universidad tÉcnica estatal de quevedo facultad de...
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i
UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
Proyecto de Investigación previo a la
obtención del título de Ingeniero Mecánico.
Título del Proyecto de Investigación
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ANTEBRAZO
ROBÓTICO MEDIANTE UN CONTROL DE PROGRAMACIÓN
Autores:
Guillén Figueroa Irving Javier
Laz Aguilar Michael Steven
Director de tesis:
Ing. Jorge Luis Guadalupe Almeida, MCIM.
Quevedo - Los Ríos – Ecuador
2017
ii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS
Yo, Irving Javier Guillén Figueroa, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría;
que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que
he consultado las referencias bibliográficas que se influyen en este documento.
La Universidad Técnica Estatal de Quevedo, puede hacer usos de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual,
por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
F.
Irving Javier Guillén Figueroa
iii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS
Yo, Michael Steven Laz Aguilar, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría;
que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que
he consultado las referencias bibliográficas que se influyen en este documento.
La Universidad Técnica Estatal de Quevedo, puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual,
por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
F.
Michael Steven Laz Aguilar
iv
CERTIFICACIÓN DE CULMINACIÓN DEL PROYECTO
DE INVESTIGACIÓN
El suscrito, Ing. Mec. Jorge Luis Guadalupe Almeida MCIM., docente de la
Universidad Técnica Estatal de Quevedo, certifica que el estudiante Irving Javier Guillen
Figueroa, realizó el Proyecto de Investigación de grado titulado “DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ANTEBRAZO ROBÓTICO
MEDIANTE UN CONTROL DE PROGRAMACIÓN”, previo a la obtención del título
de Ingeniero Mecánico, bajo mi dirección, habiendo cumplido con las disposiciones
reglamentarias establecidas para el efecto.
Ing. Mec. Jorge Luis Guadalupe Almeida, MCIM.
DIRECTOR DE TESIS
v
CERTIFICACIÓN DE CULMINACIÓN DEL PROYECTO
DE INVESTIGACIÓN
El suscrito, Ing. Mec. Jorge Luis Guadalupe Almeida MCIM., docente de la universidad
técnica estatal de Quevedo, certifica que el estudiante Michael Steven Laz Aguilar,
realizó el proyecto de investigación de grado titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
DE UN PROTOTIPO DE ANTEBRAZO ROBÓTICO MEDIANTE UN CONTROL
DE PROGRAMACIÓN”, previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico, bajo
mi dirección, habiendo cumplido con las disposiciones reglamentarias establecidas para el
efecto.
Ing. Mec. Jorge Luis Guadalupe Almeida MCIM.
DIRECTOR DE TESIS
vi
CERTIFICADO DEL REPORTE DE LA HERRAMIENTA DE
PREVENCIÓN DE COINCIDENCIA Y/O PLAGIO
ACADÉMICO
Por medio de la presente me permito certificar, que el Sr. IRVING JAVIER GUILLÉN
FIGUEROA con número de cédula 1205062696, estudiante de la carrera de Ingeniería
Mecánica, una vez revisada la tesis de grado titulada “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
DE UN PROTOTIPO DE ANTEBRAZO ROBÓTICO MEDIANTE UN CONTROL
DE PROGRAMACIÓN”, tengo a bien informar que se realizó la revisión respectiva por
medio del sistema Urkund, con un porcentaje favorable del 3%, cumpliendo con el
reglamento de Graduación de Estudiantes de Pregrado y la Normativa establecida por la
Universidad.
Ing. Mec. Jorge Luis Guadalupe Almeida MCIM.
vii
DIRECTOR DE TESIS
CERTIFICADO DEL REPORTE DE LA HERRAMIENTA DE
PREVENCIÓN DE COINCIDENCIA Y/O PLAGIO
ACADÉMICO
Por medio del presente me permito certificar, que el Sr. MICHAEL STEVEN LAZ
AGUILAR con número de cédula 1207476654, estudiante de la carrera de Ingeniería
Mecánica, una vez revisada la tesis de grado titulada “diseño y construcción de un
prototipo de antebrazo robótico mediante un control de programación”, tengo a bien
informar que se realizó la revisión respectiva por medio del sistema Urkund, con un
porcentaje favorable del 3%, cumpliendo con el reglamento de Graduación de Estudiantes
de Pregrado y la Normativa establecida por la Universidad.
Ing. Mec. Jorge Luis Guadalupe Almeida MCIM.
DIRECTOR DE TESIS
viii
UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
Título:
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ANTEBRAZO
ROBÓTICO MEDIANTE UN CONTROL DE PROGRAMACIÓN”
Presentado Al Consejo Académico como requisito previo a la obtención del título de
Ingeniero Mecánico.
Aprobado por:
Ing. Jorge Patricio Murillo Oviedo
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL DE TESIS
Ing. Rubén Patricio Alcocer Quinteros Ing. Paulo Esteban Chiliguano Torres
MIEMBRO DEL TRIBUNAL DE TESIS MIEMBRO DEL TRIBUNAL DE TESIS
QUEVEDO – LOS RÍOS - ECUADOR
2017
ix
AGRADECIMIENTO
Al concluir un proyecto tan arduo y lleno de complacencias es un verdadero orgullo y
placer expresar de manera muy especial y sincera a quienes permitieron hacer posible
alcanzar uno de los más anhelados sueños y aspiración de superación personal, ya que con
su conocimientos, contribución e inspiración fueron primordiales en toda mi vida
académica.
A Dios por permitirme alcanzar una de mis metas tan importante y por haberme dados los
conocimientos necesarios para desarrollar este proyecto.
A mis padres por su amor, apoyo incondicional, comprensión y por haberme enseñado a
nunca rendirme y guiarme en un excelente camino de la educación.
A los docentes y autoridades de la Carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad
Técnica Estatal de Quevedo, quienes estuvieron dispuestos a compartir sus conocimientos
y ofrecer la orientación necesaria para formarme como profesional y ser humano.
Al Magíster Mecánico Jorge Luis Guadalupe Almeida y aquellas personas que directa e
indirectamente ayudaron en el desarrollo de este trabajo investigativo.
Irving Javier Guillén Figueroa
x
AGRADECIMIENTO
En primer lugar doy infinitamente gracias a Dios, por haberme dado la fuerza y valor para
culminar esta etapa de mi vida.
Agradezco también la confianza y el apoyo brindado por parte de mi madre, que sin duda
alguna en el trayecto de mi vida me ha demostrado su amor, corrigiendo mis faltas y
celebrando mis triunfos.
A mi padre, que siempre lo he sentido presente en mi vida y sé que está orgulloso de la
persona en la cual me he convertido.
A mi hermano, que con sus consejos me ha ayudado a afrontar los retos que se me han
presentado a lo largo de mi vida.
De igual manera agradecer al Magister Jorge Guadalupe Almeida por toda la colaboración
brindada, durante la elaboración de este proyecto, por su ayuda práctica y por su moralidad
en su profesión como docente, por sus consejos, que ayudan a formarte como persona e
investigador.
Michael Steven Laz Aguilar
xi
DEDICATORIA
Dedico esta investigación a Dios, por
concederme la vida y darme las fuerzas
necesarias que me permite luchar día tras día
para romper todas las barreras que se me
presenten.
A mis padres, Yolanda Figueroa y Javier
Guillén que gracias a sus esfuerzos y
dedicación me han permitido desarrollarme
con valores éticos como un excelente
humano y profesional.
A mi familia que con su apoyo y compañía
durante toda mi vida estudiantil me
enseñaron a formar mi carácter y ser cada
vez mejor persona.
Además, los Magíster Jorge Guadalupe
Almeida y Paulo Chiliguano Torres por
haberme asesorado y dirigido en el desarrollo
de este trabajo investigativo.
Irving Guillén Figueroa
xii
DEDICATORIA
Dedico este trabajo principalmente a Dios,
por haberme dado la vida y permitirme el
haber llegado hasta este momento tan
importante de mi formación profesional.
Creador de todas las cosas, el que me ha
dado fortaleza para continuar cuando a punto
de caer he estado.
De igual forma, dedico esta tesis a mí querida
madre que ha sabido formarme con buenos
sentimientos, hábitos y valores, los cuales me
ha ayudado a salir delante en los momentos
más difíciles, por ser el pilar más importante
y por demostrarnos siempre su cariño y
apoyo incondicional sin importar mi
diferencia de opiniones. A mi estimado
padre, que está conmigo en cada momento de
mi vida enseñándome su sabiduría y respeto.
A mi familia en general, porque me ha
brindado su apoyo incondicional y por
compartir conmigo buenos y malos
momentos.
Michael Laz Aguilar
xiii
RESUMEN EJECUTIVO
La ciencia tiene avances tecnológicos que sorprenden porque a través de estos se dan
solución a innumerables problemas: médicos, científicos, técnicos, entre otros. El
reemplazo de miembros, tanto en humanos como en animales, es una realidad desde hace
muchos años. A inicios de 1960 la biotecnología y la robótica permitieron crear la primera
mano robótica demostrando un gran aporte a la humanidad. Desde aquellos momentos
hasta la actualidad se ha dado un desarrollo acelerado en la biomecánica, llegando a tener
personas que viven con este tipo de prótesis y tienen una vida normal. El proyecto se
enfoca en el diseño, construcción y control de un antebrazo robótico mediante la
programación de placas Arduino UNO, logrando el funcionamiento de los componentes
electrónicos como son los sensores de flexión, módulos NRF24L01 de conexión
inalámbrica y los servomotores. Este proyecto con fines didácticos permitirá la enseñanza
en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo, y
generar un vínculo estrecho entre la teoría y la práctica en la enseñanza de la robótica,
acorde al desarrollo tecnológico que se da a nivel mundial, debido a que es una
herramienta pedagógica innovadora. En el diseño de las piezas se utiliza el software
SOLIDWORKS 2017 y se ejecuta la impresión de estas, para la construcción con el
software 3D WOX SINDOH que permite validar modelos 3D en formato STL. El polímero
ABS es la materia prima para plasmar la idea. Finalmente, en el antebrazo se desarrolla la
programación en el software permitiendo obtener los movimientos técnicos adecuados de
manera inalámbrica.
Palabras claves:
Biotecnología, robótica, servomotores, Arduino, polímero ABS, impresión 3D.
xiv
EXECUTIVE SUMMARY
Science has technological advances that are surprising because through these solutions are
given to countless problems: doctors, scientists, technicians, among others. Replacement of
limbs, both in humans and animals, has been a reality for many years. In the early 1960s,
biotechnology and robotics allowed the creation of the first robotic hand demonstrating a
great contribution to humanity. From that moment until the present moment there has been
an accelerated development in the biomechanics, getting to have people who live with this
type of prosthesis and have a normal life. The project focuses on the design, construction
and control of a robotic forearm by programming Arduino UNO boards, achieving the
operation of electronic components such as flexural sensors, NRF24L01 wireless
connection modules and servomotors. This project for teaching purposes will allow
teaching in the Faculty of Mechanical Engineering of the State Technical University of
Quevedo, and generate a close link between theory and practice in teaching robotics,
according to the technological development that occurs worldwide, because it is an
innovate pedagogical tool. In the design of the pieces, the software SOLIDWORKS 2017is
used and the printing of these is executed, for the construction with 3D software WOX
SINDOH that allow validating 3D models in STL format. The ABS polymer is the raw
material to capture the idea. Finally, in the forearm is developed programming in the
software allowing to obtain the appropriate technical movements wireless.
Keywords:
Biotechnology, robotics, servomotors, Arduino, ABS polymer, 3D printing.
xv
TABLA DE CONTENIDO
PORTADA………………………………………………………………………………….i
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ......................................... ii
CERTIFICACIÓN DE CULMINACIÓN DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
…………. ............................................................................................................................. iv
CERTIFICADO DEL REPORTE DE LA HERRAMIENTA DE PREVENCIÓN DE
COINCIDENCIA Y/O PLAGIO ACADÉMICO ................................................................ vi
AGRADECIMIENTO .......................................................................................................... ix
DEDICATORIA ................................................................................................................... xi
RESUMEN EJECUTIVO .................................................................................................. xiii
EXECUTIVE SUMMARY ................................................................................................ xiv
TABLA DE CONTENIDO ................................................................................................. xv
INDICE DE TABLAS ........................................................................................................ xix
CÓDIGO DUBLÍN .......................................................................................................... xxiii
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1
CAPÍTULO I CONTEXTUALIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ................................ 3
1.1. Problema de investigación .................................................................................... 4
1.1.1. Planteamiento del problema .................................................................................. 4
1.1.2. Formulación del problema .................................................................................... 5
1.1.3. Sistematización del problema ............................................................................... 5
1.2. Objetivos ............................................................................................................... 6
1.2.1. Objetivo general .................................................................................................... 6
1.2.2. Objetivos específicos ............................................................................................ 6
1.3. Justificación .......................................................................................................... 7
CAPÍTULO II FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DE LA INVESTIGACIÓN .................. 8
2.1. Marco conceptual .................................................................................................. 9
2.1.1. Biotecnología ........................................................................................................ 9
2.1.2. Robótica ................................................................................................................ 9
2.1.3. Antebrazo robótico ................................................................................................ 9
2.1.4. Servomotores ........................................................................................................ 9
2.1.5. Arduino ............................................................................................................... 10
2.1.6. Impresión 3d ....................................................................................................... 10
2.1.7. Polímero ABS ..................................................................................................... 10
2.1.8. SolidWorks ......................................................................................................... 10
2.2. Marco referencial ................................................................................................ 11
xvi
2.2.1. Anatomía de la mano humana ............................................................................. 11
2.2.1.1. Esqueleto de la mano .......................................................................................... 11
2.2.1.2. Carpo ................................................................................................................... 12
2.2.1.3. Metacarpo ........................................................................................................... 12
2.2.1.4. Falanges. ............................................................................................................. 12
2.2.1.5. Movimientos de la muñeca ................................................................................. 13
2.2.1.6. Músculos flexores y extensores de la muñeca .................................................... 13
2.2.1.7. Músculos flexores y extensores de los dedos ..................................................... 15
2.2.1.8. Perspectivas funcionales de la mano humana ..................................................... 16
2.2.1.9. Medidas promedios de una mano humana .......................................................... 16
2.2.2. Anatomía del antebrazo humano......................................................................... 18
2.2.2.1. Esqueleto del antebrazo ...................................................................................... 18
2.2.2.2. Músculos extensores del antebrazo ..................................................................... 19
2.2.2.3. Músculos flexores del antebrazo ......................................................................... 23
2.2.2.4. Tablas de músculos del comportamiento anterior y posterior del antebrazo
……….… ............................................................................................................................ 27
2.2.3. Bioingeniería ....................................................................................................... 32
2.2.4. La Biomecánica y sus aplicaciones ..................................................................... 32
2.2.4.1. Aplicaciones de la biomecánica .......................................................................... 32
2.2.5. Reseña histórica de la prótesis ............................................................................ 33
2.2.6. Clasificación de prótesis de mano ....................................................................... 36
2.2.7. Estudio de prototipos de prótesis de mano en el Ecuador................................... 37
2.2.7.1. Estudio del estado del arte de las prótesis de mano. ........................................... 37
2.2.7.2. Diseño y construcción de una mano robótica controlada mediante un guante
sensorizado. ......................................................................................................................... 38
2.2.7.3. Prototipo de prótesis robótica para la mano. ....................................................... 39
2.2.7.4. Hand of Hope ...................................................................................................... 40
2.2.8. Placas Arduino .................................................................................................... 41
2.2.9. Protoboard ........................................................................................................... 42
2.2.10. Servomotor .......................................................................................................... 42
2.2.10.1. Partes de un servomotor ...................................................................................... 43
2.2.10.2. Conexión de un servomotor ................................................................................ 44
2.2.10.3. Tipos de servomotores ........................................................................................ 45
2.2.11. Sensores de flexión ............................................................................................. 47
2.2.11.1. Funcionamiento de un sensor de flexión ............................................................ 47
2.2.12. Potenciómetro ..................................................................................................... 49
xvii
2.2.12.1. Funcionamiento de un potenciómetro ................................................................. 49
2.2.13. Resistencias eléctricas ......................................................................................... 50
2.2.14. Tipos y características técnicas de impresoras 3D .............................................. 51
2.2.15. Tipos de filamentos para impresoras 3D............................................................. 55
2.2.15.1. Poliácido Láctico (PLA) ..................................................................................... 56
2.2.15.2. Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) ............................................................. 57
2.2.15.3. Nylon ................................................................................................................... 59
CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ......................................... 60
3.1. Localización. ....................................................................................................... 61
3.2. Tipo de investigación. ......................................................................................... 61
3.2.1. Investigación exploratoria. .................................................................................. 61
3.2.2. Investigación descriptiva .................................................................................... 61
3.2.3. Investigación diagnostica .................................................................................... 61
3.3. Métodos de investigación ................................................................................... 62
3.3.1. Método analítico ................................................................................................. 62
3.3.2. Método histórico ................................................................................................. 62
3.3.3. Método sintético .................................................................................................. 62
3.4. Fuentes de recopilación de información ............................................................. 62
3.5. Diseño de la investigación .................................................................................. 63
3.5.1. Diseño no experimental ...................................................................................... 63
3.6. Instrumentos de investigación ............................................................................. 63
3.7. Tratamientos de los datos .................................................................................... 63
3.8. Recursos humanos y materiales .......................................................................... 63
3.8.1. Recursos humanos .............................................................................................. 63
3.8.2. Recursos materiales ............................................................................................ 64
3.8.2.1. Componentes electrónicos .................................................................................. 64
3.8.2.2. Máquinas y herramientas .................................................................................... 65
3.8.2.3. Otros materiales .................................................................................................. 65
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................... 66
4.1. Resultados ........................................................................................................... 67
4.1.1. Análisis de movimientos producidos por los dedos de la mano y muñeca ......... 67
4.1.2. Revisión de los prototipos existentes en el país. ................................................. 68
4.1.3. Dimensionamientos de los componentes de la mano y antebrazo. ..................... 72
4.1.3.1. Diseño del sistema mecánico .............................................................................. 77
4.1.3.2. Análisis y modelación geométrica de un dedo ................................................... 80
xviii
4.1.3.3. Modelado de la palma de la mano ...................................................................... 98
4.1.3.4. Modelado de la muñeca ...................................................................................... 99
4.1.3.5. Modelado del antebrazo .................................................................................... 103
4.1.4. Selección de componentes electrónicos, eléctricos y de control a utilizar en el
antebrazo robótico. ............................................................................................................ 107
4.1.5. Selección de material adecuado para la impresión de la estructura de la mano y
antebrazo.112
4.1.6. Pruebas de funcionamientos del antebrazo robótico ......................................... 113
4.1.6.1. Fallos y error durante la impresión 3D ............................................................. 113
4.1.6.2. Implementación y pruebas ................................................................................ 116
4.1.7. Programación de los componentes electrónicos, eléctricos y de control .......... 118
4.1.7.1. Prueba de funcionamiento de la programación ................................................. 124
4.1.8. Presupuesto ....................................................................................................... 126
4.2. Discusión. .......................................................................................................... 129
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................... 132
5.1. Conclusiones ..................................................................................................... 133
5.2. Recomendaciones ............................................................................................. 134
CAPÍTULO VI BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................... 135
CAPÍTULO VII ANEXOS ................................................................................................ 142
xix
INDICE DE TABLAS Páginas
N° 1: Promedio de la longitud, anchura de la mano y longitud de la palma
en mujeres expresado en mm.
17
N° 2: Promedio de la longitud, anchura de la mano y longitud de la palma
en hombres expresado en mm.
17
N° 3: Músculos del compartimiento anterior del antebrazo. 27
N° 4: Músculos del compartimiento posterior del antebrazo. 30
N° 5: Clasificación de placas Arduino. 41
N° 6: Características y especificaciones de un sensor de flexión. 48
N° 7: Características de la impresora 3d AXIOM DUAL. 52
N° 8: Características de la impresora 3d MARKFORGED. 53
N° 9: Características de la impresora 3d SIMPLIFIED DP200. 54
N° 10: Ventajas, desventajas y aplicaciones del Poliácido Láctico (PLA). 56
N° 11: Ventajas, desventajas y aplicaciones del Acrilonitrilo Butadieno
Estireno (ABS).
