisiológica

y biomecánica se genera un modelo cinemático de la mano, este

modelo tendrá en los movimientos de cada falange para así generar

señas.

I. INTRODUCCION

Una de las principales características que tiene el hombre es poder

expresarse con conciencia e intercambiar información para trasmitir o

recibir algún mensaje. Esta característica se conoce como

comunicación. Siendo así, una necesidad básica del hombre.

Popularmente este método es realizado verbalmente, aunque, no todos

tienen la habilidad de poder comunicarse de esta manera, existen

algunas limitaciones físicas que generan buscar alternativas para la

comunicación.

La Mecatrónica como solución, busca crear un prototipo de mano

robótica. Ejemplos de estos son: Mano Robótica teleoperada [23],

quienes realizaron una mano robótica teleoperada a través de un

modelo antropomórfico para hacer funcionar esta con teleoperacion

aptica, Riaño David y Méndez Johanna [24] estudiando el

comportamiento de una mano al sujetar objetos a través de cinemática

directa e inversa. López Albeiro y Bertel Yefferson [25] generando un

diseño antropomórfico con un modelamiento matemático basado en

cinemática y el método de newton- Euler. De Lara Gabriel [26] el

control de una robótica realizando su cinemática en Matlab, López

Juan Pablo [27] quien demostró como consideración esencial en el

diseño de una mano la cinemática.

En la actualidad, la robótica busca un enfoque dinámico, complejo y

apto para cualquier tipo de movimiento teniendo en cuenta modelos

económicos, con poco peso y que cumplan más de una funcionalidad.

Los robots antropomórficos son capaces de cumplir tareas que un

humano puede realizar cotidianamente. En este caso se enfocó en la

mano y en las señas que se realizan, buscando así generar un modelo

cinemático para replicar estos movimientos.

II. ANTECEDENTES

1. Mano NTU [1].

Mano con 5 dedos y 17 grados de libertad, donde en el dedo pulgar y

en el dedo índice tiene 4 grados de libertad. Mientras que, en los otros

dedos presenta 3. Se caracteriza por estar compuesta de motores y

sensores, estos están en la mano. Desarrollada por la universidad

nacional de Taiwán.

Figura 1. mano NTU [13].

2. Mano Stanford/JPL [2].

Mano con 2 dedos y 9 grados de libertad, su movimiento es generado

por servomotores (12) y cables como articulaciones.

Camila Clavijo Montes, José Manuel Garcia, Ruben Hernández, Oscar Avilés

Figura 2. Mano Stanford/JPL [2].

3. Mano Utah/MIT [3]

Mano con 4 dedos y 16 grados de libertad, su geometría es

antropomórfica y su dedo pulgar estático. Su movimiento se da a

través de 32 tendones independientes con actuadores neumáticos.

Figura 3. Mano Utah/MIT [3].

4. Mano DLR [4]

Es la primera versión mecatrónica. Tiene 4 dedos y 14 grados de

libertad, su movimiento es generado por motores DC y dispone de

sensores de fuerza y temperatura.

Figura 4. Mano DLR [4].

5. Mano robonaut [5]

Mano con 5 dedos y 12 grados de libertad en la mano, tiene 2 grados

de libertad en la muñeca. Tiene 43 sensores y fue implementada en el

robot robonaut.

Figura 5. Mano robonaut [5].

6. Mano ultraleve [6]

Mano con 5 dedos y 13 grados de libertad, su movimiento es

generado por 18 actuadores, estos integrados, para crear un diseño

compacto. Puede ser utilizada como prótesis de mano.

Figura 6. Mano ultraleve [6].

7. Mano Marcus [7]

Mano con 3 dedos y dos grados de libertad, con dos motores y

sensores de efecto hall para determinar la posición.

Figura 7. Mano Marcus [7].

8. Mano belgrade/UCS [8]

Mano con cuatro dedos y 3 articulaciones en cada dedo, cada uno

tiene un motor y el pulgar se mueve en un arco de oposición al resto

de los dedos. La palma de la mano tiene 23 sensores y cada motor

tiene encoder; mano desarrollada por la universidad de California y la

universidad de NoviSad en Belgrado.

