9Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindo. Marn, Lecompte, Marn, Rojas, Pantoja, Gecha, Corts.Implementacin un brazo robtico controlado por un exoesqueleto electromecnico.

Implementacin de un brazo robtico controlado por un exoesqueleto electromecnicoNestor MarinIngeniero Electrnico

Universidad del Quindo

Docente Investigador

Programa de Ingeniera Mecatrnica

Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindio

Armenia, Colombia

nestorivanmarin@eam.edu.coPia LecompteEstudiante Ingeniera Mecatrnica

Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindio

Armenia, Colombia

pialecompte_f@hotmail.es

Andres GuechaEstudiante Ingeniera Mecatrnica

Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindio

Armenia, Colombia

andresguecha@hotmail.comJuan CortesEstudiante Ingeniera Mecatrnica

Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindio

Armenia, Colombia

jjcortesgonzalez@hotmail.comMaria MarnEstudiante Ingeniera Mecatrnica

Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindio

Armenia, Colombia

aleja_m14@hotmail.comAndy PantojaEstudiante Ingeniera Mecatrnica

Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindio

Armenia, Colombia

andysito1@hotmail.comNorbey RojasEstudiante Ingeniera Mecatrnica

Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindio

Armenia, Colombia

nor1794@hotmail.comResumen: El presente artculo describe la forma como se implement un Brazo Robtico en un tronco de fibra de vidrio que simula el torso de un ser humano. Cada grado de libertad se controla mediante una correspondencia directa entre un servomotor y un sensor de posicin angular. Dichos sensores de instalan en un exoesqueleto que se adhiere al brazo de una persona y conforme esta lo mueve, se mueve el brazo robtico. El brazo robtico termina su extremidad en un gripper (pinza), en lugar de una mano con 5 dedos; pero el gripper se abre y cierra conforme abra y cierre la mano la persona que vista el exoesqueleto. Este desarrollo corresponde al primer prototipo, para el cual se utilizaron sensores analgicos y electrnica cableada.Palabras Clave: Servomotor, Gripper, Exoesqueleto, Biorobotica, PWM.I. IntroduccinEl presente trabajo tiene como fin describir la forma como se implement un brazo robtico sobre un torso humano de fibra de vidrio, quien a su vez ser controlado por medio de un exoesqueleto electromecnico. El brazo robtico tendr fines didcticos y ser utilizado como herramienta de apoyo en la lnea de investigacin de biorobotica de la Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindo -EAM-. Para el desarrollo del proyecto, se procedi a subdividirlo en tres etapas segn el rea de conocimiento. Para la etapa de desarrollo de los circuitos de control encargados de cada uno de los movimientos del brazo, se requirieron conocimientos acerca del posicionamiento de servomotores utilizando circuitos de control basados en PWM (Pulse Width Modulation) [1], [5]. En la etapa de diseo e implementacin del exoesqueleto fue necesario tener conocimientos en diseo asistido por computador CAD, especficamente en el software Inventor. Durante esta etapa fue necesario basarnos en un prototipo hecho a escala real con lminas metlicas, y a medida en que este se diseaba se iba digitalizando tridimensionalmente en el software CAD. Una vez digitalizadas cada una de las partes del exoesqueleto, se realiza el ensamble digital y se comprueba el rango de movimiento [6]. Finalmente en el proceso de ensamble y calibracin del brazo robtico, se hicieron uso de los conocimientos proporcionados por el modelo didctico AL5D [2], [3], [4], el cual brind una idea muy clara de cmo empezar a desarrollar el brazo robtico del proyecto incluyendo los 7 grados de libertad. La investigacin fue dividida en estas etapas principalmente para tener un avance progresivo durante todo el proyecto.

