gustavo xavier zapata villacís proyecto de grado para
TRANSCRIPT
1
Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines
prostéticos
Gustavo Xavier Zapata Villacís
Proyecto de grado para optar por el título de
Ingeniero Mecánico
Asesor: M.Sc. Jonathan Camargo Leyva
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá, 2015
2
Tabla de contenidos
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 9
2. ESTADO DEL ARTE .......................................................................................................... 10
3. ESTUDIO DE LA ANATOMIA DE LA MANO HUMANA .................................................... 15
4. DISEÑO DE MANO ......................................................................................................... 18
4.1 DIMENSIONAMIENTO DEDOS Y PALMA .................................................................... 18
4.2 DISEÑO DE FALANGES Y PALMA CON DIMENSIONES ................................................ 20
5. MODELAMIENTO ........................................................................................................... 22
5.1 SIMULACIÓN PRENSIÓN GRUESA CILÍNDRICA Y ESFÉRICA ........................................ 22
5.2 SISTEMA SUBACTUACIÓN DEDOS .............................................................................. 24
6. SISTEMA DE SUBACTUACIÓN PALMA Y ACTUACIÓN GENERAL .................................... 29
6.1 SUBACTUACIÓN PALMA - CUERPO FLOTANTE .......................................................... 30
6.2 ACTUACIÓN DEDO PULGAR ....................................................................................... 33
6.3 FUNCIONAMIENTO DE MOTORES ............................................................................. 34
7. MATERIALES................................................................................................................... 35
7.1 PALMA Y DEDOS......................................................................................................... 35
7.2 SILICONA-ECOFLEX ..................................................................................................... 36
8. CONSTRUCCIÓN PROTOTIPO ......................................................................................... 36
8.1 CONSTRUCCIÓN PALMA Y DEDOS ............................................................................. 37
8.2 CONSTRUCCIÓN POLEAS ............................................................................................ 38
8.3 CONSTRUCCIÓN CUERPO FLOTANTE ......................................................................... 39
8.4 ACOPLE MOTORES ..................................................................................................... 40
9. EXPERIMENTACIÓN CON PROTOTIPO ........................................................................... 40
9.1 CIRCUITO ON/OFF ...................................................................................................... 40
9.2 PRUEBAS .................................................................................................................... 41
9.2.1 BANCO DE PRUEBAS ............................................................................................... 42
9.2.2 EXPERIMENTACIÓN SUJECIÓN ............................................................................... 42
9.2.3 ANÁLISIS CINEMÁTICO DEDO ÍNDICE ..................................................................... 44
3
10. CARACTERISTICAS GENERALES DEL DISEÑO .............................................................. 46
11. CIRCUITO PROPUESTO CON SENSORES DE FUERZA .................................................. 47
12. RECOMENDACIONES .................................................................................................. 49
13. CONCLUSIONES .......................................................................................................... 50
14. REFERENCIAS.............................................................................................................. 51
ANEXO: PLANOS .................................................................................................................... 52
4
Lista de figuras
Figura 1. Prótesis tipo pinza. Tomado de [5] ........................................................................ 11
Figura 2. Mano robótica desarrollada por Flower. Tomado de [1] ...................................... 12
Figura 3. Mano robótica desarrollada por Camargo. Tomada de [6]. .................................. 13
Figura 4. Mano desarrollada por Sanchez. Tomado de [7]................................................... 14
Figura 5. Mano robótica desarrollada en la Universidad del Cauca. Tomado de [8] ........... 14
Figura 6. Luke arm. Tomado de [9] ....................................................................................... 15
Figura 7. Clasificación de huesos en la mano. Modificada de [1] ......................................... 17
Figura 8. Clasificación de falanges, articulaciones y articulaciones interfalángicas en el
dedo. Modificada de [1]........................................................................................................ 17
Figura 9. Dimensionamiento de medidas dedo. ................................................................... 19
Figura 10. Dimensionamiento de la palma. .......................................................................... 20
Figura 11.CAD falanges con dimensiones. ............................................................................ 21
Figura 12. CAD palma con dimensiones. .............................................................................. 21
Figura 13. Simulación prensión gruesa cilíndrica (izquierda) y prensión gruesa esférica