9. Datos tecnicos de algunas manos roboticas existentes

Figura 8. Esquema Técnico de manos [9].

Figura 9. Manos Antropomorficas[9].

III. CRITERIOS DE EVALUACION

Para la evaluacion de este proyecto es necesario dividir dichos

cretrios en dos:

Criterio Antropomorfico

Indice de destreza

Esquema 1. Criterios de envaluación.

Criterios de evaluación

Antropomorfismo

Cinemática

Tamaño

Índice de destreza Mecánica

IV. MANO HUMANA

a. Antropomorfismo.

La mano humana se caracteriza por su complejidad en su estructura

biológica, esto se puede ver en la robótica, pues aún no existe una

mano robótica que tenga todas las funcionalidades de una mano y su

complejidad biológica. Por esta razón se decidió estudiar la anatomía

de la mano con el fin de tener esta de referencia para la realización de

un robot antropomórfico.

En esta sección se explicará la anatomía paso a paso dividiéndola en:

- Estructura ósea. - Ligamentos. - Articulaciones.

1. Estructura ósea:

La arquitectura ósea en una estructura de ejes (longitudinal y

transversal) genera la presión, dando así adaptabilidad. Por lo tanto,

se define que la estructura ósea de la mano tiene como principal

función generar y facilitar la presión de la mano [10].

La estructura ósea tiene 2 arcos en ella y se compone de 27 huesos,

donde estos, están entre huesos distales, palma y muñeca [11] [12].

Figura 10. Arcos de la mano [11].

cada una de las partes anteriormente mencionadas tienen una función

específica, estas son:

2. muñeca

se compone de 8 huesos que están distribuidos por dos hileras, genera

los movimientos de la muñeca, tiene 3 grados de libertad.

- Huesos de fila distal: trapecio, trapezoide, grande y ganchoso.

- Huesos de la fila proximal: pisiforme, piramidal, semilunar y escafoides.

3. Palma

Se compone de 5 huesos, uno para cada dedo. Son conocidos como

metacarpos. Su orden corresponde desde el pulgar hasta afuera

- Primer - Segundo - Tercer - Cuarto - Quinto

4. Distales

Cuenta con 14 huesos, 2 huesos para el pulgar y 3 huesos para los

demás dedos se separan por 3 secciones:

- Falange proximal: es la base del dedo, se conoce como nudillos.

- Falange media: se sitúa entre la falange proximal y distal, está en inexistente en el dedo pulgar.

- Falange distal: se sitúa en el extremo de los dedos.

Figura 11. estructura ósea de la mano humana [12]

5. Articulaciones del dedo

Las articulaciones, encontradas entre los nudillos, tienen el nombre de

epífisis inferior. La cavidad glenoidea tiene el nombre de epífisis

superiores estos son las articulaciones que refuerzan los ligamentos de

la mano, por lo tanto, su función es reforzar el palmar de cada dedo

excepto del pulgar sus movimientos están dados por: [13]

- Eje transversal de flexión (80º-90º) - Eje transversal de extensión (30º- 40º)

- Eje sagital de separación (60º) - Eje sagital de aproximación (0º)

Existe una articulación, que se caracteriza por su forma (forma de

polea) permite que el hueso pueda girar en el mismo plano, esta existe

en todos los dedos y como las anteriores articulaciones mencionadas

tiene un movimiento de flexión (80º) y de extensión (0º)[13].

Figura 12. articulaciones de la mano [14].

Figura 13. articulaciones de la mano [14].

Articulaciones de la mano humana

Las articulaciones son esenciales para el diseño antropomórfico, al

realizar el análisis requerido este brinda información necesaria. Cada

dedo tiene dos articulaciones, excepto el dedo pulgar que tiene una

sola, dichas articulaciones está entre falanges y nudillos, y llevan el

nombre de los huesos. [15].

Figura 14. articulaciones de la mano [15].

6. ligamentos tendones y músculos:

El sistema muscular tiene como finalidad la producción de

movimiento, creando así, equilibrio y generando una estabilidad del

cuerpo. También, regula volumen y moviliza sustancias dentro del

cuerpo [16].