II. Antecedentes y JustificacinEl programa de Ingeniera Mecatrnica de la Escuela de Administracin y Mercadotecnia del Quindo -EAM-, carece de robots manipuladores que permitan realizar prcticas en el rea de robtica [4], al igual que no cuenta con interfaces que presenten caractersticas de sistemas biolgicos que permitan realizar prcticas en el rea de biorobotica. Estos son unos problemas motivadores para desarrollar el primer prototipo que sirva como herramienta de apoyo a la enseanza de la biorobotica. El sistema deber contar con ciertas caractersticas como son: bajo costo, implementacin de mecanismos sencillos, interfaz de control basada en un exoesqueleto electromecnico y que el sistema se asemeje y se ajuste a la anatoma humana. Con el fin de implementar el brazo robtico controlado por medio de un exoesqueleto electromecnico, el problema se ha dividido en tres etapas: diseo y fabricacin de las tarjetas de control electrnico, diseo y fabricacin del exoesqueleto electromecnico, y adaptacin del brazo robtico AL5D (elemento que sirve como punto de partida para la implementacin del brazo robtico en el torso de fibra de vidrio). Estos pasos son descritos en los siguientes apartados.III. Proceso de Fabricacin de las Tarjetas de Control Primero se hizo el diseo de la tarjeta de control en Proteus ISIS y se hizo la correspondiente simulacin de este.

Mediante una serie de ecuaciones se lleg a unos valores ideales de resistencias y capacitores para el funcionamiento deseado del circuito, y as controlar la posicin angular de los servos segn lo indicara un potencimetro lineal instalado en cada articulacin del exoesqueleto. A continuacin se describe el procedimiento para determinar numricamente dicho valores ideales: Despejando de

Reemplazando en

Reemplazando en

Ahora:

Imagen 2.1-Ecuaciones empleadas para hallar resistencias y capacitores.

Imagen 2.1-Diagrama PROTEUS ISIS. Se procede a fijar a los valores de Tmin en 0,7 milisegundos y Tmax en 2,3 milisegundos con el fin de garantizar que cada servomotor llegue hasta el final de su recorrido.

De igual forma se fijan los valores mnimo y mximo que toma el potencimetro lineal cuando este se encuentra ubicado en cero grados y 180 grados, segn los siguientes valores: Rpmin=1,18 Kilo-ohm, y Rpmax=8,85 kilo-ohm.

Reemplazando estos valores en las ecuaciones anteriormente descritas, se determinan los valores de R1, R2 y C1necesarios para el diseo deseado.

R1=70,5 kilo-ohm

R2=2,2 kilo-ohm

C1=301 nano-faradio

Se hizo el montaje en una protoboard del circuito de la tarjeta de control, ajustando cuidadosamente los valores de las resistencias y capacitores anteriormente calculados, de acuerdo a los valores comerciales; hasta llegar a un ptimo funcionamiento del circuito.

Imagen 2.2-Circuito montado en protoboard. Al tener un resultado correcto del movimiento del servomotor de acuerdo al movimiento del potencimetro, se hicieron los correspondientes cambios en el diseo de la tarjeta de control en Proteus ISIS para hacer el circuito en ARES, y realizar un primer prototipo.

Se desarroll el respectivo proceso de prototipado del PCB y se soldaron todos los componentes. Al finalizar se se prob el circuito verificando el movimiento simultneo de los potencimetros con los servomotores.

Imagen 2.3-Circuito impreso (prototipo uno).

Imagen 2.4-PCB (prototipo uno).

Imagen 2.5-Soldado de tarjeta de control (prototipo uno). Al tener un resultado exacto del movimiento del servomotor y el potencimetro, en el primer prototipo se disearon en serie las tarjetas de control en Proteus ISIS para hacer el circuito en ARES, cuatro circuitos en cada baquela.

Se desarroll nuevamente el respectivo proceso de prototipado del PCB y se soldaron todos los componentes. Al finalizar se se prob cada circuito verificando el movimiento simultneo de los potencimetros con los servomotores.

Imagen 2.6-Soldadura de las tarjetas de control.

Imagen 2.7-Tarjetas de control en serie.

Se adapt el cableado para los potencimetros ubicados en cada eje de rotacin del exoesqueleto mediante un bus de datos, teniendo en cuenta la libertad de cada movimiento

Imagen 2.8-Cableado de potencimetros en el exoesqueleto

Se dise en Proteus (ISIS y ARES) la tarjeta encargada de la alimentacin de cada una de las tarjetas, ubicando cada conexin positiva y negativa en paralelo. Se realizaron las perforaciones de la tarjeta de control y se procedi a soldar una regleta doble de conexin macho.

