ISSN 0798 1015

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Vol. 38 (N 03) Ao 2017. Pg. 22

Brazo robtico con dieciocho grados delibertad tele-operado por un guanteelectrnicoDesign of an eighteen degrees-of-freedom robotic arm withteleoperation by an electronic gloveCarlos Arturo ROBLES Algarn 1; Daro Jos ROMN Ortega 2; Aura Margarita POLO Llanos 3

Recibido: 07/08/16 Aprobado: 28/08/2016

Contenido1. Introduccin2. Materiales y mtodos3. Discusin de Resultados4. ConclusionesReferencias

RESUMEN:Se presenta el diseo e implementacin de un prototipode brazo robtico antropomrfico y un guanteelectrnico que es capaz de registrar los movimientosrealizados por la extremidad de una persona. Estedispositivo reconoce los movimientos de los usuariosgracias a sensores de flexin posicionados en lasarticulaciones de inters. Los sensores estn conectadosa un conjunto de microcontroladores que se encargande controlar el brazo de forma inalmbrica. Se obtuvocomo resultado un brazo robtico completamentefuncional conformado por una mano y un conjuntobrazo-antebrazo con un total de dieciocho grados delibertad. Palabras claves: Brazo Robtico, Guante Electrnico,Grados de Libertad, Microcontroladores, Sensores deFlexin.

ABSTRACT:The design and implementation of an anthropomorphicrobotic arm and an electronic glove that is able torecord the movements made by the tip of a person ispresented. This device recognizes the movements ofusers through flex sensors positioned in the joints ofinterest. The sensors are connected to a set ofmicrocontrollers that are responsible for controlling thearm with wireless technology. A functional robotic armconsisting of a hand and arm-forearm with a total ofeighteen degrees of freedom was obtained. Keywords: Robotic Arm, Electronic Glove, Degree-of-Freedom, Microcontrollers, Flex Sensors.

1. IntroduccinEn los ltimos aos los brazos robticos y las manos robticas han ganado cada vez msatencin debido a su diversidad de aplicaciones en el campo industrial. Se han realizado

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avances significativos en el mbito mdico, aplicaciones militares, marinas, entretenimiento,aplicaciones del hogar y exploracin espacial (Chopade, Kauthalkar, & Bhandari, 2013). Existendiferentes tipos de diseos para los brazos robticos los cuales cuentan con caractersticasbsicas que definen su rendimiento como los rangos de operacin, grados de libertad,velocidad, fuerza, nmero de miembros, articulaciones y precisin.Los brazos robticos incorporan un efector final el cual es el encargado de interactuar con elmedio y su naturaleza exacta depende de la aplicacin del robot. Por lo general, el efector esalgn tipo de pinza o herramienta y en algunos casos es una mano antropomrfica. Lasherramientas son utilizadas para diversos fines incluidas las condiciones de trabajo en las quepeligra la integridad de los seres humanos.En la literatura cientfica se encuentran desarrollos de varios tipos de brazos robticos en lasdiferentes reas del conocimiento. En el rea de las ciencias de la salud se encuentranaplicaciones de un brazo robtico para realizar ultrasonidos cardacos de forma remota(Arbeille, Provost, Zuj, Dimouro, & Georgescu, 2014), diseo de un guante robtico paraaumentar la rehabilitacin de la mano (Polygerinos, Wang, Galloway, Wood, & Walsh, 2015) y eldiseo de un brazo robtico con msculos artificiales para aplicaciones en tele-medicina(Jobbgy, imk, Karchk, & Onofrejov, 2014).Adicionalmente, se han desarrollado brazos robticos controlados por internet con la capacidadde realizar actividades especficas en los hogares (Makhtar, y otros, 2012), brazos robticos concuatro y nueve grados de libertad con diferentes capacidades de agarre para realizar tareasvarias (Sharma & Noel, 2012) (Rahman, Khan, Ahmed, & Sajjad, 2013) y un brazo robticoutilizando microcontroladores y sensores de flexin. (Syed, Agasbal, Melligeri, & Gudur, 2012).Teniendo en cuenta el contexto anterior, en el presente trabajo se presenta en detalle elproceso de diseo mecnico para un brazo robtico y un guante electrnico con conexininalmbrica. Se detalla el diagrama de bloques del hardware diseado y la estructura de laprogramacin de los microcontroladores utilizados. Finalmente se realiza el anlisis deresultados y se muestran las conclusiones.

2. Materiales y mtodos

2.1. Diseo del brazo robticoSe dise un brazo robtico antropomrfico similar a la extremidad superior del ser humano,que cuenta con tres grados de libertad por cada dedo, dos ms por las articulaciones del codo yla mueca y uno adicional por el movimiento de rotacin del antebrazo; para un total dedieciocho grados de libertad. Para el proceso de diseo inicialmente se realiz un modelo depruebas que se elabor con tubos plsticos y un disco compacto como se puede observar en laFigura 1.