58
N° 12: Nombres de los servomotores a utilizarse en el antebrazo. 67
N° 13: Características de los prototipos existentes en el Ecuador. 69
N° 14: Características a implementar en el antebrazo robótico. 72
N° 15: Características técnicas de los módulos NRF24L01. 111
N° 16: Comparación de las características de los filamentos ABS Y PLA 112
N° 17: Herramientas y accesorios auxiliares. 116
N° 18: Procedimientos tecnológicos. 117
N° 19: Diagrama de procesos del sistema. 117
N° 20: Costos de materiales. 126
N° 21: Costos de mano de obra. 127
N° 22: Costos de impresión 3D. 127
N° 23: Costo de oficina. 128
N° 24: Costo total. 128
N° 25: Medidas del diseño mecánico del antebrazo robótico. 129
N° 26: Resultados de cada falange del dedo diseñado. 129
N° 27: Comparación del modelo UTEQ con los diferentes prototipos
existentes en el Ecuador
130
xx
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Páginas
N° 1: Promedio de medidas de mano del sexo femenino. 73
N° 2: Promedio de la mano derecha de las mujeres. 74
N° 3: Promedio mano izquierda de las mujeres. 74
N° 4: Promedio de medidas de las manos de sexo masculino. 76
N° 5: Promedio de la mano derecha de los hombres. 76
N° 6: Promedio de la mano izquierda de los hombres. 77
xxi
ÍNDICE DE ECUACIONES
Páginas
N° 1: Peso máximo 82
N° 2: Esfuerzo de diseño 83
N° 3: Esfuerzo por flexión al que se somete la falange 84
N° 4: Módulo de sección resultante 84
N° 5: Espesor 85
N° 6: Factor de seguridad 86
N° 7: Paso diametral del engranaje de salida 100
N° 8: Diámetro primitivo 100
N° 9: Profundidad útil del diente 100
N° 10: Base o pie 101
N° 11: Suplemento o cabeza 101
N° 12: Espesor del diente 101
N° 13: Paso circular 101
N° 14: Peso total 104
N° 15: Peso del antebrazo robótico 104
N° 16: Peso de los servomotores. 105
N° 17: Torque máximo. 106
xxii
ÍNDICE DE ANEXOS
Páginas
N°1: Capacitación del uso de la impresora 143
N°2: Impresión en 3D de las piezas diseñadas 144
N°3: Verificación de piezas 146
N°4: Análisis de piezas defectuosas 147
N°5: Ensamble de mano 148
N°6: Ensamble del antebrazo 150
N°7: Pruebas de programación de los componentes
electrónicos
151
N°8:
N°9:
N°10:
N°11:
Entrevista a doctores, físicos terapeutas y
traumatólogos de la cuidad
Características técnicas de tarjetas Arduino
Características técnicas de servomotores
utilizables en manos robóticas
Características técnicas del polímero ABS
152
153
155
156
N°12: Programación del guante inalámbrico
(Transmisor)
157
N°13: Programación del brazo robótico (Receptor) 159
N°14: Planos 162
xxiii
CÓDIGO DUBLÍN
Título: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ANTEBRAZO ROBÓTICO MEDIANTE UN CONTROL DE
PROGRAMACIÓN.
Autores: Guillén Figueroa Irving Javier – Laz Aguilar Michael Steven
Palabras
clave:
Biotecnología Robótica Servomotor Arduino Polímero ABS Impresión 3D
Fecha de
publicación:
Editorial: Quevedo: UTEQ, 2017
Resumen: Resumen.- La ciencia tiene avances tecnológicos que sorprenden porque a través de estos se dan solución a innumerables
problemas: médicos, científicos, técnicos, entre otros. El reemplazo de miembros, tanto en humanos como en animales, es una
realidad desde hace muchos años. A inicios de 1960 la biotecnología y la robótica permitieron crear la primera mano robótica
demostrando un gran aporte a la humanidad. Desde aquellos momentos hasta la actualidad se ha dado un desarrollo acelerado en
la biomecánica, llegando a tener personas que viven con este tipo de prótesis y tienen una vida normal. El proyecto se enfoca en el
diseño, construcción y control de un antebrazo robótico mediante la programación de placas Arduino UNO, logrando el
funcionamiento de los componentes electrónicos como son los sensores de flexión, módulos NRF24L01 de conexión inalámbrica
y los servomotores. Este proyecto con fines didácticos permitirá la enseñanza en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Técnica Estatal de Quevedo, y generar un vínculo estrecho entre la teoría y la práctica en la enseñanza de la robótica,
acorde al desarrollo tecnológico que se da a nivel mundial, debido a que es una herramienta pedagógica innovadora. En el diseño
de las piezas se utiliza el software SOLIDWORKS 2017 y se ejecuta la impresión de estas, para la construcción con el software
xxiv
3D WOX SINDOH que permite validar modelos 3D en formato STL. El polímero ABS es la materia prima para plasmar la idea.
Finalmente, en el antebrazo se desarrolla la programación en el software permitiendo obtener los movimientos técnicos adecuados
de manera inalámbrica.
Abstract. - Science has technological advances that are surprising because through these solutions are given to countless
problems: doctors, scientist, technicians, among others. Replacement of limbs, both in humans and animals, has been a reality for
many years. In the early 1960s, biotechnology and robotics allowed the creation of the first robotic hand demonstrating a great
contribution to humanity. From that moment until the present moment there has been an accelerated development in the
biomechanics, getting to have people who live with this type of prosthesis and have a normal life. The project focuses on the
design, construction and control of a robotic forearm by programming Arduino UNO boards, achieving the operation of electronic
components such as flexural sensors, NRF24L01 wireless connection modules and servomotors. This project for teaching
purposes will allow teaching in the Faculty of Mechanical Engineering of the Quevedo, and generate a close link between theory
and practice in teaching robotics, according to the technological development that occurs worldwide, because it is an innovative
pedagogical tool. In the design of the pieces, the software SOLIDWORKS 2017 is used and the printing of these is executed, for
the construction with 3D software WOX SINDOH that allows validating 3D models in STL format. The ABS polymer is the raw
material to capture the idea. Finally, in the forearm is developed programming in the software allowing to obtain the appropriate
technical movements wireless.
Descripción: 187 hojas: Dimensiones 290 x 210 mm: CD-ROM
URI:
1
INTRODUCCIÓN
Manipular un objeto con las manos es una tarea fácil para los seres humanos ya que lo
podemos realizar sin ninguna dificultad. El inconveniente surge cuando se quiere ceder
esta misma destreza a un robot, trabajo nada fácil de realizar. Hoy en día muchos
investigadores e industrias han dedicado años de estudio para la realización de prototipos
de prótesis robóticas que traten de igualar los movimientos de una mano humana real.
El presente proyecto tiene como objetivo diseñar y construir un antebrazo robótico,
mediante un control de parámetros electrónicos. El antebrazo robótico consta de cinco
dedos cada uno con tres grados de libertad y una muñeca rotatoria, los cuales son
controlados mediante un guante sensorizado de forma inalámbrica o por medio de un
computador. El presente proyecto está constituido de la siguiente forma:
En el Capítulo I se demuestra la problemática, los objetivos y justificación que se
presentan en la elaboración del trabajo.
Los conceptos básicos de la anatomía de una mano y antebrazo humano, dimensiones de
una mano humana, fundamentos teóricos de la biomecánica y sus aplicaciones, reseñas
históricas de la prótesis, estudios de prótesis existentes en el Ecuador, fundamentos
teóricos de los componentes electrónicos y tipos de materiales a utilizarse en las
impresoras 3D, son analizados en el Capítulo II.
Luego de haber concluido con los fundamentos básicos para la elaboración del antebrazo
robótico, se procede a realizar la metodología de la investigación, en el cual se muestra en
el Capítulo III.
Posteriormente, en el Capítulo IV se muestran el análisis de movimientos de la mano,
graficas de promedio del tamaño de una mano en sexo masculino y femenino, diseño y
2
cálculos del sistema mecánico; selección adecuada de los componente electrónicos,
pruebas de fallos y errores en la impresión 3D; programación de los componentes
electrónicos y presupuesto total del antebrazo robótico.
En el Capítulo V se presentan las conclusiones y recomendaciones que se le puede realizar
en un futuro al proyecto. Finalmente en el capítulo 6 y 7, se presenta la bibliografía y los
anexos; como son los planos del antebrazo.
3
CAPÍTULO I
CONTEXTUALIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
4
1.1. Problema de investigación
1.1.1. Planteamiento del problema
En los principios de la industrialización, las compañías han contratado personal para
realizar diferentes actividades laborales, muchas veces estos procesos son repetitivos y
estos terminan por fatigar a los trabajadores. También la manipulación de objetos,
materiales o sustancias nocivas o peligrosas en las industrias hace imperante la necesidad
de crear robots para que realicen dichas actividades, permitiendo preservar la salud del ser
humano. Logrando que las empresas sean más eficaces y mejorando el flujo de producción.
En el país existen pocos proyectos relacionados con la enseñanza de la robótica educativa
como herramienta pedagógica, debido a los elevados costos y la difícil adquisición de los
componentes mecánicos, se les dificulta construirlos a los estudiantes de las diferentes
instituciones. Actualmente el país está impulsando a que se ejecuten estos proyectos de alta
tecnología para mejoras en la industria. Tomando en consideración datos estadísticos en la
provincia de Los Ríos cantón Quevedo existen alrededor de 176 personas con dificultades
en sus miembros superiores.
El presente trabajo se realiza con un propósito didáctico para la enseñanza de la robótica en
la carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo,
permitiendo facilitar la enseñanza y aprendizaje de las materias como control de procesos,
electrónica, diseño mecánico, resistencia de materiales, entre otras. Por lo tanto, es
importante desarrollar los movimientos y control adecuado para la ejecución de las
operaciones, sin dejar de lado la parte estética que es muy importante en la psicología de la
persona.
Diagnóstico
El no contar con un diseño y construcción de un antebrazo robótico, dificulta el
aprendizaje práctico de materias técnicas, como son las asignaturas de electrónica, control
de procesos industriales, diseño mecánico y robótico. Elementos electrónicos como la
5
tarjeta Arduino Raspberry o Industriel, se utilizan para la elaboración de diferentes
proyectos industriales, además el antebrazo robótico ayuda a enseñar a las personas crear y
desarrollar ideas que estén vinculadas en el campo de la robótica, permitiendo tener un
gran interés en las nuevas tecnologías.
Pronóstico
Al diseñar, construir y automatizar un antebrazo robótico para los estudiantes de ingeniería
mecánica, hace que esta investigación incentive a realizar futuros progresos en el diseño
del antebrazo y en el área de la robótica. Además que permita optimizar procesos
industriales, disminuyendo tiempos de trabajo y esfuerzos físicos a los operarios.
1.1.2. Formulación del problema
¿Cómo la Ingeniería Mecánica ayuda a entender la robótica y sus beneficios para que el
estudiante aplique esta nueva tecnología enfocado principalmente, en el reemplazo de
extremidades perdidas?
1.1.3. Sistematización del problema
¿Cuál es el proceso de funcionamiento de un antebrazo robótico?
¿Cuáles son las características que tienen los diferentes prototipos existentes en el país?
¿Qué diseño es el más adecuado para el antebrazo robótico?
¿Cuáles son los elementos mecánicos y electrónicos que se pueden implementar en la
construcción de un antebrazo robótico?
¿De qué material será el brazo robótico?
¿Cuáles son las fallas que se producen en la elaboración y funcionamiento del antebrazo
robótico?
6
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo general
Construir un antebrazo robótico, mediante un control de parámetros electromecánicos para
entender el beneficio de la robótica en la carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad
Técnica Estatal de Quevedo y sus aplicaciones futuras.
1.2.2. Objetivos específicos
Analizar que produce el movimiento de los dedos de la mano, muñeca y del antebrazo
humano.
Revisar los diferentes prototipos de manos y brazos robóticos que existen en el país.
Dimensionar los componentes de la mano y antebrazo.
Seleccionar los componentes eléctricos, electrónicos y de control imprescindibles para
la construcción de un antebrazo robótico.
Escoger el material de impresión adecuado para la estructura de la mano y antebrazo.
Realizar pruebas de funcionamiento del antebrazo.
7
1.3. Justificación
El presente trabajo tiene el objetivo de profundizar el conocimiento de la robótica, la cual
hoy en día facilitan la vida del ser humano en los procesos industriales, en las áreas de
producción y otros sectores como la medicina, educación, agricultura, entre otras.
Este proyecto propone una solución a uno de los grandes problemas que se encuentra en la
sociedad, como es la falta de prótesis robóticas para personas con discapacidades en las
extremidades superiores, debido a traumatismo o amputaciones al nivel del antebrazo.
Además ayuda a profundizar la enseñanza en el área de la robótica y a la vez promover el
avance de nuevas tecnologías.
El antebrazo robótico se diseñó y construyó específicamente como una herramienta
didáctica que permita implementar conocimientos con el fin de lograr a obtener un mayor
avance tecnológico como es la elaboración de una prótesis para implementarla en una
persona con discapacidad en las extremidades superiores.
Este prototipo consta de elementos mecánicos y electrónicos que pueden ser programados
en diferentes software, como Makeblock, Scratch, entre otros; logrando obtener los
principales movimientos de una mano humana como son la extensión y flexión de los
dedos; además se implementó la rotación de la muñeca y una conexión inalámbrica que
será mediante un guante sensorizado para un fácil control de la mano robótica. La
construcción de este prototipo ayuda a reducir elevados costos en material y dispositivos
electrónicos, en comparación con otros proyectos realizados en el país.
8
CAPÍTULO II
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DE LA INVESTIGACIÓN
9
2.1. Marco conceptual
2.1.1. Biotecnología
La biotecnología es la aplicación de organismos vivos, sistemas o procesos biológicos a la
solución de problemas de interés para la comunidad mediante la generación de
innovaciones y su manufactura industrial. [1]
Los campos de aplicación de la biotecnología se dan fundamentalmente en cinco sectores:
alimenticio, salud, energía, petroquímica y minería. [2]
2.1.2. Robótica
La robótica es una ciencia o rama de la tecnología, que estudia el diseño y construcción de
máquinas capaces de desempeñar tareas realizadas por el ser humano o que requieren de
uso de inteligencia. En la robótica existen distintos grados, es una tecnología
multidisciplinaria que hace uso de recursos de otras ciencias como son: mecánica,
cinemática, dinámica, matemáticas, electrónica, informática, inteligencia artificial, entre
otros. [3]
2.1.3. Antebrazo robótico
Un antebrazo robótico es un tipo de brazo mecánico programable, que tiene funciones
similares a la de un antebrazo humano; este puede ser parte de un robot complejo o cierta
cantidad de mecanismos. [1]
2.1.4. Servomotores
Los servomotores son motores de corriente continua que tiene la capacidad de ser
controlados en diferentes grados o posiciones.
10
Es capaz de ubicarse en cualquier posición dentro de un rango de operación (generalmente
180°) y mantenerse estable en dicha posición. [4]
2.1.5. Arduino
Arduino es una plataforma de códigos abiertos (open - source), basada en una placa con un
microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica
en diferentes proyectos. [5]
2.1.6. Impresión 3d
Una impresora 3D es un dispositivo que genera un sólido tridimensional mediante la
adición de materiales, las impresoras 3D se basan en modelos 3D para definir que se va
imprimir, la mayor parte de las impresoras 3D creadas hasta la actualidad utilizan como
material los polímeros ABS Y PLA. [6]
2.1.7. Polímero ABS
El ABS es un plástico cuya elaboración y procesamiento es más complejo que los plásticos
comunes, como es el polioleofinas (polietileno, polipropileno). [7]
2.1.8. SolidWorks
Es un software CAD para modelado mecánico, creado por la compañía SolidWorks Corp.
El programa permite modelar piezas y conjuntos, además se pueden hacer simulaciones y
extracciones de planos. [8]
11
2.2. Marco referencial
2.2.1. Anatomía de la mano humana
2.2.1.1. Esqueleto de la mano
El esqueleto óseo de la mano está compuesto por ocho huesos cortos, cuyo conjunto
constituye el esqueleto de la muñeca o carpo, cinco huesos largos que forman el
metacarpo, y por último, catorce huesos largos, llamados falanges, que constituyen el
esqueleto de los dedos. [9]
Figura 1. Esqueleto de la mano, cara anterior o palmar.
FUENTE: (GUTIÉRREZ, 1975)
12
2.2.1.2. Carpo
El carpo es una de las partes que se encuentra en la muñeca, está compuesto por ochos
huesos cortos unidos por varios ligamentos formando el esqueleto de la muñeca como se
observa en la Figura 1. Los ochos huesos se colocan en dos filas o hileras (proximal y
distal). La fila superior se halla formada, por los siguientes huesos: escafoides, semilunar,
piramidal y pisiforme; en la fila inferior, se encuentran los siguientes: trapecio, trapezoide,
hueso grande y hueso ganchudo.
2.2.1.3. Metacarpo
Se halla formado por cinco huesos largos o huesos metacarpianos, como se muestra
enumerados en la Figura 2. Se articulan por arriba de la segunda fila de los huesos del
carpo y, por debajo, con las primeras falange de los dedos. [9]
Figura 2. Metacarpo y falanges (cara dorsal)
FUENTE: (HENRI ROUVIÉRE; ANDRÉ DELMAS, 2005)
2.2.1.4. Falanges.
Son los que forman los huesos de los dedos. El nombre de los dedos de la mano son:
pulgar, índice, medio, anular y meñique. [10]
13
2.2.1.5. Movimientos de la muñeca
Los movimientos de la muñeca son (ver Figura 3) [11]:
Flexión: Es el acercamiento de la cara anteriores del antebrazo y la mano.
Extensión: Es el movimiento que acerca las caras posteriores del antebrazo y de la
mano.
Abducción o inclinación radial: Es el movimiento que acerca los bordes externos de la
mano y del antebrazo.
Aducción o inclinación cubital: Es el movimiento que acerca los bordes internos de la
mano y el antebrazo.
Figura 3. Arcos de movilidad de la muñeca
FUENTE: (LÓPEZ E. J., 2014)
2.2.1.6. Músculos flexores y extensores de la muñeca
Los músculos flexores de la muñeca son (ver Figura 4) [11]:
Cubital anterior: Son los que realizan la flexión de la muñeca y su inclinación cubital.
Palmar menor: Es el que permite doblar la muñeca.
Palmar mayor: Dobla la muñeca y realiza la inclinación radial de la misma
14
Figura 4. Músculos flexores de la muñeca
FUENTE: (SÁNCHEZ, 2012)
Los músculos extensores de la muñeca están conformado por el primer y segundo radial y
cubital posterior, como se muestra en la Figura 5. [12]
Figura 5. Músculos extensores de la muñeca
FUENTE: (NORKIN C.; WHITE J., 2006)
15
2.2.1.7. Músculos flexores y extensores de los dedos
Flexor común superficial de los dedos: Se encuentra situado entre el palmar mayor y
el palmar menor como se muestra de color morado en la Figura 6. Se inserta por cuatro
tendones denominados: flexor mínimo de codo, flexor de la muñeca, flexor metacarpo
falángico, flexor de la primera interfalángicas. [13]
Figura 6. Flexor común superficial de los dedos
FUENTE: (GRANADA, 2010)
Flexor común profundo de los dedos: se encuentra situado detrás del flexor
superficial, está encerrado en un compartimiento casi inextensible que contribuye
aumentar su tensión como se observa de color morado en la Figura 7. [13]
Figura 7. Flexor común profundo de los dedos
FUENTE: (GRANADA, 2010)
Extensor común de los dedos: Se encuentra situado en la parte media de la superficie
dorsal del antebrazo como se observa de color rojo en la Figura 8. [13]
16
Figura 8. Extensor común de los dedos
FUENTE: (GRANADA, 2010)
2.2.1.8. Perspectivas funcionales de la mano humana
La mano humana tiene varias posiciones (ver Figura 9) muy utilizables, utilizando la
presión para agarrar un objeto, de acuerdo al movimiento de agarre que la persona utilice la
muñeca tiene a incrementar la distancia de los tensores flexores. [14]
Figura 9. Posiciones funcionales de la mano
FUENTE: (KEINTH L. MOORE; ARTHUR F. DAILEY; ANNE M.R. AGUR, 2013)
2.2.1.9. Medidas promedios de una mano humana
Según estudios realizados en la Universidad Autónoma de Chile en el Artículo de Aspectos
Biométricos de la Mano de Individuos Chilenos, donde muestra las medidas promedios de
la longitud y anchura de la mano obtenidas por sexo y edad, no hay mucha diferencia entre
la mano izquierda y la mano derecha; pero si existen diferencias significativas en el largo y
ancho de la mano y longitud del dedo medio, al realizar las comparaciones entre género,
edad y estatura. [15]
17
Tabla 1. Promedio de la longitud, anchura de la mano y longitud de la palma en mujeres
expresado en mm.