Los músculos se presentan alrededor de todo el cuerpo, estos son casi

la mitad del peso total del cuerpo humano y se dividen en 3 grupos

[17]:

- Músculos esqueléticos

- Músculos lisos - Músculos cardiacos

Musculo esquelético: estos son los músculos más abundantes en el

cuerpo humano, es el tejido con mayor capacidad de adaptación

morfológica de todo el cuerpo, trabajan de forma simultánea para el

desarrollo fuerzas de tracción y empuje y generar movimientos

precisos. Son de tipo voluntario [18].

Musculo liso: se presenta en los órganos internos del cuerpo humano,

responden a estímulos nerviosos involuntarios [18].

Musculo cardiaco: corresponden a los músculos del corazón, también

conocido como miocardio. Es necesario para la circulación sanguínea

y responde a músculos involuntarios, se contrae de forma automática

y funciona de manera autónoma sin control del sistema nervioso [18].

En el cuerpo humano el movimiento generado por los músculos, se

puede clasificar. En la mano, se encuentran músculos flexores para la

flexión de la mano, músculos extensores para la extensión de esta y

músculos abductores que se utilizan para la separación o abducción.

[19]

Los músculos de la mano están clasificados en:

- Músculos intrínsecos: generan flexión del pulgar y abducción

- Hipotenar: genera flexión del dedo meñique y aducción - Media palmar: genera flexión de las uniones y abducción

Figura 15. músculos de la mano [20].

7. limitaciones de la mano humana

Figura 16. limitaciones de la mano humana [21].

b. Esquema Mano Humana

Figura 17.esquema de la mano humana [9].

c. Diagrama Cuerpo Libre Mano (no estoy segura de este

nombre jojo )

Figura 18. Diagara de cuerpo libre de la mano humana [9].

d. Modelo cinematico de la mano humana.

Figura 19. Cinematica direcra de la mano humana [9].

V. DISEÑO MECATRONICO

Para este proyecto se realizo un diseño mecatónico, este se basa en las

distintas areas para la realizacion de el diseño de una mano, estas

areas son:

Electronica

Mecanica

Control

Esquema 2. Esquema diseño mecatrónico.

VI. SISTEMA DE TRANSMISION DE MOVIMIENTO

FALTA DESARROLLAR COMPLETAMENTE EL

ESQUEMA DEL MOVIMIENRO MECANICO

VII. PROPUESTA

Diseño

Para la realizacion del diseño se tuvo en cuenta las

caracteristicas principales de la antropomorfologia de la mano

humana, sin embargo no se garantizo dicha antropomorfologia

en el primer diseño. Para un diseño antropomorfico (segundo

diseño), se tuvo en cuenta las medidas de cada falange como su

espezor, lago y ancho según [22].

Este diseño fue realizado en SolidWorks.

Figura 25. Medidas de la mano [22].

Figura 26. Primer diseño [autor].

Figura 27. CAD primer diseño [autor].

Figura 28. Prototipo primer diseño [autor].

Figura 29. Segundo diseño [autor].

Figura 30. CAD segundo diseño [autor].

Figura 31. Prototipo segundo diseño [autor].

Gracias al segundo diseño (figura 29), se realizo el detalle del diseño,

este se compone de la mano en su totalidad con 5 dedos y palma para

posteriormente obtener parametros mecanicos como inersias, fuerzas,

etc.

Figura 32. Diseño mano [autor].

Parametros mecanicos obteidos por SolidWorks

Figura 33. Parametros mecánicos [autor].

Cinematica propuesta

Cinemática NEWTONEANA directa.

En base al trabajo de [22], se decide realizar el análisis cinemático por

medio de la cinemática directa de NEWTON.

Con base a lo mencionado en ítems anteriores, se definieron las

restricciones angulares de los dedos del meñique al índice, ya que se

llegó a la conclusión que su comportamiento es muy similar en su

movimiento. Por lo cual, se puede escoger un dedo de la mano como

el índice, modelarlo cinemáticamente y este modelo será igual para

los 3 restantes.

A continuación, se presenta el modelo del dedo índice, expresado

como un diagrama de cuerpo libre, con sus planos referidos en cada

grado de libertad.

Esquema 2. Diagrama de cuerpo libre dedo índice [autor].

Donde 𝑙1es el metacarpo, 𝑙2es la falange proximal, 𝑙3 es la falange

media y 𝑙4 es la falange distal.

