Desarrollo de un brazo mecánico articulado electro

Universidad Autónoma de Madrid
Escuela Politécnica Superior
HCTLab (C-115)
Desarrollo de un brazo
mecánico articulado electroneumático
Anteproyecto
Javier Del Sol Rodríguez
Tutor: Fernando López Colino
Ponente: Javier Garrido Salas
Madrid, Septiembre 2013
Motivación y objetivos:
Este proyecto consiste en la fabricación de un brazo mecánico
antropomórfico. Así pues se continúa la línea de trabajo iniciada
anteriormente en el HCTLab (Human Computer Technology Laboratory),
en el que se desarrolló una mano mecánica articulada. Se desarrolla este
proyecto con el objetivo de ampliar el trabajo con robots antropomórficos
del HCTLab.
Los objetivos de este proyecto son la creación de un brazo antropomórfico
mediante un diseño simplificado, el uso de elementos de bajo coste
(actuadores, sensores y elementos de control) y el control del brazo a través
de un sistema empotrado.
Descripción anatómica:
El brazo humano está compuesto por tres articulaciones (hombro, codo y
muñeca) y tres partes (brazo, antebrazo y mano). El diseño del brazo se
basa en las dimensiones y parámetros descritos en el tratado de anatomía
[1].
El hombro es la articulación más compleja del sistema, pues cuenta con tres
grados de libertad. Sus movimientos son abducción y aducción (fig 1, a),
extensión y flexión (fig 1, b) y por ultimo rotación, tanto lateral como
medial (fig1, c).
Figura 1: Movimientos del hombro.
El codo en cambio sólo dispone de un tipo de movimiento, la flexión y
extensión, únicamente tiene un grado de libertad (fig 2).
Figura 2: Movimiento del codo.
2
La muñeca cuenta solamente con dos tipos de movimientos (fig 3), flexión
y extensión y rotación cubital y radial.
Figura 3: Movimientos de la muñeca.
Por último, tanto el brazo como el antebrazo, presentan un movimiento de
rotación longitudinal: pronación y supinación.
Estudio de trabajos previos:
Para la preparación de este anteproyecto se ha recurrido a distintas fuentes
tales como artículos o libros de consulta. En ellos se ha podido observar
que al desarrollar un brazo mecánico se puede emplear una gran diversidad
de técnicas tanto para la estructura y el movimiento como para el control
del sistema.
Algunas de esas técnicas tienen como objetivo la ayuda a las personas
mayores o a la recuperación tras una enfermedad u operación. Tres de los
artículos muestran una estructura exoesquelética que ayuda al movimiento
natural del brazo cuando la capacidad de desplazarlo ha sido mermada
[2][3][4]. El último texto presenta una prótesis interna implantable por
operación que ayudaría al movimiento del brazo con un nuevo mecanismo
(T-Mechanism) [5].
Otro objetivo posible es la realización de robots con un uso didáctico o de
simulación tal como describen otros dos textos [6][7]. Se muestran un
robot, que se pone a disposición de los alumnos para que comprendan las
nociones básicas sobre la robótica [6], y un software de simulación,
SMART ARM, que permite diseña y simular los movimientos posibles de
un brazo articulado [7].
El último de los objetivos que se encuentran en los artículos consultados es
intentar replicar el diseño y el control de la robótica del nivel de movilidad
de un brazo humano [8][9][10][11]. Dichos artículos presentan un brazo
antropomórfico completo que simula el movimiento de un brazo humano.
En [8] se describe un brazo con siete grados de libertad que presenta las
tres articulaciones del brazo real incluyendo un sistema llamado “tendon
driven architecture” que simula los tendones reales. El segundo texto con
este objetivo describe un brazo con una alta similitud física con el brazo
humano así como su rango de movimiento puesto que puede lanzar una
pelota con una gran fluidez. La novedad de este brazo es su articulación
3
semi-abierta con un sistema anticolisiones así como músculos neumáticos
que permiten un movimiento rápido y natural [9]. El tercer artículo de este
bloque desarrolla un sistema que imita con cables los seis músculos
presentes en el hombro y consigue un rango de movimiento que imita el
comportamiento humano [10]. El último de estos artículos presenta unos
cojines de aire que intentan simular el rango de movimiento de una
articulación real [11].
El brazo que mejor imita el comportamiento humano es el que se muestra
en [9] puesto que el movimiento completo del hombro depende también de
la escápula y de la clavícula, así como en parte del esternón. El articula
muestra cómo se toman en cuenta estos factores desarrollando todos estos
elementos anatómicos para conseguir un movimiento amplio y estable.
En cuanto al control de los diferentes modelos de brazos antropomórficos o
sistemas de ayuda encontramos diversos medios. Encontramos un control
por EMG previamente captados para luego poder aplicarlo a los pacientes o
personas mayores que puedan necesitar ayuda para el movimiento del
brazo [2][3][5].
Otro medio de control es a través de tarjetas de control previamente
diseñadas [8][9][10]. En [8] se controla el brazo a través de un sistema que
cuenta con una ARM 7 y un software de simulación basado en OpenGL. El
articulo [9] controla los músculos neumáticos a través de controladores PID
lo que le permite tener un feedback de la actividad de cada musculo y así
poder mejorar el rendimiento del brazo. El último texto de estos tres
controla los motores tensores a través de una red neuronal artificial y así
poder imitar el comportamiento realista de un brazo [10].
Los otros artículos presentes muestran otros dispositivos de control como
son una tarjeta de red y el programa de simulación MatLab [6][11]. Para
[11], los cojines de aire se evalúan mediante sensores de presión para poder
así imitar y controla en movimiento del dispositivo.