Imagen 2.9-Tarjeta de alimentacin.

Finalmente se realizaron las perforaciones en las tarjetas que contienen los 7 circuitos de control, y instalaron en la superficie de apoyo del hombro del exoesqueleto.

Imagen 2.10-Posicionamiento de las tarjetas.

Imagen 2.11-Tarjetas fijas en el exoesqueleto.IV. Proceso de Fabricacin del Exoesqueleto Se realiz un diseo y simulacin de un modelo en inventor para comprobar su correcto funcionamiento.

Imagen 2.12-Hombro, Ejes de rotacin (1).

Imagen 2.13-Hombro, Ejes de rotacin (2).

Imagen 2.14-Codo, Ejes de rotacin.

Imagen 2.15-Mueca-Mano, Ejes de rotacin (1).

Imagen 2.16-Mueca-Mano, Ejes de rotacin (2).

Imagen 2.17-Diseo completo del brazo, Ejes de Rotacin

De acuerdo a los resultados obtenidos en las simulaciones se procedi a determinar los materiales que se emplearan en su elaboracin.

Se tomaron medidas de un modelo humano para la fabricacin de cada pieza.

Fue necesario mandar a soldar las piezas de acero con las especificaciones adecuadas. Al tener el modelo completo, se procedi a pintarlo con pintura en aerosol.

Imagen 2.18-Exoesqueleto terminado.V. Proceso de Adaptacin del Brazo Robtico AL5DSe comienza por inventariar el brazo robtico, que contenga todas sus partes para poder proceder a ensamblarlo.

La siguiente seccin tomada de las guas y tutoriales publicadas en la pgina web Lynxmotion.com [3]; explican cmo realizar el ensamble del brazo robtico AL5D y se dividir en varias etapas:1. Ensamble de la base.

Inserte los pasadores de acero inoxidable en las esferas de plstico.

Instale los rodamientos acabados de ensamblar en la base Tendrn que encajar perfectamente.

Nota: la muesca en el borde inferior de la base indica la parte de atrs.

Ponga un pedazo de lija de grano 400 en una superficie plana y mueva la base (boca abajo) en pequeos crculos sobre el mismo. Esto eliminar cualquier imperfeccin en los rodamientos.

Si observa encontrara un servo de tamao estndar tpica con cualquiera de las siguientes parmetros (HS-422 HS-425). a continuacin, retire con cuidado el tornillo del servo y tire de la bocina directamente fuera del servo.

Ubique el servo en la parte interior de la base y apriete el servo utilizado 4 tornillos de rosca con las siguientes medidas 0.375in.

Si usted est construyendo un brazo robtico AL5D, fijar un soporte ASB-204 en la parte superior de base, con 4 tornillos de cabeza Phillips de 0.250in de largo y 4 tuercas de 0.188in de dimetro.

Aadir una gota de aceite a base de silicona para cada rodamiento.

Instale la base superior. El patrn de agujeros debe alinearse como, con la lnea que apunta al orificio de servo de alambre, y todas las lneas que apuntan entre las lengetas de montaje.

Nota, esta pieza superior est fabricado para ser un ajuste apretado. Es posible que tenga que presionar muy duro.

Conecte la parte superior con el tornillo del servo.

La ruta del cable del servo que esta por dentro de la base sale por el agujero que se encuentra en la parte inferior de la base para mejor comodidad.

Fije los espaciadores hexagonales de longitud 0.375in, utilizando 4 tornillos de cabeza hueca hexagonal de longitud 0.250in.

Instale el soporte del interruptor de potencia con dos tornillos de cabeza en forma de hexgono de longitud 0.375in y dos tuercas de seguridad con inserto de nylon.

Instale el arns de cableado enchufe de alimentacin. Utilice una banda de sujecin para sujetar los cables en su lugar.

El arns pre-cableado y paquete de la pared deben ser verificados antes de que estn conectados a la SSC-32. Ponga el cable negro del voltmetro en el cable negro y el cable rojo en el cable rojo. Conecte el paquete de la pared en la pared e inserte el otro extremo en el conector correspondiente. Gire el voltmetro y cambie para medir voltios de corriente continua. Encienda el interruptor de encendido en el mazo de cables. El voltmetro debe leer alrededor de 6 VDC.