(derecha) ............................................................................................................................... 22
Figura 14. Sistema de transmisión por poleas en serie. ....................................................... 24
Figura 15. Sistema de transmisión con poleas y resorte ...................................................... 25
Figura 16. Cierre caso K3>K2>K1. ......................................................................................... 25
Figura 17. Cierre caso K3<K2<K1. ......................................................................................... 26
Figura 18. Cierre dedo con objeto irregular ......................................................................... 26
Figura 19. Diagrama estático del dedo al realizar sujeción de objeto irrgular ..................... 27
Figura 20. Cuerpo subactuación palma-Cuerpo flotante ..................................................... 30
Figura 21. Configuración de cuerdas transmisoras de fuerza en la mano ........................... 31
Figura 22. Distribución fuerzas en la palma .......................................................................... 32
Figura 23. Sujeción de objeto cilíndrico con dedo pulgar como apoyo ............................... 33
Figura 24. Apertura dedo pulgar ........................................................................................... 34
Figura 25. Libre movimiento de unión interfalángica .......................................................... 37
Figura 26. Dedo y palma elaborados por fabricación por adición ....................................... 38
Figura 27. Lamina cuerpo flotante ........................................................................................ 39
Figura 28. Circuito motores DC ............................................................................................. 41
Figura 29. Banco de pruebas ................................................................................................ 42
Figura 30. Prueba agarre grueso esférico ............................................................................. 43
Figura 31. Prueba agarre grueso cilíndrico ........................................................................... 43
Figura 32. Prueba con objetos irregulares ............................................................................ 44
Figura 33. Circuito con microcontrolador. Realizado en Matlab-Simulink ........................... 48
5
Lista de gráficas
Gráfica 1. Posición angular falanges dedo índice ................................................................. 45
6
Lista de Tablas
Tabla 1. Características de la mano ...................................................................................... 46
7
Resumen
La mano es sin duda alguna una herramienta indispensable para incontables actividades
que desarrollamos cotidianamente. Cuando una persona pierde esta extremidad,
ocasionado por alguna enfermedad o un accidente, pierde también la posibilidad de
desarrollar estas actividades de la forma acostumbraba normalmente. Es por esto por lo
que existe la motivación de desarrollar este tipo de proyectos, con el fin de facilitar el
proceso de rehabilitación y poder brindar comodidad en la cotidianidad de las personas
afectadas.
Con el fin de estudiar un poco más a profundidad el diseño de las manos robóticas tipo
prensil, se desarrolla en el siguiente proyecto la construcción de una mano prensil funcional
con un diseño nuevo teniendo en cuenta los resultados y recomendaciones obtenidos en
proyectos anteriores. Como innovación se utiliza una silicona que ayuda a simular el efecto
de deformación y fricción de la piel humana. También se prueba una nueva unión
interfalángica que simula el efecto de los tendones que a la vez facilitan el proceso de
ensamble de la mano. También se facilita el proceso de experimentar con distintos valores
de rigidez de estas uniones con el fin de mejorar otros tipos de agarre aparte de la prensión
gruesa cilíndrica y esférica.
El proyecto sigue los siguientes pasos:
• Análisis y estudio del estado del arte de las manos robóticas prensil y soluciones
comerciales.
• Construcción computacional del nuevo diseño propuesto y simulación de la
cinemática de este.
• Diseño de subactuación de la mano con el fin de reducir el número de actuadores y
aumentar el número de grados de libertad de los dedos.
• Construcción de un prototipo de la mano con implementación de actuadores y un
circuito que facilita la experimentación para comprobar la sujeción de la mano
objetos de distintas formas y pesos.
Gracias al prototipo construido es posible comprobar la funcionalidad de la mano al
efectuar las sujeciones. También se obtiene un modelo CAD que permita la adaptación del
diseño a diferentes dimensiones de la mano.
Palabras claves: Mano robótica, prensión cilíndrica-esférica, subactuación.
8
Abstract
The hand is undoubtedly an indispensable tool for countless activities that we carry out
daily. When a person loses this limb, caused by an illness or an accident, he also loses the
possibility of developing these activities in the used way. Therefore, there is the motivation
to develop this kind of projects, in order to facilitate the rehabilitation process and provide
comfort in the daily lives of those affected.
In order to study the design of prehensile-type robotic hands in greater depth, the following
project develops the construction of a functional prehensile hand with a new design
considering the results and recommendations obtained in previous projects. As innovation,
a silicone is used to help simulate the effect of deformation and friction of the human skin.