Longitud de la mano Ancho de la mano Longitud de la palma
Edades Derecha Izquierda Derecha Izquierda Derecha Izquierda
18-19 166±25 169±10 81±13 82±17 92±8 94±8
20-24 166±32 173±10 78±10 77±9 95±8 95±9
25-29 171±5 171±5 81±18 80±19 92±8 91±11
30-34 170±11 168±10 82±17 80±18 96±10 96±10
35-39 172±6 172±7 80±9 78±6 95±6 95±6
40-44 170±8 169±8 80±7 79±7 97±4 96±4
45-49 165±10 166±10 78±9 78±8 95±6 96±7
50-54 169±11 171±10 80±7 80±7 98±19 97±15
55-59 166±11 166±11 78±8 77±8 90±11 90±11
60-64 158±7 160±10 76±7 74±7 83±12 86±13
65-69 171±8 172±9 76±5 77±8 96±8 97±8
FUENTE: (GUTIÉRREZ P. D., 2012)
ELABORADO: GUILLÉN F. I., LAZ A. M.
Tabla 2. Promedio de la longitud, anchura de la mano y longitud de la palma en hombres
expresado en mm.
Longitud de la mano Ancho de la mano Longitud de la palma
Edades Derecha Izquierda Derecha Izquierda Derecha Izquierda
18-19 182±10 183±10 95±19 94±19 102±8 103±7
20-24 186±9 188±11 92±19 91±19 105±7 104±7
25-29 188±10 188±10 92±21 90±21 105±8 109±12
30-34 183±12 186±12 89±10 89±9 104±9 106±8
35-39 184±8 183±9 97±13 96±14 101±8 109±27
40-44 184±15 184±15 89±10 88±8 106±15 106±13
45-49 183±12 184±6 91±8 89±6 106±11 102±7
50-54 186±13 186±13 90±8 89±9 109±18 107±13
55-59 187±16 187±20 92±13 91±13 106±9 105±8
60-64 186±12 187±12 87±4 87±4 113±25 106±10
FUENTE: (GUTIÉRREZ P. D., 2012)
ELABORADO: GUILLÉN F. I., LAZ A. M.
18
2.2.2. Anatomía del antebrazo humano
2.2.2.1. Esqueleto del antebrazo
El esqueleto del antebrazo está conformado por dos huesos largos (ver Figura 10),
relacionados entre sí por sus extremidades quedando entre ambos un espacio más o menos
ovalado llamado “espacio interóseo”. El hueso del lado externo tiene el nombre de radio y
el interno se llama cúbito. [9]
Figura 10. Huesos del antebrazo (vista anterior)
FUENTE: (MENDOZA, 2013)
Radio: Es un hueso largo que en la posición anatómica se encuentra del lado de afuera
del antebrazo (ver Figura 10). El radio participa en cuatro articulaciones que son:
húmedo radial, radio cubital superior radio cubital inferior y radio carpiana. [14]
19
Cubito: Es el hueso más largo y que en su epífisis superior presenta superficies
articulares importantes (ver Figura 10). En la posición anatómica, el cubito es el más
interno en el antebrazo. [14]
2.2.2.2. Músculos extensores del antebrazo
Los músculos que pertenecen a la región extensora del antebrazo están compuestos por
onces músculos:
Músculo abductor largo del pulgar: Este músculo se intersecta con el lado radial de la
base del primer metacarpo y su función es abducir el pulgar sobre la articulación
carpometacapiana (ver Figura 11). Los tendones del aductor largo y del extensor corto
del pulgar forman el borde lateral de la tabaquera anatómica. [16]
Figura 11. Músculo abductor largo del pulgar
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo supinador largo: Su intersección es en la parte lateral de la base del proceso
estiloideo del radio (ver Figura 12). Su acción es flexionar el codo, asiste en la
pronación y la supinación. [16]
Figura 12. Músculo supinador largo
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
20
Músculo segundo radial: Se intersecta en el dorso del tercer metacarpiano (ver Figura
13). Su acción es extender la muñeca y abducir la mano. [16]
Figura 13. Músculo segundo radial y primer radial
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo primer radial: Funciona sinérgicamente con el segundo radial y el palmar
mayor, en la abducción de la mano; se intersecta en el dorso del segundo metacarpiano
y realiza la misma tarea que el segundo radial (ver Figura 13). [16]
Músculo cubital posterior: Se intersecta con el lado medial de la base del quinto
metacarpiano y su acción es extender la muñeca (ver Figura 14). [16]
Figura 14. Músculo cubital posterior
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
21
Músculo extensor propio del meñique: Su intersección es con el extensor común de
los dedos y su acción es extender las articulaciones metacarpo falángico, interfalángicas
proximal y distal (ver Figura 15). [16]
Figura 15. Músculo extensor propio del meñique
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo extensor común de los dedos: Su acción es extender las articulaciones
metacarpo falángico, interfalángicas proximal y distal; y extensión de la muñeca (ver
Figura 16). [16]
Figura 16. Músculo extensor común de los dedos
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo extensor del índice: Extiende el dedo índice sobre las articulaciones
metacarpos falángicos, interfalángicas proximales y distales (ver Figura 17). [16]
22
Figura 17. Músculo extensor del índice
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo extensor corto del pulgar: Extiende el pulgar sobre la articulación
metacarpo falángico y extiende la articulación carpometacapiana del pulgar (ver Figura
18). Su intersección es en la base proximal de la falange distal del pulgar. [16]
Figura 18. Musculo extensor corto del pulgar
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
23
Músculo extensor largo del pulgar: Extiende el pulgar sobre la articulación metacarpo
falángicas y extiende la articulación carpometacapiana (ver Figura 19). Se intersecta en
la base de la falange distal de pulgar. [16]
FIGURA 19. Músculo extensor largo del pulgar
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo supinador corto: Su acción es tender o estirar el antebrazo y se intersecta en
el lateral del tercio proximal al radio (ver Figura 20). [16]
Figura 20. Músculo supinador corto
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
2.2.2.3. Músculos flexores del antebrazo
Los músculos flexores del antebrazo son:
Músculo Palmar mayor: Es un músculo inconstante estrecho y alargado con un vientre
pequeño y un tendón largo (ver Figura 201. Su contracción produce la flexión de la
mano sobre el antebrazo. [17].
24
Figura 21. Músculo palmar mayor
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo cubital anterior: Es el músculo más medial de este plano, ancho y grueso
(ver figura 22). Presenta dos cabezas la humeral y la cubital. [16]
Figura 22. Músculo cubital anterior
FUENTE: (BENEDETTI,2009)
Músculo flexor común profundo de los dedos: Extendido desde el antebrazo hasta la
falange distal de los cuatro últimos dedos. Por fibras musculares nace en la parte
superior de la cara anterior y de la cara medial del cúbito, de la membrana interósea y en
la parte medial de la cara anterior al radio (ver Figura 23). La inervación de este
músculo es compartida por el nervio mediano. [17]
25
Figura 23. Músculo flexor común profundo de los dedos
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo flexor común superficial de los dedos: Es un potente músculo que se
extiende desde húmero, el radio y el cúbito hasta los cuatro últimos dedos (ver Figura
24). [16]
Figura 24. Músculo flexor común superficial de los dedos
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo flexor largo del pulgar: Se extiende desde el radio hasta la cara palmar del
pulgar y ocupa la parte más lateral de este plano. Su intersección se da con la cara
anteromedial del radio y en la membrana interósea (ver Figura 25). Su acción es
26
flexionar la falange distal del dedo pulgar sobre la falange proximal, y ésta sobre el
primer metacarpiano. [16]
Figura 25. Músculo flexor largo del pulgar
FUENTE: (LUIS ROBERTO BARONE, CARLOS EDUARDO RODRÍGUEZ, MARTA
LUCÍA GHIGLIONI, CLAUDIO DANIEL GONZÁLES, SUSANA SILVIA LUNA, 2011)
Músculo palmar largo: Su acción es flexionar la muñeca, es un musculo inconstante,
alargado y estrecho, con un vientre pequeño y un tendón largo (ver Figura 26). [17]
Figura 26. Músculo palmar largo
FUENTE: (PRÓ, 2012)
27
Músculo pronador cuadrado: Es un músculo aplanado y cuadrilátero, que está situado
transversalmente en la cara anterior y distal del radio y cúbito. [17]
Figura 27. Músculo pronador cuadrado
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
Músculo pronador redondo: Es un músculo grueso que cruza, en forma diagonal, la
región superior del ante brazo desde el humero y el cubito hasta el radio (ver Figura 28).
[17]
Figura 28. Músculo pronador redondo
FUENTE: (BENEDETTI, 2009)
27
2.2.2.4. Tablas de músculos del comportamiento anterior y posterior del antebrazo.
Tabla 3. Músculos del compartimiento anterior del antebrazo
Planos Músculos Origen Inserción Inervación Función
Pri
mer
pla
no
M. pronador
redondo
Cabezal humeral:
Epicóndilo medial y
tabique intermuscular
medial
Cabezal cubital: apófisis
coronoides del cúbito
Porción media de la cara
lateral del radio
Nervio mediano
Pronador y flexión del
antebrazo sobre el
brazo
M. flexor radial
del carpo
Epicóndilo medial: fasia
antebraquial y tabiques
fibrosos
Cara palmar de la base del
segundo metacarpiano
A veces expansión en la
cara palmar de la base del
tercero metacarpiano y
trapecio
Nervio mediano
Flexor de la mano sobre
el antebrazo y
abducción de la mano
M. palmar largo
(inconstante)
Epicóndilo medial: fasia
anebraquial y tabiques
Aponeurosis palmar Nervio mediano
Flexor de la mano sobre
el antebrazo y tensor de
28
fibrosos la aponeurosis palmar
M. Flexor
cubital del carpo
Cabeza humeral:
Epicóndilo medial,
tabiques fibrosos
Cabeza cubital: borde
medial del olécranon,
apófisis coronoides y
porción superior del borde
posterior del cúbito
Hueso pisiforme y
prolongación hacia el
gancho del ganchoso,
ligamentos
pisimetacarpianos del
cuarto y quinto dedo, y
ligamento pisiganchoso
Nervio cubital
Flexión de la mano
sobre el antebrazo y
cooperación en la
aducción de la mano
Seg
un
do p
lan
o
M. flexor
superficial de
los dedos
Cabeza humero cubital:
Epicóndilo medial,
apófisis coronoides y
tabiques fibrosos
Cabeza radial: borde
anterior del radio
Bordes laterales de las
falanges medias del
segundo al quinto dedo
Acción directa: flexión
de la falange media
sobre la proximal
Acción indirecta:
flexión de la falange
proximal sobre la mano
Ter
cer
pla
no M. flexor
profundo de los
dedos
Caras anterior medial del
cúbito, membrana
interósea y porción medial
de la cara anterior del
Cuatro tendones falange
distal del segundo al
quinto dedo Nervio mediano
Flexión de la falange
distal sobre la falange
media
Flexión de la mano
29
radio sobre el antebrazo
M. flexor largo
del pulgar
Cara anteromedial del
radio y membrana
interósea
Cara palmar de la falange
proximal del pulgar
Fascículos para el
segundo y tercer
dedo: nervio
mediano
Fascículos para el
cuarto y quinto
dedo: nervio
cubital
Flexión de la falange
distal del dedo pulgar
sobre la proximal, y
ésta sobre el primer
metacarpiano
Cu
art
o p
lan
o M. pronador
cuadrado
Borde anterior y cara
anterior del cúbito
Borde anterior y la cara
anterior del radio
Ramo interóseo
anterior(nervio
mediano)
Pronación de la mano
y el antebrazo
FUENTE: (PRÓ, 2012)
ELABORADO: GUILLÉN F. I., LAZ A. M.
30
Tabla 4. Músculos del compartimiento posterior del antebrazo
Porciones Músculos Origen Inserción Inervación P
orc
ión
late
ral
M. supinador Epicóndilo lateral, ligamento
colateral y cresta del músculo
supinador del cúbito
Plano superficial: borde
anterior del radio
Plano profundo: cara anterior
del radio
Ramo profundo del nervio radial
M. extensor radial
corto del carpo
Epicóndilo lateral, ligamento
colateral radial y tabique
fibroso
Apófisis estiloides del tercer
metacarpiano Nervio radial
M. extensor radial
largo del carpo
Borde lateral del húmero y
tabique intermuscular lateral
Base del segundo metacarpiano Nervio radial
M. braquiorradial Borde lateral del húmero y
tabique intermuscular lateral
del antebrazo
Apófisis estiloides del radio
Nervio radial
Porc
ión
post
erio
r
sup
erfi
cial
M. ancóneo Epicóndilo lateral Olecranon y cara posterior del
cúbito Nervio radial
M. extensor
cubital del carpo
Cabeza humeral: masa de los
músculos epicondíleos laterales
y su fascia
Cabeza cubital: cara y borde
posterior del cúbito
Base del quinto metacarpiano
Nervio radial
31
M. extensor del
dedo meñique
Masa común de los músculos
epicondíleos laterales
Falanges del dedo meñique Nervio radial
M. extensor de los
dedos
Epicóndilo lateral Cuatro tendones que terminan
cada uno en las tres falanges de
los últimos cuatro dedos
Lengüeta mediana: falange
media
Lengüetas laterales: base de
la falange distal
Nervio radial
Porc
ión
pro
fun
da p
ost
erio
r M. extensor del
dedo índice
Cara posterior del cúbito y
membrana interósea
Tendón extensor Nervio radial
M. extensor largo
del dedo pulgar
Cara posterior lateral del cúbito
y membrana interósea
Cara dorsal de la base de la
falange distal del pulgar Nervio radial
M. extensor corto
del dedo pulgar
Radio y membrana interósea Base de la falange proximal del
pulgar Nervio radial
M. abductor largo
del dedo pulgar
Cara posterior del radio, del
cúbito y membrana interósea
Cara lateral de la base del
primer metacarpiano Nervio radial
FUENTE: (PRÓ, 2012)
ELABORADO: GUILLÉN F. I., LAZ A. M.
32
2.2.3. Bioingeniería
La bioingeniería o biomédica es una rama multidisciplinaria de la ingeniería en la que la
ciencia y la tecnología se combinan para solucionar problemas biológicos y médicos.
Las diferentes ramas que comprende la bioingeniería son: [18]
Biología
Biomédica
Biomecánica
Bioelectónica
Ingeniería hospitalaria
Biomateriales
Ingeniería clínica
Biosensores
Telemedicina
Ingeniería agrónoma
Ingeniería civil
2.2.4. La Biomecánica y sus aplicaciones
La biomecánica es un área científica y tecnológica que analiza desde el punto de vista de la
ingeniería, todo tipo de mecanismo utilizados por la naturaleza en los seres vivos, es la que
ayuda a mejorar los diseños de varios productos como son muebles, zapatos, vehículos,
prótesis, entre otros.; permitiendo el desarrollo de la tecnología. [19]
2.2.4.1. Aplicaciones de la biomecánica
Las aplicaciones se han extendido en el campo industrial y se pueden clasificar como:
Biomecánica médica: Estudia las enfermedades que aquejan al cuerpo humano para
desarrollar soluciones capaces de evaluarlas, remediarlas o paliarlas. [20]
33
Biomecánica deportiva: Es la que analiza la práctica deportiva para mejorar las
técnicas de rendimiento de los deportistas y diseñar complementos, materiales y
equipamientos. [21]
Biomecánica Ocupacional: Estudia la relación mecánica que el ser humano sostiene
con los elementos que interactúa en diversos ámbitos para adaptarlos a sus necesidades
y capacidades. [21]
Biomecánica Industrial: Es la que evalúa los riesgos en el trabajo, traumas y estrés a
las personas por exceso de trabajo. [19]
Biomecánica ambiental: Analiza el impacto de vibraciones biomecánicas, en
translación terrestre, acuático y aéreo. [22]
2.2.5. Reseña histórica de la prótesis
Desde muchos años atrás el hombre ha estado ligado directamente con el avance de
prótesis estudiando los diferentes materiales, desarrollo tecnológico y el entendimiento de
la biomecánica del cuerpo humano. [23]
Una prótesis es un elemento con diferentes mecanismos con el fin de mejorar o reemplazar
un miembro del cuerpo humano afectado por diversas enfermedades, accidentes laborales o
accidentes de tránsito. Por lo tanto la prótesis colabora con el desarrollo psicológico de una
persona amputada, implantando una percepción de totalidad al recobrar movilidad y
aspecto. [23]
34
La prótesis de una extremidad superior comienza surgir en los años 2000 a. C., fue hallada
en una momia egipcia y estaba sujeta al antebrazo por medio de un cartucho acondicionado
al mismo. [23]
El hombre gracias al hierro pudo construir prótesis de manos más resistentes que
permitieran manipular objetos pesados, durante la Segunda Guerra Púnica el romano
Marcus Sergius (218-202 a. C.), fabricó la primer mano de hierro, con la cual portaba su
espada. [23]
En el año 1400 Alt-Ruppin perfecciona la mano de Marcus Sergius, construyéndola de
hierro, constando de un pulgar rígido en oposición, dedos flexibles, los cuales de
flexionaban pasivamente y una muñeca movible (ver Figura 30). [23]
Figura 30. Mano de Alt-Ruppin construida en el año 1400
FUENTE: (JESÚS MANUEL DORADOR GONZÁLEZ; PATRICIA RÍOS MURILLO;
ITZEL FLORES LUNA; ANA JUÁREZ MENDOZA, 2004)
En el siglo XVI el médico militar francés Ambroise Paré desarrolló el primer brazo
artificial móvil al nivel del codo (ver Figura 31), denominado “Le Petit Loraine” cuyo
35
mecanismo constaba de una palanca, permitiendo que el brazo realice la flexión o
extensión a nivel del codo, además de que los dedos podían abrirse o cerrarse presionando.
Figura 31. Primer brazo artificial móvil del francés Ambroise Paré.
FUENTE: (JESÚS MANUEL DORADOR GONZÁLEZ; PATRICIA RÍOS MURILLO;
ITZEL FLORES LUNA; ANA JUÁREZ MENDOZA, 2004)
En el siglo XIX se emplean el cuero, los polímeros naturales y la madera en la fabricación
de prótesis; también aparecen los resortes como mecanismos para transmisión de fuerza.
Una de las innovaciones más importantes es el diseño del alemán Peter Beil, el diseño de la
mano cumple con el cierre y la apertura de los dedos pero, es controlada por los
movimientos del tronco y hombro contra lateral, permitiendo dar origen a las prótesis
autopropulsadas. Más tarde el Conde Beafort modifica la mano de Peter Beil (ver Figura
32), utilizando una palanca contra el tórax permitiendo la flexión del codo y también
implementa un pulgar móvil utilizando un gancho dividido sagitalmente. [23]
Figura 32. Prótesis de mano del Conde Beafort
FUENTE: (JESÚS MANUEL DORADOR GONZÁLEZ; PATRICIA RÍOS MURILLO;
ITZEL FLORES LUNA; ANA JUÁREZ MENDOZA, 2004)
36
2.2.6. Clasificación de prótesis de mano
En el mundo las primeras prótesis eran mecánicas, hoy en día se clasifican de acuerdo a su
funcionalidad y el material en que están elaboradas. En el diagrama 1 se presenta la
clasificación de las prótesis para la mano.
Diagrama 1. Clasificación de las prótesis para la mano
FUENTE: (CARLOS ENRIQUE TIXI TOALONGO; JUAN PAUL RAMOS
AVECILLAS, 2015)
ELABORADO: GUILLÉN F.I., LAZ A.M.
TIPOS DE PRÓTESIS
Mecánica
Mediantearnés tienen lafunción deabrir o cerrarla mano,recibiendoseñales pormedio deotrosmiembros delcuerpo.
Eléctrica
Estáncompuestaporcomponenteselectrónicoscomo sonmotores,controladosmedianteinterruptoreso pulsantes.su desventajaes que tienenun elevadocosto dereparación yno puedenestar en unambientehumedo.
Neumática
Soninstrumentosque utilizanairecomprimido,tiene comoventaja unagran rapidez yuan fuerzamayor
Hibrida
Son las quecombinan lasacciones delcuerpomediante laelectricidad.Su desventajaes que lapersona tieneque tener unprocentaje desu extremidadpara poderlaapuntar.
Mioeléctrica
Son las masaplicadas enel mundoactual ya quetiene unmayor gradoestetico parala persona,tienen unagran fuerza ymayoresvelocidadesque permitetener una altaprecisión.
37
2.2.7. Estudio de prototipos de prótesis de mano en el Ecuador
2.2.7.1. Estudio del estado del arte de las prótesis de mano
Esta prótesis fue creada por estudiantes de las carreras de Ingeniería Mecánica y
Electrónica de la Universidad Politécnica Salesiana de Cuenca con el objetivo de ayudar a
un estudiante que perdió su brazo por jugar con petardos (ver Figura 33). El tiempo de
estudio de esta prótesis fue de dos años y su costo fue aproximadamente quinientos
dólares. [24]
Esta prótesis aunque no cumple todos los movimientos adecuados de los dedos fue una de
las ganadoras de la Primera Feria de Emprendimiento e Inserción Laboral de Personas con
Discapacidad desarrollado en Quito. La prótesis está hecha de materiales como polímero,
aluminio entre otros, sus componentes electrónicos son muy accesible en el mercado
ecuatoriano. [24]
Figura 33. Joven beneficiario probando prótesis de estudiantes de la UPS
FUENTE: (JOFRE L. BRITO, MARLON X. QUINDE, DAVID CUSCO Y JOHN I.