Instale el arns de cableado de la batera de 9 V CC como se muestra.

Instale el SSC-32. Utilice 4 tornillos de cabeza hueca hexagonal de dimetro 0.250in.

Conecte los cables de 9VDC a la entrada de la LV. Conecte el

alambres del enchufe de alimentacin a la entrada VS1. Asegrese de que los cables negros va a (-) y el cable rojo va al (+). Asegrese de retirar el VL = VS1 puente. Esto aislar el poder de los servos "del poder del microcontrolador.

Conecte la base de girar el servo en el canal SSC-32. Tenga en cuenta que el cable negro va ms cerca de la parte exterior de la junta.

Imagen 2.19-Base del brazo robotico.2. Antebrazo.

Conecte el soporte de una gran "C" y un soporte de 805 "C" juntos como se muestra. El soporte 805 se identifica por su mayor tamao y extrusin circular. Utilice dos tornillos de 0.250in de longitud y dos tuercas de 0.188in de dimetro.

Instale los paneles de amortiguacin mecnica. Utilice 4 tornillos de o.250in de rosca. Asegrese de aadir los discos al lado correcto.

Inserte el "tornillo de cabeza Phillips de 0.500 in a travs del orificio en el soporte multipropsito. Asegure con una tuerca de acero.

Deslice el gran "C" fin del soporte del montaje de soporte sobre el tornillo, y asegurar con una contratuerca de nylon. La cantidad de friccin se puede ajustar apretando o aflojando la tuerca de bloqueo. Comience con la tuerca floja, y si el brazo parece tambalearse un poco, usted puede apretar este conjunto para corregir el bamboleo del brazo.

Conecte el servo HS-805BB al soporte de base, Utilice dos tornillos de o.375in de longitud "tapping tornillos para fijar el soporte al servo. Coloque los cables de servo del hombro debajo del servo. Conecte el servo en el canal 1 en el SSC-32. Con cuidado.

Coloque dos de los centros conector del tubo al lado corto de los soportes en "L", por medio de 4 tornillos 0.250in nueces.

Conecte los hubs soportes en L al tubo de aluminio utilizando dos tornillos 0.250in.

Deslice el tornillo de la asamblea del antebrazo a travs de los discos de amortiguacin como se muestra, y asegurar con una contratuerca de nylon. La cantidad de friccin puede ser contratuerca de nylon. La cantidad de friccin se puede ajustar apretando o aflojando la tuerca de bloqueo.

Conecte el codo al servo HS-755HB al soporte siga el diagrama siguiente. Utilice dos # 2 x 1/4 "tapping tornillos para fijar el soporte a la servo. Pase los cables del servo del hombro sobre el servo. Conecte el servo en el canal 2 en el SSC-32.

Enchufe el conector pequeo de pinzas para el corto abrazadera "C" utilizando dos tornillos 2-56 x 0.250 "y 2-56 nueces.

Fije el soporte de corto "C" para el otro soporte multiusos como se muestra.

Conecte el servo mueca-HS 645MG en el soporte utilizando el hardware de 3 mm. Utilice dos # 2 x 1/4 "tapping tornillos para fijar el soporte a la servo. Pase los cables del servo del hombro sobre el servo.

Asegrese de que el HS-422 (HS-322HD una puede ser sustituido) el servo se ajusta a la posicin media, y la pinza est abierta a medias. Ahora el servo y la pinza se alinearn correctamente. Retire el tornillo de servo y el cuerno. Deslizar el servo en la pinza desde abajo. Es posible que tenga que mover un poco para que quede asentado. Utilice el tornillo para fijar el servo.

Aadir un 12 "y 6" de cable de servo extensor para el servo pinza y un cable prolongador de 12 "para el servo mueca.

Doble con cuidado el servo mueca hacia atrs tanto como sea posible, y use sunchos para sujetar los cables de servo. Asegrese de dejar espacio entre el cable servo pinza, no quede demasiado apretado.

Cuidadosamente estire el brazo hacia delante tanto como sea posible, y use sunchos para sujetar los cables de servo. Asegrese de no dejar en los cables muy tensionados. Conecte los servos de acuerdo con la tabla 1.1.