Also, a new interphalangeal joint is tested, that simulates the effect of the tendons and at
the same time makes the assembly process of the hand easier. It also simplifies the process
of experimenting with different stiffness values of these joints in order to improve other
types of grip apart from the cylindrical and spherical grip.
The project follows the following steps:
• Analysis and study of the state of the art of robotic hands and commercial solutions.
• Computational construction of the new design and simulation of its kinematics.
• Underactuated hand design in order to reduce the number of actuators and increase
the number of degrees of freedom of the fingers.-Construction of a prototype of the
hand with implementation of actuators and a circuit that facilitates experimentation
to check the grip of the hand with objects of different shapes and weights.
• Construction of a prototype of the hand with implementation of actuators and a
circuit that facilitates experimentation to check the grip of the hand with objects of
different shapes and weights.
Thanks to the prototype built it is possible to test the functionality of the hand when making
the grips. A CAD model is also obtained that allows the adaptation of the design to different
dimensions of the hand.
Keywords: Robotic hand, cylindrical-spherical grips, Underactuation.
9
1. INTRODUCCIÓN
Este proyecto se desarrolla a partir de la necesidad de obtener un sistema que pueda ser
utilizado como prótesis de mano y que tenga cualidades físicas y mecánicas mejores que las
encontradas en el mercado local, las cuales presentan una baja calidad estética tanto como
un bajo nivel de adaptabilidad a las características del afectado. En muchos casos las
personas afectadas tienen que usar 2 tipos de prótesis, una funcional y una netamente
estética.
A partir de lo anterior nace la motivación de este proyecto de grado el cual tiene como
objetivo principal diseñar y construir un sistema que simule el comportamiento de la mano
humana para que pueda ser utilizado en fines prostéticos. Para esto se tiene en cuenta las
propiedades estéticas de la mano como también sus propiedades físicas y como estas
ayudan a generar una mejor sujeción de distintos objetos. En la actualidad existen métodos
de manufactura rápidos, como la impresión 3D, que permiten desarrollar sistemas más
personalizados a precios relativamente bajos al compararlos con productos similares.
También, con el fin desarrollar un elemento de bajo peso y costo, se propone el uso de
sistemas subactuados para la transmisión de fuerzas. Esto, también, teniendo en
consideración su baja complejidad al momento de realizar el respectivo control y ensamble.
El proyecto se plantea en 4 etapas: diseño de la mano a partir de dimensiones tomadas de
la fisiología humana, simulación del comportamiento, construcción del prototipo y
experimentación.
El alcance de este proyecto se lleva hasta el diseño y construcción de la mano robótica
prensil. Se espera que en proyectos posteriores se trabaje en el diseño de un sistema de
control y su adaptación para que pueda ser utilizado en fines prostéticos.
10
2. ESTADO DEL ARTE
Las manos son sin duda alguna unos de los órganos más importantes y fascinantes que
componen la estructura humana. Con ellas ejercemos labores diarias que nos permiten
desenvolvernos en el entorno que vivimos. Su compleja ergonomía da como resultado la
posibilidad de generar movimientos y fuerzas que utilizamos en distintas acciones como por
ejemplo sujetar objetos. A esto se le conoce como acción de prensión y la mayoría de las
prótesis de miembro superior actuales (comerciales) tienen el objetivo de cumplir con esta
función.
La acción de prensión comprende sujetar desde objetos relativamente grandes como vasos
(prensión gruesa) hasta objetos pequeños como fósforos y llaves (prensión de precisión y
prensión fuerte) donde se requiere una mayor exactitud del movimiento [1]. La mano
humana puede realizar estas acciones con gran facilidad gracias a su estructura que ofrece
más de 20 GDL y a señales emitidas por nuestro cerebro que dan una respuesta casi
inmediata. Las personas que debido a algún accidente o alguna enfermedad pierden esta
extremidad, automáticamente pierden la posibilidad de realizar tareas cotidianas tan
simples como sostener una taza. Más de la mitad de las personas que sufrieron de una
amputación de miembro superior en Colombia, utilizaban este como herramienta de
trabajo dejándolos sin la posibilidad de laborar por un periodo o se encuentran en una
situación donde deben buscar otra labor [2].