CALLE, 2013)
38
2.2.7.2. Diseño y construcción de una mano robótica controlada mediante un guante
sensorizado
Este sistema fue implantado por el estudiante Diego Iván Pilaquinga de la carrera de
Ingeniería en Electrónica y Control de la Escuela Politécnica Nacional. En el proyecto se
diseña y construye una mano robótica capaz de emitir los movimientos de una mano
humana, controlada a través del computador o de un guante sensorizado. [25]
La mano consta de los cinco dedos, con tres grados cada uno permitiendo obtener los
movimientos de flexión de los dedos. El guante tiene quince sensores fotoeléctricos, de tal
manera que al doblar los dedos es posible medir el ángulo de flexión (ver Figura 34).
También la mano consta con micro-motores DC para el movimiento de articulaciones y
sensores de posición para el control de movimientos. [25]
El hardware de control está constituido en tres micro-controladores, uno para el
procesamiento de los datos del guante y dos para el control de la mano robótica. [25]
Figura 34. Movimiento del dedo pulgar de la mano robótica utilizando el guante
sensorizado y funcionamiento de la mano desde la PC.
FUENTE: (ABADIANO, 2009)
39
2.2.7.3. Prototipo de prótesis robótica para la mano
Este prototipo de prótesis fue construido por Luz María Tobar estudiante de la carrera de
Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Tecnológica Equinoccial “UTE”. [26]
Esta prótesis es controlada por la fuerza muscular del antebrazo (ver Figura 35), aunque
solo consta de cuatros dedos los cuales son: pulgar, índice, medio y anular; fue una de
atracciones del Campus Party y ganadora de las III jornadas de Ingeniería Eléctrica y
Robótica de la Universidad San Francisco de Quito “USFQ”. [26]
Esta prótesis es controlada por las señales bioeléctricas del ser humano, señales que se
producen cuando hay impulso eléctrico en el cuerpo y son detectados por tres sensores que
se colocan el ante brazo de la persona. Utiliza señales pequeñas en mili-voltios y micro-
voltios, además son bipolares. [27]
El material con el que está hecha esta prótesis es Duralon que es uno de la familia de
compuestos a base de Nylon, permitiendo tener una mayor resistencia al impacto, alta
flexibilidad y rigidez. Su mecanismo está compuesto por servomotores marca Tower Pro
modelo SG90 que es uno de los servomotores más básicos que existen en el mercado de la
robótica. [27]
Figura 35. Presentación de prótesis en el Campus Party.
FUENTE: (TOBAR L. M., ECUADOR UNIVERSITARIO, 2011)
40
2.2.7.4. Hand of Hope
Hand of Hope “mano de esperanza” es una prótesis robótica desarrollada por Cristian
Ramírez y Verónica Barros, estudiantes de la Universidad Técnica Particular de Loja
“UTPL”. Tiene un valor de 300 dólares en componentes eléctricos. Esta prótesis gano la
medalla de oro en la categoría Hardware y control en el campeonato mundial de robótica
Infomatrix 2014. [28]
Hand of Hope tiene funciones de movimiento, manipulación y agarre de objetos que son
controladas por señales bioeléctricas generadas por los músculos del brazo y tendrá la
capacidad de adaptarse a la diversidad de señales mioeléctricas que varía de individuo a
individuo, si necesidad de complejas terapias. [28]
Esta mano creada en catorce meses, está elaborada con impresora 3D utilizando como
material el polímero ABS, financiado por fabricantes de prótesis y ortesis del Hospital
Isidro Ayora en Guayaquil. [28]
Figura 36. Funcionamiento de Hand of Hope.
FUENTE: (CRISTIAN RAMÍREZ Y VERÓNICA BARROS, 2014)
41
2.2.8. Placas Arduino
Arduino son placas de prototipos electrónica de código abierto (open – source) basada en
hardware y software flexibles y fácil de usar (ver Figura 37). Arduino se orienta en aplicar
y facilitar el uso de la electrónica y programación de elementos mecánicos o electrónicos
que sirvan para proyectos multidisciplinario. [29]
Tabla 5. Clasificación de placas Arduino.
NIVEL DE USUARIO
Básico Intermedio Avanzado
Arduino ESPLORA Arduino UNO Arduino MØ PRO
Arduino LEONARDO Arduino UNO WiFi Arduino MEGA ADK
Arduino NANO Arduino MEGA 256Ø Arduino YUN
Arduino MINI Ø5 Arduino LEONARDO
ETH
Arduino INDUSTRIAL
1Ø1
Arduino MICRO Arduino TIAN
Arduino STAR - OTTO
FUENTE: (ARDUINO, 2005)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 37. Tipos de placas Arduino
FUENTE: (ARDUINO, 2005)
42
2.2.9. Protoboard
También conocidos como Breadboard es un tablero con orificios, en el cual se pueden
implantar componentes electrónicos y cables para armar circuitos (ver Figura 38).
Básicamente un protoboard se divide en tres zonas o regiones: [30]
A. Canal central: Es la zona localizada en el medio del protoboard, se utiliza para colocar
circuitos integrados. [30]
B. Buses: Los buses se localizan en ambos extremos del tablero, son las líneas rojas (buses
positivos o de voltaje) y azules (buses negativos o de tierra). [30]
C. Pistas: Las pistas se localizan en la parte central del protoboard, se representan y
conducen según las líneas de color como rosado. [30]
Figura 38. Regiones del protoboard o breadboard.
FUENTE: (CIRCUITOS ELECTRÓNICOS, 2007)
2.2.10. Servomotor
Un servomotor es un motor eléctrico al que podemos controlar la velocidad y la dirección
del eje o giro del rotor. La mayoría de los servomotores giran 180°, pero hoy en día ya
existen servos que giran 360° hacia la izquierda o hacia la derecha. (Ver Figura 39) [31]
43
Figura 39. Giro de un servomotor de 180 grados.
FUENTE: (TECNOLOGÍA AÉREA, 2015)
La mayoría de los servomotores que se utilizan son de corriente continua, pero también
existen de corriente alterna. Las características principales de un servomotor son el par y la
velocidad. [31]
El par: También conocido como torque, es la fuerza que es capaz de hacer en su eje. Se
suele expresar en Kgf * cm, a mayor torque, mayor será el consumo de corriente del
servo, pero la mayoría de los servomotores no consume mucho, esto depende del tipo y
marca del servomotor. Normalmente la tensión de alimentación de los servos en
corriente continua (C.C.) está entre 4 y 8 v (voltios). [31]
Velocidad: Es la velocidad angular o de rotación. [31]
2.2.10.1. Partes de un servomotor
Los servomotores están compuestos por [31]:
Un motor eléctrico: Se encarga de producir el movimiento, a través de su eje.
Un sistema de regulación: Está formado por engranajes, que operan sobre el motor
para regular el torque y la velocidad.
44
Un sistema de control: También llamado sistema de sensor, es el circuito eléctrico que
controla el movimiento del motor mediante el envío de pulsos eléctricos.
Un potenciómetro: Está conectado al eje central del motor y es el que permite
determinar en todo momento el ángulo en el que se encuentra el eje del motor (ver
Figura 40). [31]
Figura 40. Partes de un servomotor
FUENTE: (CRISTIAN DAVID, 2011)
2.2.10.2. Conexión de un servomotor
Un servo motor tiene tres cables [31]:
Cable rojo: Es el cable positivo, utilizado para alimentación.
Cable negro o café: Utilizado para conexión a tierra (negativo o GND)
Cable blanco o amarillo: Es la línea de control por la que se envía la señal desde la
tarjeta para comunicar el ángulo en el que se debe proporcionar según el pulso (ver
Figura 41).
45
Figura 41. Conexión de servomotor modelo S0209
FUENTE: (TECNOLOGÍA AÉREA, 2015)
2.2.10.3. Tipos de servomotores
En la actualidad existen cuatro tipos de servomotores que son [31]:
Servomotores de corriente continua (cc): Son los más habituales, trabajan con un
pequeño motor de corriente continua. El servomotor se controla por PWM (Modulación
Por Ancho De Pulso). (Ver figura 42)
Servomotores de corriente alterna (ac): Utilizan corrientes más potentes y por ende
se usan para mover grandes fuerzas. (Ver figura 42)
Servomotores de imanes permanentes o Brushless: Es un motor de corriente alterna
que no tiene escobillas, como los que llevan los de corriente continua (ver Figura 42).
46
Se utilizan para grandes fuerzas o torques y para altas velocidades, por ende son los más
utilizados en las industrias.
Motor pasó a paso: Son motores que no giran de manera continua sino por pasos, es
decir, giran un número determinado de grados. Son ideales para la construcción de
mecanismos en donde requieren movimientos precisos (ver Figura 42). [31]
Figura 42. Tipos de servomotores
FUENTE: (TECNOLOGÍA AÉREA, 2015)
47
2.2.11. Sensores de flexión
Está compuesto de varios sensores que cambia la resistencia en función del grado que se le
emplee para doblarlo. A mayor flexión se producirá una mayor resistencia y este valor es
interpretado por el microcontrolador a través de una entrada análoga. [32]
2.2.11.1. Funcionamiento de un sensor de flexión
Los sensores de flexión son por lo general en forma de una tira delgada de 5 cm (ver
Figura 44) que varía en resistencia aproximadamente 10 a 50k Ohm, trabajan como
divisores de tensión analógica variable (ver Figura 43).
Dentro de los sensores de flexión son elementos resistivos de carbono intrínsecamente de
un sustrato flexible y delgado. Una flexión de 0° dará la resistencia de 10k Ohm y una
flexión de 90° dará entre 30 a 50 K Ohm. [33]
Figura 43. Funcionamiento de un sensor de flexión
FUENTE: (SPECTRA SYMBOL, 2013)
48
Tabla 6. Características y especificaciones de un sensor de flexión
Características Especificaciones
Mecánicas
Especificaciones Eléctrica
Medición de
desplazamiento de ángulo.
Curvas y flexiones
físicamente con
dispositivos de
movimiento.
Construcción
sencilla.
Diferentes usos en
proyectos electrónicos o
robóticos.
Ciclo de vida: > 1
millón
Altura: 0,43 mm
(0,017¨)
Rango de
temperatura: -35°C a
+80°C
Resistencia al no estar
flexionado: 25K Ohm
Tolerancia de la
resistencia: ± 30%
Potencia nominal:
0,50 Volts continuos
Rango de la curva de
la resistencia: 45K a 125K
Ohm (Dependiendo del radio
de curvatura)
Voltaje: 5 a 12 Volts
FUENTE: (SPECTRA SYMBOL, 2013)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 44. Dimensiones de un sensor de flexión
FUENTE: (SPECTRA SYMBOL, 2013)
49
2.2.12. Potenciómetro
Un potenciómetro es un resistor eléctrico con un valor de resistencia variable y
generalmente se ajustan manualmente. Los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca
corriente y utilizan tres terminales. En varios proyectos los potenciómetros establecen el
nivel de salida, en el caso de una mano robótica el potenciómetro ajusta los grados del
servomotor. [34]
2.2.12.1. Funcionamiento de un potenciómetro
Uno de los terminales que tiene cada potenciómetro es conectado a la fuente de
electricidad y otro es conectado a un punto neutral conocido como punto tierra, el tercer
terminal se conecta a una resistencia (ver Figura 45); permitiendo al usuario u operador
manipular a través de un mando o palanca. [34]
El valor de un potenciómetro viene expresado en ohmios (símbolo Ω) como el de las
resistencias, para determinar el valor de la resistencia el potenciómetro siempre se toma la
resistencia máxima que puede llegar a tener. Por ejemplo un potenciómetro de 20 kΩ
puede tener una resistencia variable con valores entre 0Ω a 20.000Ω. [35]
Figura 45. Mecanismo de un potenciómetro rotatorio
FUENTE: (TECNOLOGÍA, 2014)
50
Los tipos de potenciómetro que existen en el mundo de la electrónica son los rotarios,
lineales, logarítmicos, senoidales y digitales.
2.2.13. Resistencias eléctricas
La resistencia eléctrica es la oposición al paso de corriente eléctrica. Esto se puede
comprobar mediante la fórmula de la ley de Ohm (I=V/R), que es elemental de los
circuitos eléctricos. [36]
La fórmula de la ley de Ohm nos dice que la intensidad de corriente eléctrica que recorre
en un circuito, es igual a la Tensión (V) a la que está conectado, dividido por sus
Resistencias (R). Todos los elementos de un circuito tienen resistencia eléctrica y se mide
en Ohmios (Ω) y se representa con la letra R. [36]
TIPOS DE RESISTENCIAS.
Existen de diferentes tipos y se fabrican de diferentes materiales (Ver figura 46). El valor de
una resistencia viene determinado por su código de colores (ver Figura 47). [36]
Figura 46. Tipos y simbología de la resistencia eléctrica
FUENTE: (ÁREA TECNOLOGÍA, 2014)
51
Como se observa en la Figura 47, para saber el valor de una resistencia se tiene tres rayas de
colores seguidas y una cuarta más separada. Las tres primeras rayas de izquierda a derecha
nos dice su valor y la cuarta raya nos indica la tolerancia. [36]
Figura 47. Código de colores de una resistencia eléctrica
FUENTE: (ÁREA TECNOLOGÍA, 2014)
2.2.14. Tipos y características técnicas de impresoras 3D
Las impresoras tridimensionales, permite dar volumen a piezas o dibujos realizados en
software de modelado 3D, luego gracias a un programa especial los diseños de las piezas
se dividirá en capas, imprimiéndose una encima de otra como en una impresora
convencional. [37]
La impresora 3D, deposita un material fundido (polímeros o metales) que se va enfriando,
o endureciendo un material liquido en zonas concretas, o incluso soltando tinta de colores
en un material en polvo. Teniendo en cuenta esto, podemos distinguir estos tipos de
impresoras 3D: [37]
52
Tabla 7. Características de la impresora 3d AXIOM DUAL
VELOCIDAD CAMA TÉRMICA
250mm por segundo (impresión)
400mm por segundo (velocidad)
Vidrio resistente a la flexión
Compatible con adhesivos Wolfbite
DISEÑO ROBUSTO IMPRIME EN GRANDE
Marco de Policarbonato y Aluminio
Diseño modular y actualizable
Cámara cerrada para contención de
calor
Volumen a tamaño real de moldes,
prototipos y producción
La mejor relación volumen – tamaño en
el tema de impresoras cerradas
PRECISIÓN FÁCIL DE USAR
Resolución mejorada “Alta Definición” Auto nivelación SLICING en línea
CARACTERÍSTICAS
Salida Térmica con Control de
Temperatura Independiente
Crear estructuras de soporte solubles
para Eliminar el Post – Proceso
Potente Sistema Enfriador de
Materiales Quad – Fan
Boquillas intercambiables (0.35 y 0.50
mm)
Combinar 2 materiales o 2 colores en
una impresión
Volumen de impresión de 12*8*9.5 in
Configuraciones de impresión para
doble color o material proporcionadas
Imprime más de 40 materiales, de
Nylon a Policarbonato
Conexión WiFi, Ethernet, USB y Micro
SD
Salida Térmica Dual alcanza
temperaturas hasta 315°C
Sistema de Movimiento CORE XY
Cámara cerrada
Auto Nivelación
Mínimo de 40 Micras de Altura por
Capa (100 o más Micras Recomendado)
FUENTE: (BKB MAQUINARIAS INDUSTRIAL, 2016)
ELABORADO: GUILLÉN F.I., LAZ A.M.
53
Tabla 8. Características de la impresora 3d MARKFORGED
IMPRESIÓN
Tecnología de impresión Fused Filament Fabrication
Tamaño de impresión (X,Y,Z) 320mm*132mm*154mm
Compatibilidad de Materiales Fibra de Carbón, Kevlar, Fibra de vidrio,
Nylon
Resolución máxima por capa 100 Microns (FFF)
Extrusores / Boquillas Dual / Cambio Rápido
“Pausar / Reanudar” Impresiones Sí
MÁQUINA
Estructura Unicuerpo de aluminio anodizado
Plataforma de impresión Acoplada cinemáticamente
Área de impresión cerrada Sí
Interface Pantalla Táctil de 4” (touchscreen)
SOFTWARE
Software Basado en la nube
Sistemas operativos soportados Mac OS 10.7 Lion +, Windows 7 +; Linux
Explorador de internet Chrome 30+
Formatos soportados .STL
Conectividad WiFi, Ethernet, USB Flash Drive
FUENTE: (BKB MAQUINARIAS INDUSTRIAL, 2016)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
54
Tabla 9. Características de la impresora 3d SIMPLIFIED DP200
ESPECIFICACIONES DESCRIPCIÓN
Impresión
|Tamaño máximo de
construcción 210*200*195 mm (8.2*7.8*7.5 in)
Espesor de la capa 0.05 ˜ 0.4 mm
Cabezal de impresión Boquilla única
Diámetro de la boquilla 0.4 mm
Filamento
Diámetro del filamento 1.75 mm
Material PLA, ABS 7 colores EA
Sistema de carga Carga y descarga automática
Rebanado SW
3Dwox software de escritorio disponible
(Soporte de edición, Editar dirección de
Impresión, etc.)
Tipos de archivos compatibles Stl, Ply, Obj, código G (RepRap)
Opciones de conectividad Ethernet, USB Flash drive, USB cable, WiFi
Consumo de energía 150 W
GUI Pantalla táctil a todo color de 5 in
Nivelación de cama Medición automática de nivel / Nivelación de
la cama asistida
Lámpara LED Instalada internamente
Supervisión Web Disponible con dispositivo móvil conectado
Tamaño de impresión (W*D*H) 421*433*439 mm (16.5*17*17.3 in)
Peso Por debajo de 15 Kg (33 lb)
FUENTE: (BKB MAQUINARIAS INDUSTRIAL, 2016)
ELABORADO: GUILLÉN F.I; LAZ A.M.
55
2.2.15. Tipos de filamentos para impresoras 3D
Los tipos de polímeros para impresoras 3D que se encuentran en el mercado son de tipo
termoplástico, estos filamentos son calentados y moldeado para dar forma al prototipo de
impresión. Todos los tipos de filamentos utilizados para impresión 3D se caracterizan por
el diámetro en milímetros y se venden normalmente en bobinas por kilogramo. Los tipos
más comunes de filamentos para la impresión en 3D son el Poliácido Láctico (PLA),
Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS), Tereftalato de Polietileno (PET), Poliestireno de
Alto Impacto (HIPS), Elastómero Termoplástico (TEP o Flexible), Fibra de Carbono,
Laywoo-D3 que es un compuesto de madera o polímero similar al PLA, Nylon que es uno
de los más utilizados. [38]
Entre esta gran variedad de tipos de filamentos para impresoras 3D el PLA y ABS son los
más utilizados. El PLA es un material biodegradable se obtiene del almidón de maíz y su
textura no es tan suave como la conseguida en el filamento ABS. Asimismo, el ABS se
caracteriza por ser duro y resistente, también porque son más brillantes y en las esquinas
del modelado se tienen mejores resultados. Estos dos tipos de filamentos al ser los más
demandados se pueden encontrar en una amplia gama de colores (ver Figura 48). [38]
Figura 48. Gama de colores de filamentos para impresora 3D
FUENTE: (BERNABÉ, 2016)
56
2.2.15.1. Poliácido Láctico (PLA)
El PLA o también conocido como ácido poli-láctico es un polímero biodegradable
derivado del ácido láctico. Es un materialmente altamente variable y ligero, que se forma
de a partir de recursos 100% renovables, como son el maíz, la remolacha, el trigo y otros
productos ricos en almidón. [39]
El PLA tiene varias aplicaciones (ver Figura 49) como son en la industria textil, en la
industria médica, y en el empaquetamiento de alimentos, etc. [39]
Tabla 10. Ventajas, desventajas y aplicaciones del Poliácido Láctico (PLA)
Ventajas Desventajas Aplicaciones
Facilidad de impresión.
No necesita cama
caliente.
Muy estable.
Velocidad de impresión
“más rápida” que otros
materiales.
Proviene de materiales
ecológicos.
Apropiado para iniciar
en el mundo 3D.
No emite gases nocivos.
Rango más amplio de
colores.
Poca resistencia térmica
(se vuelve endeble a
partir de los 60°C).
Poca resistencia
mecánica (lo que lo
vuelve más frágil que
otros materiales).
Sensible a la humedad.
Industrias textiles
Medicina
Elementos decorativos
(figuras animadas,
maquetas, empaques
alimenticios, etc.)
