Mano Robotica Teleoperada

Transcripción

1 Mano Robotica Teleoperada León,Andrés iván., Prada, John., Roa, Jaime Resumen Este proyecto, consiste en la construcción de un sistema tele-operado, conformado por una mano robótica, que emula los movimientos humanos, los cuales son registrados previamente, por un conjunto de sensores ubicados en un guante que porta el usuario; guante que envía las señales registradas a un microcontrolador, que traduce dichas señales en ordenes que ejecutará el elemento robótico. La mano robótica es construida, a partir de un material ligero llamado ABS, cuyas propiedades se ajustan a las necesidades del proyecto (Ligero, para facilitar su movilidad, aislante eléctrico, y auto lubricado.) También son usados sensores de movimientos (FLEX SENSOR), utilizados en el pasado por la empresa NINTENDO, para lo que sería el posterior desarrollo de la tecnología utilizada en el construcción de la consola WII. El lenguaje usado para la programación del microcontrolador PIC (16F877A) es el ASSEMBLER y para el diseño de los componentes del elemento robótico se uso el software de diseño mecánico SOLID EDGE V18. D I. INTRODUCCIÓN urante el transcurso de la historia, ha sido evidente que el desarrollo de ciencias tales como la electrónica, la mecánica y la informática, le han permitido al hombre controlar el ambiente que lo rodea de una manera cada vez más precisa, de igual forma han logrado que gracias a ellas, la calidad de vida sea mejor, al hacer que algunos procesos y trabajos, se realicen de manera más rápida y segura. Pero aun así; no existe una maquina que se adapte mejor a diversas condiciones de trabajo que el mismo cuerpo humano; infortunadamente la fragilidad de este, hace que algunos terrenos de operación sean de imposible incursión física, como son el caso de lugares con muy altas o bajas temperaturas, o también como el caso en el que se requiera una intervención en lugares de riesgo (Operaciones con material explosivo, radioactivo, etc.) Por esto, se ha creado la necesidad de trasladar las funciones propias del cuerpo humano a elementos robóticos que permitan, que cada vez sea más viable, el control de dichos ambientes. Inicialmente muchos de estos elementos consistían en manipuladores mecánicos tele operados, que cambiaban la posición de un efector final según el operario deseara, casi en una secuencia obligada según la tarea y aunque resultaron útiles para algunas labores pesadas o de riesgo, sus movimientos no tenían la versatilidad de los movimientos que podía tener una extremidad humana. Posteriormente se le dio a los manipuladores y a otros sistemas tele operados la capacidad de moverse en terrenos de operación aleatorios, no tenían que seguir un camino único de acción, sino podía cambiar su trayectoria según quisiera la persona que los controlaba. Gracias a estos ya era posible el control sobre vehículos sin estar en su interior, lo que significo un gran paso en el campo de la exploración. Pero aun así, se mantenía cierto nivel de indiferencia entre el usuario y el ambiente en que trabajaba el sistema tele operado. La emulación total de los movimientos humanos por parte de un ente robótico, para poder trabajar a distancia, a través de registro de las acciones de la persona, es algo que por el momento se ha limitado a entidades tales como la NASA con un alto presupuesto y a los países a los cuales estas corresponden. En la actualidad en Colombia esta tecnología no se ha hecho presente, la cual sería de gran utilidad, ya que el desarrollo de esta permitiría estudiar de forma más precisa ciertos lugares. Y para empezar a fomentar el desarrollo de esta tecnología en Colombia es que se propone el desarrollo de un elemento aunque básico, el más útil para interactuar con el entorno una mano robótica tele operada a través de un guante. II. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Por qué desarrollar un sistema teleoperado? Ha resultado evidente, que el desarrollo de tecnologías que involucren sistemas de realidad virtual, le han permitido al hombre manipular de forma cada vez más precisa, elementos que en cierta forma representan algún tipo de riesgo a su salud, así los avances de estos han permitido el acceso a campos que por alguna condición no se puedan explorar. El desarrollo de un sistema tele operado, el cual sea controlado por los movimientos de una mano, demostrará la utilidad de transmitir hasta cierto punto la movilidad humana a un