Hoy en día existe una gran variedad de mecanismos que ayudan a estos pacientes a
continuar con sus actividades diarias. Quizá la prótesis más común para este tipo de
afecciones en la actualidad es la tipo pinza (figura 1) que funciona por medio de señales
EMG. Esta se comercializa hace mucho tiempo en el mercado debido a su alta eficiencia y
relativo bajo costo. Sin embargo, tiene muy bajo rendimiento estético lo cual afecta la
recuperación psicológica de los pacientes amputados [3]. Muchos de estos utilizan la pinza
como prótesis funcional para sus labores diarias y una prótesis netamente estética para
momentos donde existe una interacción social.
Es por esto por lo que desde hace unos años se han desarrollado proyectos donde el
objetivo es obtener una mano robótica que pueda simular los movimientos de la mano
humana y que mantenga la estética de esta. Varios son los factores que hay que tener en
cuenta en el diseño de estos sistemas y uno de los más importantes es el peso. Este puede
ser reducido por medio de la selección de materiales, pero también con la dinámica del
sistema. Un ejemplo de esto es la utilización de sistemas subactuados donde el número de
actuadores requeridos para el movimiento es menor al número de grados de libertad
obtenidos [4].
11
Por otro lado, la selección de materiales también juega un papel muy importante en el
agarre de la mano robótica. La piel humana tiene la capacidad de deformarse al entrar en
contacto con el objeto que se quiere sujetar. Esto le otorga mayor firmeza a la prensión
asegurando que el objeto sea sostenido correctamente. Muchos de los diseños elaborados
en universidades colombianas como la universidad nacional, la universidad de Cauca y
universidad de los andes mantienen las superficies de la mano rígidas lo cual afecta de gran
manera el parentesco con la mano humana. Actualmente, en países extranjeros como
Estados Unidos se comercializan manos robóticas con fines prostéticos que cumplen esta
función de deformación. Una de las empresas que construye y distribuye estos mecanismos
es Touch Bionics.
Figura 1. Prótesis tipo pinza. Tomado de [5]
En la Universidad de los Andes se han desarrollado varios proyectos que involucran la
construcción de una mano robótica. Algunas de estas manos son las desarrolladas por
Flower[1], Camargo[6] y Sanchez [7].
En el primero (Flower) se diseña y construye un prototipo de mano robótica que cumple
con la función de presión gruesa y fina. El autor desarrolla un amplio estudio sobre los
músculos involucrados en la acción de prensión con el fin de entender mejor el
funcionamiento de la mano Humana. Sin embargo, no se tiene información sobre la
construcción del prototipo ni de los materiales utilizados, pero a partir de las imágenes
presentadas se puede ver que se añade una espuma a la mano con el fin de simular el efecto
de deformación de la piel. No existen resultados cuantitativos de la mano, pero se
presentan imágenes donde se evidencia el funcionamiento del sistema y su acople a ciertos
elementos cilíndricos y esféricos (Figura 2). El autor no presenta información sobre los
actuadores utilizados.
12
Figura 2. Mano robótica desarrollada por Flower. Tomado de [1]
En el segundo (Camargo) se construye un prototipo donde se utiliza el concepto de
subactuación. Este ayuda a la reducción de costos y peso lo cual es muy importante en el
resultado final de este tipo de sistemas. Al final del proyecto se obtuvo un prototipo con el
cual se realizan pruebas de sujeción de objetos y se comprueba la funcionalidad de las
señales MMG estudiadas también por el autor. Este modelo presenta limitaciones a la hora
de realizar agarres ya que se utiliza acrílico el cual tiene un coeficiente de fricción muy bajo
y no simula el comportamiento de la piel humana. También se tienen problemas en las
uniones interfalángicas las cuales tienen un alto grado de fricción lo cual hace que las
fuerzas de cierre requeridas sean muy elevadas. En el prototipo construido no se incorpora
el dedo pulgar lo cual limita la calidad de las sujeciones realizadas. En este caso la fuerza
contraria a los dedos índice, medio, anular y meñique la genera la palma, la cual es rígida y
con baja deformabilidad. Esto hace que los agarres no sean seguros.
Camargo describe los aspectos más importantes que hay que mejorar del sistema y entre
estos se considera una mejor selección de materiales y un mejor proceso de manufactura.
Al igual que en el proyecto de Flower no se analiza el efecto que tiene el material superficial
sobre el agarre de los objetos.
13
Figura 3. Mano robótica desarrollada por Camargo. Tomada de [6].