FUENTE: (BERNABÉ, 2016)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
57
Figura 49. Modelos impresos con PLA
FUENTE: (BERNABÉ, 2016)
2.2.15.2. Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS)
El ABS es un material plástico procedente del petróleo, es utilizado ampliamente en los
procesos de fabricación actuales como son piezas de Lego, carcazas de electrodomésticos,
componentes de automóvil, etc. Este polímero tiene un punto de fusión alto, se puede
utilizar para fabricar contenedores de líquidos calientes, hay que extruirlo a unos 230 – 260
grados y se imprime en impresoras que contengan base de impresión caliente (resistencias
que calientan la base dónde se deposita el material). [6]
El ABS es un material que al llegar al punto de fusión desprende gases que en
concentraciones altas pueden ser nocivos, es por eso que se recomienda no tener varias
impresoras funcionando en un espacio pequeño y sin ventilar. [6]
El ABS se puede mecanizar, pulir, lijar, agujerear, pintar, pegar, etc.; con extrema facilidad
y el acabado es muy bueno. Además, es extensamente resistente y posee un poco de
flexibilidad. Todas estas características lo hacen que sea el material perfecto para las
aplicaciones industriales (ver Figura 50). [6]
58
Tabla 11. Ventajas, desventajas y aplicaciones del Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS)
Ventajas Desventajas Aplicaciones
Muy estables a altas
temperaturas
(aproximadamente 80
°C a 90 °C).
Conserva la tenacidad a
temperaturas extremas (-
40 °C hasta 90 °C).La
mayoría de los plásticos
no tienen esta
capacidad.
Alta capacidad de
mecanizado: lijar,
pintar, perforar, etc.
Resistente a ataques
químicos.
Muy resistentes a los
impactos.
Tiene mayores
aplicaciones en las
industrias.
Es un material
reutilizable.
Necesita que la
impresora tenga cama
caliente.
Dificultad de impresión
media “dependiendo del
objeto que se trate”.
Puede producirse el
efecto Warping.
La impresión debe
hacerse en zonas bien
ventiladas (debido a sus
gases nocivos).
Elementos mecánicos
Piezas de automoción
Elementos decorativos
Industrias en general
Medicina
Entre otros
FUENTE: (BERNABÉ, 2016)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 50. Elementos mecánicos impresos en ABS
Fuente: (BERNABÉ, 2016)
59
2.2.15.3. Nylon
El nylon (PA) también conocido como poliamidas, es un polímero cristalino con una serie
de características relevantes (ver Figura 51). Existe una amplia gama de filamento de
nylon, pero los más utilizados para la impresión 3D son el blando y flexible (618) o el duro
y tenaz (645); esta numeración es dada por la principal empresa distribuidora de este
filamento conocida como Taulman. [41]
Figura 51. Tipos de Nylon (Glasé, T-45 y el 618).
FUENTE: (CONTRERAS, 2016)
El nylon es un material flexible y a la vez resistente, puede ser tintado con cualquier tinte
de ropa. Permitiendo unos acabados personalizados y con un elevado grado de perfección.
Además de tener buena tenacidad y gran deslizamiento, este polímero presenta un peso
menor al de los filamentos ABS y PLA. [42]
60
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
61
3.1. Localización.
El presente trabajo se llevó a cabo en la ciudad de Quevedo, provincia de Los Ríos ubicada
en la Región Costa de la República del Ecuador, en el laboratorio de Electrónica y
Robótica de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo.
3.2. Tipo de investigación.
3.2.1. Investigación exploratoria.
Este tipo de investigación es exploratoria por cuanto en el país no existe a la fecha de
realización de este proyecto un estudio de antebrazo robótico, solo se encuentran estudios
de manos robóticas e incluso muchas de estas están inconclusas, es decir le faltan varios
dedos. Permitiendo que el presente proyecto puede servir para la realización de nuevas
investigaciones.
3.2.2. Investigación descriptiva
La investigación descriptiva permite inspeccionar, describir y hallar los diferentes
mecanismos mecánicos y electrónicos de gran avance tecnológico, además los diferentes
diseños y prototipos que en la actualidad se están ejecutando en los países
subdesarrollados.
3.2.3. Investigación diagnostica
Mediante esta investigación se puede llegar a motivar a los estudiantes a empezar a
trabajar con nuevas tecnologías y competir con grandes mercados o con universidades que
desarrollan este tipo de tecnología. La idea del proyecto es poder reducir costos para tener
62
un diseño óptimo y estudios de movimientos similares a la de una mano humana, como se
muestran en países desarrollados.
3.3. Métodos de investigación
3.3.1. Método analítico
Este método permite hacer un análisis de los movimientos de un antebrazo humano,
además del diseño de su estructura y del estudio de los componentes mecánicos y
electrónicos que se utilizan para la elaboración de prótesis robóticas.
3.3.2. Método histórico
Mediante este método se realizó una investigación de los diferentes tipos de tesis y
proyectos que existen en el país, para examinar las mejoras que se pueden aplicar al
diseño y a la facilidad de su funcionamiento.
3.3.3. Método sintético
Mediante este método se integra los diferentes componentes que se utilizan para la
elaboración del antebrazo robótico, observando sus características para su respectiva
programación.
3.4. Fuentes de recopilación de información
Fuentes primarias: Entrevista a doctores, físicos terapeutas y traumatólogos.
Fuentes secundarias: Documentos, revistas, artículos científicos, libros y tutoriales
web.
63
3.5. Diseño de la investigación
3.5.1. Diseño no experimental
Este método se utiliza al momento de observar y analizar el objeto de estudio y al operar
tentativamente las variables relacionadas al tema de investigación ya que las variables no
pueden ser considerablemente maniobradas y por ende sus efectos.
3.6. Instrumentos de investigación
Se establecen pruebas errores, para obtener la programación y un diseño óptimo que
cumpla las principales funcionalidades de un antebrazo humano, para esto se manejaron
los siguientes instrumentos: software de diseño 3d y software de programación.
3.7. Tratamientos de los datos
En la ejecución de este proyecto se utiliza el tratamiento de datos con los valores
proporcionados en el software Arduino de los sensores flexores, para luego ser tabulado y
graficados en Excel.
3.8. Recursos humanos y materiales
3.8.1. Recursos humanos
Ingeniero mecánico
Ingeniero electrónico
Médicos (fisioterapeuta – traumatólogos)
64
3.8.2. Recursos materiales
Para el desarrollo de este trabajo investigativo se utilizaron los siguientes materiales y
equipos:
Computadoras
Libros
Páginas web
Artículos científicos
Impresoras
Pendrive
Hojas
Anillados/ empastados
CD ROM
Calculadoras
Celulares
Cuaderno
Esferos gráficos
3.8.2.1. Componentes electrónicos
Servomotores
Placas Arduino UNO
Protoboard
Potenciómetros
Sensores de flexión
Resistencias
Cables hembra y macho para Arduino
Módulos NRF24L01
Adaptadores NRF24L01
Fuente de energía de 5V.
Cable USB para placa Arduino
65
3.8.2.2. Máquinas y herramientas
Impresora 3D
Destornilladores
Taladro
Llaves
3.8.2.3. Otros materiales
Filamentos ABS
Tornillos
Guantes anticorte
Tuercas
Broca
66
CAPITULO IV
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
67
4.1. Resultados
4.1.1. Análisis de movimientos producidos por los dedos de la mano y
muñeca
Una vez entendidos los conceptos básicos de la anatomía de la mano y antebrazo humano,
se toma en cuenta para la realización de este proyecto los movimientos básicos (flexión y
extensión) que produce los dedos de una mano humana, además los arcos de movilidad de
la muñeca mostrada en la Figura 3, considerando para el diseño de la estructura mecánica a
utilizarse la desviación, aducción o inclinación radial y cubital de la muñeca.
Para los movimientos de flexión y extensión de los dedos se utiliza como músculos hilos de
Nylon, para realizar los respectivos funcionamientos de los músculos anterior y posterior
del antebrazo así como se muestran en la Tabla 3 y 4, permitiendo obtener las posiciones
funcionales de una mano humana mostradas en la Figura 7.
Cada hilo de Nylon está conectado a un servomotor, permitiendo obtener la flexión y
extensión de los dedos (ver figura 52). El antebrazo consta de seis servomotores en total,
donde cinco servomotores son utilizados para cada dedo y un servomotor es utilizado para
el movimiento de la muñeca, cada uno con su respectivo nombre así como se muestra en la
Tabla 15.
Tabla 12. Nombres de los servomotores a utilizarse en el antebrazo
Nombre del servomotor Funcionamiento
servoPulgar Permite mover el musculo del dedo pulgar
servoIndice Otorga el movimiento del musculo del
dedo índice
servoMedio Acceder los movimientos correspondiente
del dedo medio
68
servoAnular Aprueba el movimiento del musculo del
dedo anular
servoMe Admite la inclinación del dedo meñique
servoMu Reconocer los movimientos de inclinación
radial y cubital de la muñeca
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 52. Hilos nylon en función de músculos extensores y flexores
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
4.1.2. Revisión de los prototipos existentes en el país.
En el país existen varios proyectos que buscan implementar la biomecánica, pero debido a
los costos elevados de los componentes que se utilizan para la fabricación de prótesis no se
pueden culminar estas investigaciones. Para la elaboración del antebrazo robótico se
considera tomar las características de los prototipos existentes en el país como se muestra
en la Tabla 16.
69
Tabla 13. Características de los prototipos existentes en el Ecuador
Nombre del
Proyecto
Institución Carrera Características
Estudio del estado
del arte de las
prótesis de mano
Universidad
Politécnica
Salesiana de
Cuenca
Ingeniería Mecánica
y Electrónica
No cumple todos
los movimientos de los
dedos.
Fabricada de
materiales como
polímero, aluminio,
entre otros.
Su mecanismo
está realizado por
motores de paso.
Su fuente de
alimentación es a través
de baterías.
Tiene un costo
de construcción
aproximadamente de
quinientos dólares. (Ver
Figura 33)
Diseño y
construcción de
una mano robótica
controlada
mediante un
guante
sensorizado.
Escuela
Politécnica
Nacional
Ingeniería en
Electrónica y de
Control
Emite los
movimientos de los
dedos a través de la
computadora o de un
guante sensorizado.
Cada dedo tiene
tres grados de movilidad.
Tiene 15
sensores fotoeléctricos,
que permiten medir el
ángulo de flexión.
Consta con
70
micros motores DC.
No resiste mucho
peso.
Su material de
construcción es el
aluminio.
Su fuente de
alimentación es a través
de la computadora.
No es
inalámbrica. (Ver Figura
34)
Prototipo de
prótesis robótica
para la mano.
Universidad
Tecnológica
Equinoccial
Ingeniería
Mecatrónica
Consta de cuatro
dedos (pulgar, índice,
medio y anular).
Es controlada por
señales bioeléctricas del
ser humano (fuerza
muscular del antebrazo).
Consta de tres
sensores.
El material de
construcción es el
Duralon que es uno de la
familia de compuesto a
base de Nylon.
Tiene un diseño
robusto, el cual es tapado
por un guante de tela.
Su mecanismo
está compuesto por
micro servomotores de la
marca Tower Pro
71
modelo SG90.
No es
inalámbrica. (Ver Figura
35)
Hand of Hope
“Mano de
Esperanza”
Universidad
Técnica Particular
de Loja
Ingeniería
Electrónica y
Telecomunicaciones
Permite
manipular, mover y
agarrar objetos livianos.
Es controlada por
señales bioeléctricas
generadas por los
músculos del brazo.
Construida con
impresora 3D utilizando
como material el
polímero ABS.
Su mecanismo
está constituido por
servomotores.
No es
inalámbrica.
Tiene un valor de
trecientos dólares en
componentes
electrónicos. (Ver
Figura 36)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Análisis: factor Una vez analizadas todas las características de los proyectos de manos
robóticas que existen en el país, se procede a recoger y perfeccionar ciertas
características las cuales se implantara en el antebrazo robótico, como se muestra en la
Tabla 14, permitiendo tener un proyecto de investigación con mejores características
físicas y tecnológicas.
72
Tabla 14. Características a implementar en el antebrazo robótico
N° Características
01 Lograr los movimientos de flexión y extensión de los dedos
02 Adquirir movimiento de rotación en la muñeca
03 Control de los dedos por medio de guante sensorizado
04 Permitir su control de una forma inalámbrica
05 Tener un mecanismo mediante servomotores
06 Obtener una fuente de alimentación a través de un computador o un cargador
07 Elaborar su construcción con un material con alta capacidad de mecanizado, muy
resistente a impactos y un peso ligero.
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
4.1.3. Dimensionamientos de los componentes de la mano y antebrazo.
En esta sección se describe la construcción del diseño mecánico, impresa con la tecnología
3D; el tamaño seleccionado para la mano se tomó como referencia el estudio realizado en la
Universidad Autónoma De Chile (donde muestra las medidas promedios de una mano
según el sexo y edad) el cual se muestra en la Tabla 1 y 2; se elaboró un gráfico de la
diferentes medidas de la mano de ambos sexo, para elegir la medida promedio que tendrá el
diseño de la mano.
Tabla 1. Promedio de la longitud, anchura de la mano y longitud de la palma en mujeres
expresado en mm
Longitud de la mano Ancho de la mano Longitud de la palma
Edades Derecha Izquierda Derecha Izquierda Derecha Izquierda
18-19 166±25 169±10 81±13 82±17 92±8 94±8
20-24 166±32 173±10 78±10 77±9 95±8 95±9
25-29 171±5 171±5 81±18 80±19 92±8 91±11
30-34 170±11 168±10 82±17 80±18 96±10 96±10
35-39 172±6 172±7 80±9 78±6 95±6 95±6
40-44 170±8 169±8 80±7 79±7 97±4 96±4
73
45-49 165±10 166±10 78±9 78±8 95±6 96±7
50-54 169±11 171±10 80±7 80±7 98±19 97±15
55-59 166±11 166±11 78±8 77±8 90±11 90±11
60-64 158±7 160±10 76±7 74±7 83±12 86±13
65-69 171±8 172±9 76±5 77±8 96±8 97±8
FUENTE: (GUTIÉRREZ P. D., 2012)
ELABORADO: GUILLÉN F.I., LAZ A.M.
Interpretación: De acuerdo a los valores tomados de la Tabla 1, se tiene como resultado el
promedio de la longitud de la mano, ancho de la mano y longitud de la
palma del sexo femenino entre las edades de 18 a 69 años.
Tabla 1.1. Promedio de medidas de las manos del sexo femenino expresado en mm
Longitud de la mano Ancho de la mano Longitud de la palma
Edades 18-69 Derecha Izquierda Derecha Izquierda Derecha Izquierda
Promedio 168 169 79 78 94 94
FUENTE: EXCEL 2013
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Gráfico 1. Promedio de medidas de mano del sexo femenino
FUENTE: EXCEL
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
74
El Gráfico 1, muestra el promedio de medidas de las manos derecha e izquierda del sexo
femenino, a partir de los 18 años hasta los 69 años de edad.
Gráfico 2. Promedio de la mano derecha de las mujeres
FUENTE: EXCEL
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
El Gráfico 2, demuestra que en la mano derecha de sexo femenino el promedio de medida
de la longitud de la mano es 168 mm, con un ancho de 79 mm y una longitud de la palma
de 94 mm.
Gráfico 3. Promedio mano izquierda de las mujeres
FUENTE: EXCEL
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
168
7994
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
PROMEDIO EN (MM)
PROMEDIO MANO DERECHA DE
LAS MUJERES
Longitud de la mano
Ancho de la mano
Longitud de la palma
169
78
94
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
PROMEDIO EN (MM)
PROMEDIO MANO IZQUIERDA DE
LAS MUJERES
Longitud de la mano
Ancho de la mano
Longitud de la palma
75
El Gráfico 3, muestra las medidas promedio de la mano izquierda de sexo femenino,
permitiendo observar que la mano izquierda tiene casi las mismas medidas que la de la
mano derecha, con la pequeña diferencia de 1 mm.
Tabla 2. Promedio de la longitud, anchura de la mano y longitud de la palma en hombres
expresado en mm
Longitud de la mano Ancho de la mano Longitud de la palma
Edades Derecha Izquierda Derecha Izquierda Derecha Izquierda
18-19 182±10 183±10 95±19 94±19 102±8 103±7
20-24 186±9 188±11 92±19 91±19 105±7 104±7
25-29 188±10 188±10 92±21 90±21 105±8 109±12
30-34 183±12 186±12 89±10 89±9 104±9 106±8
35-39 184±8 183±9 97±13 96±14 101±8 109±27
40-44 184±15 184±15 89±10 88±8 106±15 106±13
45-49 183±12 184±6 91±8 89±6 106±11 102±7
50-54 186±13 186±13 90±8 89±9 109±18 107±13
55-59 187±16 187±20 92±13 91±13 106±9 105±8
60-64 186±12 187±12 87±4 87±4 113±25 106±10
FUENTE: (GUTIÉRREZ P. D., 2012)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Interpretación: De acuerdo a los valores tomados de la Tabla 2, se tiene como resultado el
promedio de la longitud de la mano, ancho de la mano y longitud de la
palma del sexo masculino entre las edades de 18 a 69 años.
Tabla 2.1. Promedio de medidas de las manos del sexo masculino expresado en mm
Longitud de la mano Ancho de la mano Longitud de la palma
Edades 18-69 Derecha Izquierda Derecha Izquierda Derecha Izquierda
Promedio 185 186 91 90 106 106
FUENTE: EXCEL 2013
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
76
Gráfico 4. Promedio de medidas de las manos de sexo masculino
FUENTE: EXCEL
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
El Gráfico 4, muestra el promedio de medidas de la mano del sexo masculino, permitiendo
demostrar que la mano del hombre es más grande en comparación con las mujeres.
Gráfico 5. Promedio de la mano derecha de los hombres
FUENTE: EXCEL 2013
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
185
91106
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
PROMEDIO EN (MM)
PROMEDIO MANO DERECHA DE
LOS HOMBRES
Longitud de la mano
Ancho de la mano
Longitud de la palma
77
El Gráfico 5, muestra las medidas promedio de la mano derecha del hombre, teniendo
como longitud una medida de 185mm, un ancho de la palma de 91mm y una longitud de la
palma de 106 mm.
En el Gráfico 6, se tiene casi las mismas medidas de la mano derecha con una pequeña
diferencia de 1 mm.
Gráfico 6. Promedio de la mano izquierda de los hombres
FUENTE: EXCEL
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
4.1.3.1. Diseño del sistema mecánico
Para este proyecto se consideró el rango promedio de la mano de ambos sexos, diseñando
con una longitud aproximada de 179 mm (ver Figura 53), anchura de 92 mm (ver Figura
54) y una longitud de la palma de 95 mm (ver Figura 55). Para el antebrazo se consideró
los diferentes tipos de deportes que realiza el ser humano, obteniendo una longitud
aproximada de 275 mm (ver figura 56).
185
91
106
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
PROMEDIO EN (MM)
PROMEDIO MANO DERECHA DE
LOS HOMBRES
Longitud de la mano
Ancho de la mano
Longitud de la palma
78
Figura 53. Medida de longitud de la mano robótica
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 54. Medida de la anchura de la mano robótica
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
79
Figura 55. Medida de la longitud de la palma
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 56. Medida de la longitud del antebrazo
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
80
4.1.3.2. Análisis y modelación geométrica de un dedo
Cada dedo de la mano está constituido en seis piezas y cuenta con tres grados de libertad,
para el diseño se consideró que cada falange (ver Figura 1) está dividida en dos piezas y
los grados de movimiento estén aplicado en la falange medio y la falange distal, excepto en
el dedo pulgar. (Ver Figura 57)
Figura 57. Dedos de la mano robótica.
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Análisis de la falange distal
La falange distal está diseñada en dos piezas, la pieza inferior admite el direccionamiento
del hilo Nylon que a la vez hace de tendón, y la pieza superior solo recubre el dedo, como
se puede observar en la Figura 58.
81
Figura 58. Diseño de la falange distal
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Mostrada como está constituida la falange distal, se determina la fuerza o peso (W) que
soporta la segunda pieza, para ello se considera el peso específico del polímero ABS y el
volumen de las piezas que se muestra en la Figura 59.
Figura 59. Propiedades físicas de la falange distal
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
82
Calculo del peso máximo
𝑊 = 𝛾 ∗ 𝑉 Ecuación 01
Dónde:
W: Peso (N)
𝛾: Peso específico del polímero ABS (𝑁
𝑚3)
V: Volumen de la falange distal (𝑚3)
𝑊 = (1010𝑘𝑔
𝑚3∗ 9,81
𝑚
𝑠2) ∗ (3,17252 ∗ 10−6 𝑚3)
𝑊 = 0,031 𝑁
Con el peso calculado se verifica el espesor adecuado para la falange distal, considerándolo
como una viga en voladizo como se muestra en la Figura 60, para el análisis se considera la
sección más débil de la pieza. En la Figura 61 se muestra las fuerzas cortantes y en la
Figura 62 se muestra los momentos flectores.