Figura 1. Modelo preliminar de la mano. Fuente: elaboracin propia.

El diseo final para cada dedo puede verse en la Figura 2 en la que se detallan los elementosconstruidos para la emulacin del movimiento de la mano. Se observa la posicin de losresortes, las articulaciones, las falanges y los hilos empleados como tendones. Lasarticulaciones interfalngicas (art 1 y art 2) se flexionan utilizando el mismo actuador, estadeterminacin se tom puesto que en la dinmica cotidiana de los dedos estas articulaciones seflexionan a la vez. La articulacin metacarpofalngica (art 3) posee un actuador diferente.

Figura 2. Diseo final para los dedos. Fuente: elaboracin propia.

A partir del modelo preliminar se empez la construccin del prototipo final de la mano, para elcual se usaron tubos de aluminio 7/36 pulgadas de dimetro. Los tubos son las falanges y ellargo de cada uno de ellos se ajust de acuerdo a las medidas del modelo preliminar. Para lasarticulaciones se molde plstico de tal manera que cada articulacin entrara en los tubospreviamente cortados.Una vez se finaliz con el diseo de los dedos, se procedi a finalizar la mano la cual se terminde construir con dos partes: una estructura para soportar los dedos y una cubierta. El soportese construy con una malla metlica, en la que se apoyan los dedos partiendo desde lo queseran la rplica de los huesos metacarpianos, las guas de los tendones y el soporte de laarticulacin de la mueca. Se utiliz una lmina metlica de pequeo grosor para darle forma.En la Figura 3 se muestra el soporte realizado para la mano acoplado con todos los dedos.

Figura 3. Diseo de la mano. Fuente: elaboracin propia.

La siguiente tarea fue el diseo del antebrazo, el cual fue implementado utilizandoprincipalmente acrlico blanco, sobre el cual se ubicaron los actuadores. Para el acople de lostendones con los actuadores se disearon un conjunto de adaptadores que le agregaron lafuncionalidad requerida al antebrazo. Para los actuadores se utilizaron servomotores de 1.6 Kgde torque y pionera plstica para mover las dos articulaciones ms alejadas de cada dedo.Para los nudos o artejos se utilizaron servomotores de 3.0 Kg de torque y pionera metlica,para las restantes articulaciones se utilizaron servomotores de 6.0 Kg de torque.Al realizar el acople de la mano con el antebrazo e instalar los servomotores, se obtuvo elresultado de la Figura 4. Se puede observar un brazo antropomrfico y de proporcionessimilares a extremidad real. El dispositivo adicional sobre el final del antebrazo se encarga deemular el movimiento de rotacin de esta parte de la extremidad. Este movimiento esnombrado como pronosupinacin y si se toma como punto de referencia el codo, la mano haceun giro de 180 grados. El movimiento de pronosupinacin fue entonces emulado por una piezacon un disco giratorio ms un soporte fijo para el servomotor, el resto del antebrazo fuesujetado al disco giratorio de tal manera que cuando se presente una rotacin, tambin lo hagatodo el brazo.

Figura 4. Mano y antebrazo con actuadores acoplados. Fuente: elaboracin propia

Teniendo en cuenta todo lo descrito, el diseo cumple con 17 de los 18 grados de libertad. Elgrado de libertad restante se logr con la implementacin de la segunda parte del codo. Paraesto se implement un sistema parecido al usado en la mueca pero usando tubos de PVC de

cuatro pulgadas; del cual se cortaron dos piezas, una para acoplarla al dispositivo depronosupinacin y otra para que conformara el antebrazo del prototipo. En la Figura 5 semuestra en detalle el acople del codo con los diseos anteriores.

Figura 5. Implementacin del codo con el antebrazo. Fuente: elaboracin propia

2.2. Diseo del guante electrnicoEl guante es el dispositivo que registra los movimientos del usuario para ser replicados en elbrazo robtico. Para su diseo se tuvieron en cuenta mltiples formas de obtener la informacinsobre el movimiento de cada uno de las falanges y las articulaciones asociadas optando por lautilizacin de sensores de tipo resistivo en cada una de las articulaciones de inters. Para lasarticulaciones interfalngicas y metacarpofalngicas se utilizaron sensores de flexin de 2.2pulgadas y para las restantes se disearon sensores especficos a partir de potencimetroslineales (Verma, 2013) (Doshi, Parekh, & Bhowmick, 2015). En la Figura 6 se evidencia lainstalacin de los sensores en el guante de tela utilizado. Se recurri a cable plano tipo ribbonpara realizar las conexiones y lograr un resultado estticamente aceptable.

Figura 6. Funda para los sensores de flexin y acople al guante. Fuente: elaboracin propia

Para el sensor de pronosupinacin fue necesario trasladar un punto de referencia hasta lamueca, para lo cual se dise una pieza adicional con tubo PVC de 3 pulgadas. Esta pieza