Metodología y Plan de trabajo:
Se procede a realizar una documentación previa con el fin de recabar
información acerca del proceso a realizar y ampliar los conocimientos
sobre el mismo.
Para ello se cuenta con la base de datos de la IEEE (Institute of Electrical
and Electronic Engineers), ACM, Google Scholar y un completo manual de
anatomía [1]. Todos los artículos y documentación utilizada se añaden a
una base de datos con el programa JabRef.
En primer lugar, y tal como se ha comentado anteriormente, se evalúa el
estado del arte sobre la temática a desarrollar, el diseño de un brazo
mecánico articulado electro-neumático.
4
Con esta etapa terminada y habiendo adquirido ciertos conocimientos sobre
el tema, se procede al planteamiento del diseño del sistema. Se diseña,
mediante el correspondiente software, los diferentes componentes del brazo
respetando
los
factores
anteriormente
citados
(proporciones
antropomórficas, movilidad similar a la un brazo real, etc.). Se tienen en
cuenta los actuadores disponibles para el diseño del brazo (pistones
neumáticos, motores eléctricos).
Una vez validado el diseño, se lleva a cabo la construcción de los
elementos del brazo. Se unen todos los componentes mecánicos, eléctricos,
neumáticos y los electrónicos, con el fin de terminar el montaje final del
brazo y contrastar su funcionalidad.
El control del sistema completo se lleva a cabo a través de la tarjeta
BeagleBone. Esta tarjeta permite controlar el brazo gracias a los 46 pines
GPIOs y programación en entorno Linux. El dispositivo presenta una
conexión USB que permite conectarla a un PC e iniciar una sesión remota
en Linux gracias a su conexión Ethernet. El control del brazo se basa en un
sistema empotrado en este caso mediante la BeagleBone. Realizándose más
tarde pruebas de funcionamiento asegurando el correcto funcionamiento
del brazo robótico.
Teniendo el brazo completo en funcionamiento, se redactará la memoria
final que compilará todos los pasos seguidos en proceso, así como la
documentación consultada a lo largo del desarrollo.
Medios a utilizar:
Para cada fase del desarrollo del proyecto se dispondrá de diferentes
medios y materiales para realizar las tareas correspondientes a cada etapa.
Para la etapa de planificación y diseño se usarán los ordenadores instalados
en el laboratorio del HCTLab. Se dispondrá de los programas de diseño
CAD para planificar los componentes del brazo.
Durante la fabricación y montaje del brazo se dispondrá de los diferentes
equipos disponibles en el laboratorio (Osciloscopios, fuentes de
alimentación, equipo de soldadura, etc.).
Bibliografía:
[1] Pamela K. Levangie, Cynthia C. Norkin, Joint Structure and Function:
A Comprehensive Analysis, 2001 Third Edition, F. A. Davis Company,
ISBN: 803607105.
[2] Kiguchi, Kazuo and Iwami, K. and Yasuda, Makoto and Watanabe, K.
and Fukuda, T., An exoskeletal robot for human shoulder joint motion
assist, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2003.
5
[3] Kiguchi, Kazuo and Yasuda, Makoto and Iwami, K. and Watanabe, K.
and Fukuda, T., Design Of An Exoskeletal Robot For Human Shoulder
Motion Support Considering A Center Of Rotation Of The Shoulder Joint,
2002. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and
Systems.
[4] Rahman, M.H. and Ouimet, T. K. and Saad, M. and Kenne, J.-P. and
Archambault, P.S., Development And Control Of A Wearable Robot For
Rehabilitation Of Elbow And Shoulder Joint Movements, IECON 2010 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society.
[5] Kumar Kundu, S. and Kiguchi, Kazuo, EMG Controlled Robotic Elbow
Prosthesis As An Inner Skeleton Power Assist System, ICM2007 4th IEEE
International Conference on Mechatronics.
[6]Pavol Krasňanský, FilipTóth, Vladímir Villaverde Huertas, Boris
Rohal’-Ilkiv, Basic Laboratory Experiments with an Educational Robotic
Arm, 2013 International conference on Process Control (PC), June 18-21,
2013, Štrbské Pleso, Slovakia
[7] Wong Guan Hao, Yap Yee Leck and Lim Chot Hun, 6-DOF PC-Based
Robotic Arm (PC-ROBOARM) With Efficient Trajectory Planning And
Speed Control, 2011 4th International Conference on Mechatronics
(ICOM), 17-19 May 2011, Kuala Lumpur, Malaysia.
[8] Chung-HsienKuo, Yu-Wei Lai, Kuo-Wei Chiu, Shih-Tseng Lee, Motion
Planning and Control of Interactive Humanoid Robotic Arms, IEEE
International Conference on Advanced Robotics and its Social
ImpactsTaipei, Taiwan, Aug. 23-25, 2008.
[9] Ikemoto, S. and Kannou, F. and Hosoda, K., Humanlike shoulder
complex for musculoskeletal robot arms, 2012 IEEE/RSJ International
Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS).
[10] Sakai, N. and Sawae, Y. and Murakami, T., A Development of Joint
Mechanism of Robot Arm Based on Human Shoulder Morphology, The
First IEEE/RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics
and Biomechatronics, 2006. BioRob 2006.
[11] Kajikawa, S. and Nasuno, M. and Hayasaka, K., Development Of
Human-Friendly Robot Arm With Adjustable Joint Compliance, 2010 11th
International Conference on Control Automation Robotics Vision
(ICARCV).
6