Figura 60. Diagrama de cuerpo libre de la falange distal
FUENTE: MD SOLIDS V. 3.5
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
83
Figura 61. Diagrama de fuerza cortante de la falange distal
FUENTE: MD SOLIDS V.3.5
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 62. Diagrama de momento flector de la falange distal
FUENTE: MD SOLIDS V.3.5.
ELABORADO: GUILLEN F.I.; LAZ A.M.
En la Figura 62 se muestra el momento crítico, obteniendo un resultado de 0,6200 𝑁 −
𝑚𝑚, según el material ABS el esfuerzo de fluencia es 𝑆𝑦(𝐴𝐵𝑆) = 45 𝑀𝑃𝑎 como se muestra
en el Anexo 11 y se considera un factor de seguridad de 2. Para determinar el esfuerzo de
diseño se obtiene de la siguiente ecuación:
𝜎𝑑 =𝑆𝑦
𝑁 Ecuación 2
Dónde:
𝜎𝑑: Esfuerzo de diseño (𝑀𝑃𝑎)
84
𝑆𝑦: Límite de fluencia (𝑀𝑃𝑎)
𝑁: Factor de seguridad
𝜎𝑑 =45 𝑀𝑃𝑎
2
𝜎𝑑 = 22,5 𝑀𝑃𝑎 (𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜)
Se calcula el esfuerzo por flexión mediante la siguiente ecuación:
𝜎 =𝑀𝑚á𝑥
𝑆𝑥 Ecuación 3
Dónde:
𝜎: Esfuerzo por flexión
𝑀𝑚á𝑥: Momento flector máximo (𝑁 − 𝑚𝑚)
𝑆𝑥: Módulo de sección
Para determinar el módulo de sección (Ecuación 4) se supone en forma rectangular la
sección transversal de la falange distal (ver Figura 63) para tener facilidad en los cálculos.
𝑆𝑥 =𝑏ℎ2
6 Ecuación 4
Figura 63. Sección transversal de la falange distal
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Luego de haber calculado el esfuerzo de diseño, se procede a calcular el espesor de la
falange distal, proporcionado a la altura de la sección rectangular como se observa en la
SECCIÓN
TRANSVERSAL
85
Figura 63, la Ecuación 5 se obtiene mediante el despeje del módulo de sección que se
encuentra en la Ecuación 4 y del esfuerzo por flexión como se muestra en la Ecuación 3.
ℎ = √6∗𝑀𝑚á𝑥
𝑏∗𝜎𝑑 Ecuación 5
Dónde:
ℎ: Altura de la sección transversal de la falange distal (𝑚𝑚)
𝑀𝑚á𝑥: Momento flector máximo (𝑁 − 𝑚𝑚)
𝑏: Base de la sección transversal (mm)
ℎ = √6 ∗ (0,6200 𝑁 − 𝑚𝑚)
(48 𝑚𝑚) ∗ (22,5𝑁
𝑚𝑚2)
ℎ = 0,0586 𝑚𝑚
Considerando el resultado de la altura de la sección ℎ = 0,0586 𝑚𝑚, se escogió un
espesor de 1 mm, para evidenciar el diseño se efectúa el cálculo de esfuerzo generado, en
base al espesor escogido. El módulo de sección de la Ecuación 4 es:
𝑆𝑥 =𝑏ℎ2
6
𝑆𝑥 = 48 𝑚𝑚 ∗ (1 𝑚𝑚)2
6
𝑆𝑥 = 8 𝑚𝑚3
El esfuerzo por flexión al que estará sometida la falange distal, se determina por la
Ecuación 3:
𝜎 =𝑀𝑚á𝑥
𝑆𝑥
𝜎 =0,6200 𝑁 − 𝑚𝑚
8 𝑚𝑚3
𝜎 = 0,1 𝑀𝑃𝑎
Para determinar el factor de seguridad se despeja de la Ecuación 2, obteniendo la Ecuación
6:
86
𝑁 =𝑆𝑦
𝜎𝑑 Ecuación 6
𝑁 =45 𝑀𝑃𝑎
0,1 𝑀𝑃𝑎
𝑁 = 450
Mediante Solidworks 2017, se realiza un análisis de factor de seguridad para determinar si
la estructura de la falange distal es confiable. En la Figura 64 se puede observar en una
escala de colores que el factor de seguridad (FDS) mínimo es de 500, lo que confirma que
el material ABS va a soportar la carga debido a sus propiedades mecánicas. Además es
necesario conservar como mínimo un espesor de 1 mm para que no existan fallas.
Figura 64. Análisis del factor de seguridad en la falange distal.
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Análisis de la falange media
La falange media permite el acople de la falange distal y la falange proximal como se
muestra en la Figura 01, para el diseño de esta falange se considera una pieza hueca con el
87
objetivo que permita el pase del hilo Nylon y la otra pieza acciona el movimiento de
flexión y extensión. (Ver Figura 65)
Figura 65. Diseño de la falange media
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
La sección que se analiza en la falange media es la que permite la unión entre la falange
media y la falange proximal, ya que es la sección que más fuerza va a soportar, debido al
peso de la falange distal y falange media como se muestra en la Figura 66.
Figura 66. Unión de la falange media con la falange distal y la falange proximal.
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Unión falange
media con
falange distal
Unión falange
media con
falange
proximal
88
Para determinar la fuerza o peso (W) que debe soportar, se utiliza la Ecuación 1;
considerando las propiedades físicas de la falange media y distal como se muestra en la
Figura 67. Obteniendo la fuerza o peso máximo en Newton (N).
Figura 67. Propiedades físicas de la falange media y distal
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
𝑊 = 𝛾 ∗ 𝑉
𝑊 = (1010𝐾𝑔
𝑚3∗ 9,81
𝑚
𝑠2) ∗ (6,56917 ∗ 10−6𝑚3)
𝑊 = 0,0651𝑁
El peso calculado es 0,0651𝑁 y en base a este peso se verifica el espesor adecuado para la
falange media, considerándose como una viga en voladizo como se muestra en la Figura
68. En la Figura 69 se muestra la fuerza cortante y en la Figura 70 se muestra el momento
flector.
89
Figura 68. Diagrama de cuerpo libre de la falange media
FUENTE: MD SOLIDS V.3.5
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 69. Diagrama de fuerza cortante de la falange media
FUENTE: MD SOLIDS V.3.5
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 70. Diagrama de momento flector de la falange media
FUENTE: MD SOLIDS V.3.5
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
90
En la Figura 70 se muestra el momento crítico, obteniendo un resultado de 1,04 𝑁 − 𝑚𝑚,
según el material utilizado ABS el esfuerzo de fluencia es 𝑆𝑦(𝐴𝐵𝑆) = 45 𝑀𝑃𝑎 y se
considera un factor de seguridad de 2. Para determinar el esfuerzo de diseño se obtiene
mediante la Ecuación 2.
𝜎𝑑 =𝑆𝑦
𝑁
𝜎𝑑 =45 𝑀𝑃𝑎
2
𝜎𝑑 = 22,5 𝑀𝑃𝑎 (𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜)
Se calcula el esfuerzo por flexión mediante la Ecuación 3:
𝜎 =𝑀𝑚á𝑥
𝑆𝑥
Para determinar el módulo de sección (Ecuación 4) se supone en forma rectangular la
sección transversal de la falange media (ver Figura 71) para tener facilidad en los cálculos.
Figura 71. Sección transversal de la falange media
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
SECCIÓN
TRANSVERSAL
91
Luego de haber calculado el esfuerzo de diseño se procede al cálculo del espesor de la
falange media, adecuadamente a la altura de la sección trasversal como se muestra en la
Figura 71. Mediante la Ecuación 5 se calcula el espesor, teniendo como resultado el
siguiente valor:
ℎ = √6 ∗ 𝑀𝑚á𝑥
𝑏 ∗ 𝜎𝑑
ℎ = √6 ∗ (1,04 𝑁 − 𝑚𝑚)
(34 𝑚𝑚) ∗ (22,5𝑁
𝑚𝑚2)
ℎ = 0,09 𝑚𝑚
De acuerdo al resultado obtenido anteriormente se escoge un espesor de 1mm. Para probar
si el diseño es óptimo se realiza el cálculo de esfuerzo, en base al espesor seleccionado.
Mediante la Ecuación 4 se obtiene el módulo de sección resultante:
𝑆𝑥 =𝑏ℎ2
6
𝑆𝑥 =34 𝑚𝑚 ∗ 1𝑚𝑚2
6
𝑆𝑥 = 5,67𝑚𝑚3
Con la Ecuación 3, se calcula el esfuerzo al que estará sometida la falange media:
𝜎 =𝑀𝑚á𝑥
𝑆𝑥
𝜎 =1,04 𝑁 − 𝑚𝑚
5,67 𝑚𝑚3
𝜎 = 0,2 𝑀𝑃𝑎
Para determinar el factor de seguridad se utiliza la Ecuación 6:
𝑁 =𝑆𝑦
𝜎𝑑 =
45 𝑀𝑃𝑎
0,2 𝑀𝑃𝑎
𝑁 = 225
92
Mediante SolidWorks 2017, se realiza un análisis de factor de seguridad como se muestra
en la Figura 72. Obteniendo mediante una escala de colores que el factor mínimo es de
240, lo que ratifica que el diseño de la falange media es segura debido a que está
sobredimensionada y a las propiedades mecánicas del ABS como material seleccionado.
Figura 72. Análisis del factor de seguridad de la falange media
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Análisis de la falange proximal
La falange proximal permite el acople de la falange media con el hueso metacarpiano de la
palma de la mano como se muestra en la Figura 01. Para el diseño de esta falange, la
sección que se analiza es la unión entre la falange proximal y el hueso metacarpiano
(palma de la mano), debido a que es donde más fuerza va a soportar, además esta pieza se
la considero hueca con el propósito de que permita el paso del hilo Nylon como se muestra
en la Figura 73.
93
Figura 73. Diseño de la falange proximal
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Mostrada como está constituida la falange proximal, se determina la fuerza o peso (W) que
debe soportar, para ello se considera el peso específico del polímero ABS y el volumen de
las piezas que se muestran en la Figura 74. Se utiliza la Ecuación 1, para obtener el peso
máximo en Newton.
Figura 74. Propiedades físicas de la falange proximal, falange media y falange distal
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
UNIÓN DE
FALANGE MEDIA
UNIÓN CON LA
PALMA DE LA
MANO
94
𝑊 = 𝛾 ∗ 𝑉
𝑊 = (1010𝐾𝑔
𝑚3∗ 9,81
𝑚
𝑠2) ∗ (1,2705 ∗ 10−5𝑚3)
𝑊 = 0,1258 𝑁
El peso calculado es 𝑊 = 0,1258 𝑁 y en base a este peso se verifica el espesor adecuado
para la falange proximal, considerándose como una viga en voladizo como se muestra en la
Figura 75. En la Figura 76 se muestra la fuerza cortante y en la Figura 77 se muestra el
momento flector.
Figura 75. Diagrama de cuerpo libre de la falange proximal
FUENTE: MD SOLIDS V.3.5
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 76. Diagrama de fuerza cortante de la falange proximal
FUENTE: MD SOLIDS V.3.5
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
95
Figura 77. Diagrama de momento flector de la falange proximal
FUENTE: MD SOLIDS V.3.5
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
En la Figura 77 se muestra el momento crítico, obteniendo un resultado de 5,79𝑁 − 𝑚𝑚,
según el material utilizado ABS el esfuerzo de fluencia es 𝑆𝑦(𝐴𝐵𝑆) = 45 𝑀𝑃𝑎 y se
considera un factor de seguridad de 2. Para determinar el esfuerzo de diseño se obtiene
mediante la Ecuación 2.
𝜎𝑑 =𝑆𝑦
𝑁
𝜎𝑑 =45 𝑀𝑃𝑎
2
𝜎𝑑 = 22,5 𝑀𝑃𝑎 (Esfuerzo de diseño)
Se calcula el esfuerzo por flexión mediante la Ecuación 3.
𝜎 =𝑀𝑚á𝑥
𝑆𝑥
Para calcular el módulo de sección (Ecuación 4) se supone en forma rectangular la sección
transversal de la falange proximal (ver Figura 78), para tener facilidad en los cálculos.
96
Figura 78. Sección transversal de la falange proximal
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Luego de haber calculado el esfuerzo de diseño se procede al cálculo del espesor de la
falange proximal, adecuadamente a la altura de la sección transversal como se muestra en
la Figura 78. Mediante la ecuación 5 se calcula el espesor, teniendo como resultado el
siguiente valor:
ℎ = √6 ∗ 𝑀𝑚𝑎𝑥
𝑏 ∗ 𝜎𝑑
ℎ = √6 ∗ (5,79 𝑁 − 𝑚𝑚)
(46𝑚𝑚) ∗ (22,5𝑁
𝑚𝑚2)
ℎ = 0,183 𝑚𝑚
De acuerdo al resultado obtenido anteriormente se escogió un espesor de 1𝑚𝑚. Para
probar si el diseño es óptimo se realiza el cálculo de esfuerzo, en base al espesor
seleccionado. Mediante la Ecuación 4 se obtiene el módulo de sección resultante:
SECCIÓN
TRANSVERSAL
97
𝑆𝑥 =𝑏ℎ2
6
𝑆𝑥 =46 𝑚𝑚 ∗ 1 𝑚𝑚2
6
𝑆𝑥 = 7,67 𝑚𝑚3
Con la Ecuación 3, se calcula el esfuerzo al que estará sometido la falange proximal:
𝜎 =𝑀𝑚á𝑥
𝑆𝑥
𝜎 =5,79 𝑁 − 𝑚𝑚
7,67 𝑚𝑚3
𝜎 = 0,754 𝑀𝑃𝑎
Para determinar el factor de seguridad se utiliza la Ecuación 6:
𝑁 =𝑆𝑦
𝜎
𝑁 =45 𝑀𝑃𝑎
0,754 𝑀𝑃𝑎
𝑁 = 60
Mediante SolidWorks 2017, se realiza un análisis de factor de seguridad como se muestra
en la Figura 79. Obteniendo mediante una escala de colores que el factor de seguridad
mínimo es de 100, lo que ratifica que el diseño de la falange proximal es segura debido a
que está sobredimensionada y a las propiedades mecánicas del ABS como material
seleccionado.
98
Figura 79. Análisis del factor de seguridad de la falange media
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
4.1.3.3. Modelado de la palma de la mano
La palma de la mano está compuesta por tres piezas, una grande que ensambla con tres
dedos (pulgar, índice y medio) y las otras dos ensambla respectivamente con los dedos
anular y meñique.
Figura 80. Piezas de la palma de la mano robótica.
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
99
4.1.3.4. Modelado de la muñeca
La muñeca de la mano se compone mediante mecanismo de engranajes (ver Figura 81)
accionados por un servomotor, permitiendo obtener el movimiento de rotación de la mano
robótica. Estos engranajes se diseñaron con medidas propias, por lo que se determina el
cálculo del engranaje del motor y de engranaje de salida. Utilizando la siguiente
nomenclatura de las ecuaciones como se muestra en la Figura 82.
Figura 81. Sistema de engranajes de la muñeca
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Figura 82. Cálculo de engranajes
FUENTE: (MOTT, 2011)
Engranaje
del motor
Engranaje de
salida
100
D = Diámetro primitivo W = Profundidad útil del diente
P = Paso diametral B = Base o pie
Ø = Diámetro exterior S = Suplemento o cabeza
Z = Número de dientes P´ = Paso circular
E = Espesor
Cálculo de engranaje del motor
Para calcular el paso diametral (P) del engranaje de motor se realiza mediante la Ecuación
7.
𝑃 =𝑍+2
∅ Ecuación 7
𝑃 = 11 + 2
17,10
𝑃 = 0,76 𝑚𝑚
Una vez obtenido el diámetro de paso se procede a determinar el diámetro primitivo (D)
con la Ecuación 8.
𝐷 =𝑍
𝑃 Ecuación 8.
𝐷 = 11
0,76
𝐷 = 14,47 𝑚𝑚
Luego se calcula la profundidad útil del diente (W) con la Ecuación 9.
𝑊 = 2,157
𝑃 Ecuación 9
𝑊 = 2,157
0,76
𝑤 = 2,84 𝑚𝑚
101
Después de haber calculado la profundidad útil del diente, se procede a determinar la base
o también conocida como pie (B) con la Ecuación 10 y el suplemento o cabeza (S) con la
Ecuación 11.
𝐵 = 1
𝑃 Ecuación 10
𝐵 = 1
0,76
𝐵 = 1,32 𝑚𝑚
𝑆 = 1
𝑃 Ecuación 11
𝑆 = 1
0,76
𝑆 = 1,32 𝑚𝑚
Luego se procede a calcular el espesor del diente (E) mediante la Ecuación 12.
𝐸 = 1,5708
𝑃 Ecuación 12
𝐸 = 1,5708
0,76
𝐸 = 2,1 𝑚𝑚
Para calcular el paso circular (P´) se lo realiza mediante la Ecuación 13.
𝑃´ = 𝜋
𝑃 Ecuación 13
𝑃´ = 𝜋
0,76
𝑃´ = 4,13 𝑚𝑚
Cálculo de engranaje de salida
Para calcular el paso diametral (P) del engranaje de salida se utiliza la Ecuación 7.
𝑃 = 20 + 2
28,95
102
𝑃 = 0,76 𝑚𝑚
Una vez obtenido el diámetro de paso se procede a determinar el diámetro primitivo (D)
con la Ecuación 8.
𝐷 = 20
0,76
𝐷 = 26,31 𝑚𝑚
Luego se calcula la profundidad útil del diente (W) con la Ecuación 9.
𝑊 = 2,157
0,76
𝑊 = 2,83 𝑚𝑚
Después de haber calculado la profundidad útil del diente, se procede a determinar la base
o también conocida como pie (B) con la Ecuación 10 y el suplemento o cabeza (S) con la
Ecuación 11.
𝐵 = 1
0,76
𝐵 = 1,31 𝑚𝑚
𝑆 = 1
0,76
𝑆 = 1,31 𝑚𝑚
Luego se procede a calcular el espesor del diente (E) mediante la Ecuación 12.
𝐸 =1,5708
0,76
𝐸 = 2,06 𝑚𝑚
Para calcular el paso circular (P´) se lo realiza mediante la Ecuación 13.
𝑃´ = 3,1416
0,76
𝑃´ = 4,13 𝑚𝑚
103
4.1.3.5. Modelado del antebrazo
Para el diseño del antebrazo no existe un estudio que determine las medidas promedio del
mismo, pero se toma como referencia los criterios consultados a doctores, físicos terapeutas
y traumatólogos de la cuidad de Quevedo, además también afecta para el diseño del
antebrazo los diferentes tipos de deportes que el ser humano realiza, estableciendo
diferentes medidas, por lo que se consideró diseñar el antebrazo en tres partes, esto es
también debido a que permite tener mayor facilidad de montaje de los componentes
electrónicos. Para este proyecto el antebrazo se diseñó con una longitud aproximada de 284
mm y con una forma muy similar al antebrazo real de un ser humano como se muestra en la
Figura 83.
Figura 83. Diseño del antebrazo
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
104
La primera parte del antebrazo esta subdivida en dos partes: la primera parte es la que
permite obtener el movimiento rotacional de la muñeca, mediante engranajes y la segunda
parte es donde se coloca el servomotor que permite realizar el movimiento.
La segunda parte ubica a la placa separadora de los tendones (hilos de Nylon) con la
finalidad de evitar que se enriende durante el funcionamiento.
Por último, la tercer parte es donde se ubica los servomotores que permiten hacer los
movimientos de flexión y extensión de los dedos, donde tres servos están ubicados en la
parte de adelante de la placa y dos en la parte de atrás como se muestra en la Figura 84.
Figura 84. División y vista interior del antebrazo.
FUENTE: SOLIDWORD 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
El peso total del antebrazo robótico se calcula mediante la Ecuación 14
𝑊𝑡 = 𝑊𝑎 + 𝑊𝑠 Ecuación 14
Dónde:
𝑊𝑡: Peso total (𝑁)
𝑊𝑎: Peso del antebrazo robótico (𝑁)
𝑊𝑠: Peso de servomotores (𝑁)
El peso del antebrazo robótico se establece mediante la Ecuación 15 y la masa se obtiene
de la Figura 85:
𝑊𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑔 Ecuación 15
105
Figura 85. Propiedades físicas del antebrazo
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
El peso de los servomotores se consigue de las especificaciones técnicas exhibidas en la
Tabla 8 (características técnicas de los servomotores) y la Ecuación 16.
