Implementación de un sistema motriz con alambres musculares y

Implementación de un sistema motriz con alambres musculares y controlado con
un microcontrolador Atmega16
J. R. Martínez y Cárdenas1, F. Diego Nava1, T. B. Claris Soriano2, I. A. Murcio González2
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Departamento de Ingeniería de Prototipos, CIIDIR-IPN, Oaxaca
Departamento de Ingeniería Electrónica, Instituto Tecnológico de Oaxaca
Teléfono (951) 51-70400 ext. 82739
Fax (951) 51-70400 E-mail: [email protected]
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Resumen –– Actualmente se siguen buscando nuevas
tecnologías para el desarrollo de mecanismos y entre estas
nuevas tecnologías se encuentran los alambres musculares
construidos con una aleación llamada Flexinol. En este
documento se aborda el tema, en especial el de la construcción
de un sistema motriz con seis actuadores con dos grados de
libertad cada uno. Para el control armónico de este conjunto de
patas se utilizó un microcontrolador Atmega 16.
Palabras Clave – alambres musculares, vida artificial,
microcontrolador Atmega16.
I.
INTRODUCCIÓN
A lo largo de la historia de la humanidad, el hombre ha
tenido la necesidad propia de crear sistemas para la
labranza, y se ha dado a la tarea de empezar ha recrear los
sistemas motrices de las especies vivientes que lo rodean.
Dentro del desarrollo de sistemas motrices se cuenta hoy en
día con una aleación especial que puede simular un músculo
biológico. Una de las características físicas del alambre
muscular es que actúa de acuerdo al calor. Pues con este
cambia su forma, ya que al pasar una corriente eléctrica por
el alambre muscular genera un calor lo que hace que el
alambre se contraiga, generando así una fuerza, al enfriarse
este se elonga y vuelve de nuevo a su tamaño original, la
mayoría de manera unitaria generar una pequeña fuerza pero
en conjunto especulamos que pueden llegar a generar una
fuerza mecánica considerable.
agua caliente el alambre rápidamente se bate a sí mismo de
vuelta a su forma original. Es interesante observar a este
alambre casi mágicamente desplegarse y desenrollarse a sí
mismo de vuelta a su forma inicial. La fuerza generada
cuándo el alambre revierte su forma es sorprendentemente
fuerte. Una pulgada cuadrada de material Nitinol genera una
fuerza de retorno aproximadamente + 30,000 PSI.
Otra propiedad interesante de SMA se llama el efecto de
memoria (SME por sus siglas en ingles Shaped Memory
Effect). La aleación puede trabajarse dándole una forma
específica. Una vez que una forma ha sido especificada, la
aleación puede ser tratada de manera adversa cambiando de
forma. Pero esta volverá a su forma original calentando la
aleación, al elevar la temperatura de transición. Esta
propiedad SME está usada en un elemento llamado
Livewire, ver Figura 1.
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Figura 1.- Fotografía de un tramo de Liveware o nitinol
Aunque la aleación de níquel con titanio da el Nitinol un
cambio menor en la proporción de los dos compuestos tiene
un efecto dramático en la temperatura de transición de la
aleación resultante. Por ejemplo, una diferencia 1 % en la
proporción de los metales puede hacer variar la temperatura
de transición de - 100 a + 100 0C.
II. METODOLOGÍA
De una manera análoga a los músculos se ha desarrollado el
alambre muscular, basado en las mismas características, esta
aleación funciona también eléctricamente, cuando una
corriente circula a través de este se encoge generando una
fuerza de contracción. A este tipo de materiales se les
denomina de memoria, por su complejidad de regresar a una
forma predeterminada. El Nitinol, se contrae estando
caliente, lo cual es el opuesto de lo que hacen los metales
estándar, los cuales cuándo mas calientes se encuentran más
se dilatan.
Este tipo de elemento se puede doblar, el Nitinol puede
adoptar alguna forma, pero al sumergirlo en un recipiente de
Figura 2.- Fuerza aplicada al Nitinol
Cada compañía que confecciona sus productos de Nitinol,
debe sostener la proporción de los componentes para
mantener un nivel preciso, ya que esto garantiza una
temperatura estable y repetible de transición. La aleación del
Nitinol estándar tiene una temperatura de transición de 700C
(158F).
El alambre Nitinol usualmente tiene una contra fuerza
aplicada en el sentido inverso de su contracción. La fuerza
objeto que realiza la fuerza, estira el alambre de regreso a su
largo original cuándo esta en la fase de baja temperatura.
Ésta es llamada la fuerza diagonal. Si el alambre del Nitinol
es traído para su temperatura de transición sin una fuerza
diagonal, entonces se contraerá, cuándo se enfría se
deformará de acuerdo a la fuerza aplicada, ver Figura 2.
El alambre Nitinol puede ser activado usando directamente
un suministro de fuerza de corriente eléctrica de bajo voltaje
(6-12volts). Un circuito sencillo puede estar construido
usando una batería, un interruptor y un alambre de Nitinol.
Se puede ver en la siguiente Figura 3 la forma de activar un
alambre Nitinol usando una corriente continua CD, así como
el símbolo de representación de dicho elemento. Esto es
importante debido que se debe de tener cuidado con la
corriente subministrada al alambre. Ya que exponiéndolo a
un periodo prolongado de tiempo el calentamiento generado
en el alambre Nitinol irá degradando sus propiedades con el
tiempo.