1. Definiendo restricciones en el modelo:

Las restricciones en la cinemática están dadas por:

- Articulación 2-1 con rotación normal. - Articulación 3-2 con rotación normal. - Articulación 4-5 con rotación normal. - Articulación 1 fija.

- 𝑙1 , 𝑙2 , 𝑙3 , 𝑙4 iguales y constantes.

- 𝑙1 siempre estará en la coordenada Y.

𝑙2 𝑙1 = 0 − 90º = 𝜃⁄

𝑙3 𝑙2 = 0 − 90º = 𝛽⁄

𝑙4 𝑙3 = 0 − 90º = 𝛼⁄

Se procede a definir vectores para facilitar el manejo de ecuaciones.

Esquema 3. Definición de vectores [autor].

𝑟1 = 𝑙1 + 𝑙2

𝑟2 = 𝑟1 + 𝑙3

𝑟3 = 𝑟2 + 𝑙4

Ecuaciones cinemáticas.

- Posición

𝑙2 = 𝑙2(𝑠𝑒𝑛𝜃𝑗̂ + 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑗̂ + 𝜃𝑘)̂

𝑙3 = 𝑙3(𝑠𝑒𝑛𝛼𝑗̂ + 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑗̂ + 0𝑘)̂

𝑙4 = 𝑙4(𝑠𝑒𝑛𝛽𝑗̂ + 𝑐𝑜𝑠𝛽𝑗̂ + 0𝑘)̂

VIII. VALIDACION

A traves de matlab se realizo la prueba de la cinematica, esta se

trata de generar la trayectoria de un dedo (indice) solo con su

cinematica para asi, verificar la eficiencia de esta.

Figura 33. Trayectoria de dedo indice [autor].

Al tener la trayectoria de un dedo se procede a generar la union de

SolidWorks y Matlab, esta union se realiza traves de Simulink , se

espera exportar el diseño de la mano realizada en SolidWorks y

generarla en Matlab con el fin de agregar la cinematica y gererar

distintos patrones con la mano.

Simulink generará el diagrama de bloques del diseño y asi insertar la

cinematica para controlar el dedo y generar el patron deseado.

Figura 34. Diseño en Matlab [autor].

IX. PROTOTIPO

Al tener un analisis de resultados se procede a realizar el prototipo

fisico, este prototipo tiene:

Motores: se utilizaron micro motoreductoes, estos de 1kg y

80 rpm. El movimiento realizado es un movimineto suabe

por lo tanto este motor es eficiente.

Flexores: se utilizaron flexores elasticos con el fin de tener

un movimiento retroactivo para realizar la felxion

extencion.

Estructura de la palma : la estrutura de la palma se realizo

con acrilico, este genera poco peso.

Falanges: las falanges se realizaron en aluminio a traves de

un proceso de mecanizado CNC.

Pasantes: los pasantes se realizaron de acero para garantizar

estabilidad.

Tornillos: los tornillos sin fin fueron utilizados para generar

la transformacion del movimiento.

Parte electronica: la parte electronica se realizo a traves de

un PIC18F4550 este controla los motores.

Figura 35. Prototipo [autor].

Figura 36. Prototipo [autor].

Figura 37. Prototipo vs Mano Humana [autor].

X. CONCLUSIONES

El diseño de una mano robotica con 15 grados de libertad

es eficiente para la generacion de patrones ya sea en fisico

como en su simulacion ya que, la cinemática propuesta

abarca el movimiento requerido para dichos patrones.

Partiendo del estado del arte se definió un modelo

cinemático de la mano humana, la cual muestra cómo será

el comportamiento de mano respecto del tiempo. Así se

garantizo un diseño eficiente sin interferencias.

Del estudio de la antropomorfologia de la mano humana, es

la referencia para el diseño del prototipo, indicando

dimensiones de falanges y palma. Cumpliendo así con el

requisito de la antropomorfologia del diseño propuesto.

XI. RECOMENDACIONES

El prototipo propuesto permitirá el reconocimiento de patrones que no

involucren movimiento de la muñeca.

El prototipo desarrollado será interactivo con el usuario para que

pueda aprender el patron deseado de manera didáctica.

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