𝑊𝑠 = 5(𝑚𝑀𝐺995 ∗ 𝑔) + 1(𝑀𝑆𝐺90 ∗ 𝑔) Ecuación 16
El peso total del brazo robótico, se calcula de la siguiente manera:
𝑊𝑡 = (0,54664𝐾𝑔 ∗ 9,81𝑚
𝑠2) + 5 (0,0552𝐾𝑔 ∗ 9,81
𝑚
𝑠2) + 1 (0,009𝐾𝑔 ∗ 9,81
𝑚
𝑠2)
𝑊𝑡 = 8,16 𝑁
𝑊𝑡 = 1,83 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑠
Calculo del torque máximo del servomotor para el movimiento de un dedo
Para determinar el torque máximo que se requiere en el servomotor se toma el peso total de
un dedo (𝑊 = 0,1258𝑁) en las condiciones máximas como única fuerza a mover y se lo
considera como un solo eslabón mediante la Ecuación 17.
106
𝑇 = 𝐹 ∗ 𝑑 Ecuación 17
Dónde:
𝑇: Torque
𝐹: Fuerza o peso del dedo
𝑑: Distancia
En la Figura 86, se muestra la distancia a considerar para realizar el cálculo del torque,
tomando el dedo medio como el más grande y el más crítico, debido a que los otros dedos
son similares en su aspecto físico y de menor tamaño.
Figura 86. Distancia a considerar entre el servo y el dedo medio
FUENTE: SOLIDWORKS 2017
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
𝑇 = 0,1258𝑁 ∗ 0,36𝑚
𝑇 = 0,0453 𝑁. 𝑚
𝑇 = 0,453 𝐾𝑔. 𝑐𝑚
107
4.1.4. Selección de componentes electrónicos, eléctricos y de control a utilizar en el
antebrazo robótico.
Selección de tarjeta de control
Luego de analizar las diferentes categorías y tipos de placas de control existente en el
mercado nacional como se muestra en el Anexo 9, se elige la placa Arduino UNO la cual
se observa en la Figura 87, debido a que cuenta con microcontrolador avanzado como es
el Atmega 328, tiene un voltaje de operación de 5V, consta con 20 pines para entrada I/O
y 6 pines de salida PWM, una memoria flash de 32 KB y su SRAM de 2KB, permite
insertar cualquier tipo de módulo Bluetooth y lo más importante es que cuenta con un bus
I2C para comunicarse con diferentes dispositivos en serie y utiliza dos líneas para
transmitir la información (una para los datos y la otra para señal de reloj).
Figura 87. Placa Arduino UNO
FUENTE: (ISAAC P.E., 2014)
Selección de tablero protoboard
Para la selección de los tableros protoboard se considera la cantidad de agujeros a utilizar y
el espacio necesario, en la elaboración del proyecto se utiliza dos protoboard modelo
108
MB102 (ver Figura 88) con la finalidad de insertar los componentes y cables para armar
los circuitos del antebrazo y del guante sensorizado sin tener problemas de confusión de
cables.
Figura 88. Protoboard modelo MB102
FUENTE: (CIRCUITOS ELECTRONICOS, 2007)
Selección de servomotores
Una vez analizadas las características de los servomotores marca Tower Pro como se
muestra en el Anexo 10, se elige el modelo MG995 para realizar el movimiento de flexión
y extensión de los dedos, para soportar el torque calculado de 0,453 Kg.cm, además
permitiendo tener una fuerza extra para el agarre de objetos. Para el movimiento de la
muñeca se elige el modelo SG 90 debido a que es un microservo permitiendo el paso de los
hilos Nylon sin ninguna dificultad.
El servomotor MG 995 consta con un torque máximo de 10 kgf.cm a un voltaje de 4,8 a 6
Voltios, permitiendo soportar las cargas especificadas debido a que su mecanismo de
engranajes es metálicos; mientras que el servomotor SG 90 consta con un torque de 1,8
Kgf.cm a un voltaje de 4,8, el tamaño reducido de estos componentes es adecuado para la
ubicación dentro del espacio disponible en el diseño y su alta velocidad de giro lo hacen
responder a un tiempo aceptable a los comandos o códigos de programación enviados
desde la computadora o del guante sensorizado.
109
Figura 89. Servomotores marca Power Pro modelo MG995 y SG90
FUENTE: (TECNOLOGÍA AÉREA , 2015)
Selección de potenciómetros
Se selecciona los potenciómetros de acuerdo a su voltaje de trabajo, para la ejecución de
este proyecto se utiliza potenciómetros de 10k Ohm como se muestra en la Figura 90, este
componente electrónico permite dar los grados de movimiento de los servomotores de una
manera manual, siempre y cuando estén programados.
Figura 90. Potenciómetro de 10K Ohm
FUENTE: (TECNOLOGÍA, 2014)
Selección de resistencias eléctricas
Las resistencias a utilizar en el circuito del antebrazo robótico son de 10K Ohm, estas
depende de los potenciómetros a utilizar, se pueden unir varias resistencias hasta lograr los
10 K Ohm, por ejemplo utilizando una de 8K Ohm y una de 2 K Ohm. Las resistencias se
utilizan en el circuito del antebrazo con el objetivo de controlar tanto las tensiones como
las corrientes para conseguir los efectos deseados.
110
Figura 91. Resistencias de 10 k Ohm
FUENTE: (AREA TECNOLOGÍA, 2014)
Selección de sensores flexores
Los sensores flexores, tienen en si varios sensores que cambian en la resistencia en función
de la cantidad de curvatura que se le emplea, en mayor curvatura que se le da, mayor va a
ser la resistencia eléctrica. Para controlar los dedos de la mano se utilizan estos sensores de
flexión instalados en el guante, los sensores que se utilizan son de una longitud activa de
55 mm y una anchura de 6.35 mm como se muestra en la Figura 49.
Tienen una resistencia al no estar flexionado de 25K Ohm, una tolerancia de la resistencia
±30%, un rango de la curvatura de la resistencia de 45 K a 125 K Ohm esto depende del
radio de curvatura y un voltaje de 5 a 12 Volts como se muestra en la Tabla 6.
Figura 92. Sensor de flexión marca Spectra Symbol
FUENTE: (SPECTRA SYMBOL, 2013)
111
Selección de componentes de comunicación inalámbrica
Analizando los diferentes elementos de comunicación inalámbrica existentes en el mercado
ecuatoriano, se concluye utilizar dos componentes electrónicos llamados módulos
NRF24L01 cuyas características se muestran en la Tabla 18, un módulo hace de transmisor
y el otro de receptor de la información programada. Estos módulos son ideales para
proyectos de telemetría, control periférico, industrias y afines. Además incorporan un
transceiver RF de 2.4 GHz, un sintetizador RF, algoritmos de control de errores y un
acelerador para trabajar con interfaz SPI, la ventaja de estos módulos es su bajo costo en
comparación a las tarjetas Bluetooth para Arduino.
Tabla 15. Características técnicas de los módulos NRF24L01
Características Aplicaciones Especificaciones
Trabaja en la banda libre
de 2.4 GHz
Velocidades de
250Kbps, 1Mbps y
2Mbps
Incorporación del
protocolo
𝑆ℎ𝑜𝑐𝑘𝐵𝑢𝑟𝑠𝑡𝑇𝑀 para
mejorar la velocidad por
hardware
Muy bajo consumo en el
orden de los 20uA
Periféricos para Pc
Mandos de videos
juegos
Telemetría
Juguetes
Electrónica de consumo
Alimentación: 1.9
3.6V
Voltaje puertos IO: 0
3.3V/5V
Nivel de salida: +7dB
Sensibilidad de
recepción: ≤ -90dB
Alcance: 15 30 mts
(lugares cerrados) hasta
100 mts (áreas abiertas)
Dimensiones: 15x29
mm
FUENTE: (HETPRO , 2016)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
112
4.1.5. Selección de material adecuado para la impresión de la estructura de la mano
y antebrazo.
Una vez entendida las características técnicas de la impresora 3D marca SINDOH DP200,
se consideró como material de construcción el polímero ABS debido a sus ventajas en
comparación con el PLA, en la Tabla 19 se muestran la comparación de las características
de los filamentos ABS y PLA.
Tabla 16. Comparación de las características de los filamentos ABS y PLA
Características del polímero ABS Características del polímero PLA
Muy estable a altas temperaturas
Conserva la tenacidad a temperaturas
extremas
Alta capacidad de mecanizado
Resistente a ataques químicos
Muy resistente a los impactos
Tiene mayores aplicaciones en la
industria
Es un material reutilizable
Necesita cama caliente
Puede producirse el efecto Warping
La impresión debe hacerse en zonas
ventiladas
Poca resistencia térmica
Poca resistencia mecánica
Sensible a la humedad
No se puede reutilizar
Poco utilizado en procesos industriales
Menos ecológico que el ABS
No emite gases nocivos
Velocidad de impresión más rápida
Proviene de materiales ecológicos
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Análisis: Una vez analizada las características de los polímeros ABS y PLA, se consideró
como material base del prototipo del antebrazo el filamento ABS, debido a que
este plástico es más resistente a los impactos, resiste a ataques químicos y tiene una alta
capacidad de mecanizado, que favorece al momento de ensamblar las piezas del antebrazo.
113
4.1.6. Pruebas de funcionamientos del antebrazo robótico
4.1.6.1. Fallos y error durante la impresión 3D
UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
TEMA: FALLAS POR EFECTO WARPING
N° DE INFORME: 01
DESCRIPCIÓN: Uno de los principales problemas con los que se encuentran
cuando se utiliza una impresora 3D es el efecto Warping,
este efecto tiene a levantar las esquinas de las piezas
impresas cuando ocupan mucha superficie. Esto es debido a
la contracción cuando el material sale del extrusor a 250 °C
aproximadamente, choca con la cama que se encuentra a
unos 90° C aproximadamente, y se enfría, creando una
contracción como se muestra en la Figura 94.
Una mala calibración de la cama y un ambiente con
corrientes de aire directo, provoca que ocurra este efecto
como se observa en la Figura 95. [43]
ANÁLISIS DE PIEZAS AFECTADA POR EL EFECTO WARPING
La Figura 94 con una longitud de 113mm y anchura de 70mm aproximadamente, se
obtiene el efecto Warping debido a una plataforma con desechos de impresiones
anteriores, que al retirarlas queda material derretido, en exceso estos desechos del
polímero provoca dicho efecto.
Figura 94. Efecto Warping en pieza de soporte de los servomotores
FUENTE: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
114
La Figura 95 con una longitud 120mm y una anchura de 85mm aproximadamente,
ocurre el efecto Warping debido a que cuando se imprime varias piezas la plataforma
de la máquina tiende a descalibrarse, provocando una impresión entre cortada y de
mala calidad.
Figura 95. Efecto Warping en pieza de la palma de la mano
FUENTE: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
RECOMENDACIONES PARA PREVENIR EL EFECTO WARPING
Tener una buena calibración de la cama o plataforma
En piezas complicadas se recomienda precalentar la plataforma
No abrir las compuertas
Limpieza debida de la plataforma (dependiendo su trabajo)
Bloqueo de la plataforma antes de que inicie su labor
115
UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
TEMA: FALLA POR ESPESOR DE PARED
N° DE INFORME: 02
DESCRIPCIÓN: Las fallas provocadas por el espesor de pared de una pieza o
elemento, en el momento de imprimir en 3D se provocan debido
al diseño de la pieza y al tipo de extrusor que contiene la
máquina.
ANÁLISIS DE PIEZA AFECTADA POR ESPESOR DE LA PARED
En la Figura 96 con una longitud de 85mm y una anchura de 55mm aproximadamente,
se muestra en su diseño con un espesor muy delgado, provocando que el extrusor de la
impresora 3d al pasar por cierta área dejara de depositar material y obteniendo huecos en
varios lugares de la pieza donde se coloca el servomotor de la muñeca.
Figura 96. Pieza afecta por el espesor de pared
FUENTE: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
RECOMENDACIONES PARA EVITAR HUECOS EN LA SUPERFICIE
Revisar el diámetro del extrusor
Modificar el espesor de la pieza, sobredimensionando el límite mínimo del extrusor
116
4.1.6.2. Implementación y pruebas
Tecnología utilizada para la construcción
La construcción de las partes mecánicas del antebrazo robótico se las llevó a cabo en su
totalidad en la impresora 3D SIMPLIFIED modelo DP 200, sus características se la detalla
en la tabla 13.
Como máquinas, herramientas y accesorios auxiliares se utilizaron las indicadas en la Tabla
19.
Tabla 17. Herramientas y accesorios auxiliares
N° Máquinas, herramientas y accesorios
01 Espátula
02 Pinza de corte
03 Brocas
04 Estilete o cuchilla
05 Pinza plana
06 Lijas
07 Destornilladores
08 Guantes anticorte
09 Taladro
10 Cautín
11 Pistola de silicón
12 Compresor
13 Aerógrafo
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Procedimientos tecnológicos
En la Tabla 20 se comprende las operaciones tecnológicas ejecutadas para la
implementación del proyecto.
117
Tabla 18. Procedimientos tecnológicos
N° Procedimiento
1 Diseño de piezas en software CAD
2 Admisión y fiscalización de materia prima
3 Creación de código G e impresión de piezas en 3D
4 Revisión de piezas impresas
5 Calibración de cama o base (después de varias piezas)
6 Montaje
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Diagramas de procesos del sistema
Se exhiben los procedimientos tecnológicos que se llevan en las distintas etapas de la
elaboración del antebrazo robótico, los procedimientos se realizan acorde al progreso y
según los planos del antebrazo robótico. El tiempo empleado durante todo el proceso del
antebrazo robótico se muestra al lado derecho de la operación en horas y minutos.
Tabla 19. Diagrama de procesos del sistema
ELABORADO: GUILLÉN F.I; LAZ A.M.
160 Horas
10 Min
50 Horas y 10 Min
5 Horas
1 Hora
16 Horas
118
4.1.7. Programación de los componentes electrónicos, eléctricos y de control
Programación del transmisor
Para la realización de la programación del transmisor, se debe incluir la librerías del módulo
que se llegue a usar, en este caso el módulo NRF24L01 como utiliza el bus SPI para
acelerar la conexión se agrega la librería RF24 como se observa a continuación:
#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>
Después se crea una la librería que incluya el servo y se define los pines CE y CSN que son
entradas digitales, también se define los ejes que trabajaran las entradas analógicas como se
muestra a continuación:
#include <Servo.h>
#define CE_PIN 9
#define CSN_PIN 10
#define x_axis A0 // x axis
#define y_axis A1 // y axis
#define z_axis A2 // y axis
#define a_axis A3 // y axis
#define b_axis A4 // y axis
#define c_axis A5 // y axis
Posteriormente se indica el pipe a utilizar, que se puede imaginar como uno de los
diferentes canales en los que el radio puede operar y la siguiente línea se crea una instancia
del radio, enseñándole el pin de control.
119
El pipe es un número de 64 bits, lo que se indica con el tipo const uint64_t, entero sin
signo de 64 bits y por si no está suficientemente claro, se le indica al compilador que se
trata de un LL al final del número, o sea LongLong = 64 bits. A continuación se muestra el
pipe a utilizar como canal para que el radio funcione:
const uint64_t pipe = 0xE8E8F0F0E1LL;
RF24 radio (CE_PIN, CSN_PIN);
int data [9];
Luego se la inicia con un setup como se muestra a continuación y se utiliza
radio.openWritingPipe (pipe) para poder escribir.
void setup ()
Serial.begin (9600);
Radio.begin ();
Radio.openWritingPipe (pipe);
Después con el loop se puede enviar la información de los datos de 0 a 5 que son entradas
analógicas leídas de los ejes especificados. Posteriormente con radio.write (data, sizeof
(data)) es para escribir en el radio los datos y errores de los datos enviados.
El Serial.print se utiliza para imprimir los valores de los ejes especificados, como se detalla
a continuación:
void loop ()
data [0] = analogRead (x_axis);
data [1] = analogRead (y_axis);
120
data [2] = analogRead (z_axis);
data [3] = analogRead (a_axis);
data [4] = analogRead (b_axis);
data [5] = analogRead (c_axis);
radio.write (data, sizeof(data) );
// HATA AYIKLAMA (DEBUG)
Serial.print (analogRead (x_axis));
Serial.print (” ”);
Serial.print (analogRead (A1));
Serial.print (” ”);
// Serial.print (digitalRead (BUTON));
Programación del receptor
Al igual que la programación del transmisor en el receptor también se debe incluir las
librerías y definir los pines utilizados anteriormente, con la diferencia que se incluye la
librería servo, como se indica a continuación:
#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>
#include <Servo.h>
#define CE_PIN 9
#define CSN_PIN 10
121
Luego con int se almacena los valores de cada sensor iniciando desde cero y se da un
nombre a los servomotores que se utilizan, como se observa a continuación:
int x_hiz=0;
int y_hiz=0;
int z_hiz=0;
int a_hiz=0;
int b_hiz=0;
int c_hiz=0;
Servo servo1;
Servo servo2;
Servo servo3;
Servo servo4;
Servo servo5;
Servo servo6;
Posteriormente se indica el pipe a utilizar, que se puede imaginar como uno de los
diferentes canales en los que el radio puede operar y la siguiente línea se crea una instancia
del radio, enseñándole el pin de control, como se mostró en la programación del transmisor.
Luego al igual que la programación del transmisor se inicia con un setup, con el
Serial.begin (9600) se inicia en serie el valor 9600 es un valor utilizado por Arduino.
Además se incluye los pines a conectarse los servomotores con .attach, al igual que el
transmisor se inicia el radio con radio.begin, con la diferencia que debemos leer la
información que se transmite de un módulo a otro y el radio.startListening permite iniciar a
escuchar la información que hay en el radio de los módulos, como se muestra a
continuación:
void setup ()
122
Serial.begin (9600);
servo1.attach (2);
servo2.attach (3);
servo3.attach (4);
servo4.attach (5);
servo5.attach (6);
servo6.attach (7);
radio.begin ();
radio.openReadingPipe (1,pipe);
radio.startListening ();;
Posteriormente se realiza la configuración de envió de la información con el void loop, en
la otra línea se ubica si hay radio disponible con if (radio.available ()). Luego con
radio.read se lee los datos y errores de los mismos, así mismo con hareket se puede dar
movimiento a los datos de los pines de cero a ocho, como se indica a continuación:
void loop()
if ( radio.available() ) // Eger sinyal algilarsan….
radio.read ( data, sizeof (data) );
hareket (data[0],data[1],data[2],data[3],data[4],data[5],data[6],data[7],data[8]);
Finalmente se da movimiento a los valores almacenados en los ejes y en los botones
descritos. Con el x_hiz= map (x_axis, 820, 920, 100, 5) se mapea los valores que arroja el
123
software Arduino para mover los sensores flexores y el grado de movimiento de los
servomotores, posteriormente se termina escribiendo el servo con servo1.write (x_hiz),
como se indica a continuación:
void hareket (int x_axis, int y_axis, int z_axis, int a_axis, int b_axis, int c_axis, int button5,
int button6, int button7)
x_hiz= map (x_axis, 820, 920, 100, 50);
servo1.write (x_hiz);
y_hiz= map (y_axis, 829, 940, 3, 130);
servo2.write (y_hiz);
z_hiz= map (z_axis, 800, 930, 5, 100);
servo3.write (z_hiz);
a_hiz= map (a_axis, 820, 900, 20, 70);
servo4.write (a_hiz);
b_hiz= map (b_axis, 750, 830, 35, 120);
servo5.write (b_hiz);
c_hiz= map (c_axis, 0,1023, 0, 180);
servo6.write (c_hiz);
124
4.1.7.1.Prueba de funcionamiento de la programación
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CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
TEMA: PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL GUANTE
SENSORIZADO Y ANTEBRAZO ROBÓTICO
N° DE INFORME: 03
DESCRIPCIÓN: Para la programación de los módulos NRF24L01 es
importante conocer los pines que estos módulos
transceptores poseen. También es importante incluir las
librerías en el software Arduino, ya que si no se incluye
estas librerías no podremos enviar información de un
módulo a otro.
Análisis De Programación
En la Figura 107 se muestra los pines que posee un módulo NRF24L01, estos módulos
tienen la ventaja de funcionar inalámbricamente en lugares cerrados a una distancia
máxima de 30 m y en lugares abiertos hasta 100 m. los módulos NRF24L01 que poseen
una antena pueden llegar a tener un alcance inalámbrico de hasta 1000m.
Figura 107. Pines del módulo NRF24L01
FUENTE: (ARDUINO, 2005)
En la Figura 108 se muestra el funcionamiento del antebrazo robótico, en el cual se
observa movimientos enviados a través del guante sensorizado que hará de transmisor de
datos.
