Réplica de movimiento humano, con Mano Robótica

Resumen

Nuestro proyecto se basó en el desarrollo de una mano robótica con el fin de poder reproducir nuestro movimiento natural, cabe señalar que la mano robótica efectúa dicho movimiento referenciado por el movimiento humano sensado de un guante, los sensores mandan una señal al controlador el cual la interpreta y de ésta manera decide que dedo de la mano mover y a que ángulo. La implementación se hizo utilizando un micro controlador, sensores de flexión, y filtros tanto en programación como en la parte electrónica.

Figura1. Modelo 3D de la mano robótica en SolidWorks

1. Introducción

     Sabiendo que el desarrollo de miembros prostéticos ha avanzado enormemente en diversas partes del mundo, la sustitución de miembros humanos por miembros robóticos es cada día más notoria logrando día con día una perfección de movimientos cada vez más naturales, el enfoque que se pretende dar en este proyecto es la posibilidad de desarrollar miembros con una buena funcionalidad a costos accesibles para las personas y que además les sean prácticos así como confiables, destacando la aplicación de los conocimientos adquiridos en la Licenciatura en Ingeniería Mecatrónica de nuestra  Universidad.

 

2. Objetivos

El objetivo general de éste proyecto fue la elaboración de un miembro prostético que copiara los movimientos de un miembro humano

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Partiendo de lo anterior, formulamos nuestro objetivo particular el cuál consistió en desarrollar un miembro, en específico una mano, que imitara el movimiento de una mano humana por medio de sensores de flexión y de ésta manera poder replicar el movimiento de la manera más natural posible.

3. Materiales y métodos

Los materiales así como los métodos los dividimos en diversas tareas y procesos que se llevaron a cabo de forma aislada para finalmente hacer la sinergia de esas partes para lograr el sistema Mecatrónico.

Sistema mecánico

Para poder llevar a cabo éste sistema partimos investigando las características óseas de una mano humana, ya que teníamos que entender las bases de movimiento para después poder replicarlo de manera mecánica, ésta investigación nos permitió modificar los bocetos previos con los que contábamos así como entender la manera en que funcionan nuestros dedos.

Una vez que tuvimos clara la parte anatómica, se comenzó con el diseño de la mano que utilizamos como primer prototipo.

Este proceso consistió en realizar muchas pruebas y experimentos para finalmente tener un diseño correcto sin conflictos de colisiones y con los grados de libertad requeridos utilizando el Software SolidWorks así como modelos mecánicos en papel y bocetos diversos, una vez definido el modelo final de nuestro prototipo, se realizó un análisis de elemento finito para verificar la elasticidad y los puntos más sensibles del diseño.

El modelo se mandó a maquinar al estado de Veracruz con una empresa que cuenta con una impresora 3D, nuestro modelo fue maquinado en plástico y posteriormente se hizo el ensamble físico de todas las piezas.

Sistema electrónico

Éste sistema se basó en la adquisición de componentes electrónicos, servomotores así como cables para las conexiones, los componentes utilizados fueron básicamente resistencias y capacitores, los sensores de flexión basan su funcionamiento en una resistencia variable, utilizando éste principio se llevó a cabo el proceso siguiente que es el de control.

Sistema de control

Nuestro controlador es un “Arduino Uno” (Se basa en un micro controlador ATmega328).

El sistema de control consiste en leer los valores de resistencia generados por los sensores, estos datos se interpretan y arrojan a la salida un valor numérico que determinará el movimiento de cada uno de nuestros servomotores, se implementó de igual manera un pequeño filtro basado en los promedios de lectura, y para corregir el error en grados de movimiento de los servomotores se realizó una calibración basada en la ecuación de una recta.

 

4. Resultados

Se consiguió el movimiento adecuado de cada uno de los servomotores y por tanto de los dedos de nuestra mano robótica, evaluando las ecuaciones propuestas en cuanto a la calibración de los motores, pudimos notar que nos aproximamos bastante a la línea deseada, lo cual resultó en una respuesta con solo un pequeño retraso entre la acción de la mano humana y la réplica de movimiento de la mano robótica.

5. Conclusiones

Éstos resultados nos permitieron notar los factores que no tomamos en cuenta, siendo uno de ellos la rigidez de nuestro prototipo mecánico, pero nos alienta a seguir mejorando el diseño y la implementación hasta lograr un sistema robusto en todos los sentidos.

También nos permite pensar en las diversas aplicaciones que se le puede dar a éste tipo de sistemas pensando en algunos objetivos a futuro que podrían ser: Elaborar un sistema de rehabilitación por medio de éste miembro prostético así como poder manejarlo de manera remota o a distancia ya sea por medio de Radio-Frecuencia, Wi-Fi, o incluso adaptar éste prototipo para poder hacer pruebas con la diadema “Emotiv”* (Contamos con ella en nuestra Universidad) lo cual abriría aún más el panorama de desarrollo de nuestro proyecto.

              

Figura 2. Diadema “Emotiv” capaz de leer los pensamientos,     gestos de la cara así como algunos comandos.

6. Bibliografía

[1]http://garagelab.com/profiles/blogs/tutorial-flex-sensor-with-arduino

[2]http://arduinobasics.blogspot.mx/2011/05/arduino-uno-flex-sensor-and-leds.html

[3]http://mech207.engr.scu.edu/SensorPresentations/Jan%20-%20Flex%20Sensor%20Combined.pdf

*La diadema Emotiv es una marca registrada, la cual basa su funcionamiento en la lectura de señales cerebrales para poder finalmente realizar alguna acción de manera inalámbrica y con solo pensarla.