2 elemento mecánico, lo cual le permitiría a un manipulador realizar funciones más complejas. Estos objetivos ya están desarrollados en un 100%, el sistema Mecánico, electrónico y sistemas de control ya se encuentran integrados. III. JUSTIFICACIÓN La realización de este proyecto resulta de gran importancia, dada la gran aplicabilidad que este puede tener, en campos que van desde la industria hasta la exploración. Dado que el hombre es una pieza fundamental para que el proyecto se lleve a cabo y teniendo en cuenta que la interacción de este, con ciertos ambientes poco estudiados (realidad virtual) es deficiente aun; al desarrollar esta idea se demostrará que este tipo de sistemas serán cada vez más aplicables a la realidad, controlando de forma más eficaz las variables que están involucradas en diversos procesos (Capacidad de movimiento, respuesta en tiempo real, etc). Con este proyecto también se busca incentivar a ingenieros y estudiantes hacia el desarrollo de sistemas que permitan al hombre laborar sin estar presente físicamente en el terreno de operación, lo cual a futuro podría representar la realización de proyectos de tele presencia de cuerpo entero que serian de gran utilidad en Colombia, en campos tales como la exploración de minas, la investigación submarina, etc. Ya que actualmente solo existen en Estados Unidos. Como este es un sistema que emula los movimientos principales de una mano a través de una versión robótica de la misma, se incursiona en temas tales como la biomecánica; lo que implica la incursión del grupo de investigación en el campo de la bioingeniería. IV. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN a. ALCANCES V. ALCANCES Y LIMITACIONES Con el desarrollo del proyecto, se realiza a su vez el estudio de sistemas biomecánicos, lo que permitió que se diseñara y construyera el prototipo de la mano robótica. De igual forma se implementa el sistema de sensores que permiten registrar los movimientos realizados por la mano del usuario, estos están dispuestos sobre un guante. Con este proyecto se pretende fomentar el desarrollo de sistemas tele operados, basados en la anatomía humana. b. LIMITACIONES Los movimientos de la muñeca se limitarán a un solo grado de libertad. Los objetos se que levantarán serán de un peso máximo de cien gramos. La transmisión de señales será realizada a través de elementos cableados. El elemento robótico, no poseerá un sistema de sensado que permita retroalimentar al usuario, acerca de variables que actúen sobre el este, tales como presiones o variables ambientales. Los movimientos de la mano se limitarán a la apertura y cierre de los dedos. El dedo pulgar poseerá un grado de libertad en cada una de sus articulaciones. A. OBJETIVO GENERAL Diseño y construcción de una mano robótica controlada por un sistema de tele presencia. B. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseñar el sistema mecánico que emule los movimientos de la mano. Implementar sistemas de control para los movimientos de la mano. Poner a punto el sistema de control de los movimientos. VI. PRINCIPIOS ANATOMICOS TEORICOS APLICADOS Para el desarrollo del proyecto fue de suma importancia tener en cuenta la anatomía de la mano y su cinemática, para poder desarrollar de esta forma un elemento que la pudiera imitar Figura [1] Anatomía de la mano Diseñar un guante con las características del sistema mecánico que haga eficaz los movimientos. Poner a punto los sistemas de comunicación entre el guante y la mano robótica.

3 La rotación en cada articulación de cada falange es la que determina la posición final del extremo del dedo. b. CASO DEDO PULGAR, DISEÑO Y MODELAMIENTO Figura [3] Configuración dedo pulgar Fuente: En este caso, lo más relevante, para construir el elemento robótico fue lo correspondiente a la estructura ósea, ya que como tal, la mano robótica carece de todo el juego de músculos y del sistema vascular que posee la humana. Aunque vale la pena aclarar que el sistema motor se diseña como una versión simplificada del juego de músculos que permiten abrir y cerrar la mano. Partiendo de lo anterior, se debe analizar dos casos: El dedo pulgar y cualquiera de los otros cuatro dedos. Esto debido a que el pulgar posee más movimientos que los demás dedos. a. CASO DEDOS PRINCIPALES Fuente: Control and Theory of Multifingered Hands Este dedo tiene solo dos falanges, donde una posee solo movimiento rotacional con respecto al eje z, mientras la otra posee rotación en los tres ejes. Para el caso del proyecto, solo se tomó en cuenta el movimiento que esta articulación puede hacer con respecto al eje x, el cual permite el cierre del puño. Figura [4] Configuración dedo FUENTE: AUTORES Figura [2] Configuración dedo índice Fuente: Control and Theory of Multifingered Hands En este caso, los movimientos son limitados a la rotación de cada articulación, en lo que se refiere a la falange media y a la distal con respecto al eje z, en la falange proximal, aunque posee rotación sobre el eje x, este no se tomará en cuenta dado que no se ejecutarán los movimiento de abducción y aducción de la mano. El movimiento de cierre y apertura de la mano es ejecutado gracias a la acción de los músculos flexores y extensores del brazo, los cuales se ramifican hasta llegar al extremo de cada dedo; haciendo que los demás músculos se muevan, facilitando así que los dedos se estiren o se contraigan. Se ha podido determinar que el mejor método para modelar matemáticamente la mano es a través de la ecuación de movimiento de Lagrange. Este método permite analizar el comportamiento físico del sistema a partir de la energías propias que actúan en este (energía potencial y energía cinética), de tal forma que cuando se trata de sistemas en los cuales se posea cierta dependencia