125
Figura 108. Funcionamiento del guante sensorizado y antebrazo robótico
FUENTE: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
RECOMENDACIONES PARA FUNCIONAMIENTO DEL ANTEBRAZO
ROBÓTICO
Utilizar una fuente de alimentación de 5v conectada directamente a los
servomotores
No dejar muy flojo los tendones (hilo Nylon)
Pegar con Silicón en barra los cables para evitar solturas
Para el movimiento de la muñeca se debe flexionar todos los dedos
126
4.1.8. Presupuesto
Se consideran los costos de materiales, mano de obra, costos de diseño.
Tabla 20. Costos de materiales
CANTIDAD DESCRIPCIÓN P. UNITARIO P. TOTAL
2 Tarjetas Arduino UNO $35,00 $70,00
5 Servomotores Mg 995 $15,00 $75,00
1 Servomotor SG 90 $8,00 $8,00
2 Protoboard $5,00 $10,00
2 Módulos NRF24L01 $10,00 $20,00
5 Sensores de flexión $20,00 $100,00
6 Potenciómetros de 10K Ohm $1,25 $7,50
6 Resistencias $0,25 $1,50
1 Fuente de alimentación de 5V $5,00 $5,00
1 Kit de cables para tarjetas
Arduino
$5,00 $5,00
1 Guante anticorte $15,00 $15,00
2 Rollos de polímero ABS
(blanco y azul)
$50,00 $100,00
1 Adhesivo epóxico profesional $5,50 $5,50
1 Pintura $15,00 $15,00
1 Rollo de hilo Nylon N°45 $1,20 $1,20
1 Hoja de lija N° 180 $0,50 $0,50
1 Hoja de lija N° 500 $0,50 $0,50
2 Silicón en barra $0,15 $0,30
1 Cinta aislante $0,50 $0,50
1 Perno con tuerca 5/16 x 2½” $0,09 $0,09
1 Perno con tuerca 5/16 $0,04 $0,04
1 Perno con tuerca 5/16 x 3” $0,13 $0,13
1 Broca 3/32 $1,03 $1,03
10 Tornillos mm 3x20 $0,03 $0,30
TOTAL $ 442,09
127
Costo de mano de obra
Se establece la relación al tiempo empleado en el diseño y construcción del antebrazo
robótico, considerando el Salario Básico Unificado (SBU) determinado por el Consejo
Nacional de Trabajo y Salarios (CNTS), el valor de las horas se multiplica por la tarifa
promedio que un técnico u operario gana por hora.
Tabla 21. Costos de mano de obra
TÉCNICO N° HORAS
TRABAJADAS
COSTO/HORA COSTO TOTAL
Diseñador 160 $ 2,34 $ 375
Construcción 16 $ 2,34 $ 37,44
TOTAL $412,44
Costo de impresión 3D
Los costos de impresión 3D, se determina a través de la cantidad de gramos de polímero
ABS a necesitar para la impresión del antebrazo.
Tabla 22. Costos de impresión 3D
MATERIAL
(ABS)
GRAMOS A
UTILIZAR
PRECIO/GRAMOS COSTO TOTAL
Blanco 131,3 $ 0,15 $ 19,61
Azul 287,3 $ 0,20 $ 57,46
TOTAL $ 77,07
128
Costo de oficina
Se considera como gastos de oficinas impresiones, empastados, planos, etc.
Tabla 23. Costos de oficina
DESCRIPCIÓN COSTO TOTAL
Impresión de documento $ 20,00
Impresión de planos $ 25,00
Empastado $ 12,00
TOTAL $ 57,00
Costo total
La sumatoria de todos los costos anteriormente detallados, dan el costo total del antebrazo
robótico expuesto en la Tabla 23.
Tabla 24. Costo total
RUBROS COSTO
Costos de materiales $ 442,09
Costos de mano de obra $ 412,44
Costos de impresión 3D $ 77,07
Costos de oficina $ 57,00
TOTAL $ 968,60
129
4.2. Discusión.
Se determina mediante los valores obtenidos en la Tabla 1 del estudio realizado por la
Universidad Autónoma de Chile donde se muestran las medidas promedios de una mano
según el sexo y edad. Permitiendo diseñar la longitud de la mano, ancho de la mano y
longitud de la palma con las siguientes medidas detalladas en la Tabla 24.
Tabla 25. Medidas del diseño mecánico del antebrazo robótico
Longitud de la
mano Ancho de la mano
Longitud de la
palma
Longitud del
antebrazo
179 mm 92 mm 95 mm 275 mm
ELABORADO: GUILLÉN F.I; LAZ A.M.
Para análisis y modelación geométrica de los dedos de la mano se considera solo un dedo
obteniendo como resultado el factor de seguridad de cada falange, considerando como
material de fabricación el polímero ABS.
Tabla 26. Resultados de cada falange del dedo diseñado
Resultados Falange distal Falange media Falange proximal
Peso máximo (𝑊) 0,031𝑁 0,0651𝑁 0,1258 𝑁
Esfuerzo de diseño (𝜎𝑑) 22,5 𝑀𝑃𝑎 22,5 𝑀𝑃𝑎 22,5 𝑀𝑃𝑎
Módulo de sección (𝑆𝑥) 8 𝑚𝑚3 5,67 𝑚𝑚3 7,67 𝑚𝑚3
Altura de la sección
transversal (ℎ)
0,0586 𝑚𝑚 0,09 𝑚𝑚 0,183 𝑚𝑚
Esfuerzo por flexión al
que estará sometida (σ)
0,1 𝑀𝑃𝑎 0,2 𝑀𝑃𝑎 0,754 𝑀𝑃𝑎
Factor de seguridad (𝑁) 450 225 60
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Para el movimiento de cada dedo hay que tener en cuenta que el hilo Nylon es un material
flexible por lo que al momento de programar los servomotores y de realizar varias pruebas
de funcionamiento tiene a deformarse, para evitar este inconveniente es necesario utilizar
un tipo de polea en los servomotores.
130
Además, para el diseño del prototipo de antebrazo robótico se considera las observaciones
de cada estudio realizado en las diferentes universidades del país, obteniendo de estos las
mejores características y recomendaciones que se pueden implementar en una mano
robótica como se observa en la Tabla 16. En la Tabla 29 se muestra la comparación de este
prototipo con los diferentes modelos existente en el país.
Tabla 27. Comparación del modelo UTEQ con los diferentes prototipos existentes en el
Ecuador
OBSERVACIONES CONCLUSIONES
MODELO UTEQ VS
MODELO UPS
El modelo UPS no cumple
con todos los movimiento
de los dedos, además al
estar diseñada de varios
materiales la hacen una
prótesis pesada permitiendo
a un futuro fatigar al ser
humano que la utilice.
El modelo UTEQ permitirá
al ser humano tener mayor
facilidad de transportación
debido a que está
construida con un polímero
muy liviano como es el
ABS.
MODELO UTEQ VS
MODELO EPN
El modelo EPN tiene
grandes características
como es la instalación de
sensores fotoeléctricos que
permite medir el ángulo de
flexión, pero su desventaja
es que no es inalámbrica y
tampoco resiste mucho
peso.
El modelo UTEQ no consta
con sensores fotoeléctricos,
pero está diseñado para que
funcione inalámbricamente
hasta una distancia máxima
de 30 m, además el material
ABS permite resistir a
pequeños golpes o
impactos.
MODELO UTEQ VS
MODELO UTE
El modelo UTE tiene un
diseño robusto construido
con el material Duralon que
es uno de la familia de
compuesto a base de Nylon,
convirtiéndolo en un diseño
que se puede deformar.
El modelo UTEQ la mano
está diseñada por cinco
dedos, tratando de igualar
la forma y movimiento de
una mano humana.
También su material de
construcción no tiene a
131
Además consta solo de
cuatro dedos y de pequeños
servomotores,
convirtiéndolo en un
prototipo que no resiste
mucha carga.
deformarse rápidamente en
comparación al material
Duralon utilizado en el
prototipo de la UTE.
MODELO UTEQ VS
MODELO UTPL
El modelo UTPL tiene
bastante similitud en su
construcción con el modelo
UTEQ con la diferencia que
este modelo consta de
señales mioeléctricas y no
es inalámbrica
El modelo UTEQ no consta
con sensores que emiten
señales mioeléctricas, pero
si es inalámbrico y funciona
con un guante sensorizado
obteniendo una gran
ventaja en comparación del
modelo UTPL
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
Análisis: Una vez analizadas todas las observaciones se llega a la conclusión que este
prototipo tiene grandes ventajas con los existentes en el Ecuador, además su
diseño puede permitir grandes avances tecnológicos en un futuro pudiendo llegar a ser una
de las grandes prótesis que compita en el mercado tecnológico del país.
132
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
133
5.1. Conclusiones
La construcción del antebrazo robótico demandó un estudio profundo de la morfología
del antebrazo humano, con el objetivo de conocer el tamaño promedio de ambos sexo y
los respectivos grados de libertad que tienen las partes que conforman un antebrazo
humano.
Mediante el análisis realizado de varios prototipos de manos robóticas existente en
Ecuador, se seleccionó las posibles características que se pueden implementar y mejorar
en una mano robótica, como son un guante sensorizado, sensores inalámbricos, etc.
La elaboración de las partes que constituyen el antebrazo robótico, se sobredimensionó
debido a la capacidad mínima de espesor, tamaño de altura y ancho máximo que puede
imprimir la impresora 3D SINDOH DP 200; también se consideró el tamaño promedio
de un antebrazo humano.
La cantidad de servomotores utilizados en la mano robótica hace que el sistema
demande más potencia a la placa base. Debido a esto y para evitar inconvenientes con la
fase de control se utilizó una fuente de alimentación externa de 5V conectada a la
protoboard del receptor.
Se construyó un guante sensorizado que permite detectar y medir la flexión de los
dedos, para la transmisión de la señal inalámbrica enviada al antebrazo robótico se
utilizó los módulos NRF24L01 soldados con un capacitor 10μF, con el objetivo de
almacenar energía sustentado un campo eléctrico y para el movimiento de la muñeca
independientemente se utilizó un potenciómetro para su control.
Se seleccionó el polímero ABS como material de fabricación del antebrazo robótico ya
que es resistente, liviano y que se puede mecanizar.
Al realizar pruebas de funcionamiento se observó que la conexión de los servomotores y
sensores de flexión deben ir directamente alimentados desde la protoboard ya que esta
posee la fuente de alimentación externa. Además los sensores de flexión hace un
pequeño puenteo en el terminal negativo para facilitar la señal de envió.
134
5.2. Recomendaciones
Como mejora del proyecto desarrollado se plantea, perfeccionar el movimiento de la
muñeca para tener una flexión y extensión de la misma, implementando un componente
electrónico de mayor torque o fuerza conservando un tamaño ideal.
Para obtener un tiempo de reacción más corto se recomienda utilizar una interfaz con
mayor velocidad de transferencia de datos, ya que la comunicación serial con los
servomotores puede ser considerada como lenta en comparación con otros micros
motores nuevos en el mercado de la robótica.
Además, para futuras programaciones, se podría utilizar un medio de transmisión
inalámbrico de mayor alcance y que pueda ser controlado vía Bluetooth para la
aplicación de brazos robóticos en la industria.
Adicionalmente, para futuros proyectos se pueda implementar galgas extensométricas
como sensores de fuerza permitiendo simular la sensación del tacto que posee una mano
humana, con ello se podría utilizar mejores tareas de agarre.
También, se podría implantar este prototipo a un ser humano mediante señales
mioeléctricas con conexión al cerebro por el sistema de conexión al tejido vivo de los
músculos.
Se recomienda una programación que permita reconocer los comandos mediante la voz
humana y un recubrimiento al antebrazo para una sensación más suave simulando a la
de la piel humana.
Para la construcción del modelado, se recomienda utilizar diferentes tipos de materiales
como aluminio, acero, polímeros con el objetivo de permitir sostener mayor peso y
tener una mejor estética, teniendo en cuenta que no afecte a la parte psicológica de la
persona que la utilice.
135
CAPÍTULO VI
BIBLIOGRAFÍA
136
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store.com/TUTORIALES/modulos-comunicacion-nrf24l01-arduino/.
142
CAPÍTULO VII
ANEXOS
143
Anexo 01. Capacitación del uso de la impresora
144
Anexo 02. Impresión en 3D de las piezas diseñadas
145
146
Anexo 03. Verificación de piezas
147
Anexo 04. Análisis de piezas defectuosas
148
Anexo 05. Ensamblaje de la mano
149
150
Anexo 06. Ensamblaje de antebrazo
151
Anexo 07. Pruebas de programación de los componentes electrónicos
152
Anexo 08. Entrevista realizada a doctores, físicos terapeutas y traumatólogos de la
cuidad
153
Anexo 09. Características técnicas de tarjetas Arduino
Características técnicas de tarjetas Arduino nivel intermedio.
NOMBRE: Arduino UNO Arduino UNO WiFi
CA
RA
CT
ER
ÍST
ICA
S T
ÉC
NIC
AS
Microcontrolador: Atmega 328
Voltaje de operación: 5 V
Voltaje de entrada: 7 a 12V
Pines para entrada I/O: 20
Pines salida PWM: 6
Corriente continua por pin IO:
40 mA
Memoria flash: 32KB
SRAM: 2KB
EEPROM: 1KB
Velocidad de reloj: 16MHz
Bluetooth: Permisible para
cualquier módulo
Microcontrolador:
Atmega 328
Módulo WiFi:
ESP8266EX
Voltaje de operación: 5V
Voltaje de entrada: 7 a
12V
Pines para entrada I/O:
20
Pines salidas PWM: 6
SRAM: 2KB
EEPROM: 1KB
Velocidad de reloj:
16MHz
NOMBRE: Arduino MEGA 256Ø Arduino LEONARDO ETH
CA
RA
CT
ER
ÍST
ICA
S T
ÉC
NIC
AS
Microcontrolador: Atmega 2560
Voltaje operativo: 5V
Voltaje de entrada: 7 a 12V
Pines de Entrada/Salida: 54 (15
Proveen salida PWM)
Corriente DC por cada pin
Entrada/ Salida: 40mA
Memoria Flash: 256KB
SRAM: 8KB
EEPROM: 4KB
Velocidad de reloj: 16MHz
Microcontrolador:
Atmega 32U4
Voltaje operativo: 5V
Voltaje de entrada: 7 a
12V
Pines Entrada/Salida: 20
(7 proveen salida PWM)
Corriente DC por cada
pin E/S: 40mA
Memoria Flash: 32KB
SRAM: 2,5KB
EEPROM: 1KB
FUENTE: (INGENIERÍA MCI LTDA., 2014)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
154
Características técnicas de tarjetas Arduino nivel Avanzado utilizada para grandes
proyectos industriales.
NOMBRE: Arduino YUN Arduino INDUSTRIAL 1Ø1
CA
RA
CT
ER
ÍST
ICA
S T
ÉC
NIC
AS
Microcontrolador: Atmega 32U4
Voltaje operativo: 5V
Voltaje de entrada
(recomendado): 5V a través de
micro USB o 802.3af PoE
Voltaje de entrada (límites): 6 a
20V
Pines digitales de entrada y salida:
20
Canales PWM: 7
Canales de entrada analógica: 12
Corriente DC en pines 5V: 40mA
Corriente DC en pines 3.3V: 50mA
Memoria Flash: 32KB
SRAM: 2,5 KB
EEPROM: 1KB
Procesador: MIPS 24K para operar
a velocidades de hasta 400MHz
DDR2 RAM: de 64MB de Flash
SPI completa IEEE 802.11bgn 1x1
Ap o router
USB: 2.0 host
Dispositivo: PoE 802.3af
compatible con soporte para tarjetas
microSD
Velocidad de reloj: 16MHz
Microcontrolador:
Atmega 32U4
Voltaje operativo: 5V
Procesador: MIPS
Qualcomm Atheros
AR9331 con sistema
operativo Linino
Módulo WiFi: IEEE
802.11 B/G/N<1x1 de
2,4GHz
Memoria flash: 32KB
SRAM: 2,5KB
EEPROM: 1KB
Canales PWM: 2
Canales de entrada
analógica: 4
Puerto Ethernet: 1
Botones de
restablecimiento: 32U4,
WLAN y Chiwawa
Contactos de E/S
digitales: 3
DDR2: 64MB
Conector: OLED
FUENTE: (INGENIERÍA MCI LTDA., 2014)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
155
Anexo 10. Características técnicas de servomotores utilizables en manos robóticas
Características técnicas de servomotores marca Tower Pro
Servomotor SG90 Servomotor MG995 Servomotor MG996R
Dimensiones (L*W*H):
22*11,5*27 mm
Peso: 9 gr
Peso con cable y
conector: 10,6 gr
Torque: 1,8 kgf*cm a
4,8V
Velocidad: 0,10 seg/60°
a 4,8V
Voltaje de
funcionamiento: 3 a
7,2V
Rango de temperatura:
-30°C a +60°C
Ángulo máximo de
rotación: 180°
Longitud de cable de
conector: 24,5cm
Dimensiones
(L*W*H):
40,6*19,8*42,9 mm
Engranajes: metálicos
Peso total: 55,2 gr
Torque: 8,5 kgf*cm
(4,8V); 10kg*cm (6V)
Velocidad de
operación (4,8V sin
carga): 0,2 seg/60°
Velocidad de
operación (6V sin
carga): 0,16 seg/60°
Voltaje de operación:
4V a 7,2V
Rango de
temperatura: -30°C a
+60°C
Ángulo máximo de
rotación: 180°
Dimensiones(L*W*H):
40,6* 19,8* 42,9 mm
Engranajes: metálicos
Peso total: 55,2 gr
Torque: 9,4 kgf*cm
(4,8V); 11 Kgf*cm(6V)
Velocidad de operación
(4,8V sin carga): 0,17
seg/60°
Velocidad de operación
(6V sin carga): 0,14
seg/60°
Voltaje de operación:
4,8V a 7,2V
Rango de temperatura:
-30°C a +60°C
Ángulo máximo de
rotación: 180°
FUENTE: (ESTÉVEZ, 2005)
ELABORADO: GUILLÉN F.I.; LAZ A.M.
156
Anexo 11. Características técnicas del polímero ABS
FUENTE: (M.D. CENTER, 2010)
157
Anexo 12. Programación del guante inalámbrico (Transmisor)
#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>
#include <Servo.h>
#define CE_PIN 9
#define CSN_PIN 10
#define x_axis A0 // x axis
#define y_axis A1 //y axis
#define z_axis A2 //y axis
#define a_axis A3 //y axis
#define b_axis A4 //y axis
#define c_axis A5 //y axis
const uint64_t pipe = 0xE8E8F0F0E1LL;
RF24 radio(CE_PIN, CSN_PIN);
int data[9];
void setup()
Serial.begin(9600);
radio.begin();
radio.openWritingPipe(pipe);
158
void loop()
data[0] = analogRead(x_axis);
data[1] = analogRead(y_axis);
data[2] = analogRead(z_axis);
data[3] = analogRead(a_axis);
data[4] = analogRead(b_axis);
data[5] = analogRead(c_axis);
radio.write( data, sizeof(data) );
//HATA AYIKLAMA (DEBUG)
Serial.print(analogRead(x_axis));
Serial.print(" ");
Serial.print(analogRead(A1));
Serial.print(" ");
//Serial.print(digitalRead(BUTON));
159
Anexo 13. Programación del brazo robótico (Receptor)
#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>
#include <Servo.h>
#define CE_PIN 9
#define CSN_PIN 10
int x_hiz=0;
int y_hiz=0;
int z_hiz=0;
int a_hiz=0;
int b_hiz=0;
int c_hiz=0;
Servo servo1;
Servo servo2;
Servo servo3;
Servo servo4;
Servo servo5;
Servo servo6;
const uint64_t pipe = 0xE8E8F0F0E1LL;
RF24 radio(CE_PIN, CSN_PIN);
int data[9];
160
void setup()
Serial.begin(9600);
servo1.attach(2);
servo2.attach(3);
servo3.attach(4);
servo4.attach(5);
servo5.attach(6);
servo6.attach(7);
radio.begin();
radio.openReadingPipe(1,pipe);
radio.startListening();;
void loop()
if ( radio.available() ) //Eğer sinyal algılarsan...
radio.read( data, sizeof(data) );
hareket(data[0],data[1],data[2],data[3],data[4],data[5],data[6],data[7],data[8]);
161
void hareket(int x_axis, int y_axis, int z_axis, int a_axis, int b_axis, int c_axis, int button5,
int button6, int button7)
x_hiz= map(x_axis,820,920,100,5);
servo1.write(x_hiz);
y_hiz= map(y_axis,829,940,5,100);
servo2.write(y_hiz);
z_hiz= map(z_axis,800,930,5,100);
servo3.write(z_hiz);
a_hiz= map(a_axis,900,940,5,100);
servo4.write(a_hiz);
b_hiz= map(b_axis,790,900,40,100);
servo5.write(b_hiz);
c_hiz= map(c_axis,0,1023,0,180);
servo6.write(c_hiz);
162