Tabla 1.1-Servos del brazo.

Imagen 2.20-Conexiones de los servos a la tarjeta arduino.

Imagen 2.21-Brazo AL5D Totalmente Armado.GRIPPER MKII

Se siguieron todas las intrucciones de las siguientes imgenes encontradas en SparkFun [2].

Imagen 2.23-Ensamble de la pinza del gripper MKII

Imagen 2.24Ensamble de la mueca del gripper MKII

Imagen 2.25-Union de la Pinza con la Mueca del Gripper MKII

Imagen 2.26-Dimensiones del Gripper MKII Finalmente Armado

NOTA: Al momento de unir el gripper con la mueca se debe tener en cuenta que dependiendo el proveedor puede cambiar la forma de union, se puede recurrir a los materiales sobrantes para realizar la union.

Imagen 2.27-Brazo Robtico modificado y terminado.

VI. Resultados ObtenidosA. Exoesqueleto ElectromecnicoA partir del prototipo a escala en lminas metlicas y las simulaciones realizadas en el software Inventor, se determin la viabilidad de los movimientos a realizar, y partiendo de estos diseos, se ensambl un primer modelo con los 7 grados de libertad que suponen los movimientos de cada articulacin de un brazo humano. Cabe resaltar que desde la etapa virtual es ms ptimo observar posibles situaciones que pudieran presentarse en el montaje fsico, ya fueran a favor o en contra; como por ejemplo el inconveniente en las bandas metlicas que fijan el potencimetro al eje de rotacin, las cuales exigieron en la practica el uso de un material poco flexible pero fcil de soldar con soldadura de estao. Una dificultad que presenta el exoesqueleto en general es el material del que est hecho (hierro), ya que por sus caractersticas se oxida fcilmente y esto puede generar dificultades en el movimiento de los ejes por la friccin, por tanto, el prximo prototipo se fabricara con aluminio u otro material inoxidable y liviano. En cuanto a la libertad de movimiento nos encontramos con algunas limitaciones, ya que se pasaron por alto algunos aspectos relacionados con las proporciones de un brazo humano al momento de tomar las medidas para la fabricacin del exoesqueleto.B. Tarjetas de Control Angular de ServosComo resultado del diseo en el software Proteus ISIS y ARES, el montaje en protoboard, la fabricacin y la calibracin de cada tarjeta de control, se pudo obtener un ptimo funcionamiento de las mismas, llegando a cumplir con el propsito de controlar el movimiento de cada servomotor simultneamente con el movimiento de los potencimetros del exoesqueleto. Adems se realiz correctamente el cableado de alimentacin, conexin de potencimetros y servomotores entre cada tarjeta y los 7 grados de libertad del sistema. Finalmente se pudo adaptar cada una de las tarjetas a la estructura fsica del exoesqueleto. En las pruebas realizadas con cada tarjeta para verificar que el movimiento del servomotor fuera acorde con el movimiento del potencimetro, se observ una descalibracin de las tarjetas de control, lo cual se contrarrest con el ajuste preciso de los trimmers, logrando calibrar as el punto cero de cada servo pero muy poco en cuanto al rango de accin de los mismos. Como consecuencia de esta limitacin, en futuros diseo de tarjetas de control, se planea implementar tarjetas Arduino y se cambiarn los potencimetros lineales ubicados en los ejes de rotacin del exoesqueleto por encoders digitales; lo cual mejorar el funcionamiento del brazo haciendo ms precisa la calibracin del exoesqueleto.C. Brazo Robtico

De la presente etapa se obtuvieron los resultados esperados para el proyecto, ya que se pudo completar la adaptacin del brazo robtico AL5D al torso de fibra de vidrio, consiguiendo darle las medidas adecuadas de manera que se asemeje a un brazo humano. Los resultados de esta etapa permitieron vincular el brazo robtico con el exoesqueleto y las tarjetas de control, aunque tambin se presentan dificultades en el movimiento de los servomotores debido a los esfuerzos, ya sean necesarios o no del servo, y al peso de las partes del brazo; por lo cual en la implementacin de un nuevo prototipo, se procedera a redisear nuevas piezas de sujecin que impidan dichos esfuerzos innecesarios, se implementaran servomotores robticos con mayor torque, al igual que se disearan mecanismos que amplifiquen el torque de rotacin en cada articulacin. En cuanto al gripper, en el futuro se piensa reemplazar por una mano con 5 dedos, cuyos movimientos se logren a partir de una cadena cinemtica cerrada que recree el movimiento de las falanges.VII. ConclusionesUna vez finalizado el diseo y la implementacin del brazo robtico controlado por medio del exoesqueleto electromecnico, se lleg a las siguientes conclusiones:

Se dise e implement el primer prototipo de brazo robtico controlado por medio de un exoesqueleto electromecnico de extremidad superior.

Se disearon y construyeron las tarjetas de control angular para los servomotores correspondientes a los 7 grados de libertad del brazo robtico.

El sistema robtico puede ser utilizado para realizar prcticas de control de posicin de robots manipuladores, anlisis de mecanismos, uso de sensores y actuadores. Con la construccin del prototipo se cuenta con un sistema econmico y verstil para realizar prcticas en las materias de robtica e investigacin en biorobotica.

El uso de herramientas computacionales para la elaboracin de simulaciones del exoesqueleto, permitieron conocer los rangos de movimiento de rotacin de cada articulacin pero no las proporciones adecuadas del exoesqueleto respecto a un brazo humano. Esto permiti contemplar la opcin de un nuevo diseo de exoesqueleto basado en un sistema retrctil que permita adaptarlo a diferentes personas. Se observ la necesidad de redisear las bisagras de pivote que recrean los movimientos de las rotaciones de las articulaciones del exoesqueleto, esto buscando adaptar de mejor manera los sensores de rotacin en cada eje de movimiento.

A la hora de implementar el sistema del Brazo Robtico partiendo del modelo AL5D, fue necesario redimensionar las piezas y acoplarlas correctamente entre s, lo que conllev a la fabricacin del 90% de ellas nuevamente. Al momento de recrear los movimientos del exoesqueleto por parte del brazo robtico, se hizo evidente la necesidad de utilizar servomotores con mayor torque en aquellas articulaciones donde se ejerce mayor palanca sobre el brazo, especficamente en la articulacin de flexin del codo y las articulaciones a nivel del hombro.

Las tarjetas diseadas permitieron el control angular de cada servomotor a partir de un circuito integrado 555 y un potencimetro lineal; sin embargo se observaron muchas limitaciones a la hora de calibrar cada articulacin en cuanto al punto cero y el rango de movimiento. La idea de capturar los movimientos de un brazo a partir de un exoesqueleto que descompone cada articulacin en ejes de rotacin, result exitosa pero se hace necesario explorar nuevas opciones de sensores de rotacin y actuadores con mayor torque y menor peso para garantizar la ejecucin correcta de todos los movimientos por parte del brazo robtico.

VIII. Referencias Bibliogrficas

[1] R. Gonzlez, Victor. Servomotores, recuperado el da 2 de mayo de 2014 de http://platea.pntic.mec.es/vgonzale/cyr_0204/ctrl_rob/ robotica/sistema/motores_servo.htm

[2] (N/A). (2013). Robotic Claw - MKII. SparkFun. Recuperado el da 17 de abril de 2014, de https://www.sparkfun.com/products/11524

[3] (N/A). (2014). AL5D. Lynxmotion.com. Recuperado el da 17 de abril de 2014, de http://www.lynxmotion.com/c-130-al5d.aspx

[4] (N/A). (2014). AL5D Robotic Arm Combo Kit (with FlowBotics Studio). Lynxmotion.com. Recuperado el da 17 de abril de 2014, de http://www.lynxmotion.com/p-887-al5d-robotic-arm-combo-kit-with-flowbotics-studio.aspx

[5] (N/A). (2009). Probador De Servos Con El Integrado 555. Linux Droids Blog. Recuperado el da 2 de mayo de 2014, de http://linuxdroids.com/2009/02/08/37/[6] Aguirre I., Andueza L. y Arismendi C. (2011). Sistema Manipulador Antropomrfico de Tras Grados de Libertad. Revista ITECKNE, Vol. 8, No. 1, Julio 2011, pp. 87-95.