4 de un movimiento con respecto a otro, las fuerzas que en este actúen, producto de esta dependencia (tal es el caso de coriolis, y fuerzas centrifugas), se deducirán de forma mas sencilla, que si se analizarán con las ecuaciones básicas de newton. Figura [4] Mano Robotica real VIII SISTEMA ELECTRONICO VII. MATERIALES El material usado para la estructura de la mano es el plástico ABS, la elección de este material fue realizada, por dos razones, la primera al ser este el empleado por la máquina de prototipado rápido DIMENSION 3D facilitada por Tecno parque Colombia y la segunda es por que es un material auto lubricante, al igual que el Nylon que se usa como tensor halando así los dedos, lo que hace que la fricción entre ambos se pueda considerar despreciable. La mano robótica se diseño en un softaware de diseño mecánico llamado solidedge, donde permitió conocer las diferentes masas de cada pieza y a su vez calcular los respectivos esfuerzos. Para el funcionamiento de las tareas en el control de la mano robótica se utiliza el micro controlador 16f877A como elemento principal de recepción de las señales enviadas por el sensor llamado Flex sensor, el cual varía su resistencia eléctrica dependiendo de la curvatura que este experimente. El sensor del dedo pulgar esta ubicado en el guante desde el extremo superior de la falange distal hasta la parte del trapecio. Los siguientes cuatro sensores que están ubicados en los demás dedos y lo harán desde el extremo superior de la falange distal hasta el extremo superior de los huesos metacarpianos. Y por último el sensor muñeca estará ubicado en la parte del hueso grande hasta el radio. Figura [6] Guante electronico (Dataglove) Figura [5] Diseño en Solidedge V18 Una vez ubicados los sensores se procedio a realizar un

5 sistema de acondicionamiento de la señal para luego tomarla y enviarla al microcontrolador donde este configura dichas señales retransmitiéndolas a los actuadotes en este caso servomotores. IX. CONCLUSIONES su vez los dos primeros también están en finalización de una doble titulación de Ingeniería Electrónica, ambas carreras en la universidad de San Buenaventura Bogota. Este artículo trató sobre el proyecto de grado de dichos estudiantes. Gracias al diseño ingenieril se logró construir un elemento robótico capaz de imitar los movimientos de cierre y apertura de la mano humana, gracias a un sistema de sensores especialmente predispuestos en un guante. Para tal fin se debió partir desde el análisis de la estructura ósea de una mano humana, pasando por el estudio del comportamiento de los músculos que permiten el movimiento de los elementos que a esta la conforman, y así poder diseñar, construir e implementar mecanismos que asemejaran su actuar, esto conllevó a que la mano fuese estudiada como un elemento de máquina y que se analizara como otro sistema usual dentro de la ingeniería. Al precisar que este proyecto pretendía la transmisión de los movimientos básicos, no se hizo un estudio en lo que se refiere a la fuerza que puede ser ejercida por el robot, lo cual hubiera conllevado a sistemas de sensado más complicados que permitieran la retroalimentación hacia el usuario para determinar qué presión podría hacer sobre un cuerpo. También se pudo precisar que dada la similitud que se busque entre un ente robótico y un humano, más complejo es el desarrollo de sistemas que permitan lo anterior, sin descartar que en proyectos de alcances superiores se pueda llegar a la construcción de elementos que puedan sensar todos los movimientos de un ser humano y transmitirlos a una maquina que no solo los imite, sino que también los analice para su estudio. A conclusion section is not required. Although a conclusion may review the main points of the paper, do not replicate the abstract as the conclusion. A conclusion might elaborate on the importance of the work or suggest applications and extensions. APÉNDICE I. INTRODUCCIÓN II. DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA III. JUSTIFICACIÓN IV. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN V. ALCANCES Y LIMITACIONES VI. PRINCIPIOS ANATOMICOS TEORICOS APLICADOS VII. MATERIALES VIII SISTEMA ELECTRONICO IX. CONCLUSIONES. AUTORES: Andrés Iván León, John Prada, Jaime Roa estudiantes de finalización de Ingeniería mecatrónica, donde a