Existen muchas maneras de hacer que el alambre se
contraiga y se expanda para ello se dispone de una variedad
de circuitos dependiendo de la aplicación que sea requerida.
Mientras el alambre puede cambiar de largo, el volumen
absoluto de Nitinol será constante.
Figura 3.- Circuito eléctrico para activar al Nitinol.
La contracción y la relajación dependen solamente de la
temperatura del alambre de la aleación del Nitinol. Se puede
usar cualquier método para calentar y enfriar el alambre. El
alambre Nitinol tiene una resistencia eléctrica alta,
resistencia de aproximadamente 1.25 Ω por pulgada para un
alambre de 6 milésimas. La resistencia del alambre a la
corriente eléctrica rápidamente genera suficiente calor (la
calefacción óhmica) al conducir el alambre a través de su
temperatura de transición. En el proyecto se usó
principalmente el alambre de Nitinol de 4 milésimas, ya que
fue el que más se acomodó para el armado de las patas.
En la Figura 3 se observa los extremos del resorte que son el
soporte sobre el cual se apoya el alambre Nitinol, para esto
el resorte no deberá de tener una fuerza de resistencia
demasiado grande, ya que de lo contrario el alambre no se
contraerá si la fuerza es mayor a la que puede generar. Pero
deberá estar lo suficientemente tenso para que este se
contraiga.
III. RESULTADOS
El sistema de locomoción esta basado en un sistema de 2
grados de libertad, esto quiere decir que puede tener dos
movimientos libres, y por lo tanto puede tener un avance
hacia adelante y cambiar de dirección. Todos los
movimientos armónicos son controlados por el
microprocesador, ver Figura 4.
Figura 4.- Sistema de locomoción del sistema con dos
grados de libertad cada pata.
Una de las partes mas importantes son los actuadotes (patas)
del sistema, ya que es el sistema de soporte y locomoción;
es de vital importancia ubicar la manera correcta de ponerlas
en el esqueleto del mismo. Así que veamos a detalle el
ensamblaje de las patas. Así como los puntos donde se
conseguirá más presión y por lo tanto donde estará unido el
alambre.
En este sistema se consideraron tan sólo 6 patas para el
desempeño motriz. El sistema de locomoción posee dos
grados de libertad y esta determinado por dos alambres
musculares sujetados a cada pata. Los pasos de manera
detallada y precisa se muestran en la Figura 5 que se
muestra a continuación, en donde se describe paso por paso
las etapas de construcción del sistema.
con una fuente de 3 volts de corriente directa, ver Figura 7.
Esta tecnología del Flexinol se esta empesando a utilizar en
la línea de investigación de robótica y vida artificial con el
nombre de BEAM´s (acrónimo: Biología, Electrónica,
Estética y Mecánica), los cuales son sistemas analógicos.
Sin embargo el que aquí presentamos se escapa de esta idea
inicial, y hacemos que se involucre tanto en el campo
analógico como digital. El modelo propuesto esta basado en
la movilidad y disposición de adaptabilidad de un insecto,
esto a razón de que son animales adaptables al terreno y su
medio.
Figura 5.- Diferentes pasos de montaje de las patas.
En la Figura 6 se muestra la ubicación del montaje dentro
del soporte. Este proyecto requerirá de una fuerza mínima
del FLEXINOL. La fuerza requerida está directamente
relacionada al área transversal o más apropiadamente al
diámetro del alambre, así que en este caso se ocupó un
alambre muscular con un diámetro de 0.004 milésimas.
Figura 6.- Ubicación del montaje dentro del soporte.
A cada uno de los extremos de cada uno de los segmentos
del alambre de FLEXINOL se les colocó un conector
sujetador y el otro extremo de cada uno de ellos se alimentó
Figura 7.- Fotografía del prototipo.
EL MICROPROCESADOR ATMEGA 16
El ATmega16 es un microcontrolador de 8 bits y de bajo
consumo de potencia, basado en la arquitectura AVR RISC,
capaz de ejecutar un millón de instrucciones por segundo,
posee bajo consumo de potencia contra velocidad de
procesamiento.
El punto principal del AVR es la combinación de un
conjunto de instrucciones con 32 registros de propósito
general. Los 32 registros están directamente conectados a la
unidad lógica aritmética (ALU) permitiendo acceder a dos
registros independientes con una sola instrucción en un ciclo
de tiempo. Esta arquitectura es muy eficiente. Es hasta diez
veces más rápido que los microcontroladores CISC
convencionales.
CONCLUSIONES
El estudio así como la investigación del alambre muscular,
es de gran importancia, pues puede llegarse a convertir en
una gran herramienta mecánica dentro de la robótica. La
importancia de este elemento radica en sus posibles
aplicaciones en el ramo de la mecánica, como se observa
posee gran similitud con los músculos del cuerpo humano.
Se infiere la posibilidad que los alambres musculares al
trabajar en forma paralela podrán formar verdaderos
músculos con gran potencia de trabajo. Finalmente podemos
comentar por otro lado que estos músculos podrán ser
gobernados por medio de la inteligencia artificial.
REFERENCIAS
[1] D Kart Williams, “Insectronics, build your own
walking robot; Tab Robotics”, McGraw Hill, 2003,
ISBN 0-07-141241-7.
[2] Dave Hrynkiw, Mark W. Tilden, “Junbots, Bugbots
& Bots on Wheels, Building simple robots with
BEAM technology”, Osborne, McGraw Hill, 2002, ISBN
007-222601-3