En el tercer proyecto, Sánchez [7] realiza un diseño basado en el sistema de subactuación
desarrollado por Camargo [6]. En este trabajo se incorpora el dedo pulgar lo cual aumenta
la efectividad del agarre y la estética de la mano. Los dedos y la palma fueron elaborados
por medio de fabricación por adición y para generar el movimiento se implementó un
sistema el cual obtiene señales EMG y las traduce en la activación de un motor que tensiona
las cuerdas que transmiten la fuerza a las falanges. El material con el que se construye este
prototipo es un polímero rígido (PLA) que no permite deformarse al entrar en contacto con
los objetos. Esto hace que el agarre no sea estable pues la fricción entre en el objeto y la
mano es muy baja. Otra limitación es el alto valor de las fuerzas de fricción al interior de la
palma donde se distribuyen las fuerzas del sistema subactuado. Esto genera un valor
innecesariamente alto de la fuerza aplicada por el motor. También se tiene un alto nivel de
complejidad a la hora de realizar el ensamble debido los resortes contenidos en las uniones
interfalángicas.
Entre los aspectos a mejorar, Sánchez recomienda desarrollar un modelo donde se pueda
definir con mayor exactitud el valor de la constante de elasticidad de los distintos resortes
utilizados en las juntas (articulaciones) de los dedos. También recomienda realizar un
análisis más profundo sobre la fuerza ejercida sobre el objeto y la posición de las falanges
al realizar el cierre de la mano.
14
Figura 4. Mano desarrollada por Sanchez. Tomado de [7].
Otras universidades colombianas también han desarrollado proyectos donde se diseñan y
construyen manos robóticas. Un ejemplo de esto es el desarrollado por parte de varios
ingenieros de la universidad del Cauca donde como resultado obtuvieron una mano
robótica de tres dedos con fines prostéticos. Esta podía realizar las tres acciones de
prensión: gruesa, fuerte y fina. El prototipo obtenido les ayudó a validar la funcionalidad
del sistema y el desempeño de este. Este diseño presenta algunas limitaciones con respecto
a la estética de la mano pues solo se tienen 3 dedos. Aunque esto simplifica el diseño y su
respectivo control, se deja a un lado el factor de aceptación por parte de los afectados.
Como se mencionó anteriormente la similitud con la morfología humana es de gran
importancia para la recuperación psicológica de las personas que necesitan usar la prótesis.
Figura 5. Mano robótica desarrollada en la Universidad del Cauca. Tomado de [8]
Otro proyecto muy interesante es el llamado luke arm desarrollado por Dean Kamen en
Estados Unidos. Este proyecto se encuentra patrocinado por DARPA y es uno de los brazos
robóticos más avanzados de la actualidad. Todo el brazo, que parte desde el hombro, tiene
un peso aproximado de tan solo 8 lb y su complejo sistema electrónico le permite realizar
15
acciones cada vez más cercanas a las humanas. Videos encontrados en internet muestran
su funcionalidad y actualmente se encuentra en pruebas clínicas.
Figura 6. Luke arm. Tomado de [9]
A partir de la información recolectada sobre proyectos anteriores que incluyen la
construcción de una mano robótica se definen los objetivos de este proyecto el cual
pretende concluir con una versión mejorada con respecto al diseño de la mano. Una mejoría
que se pretende realizar es poder simular el efecto de deformación de la piel humana y su
aporte la fricción generada entre la mano y el objeto que se quiere sujetar. También se
pretende reducir la fricción de los objetos móviles que permiten la transmisión de fuerza a
las distintas falanges.
Con ayuda de un prototipo se pretende verificar la funcionalidad de la mano teniendo en
cuenta aspectos de mejoría en comparación a sistemas anteriores. El diseño CAD
desarrollado en este proyecto tendrá dimensiones parametrizadas para facilitar su
adaptación al momento de ser utilizado como prótesis.
3. ESTUDIO DE LA ANATOMIA DE LA MANO HUMANA
Antes de comenzar a diseñar el sistema propuesto en este proyecto, fue necesario
familiarizarse con la anatomía que se está tratando simular. En este caso se tiene que la
mano humana consta de 27 huesos. 14 de estos conforman las falanges, 5 los
metacarpianos y 8 los carpianos los cuales forman y permiten el movimiento relativo de la
muñeca con el brazo en dos grados de libertad.
La estructura de la mano se compone de distintos elementos que permiten su
funcionamiento. Estos elementos son: huesos, ligamentos, tendones, músculos, nervios y
vasos sanguíneos. En este caso se intentará replicar el funcionamiento de solo algunos de
estos elementos como los huesos, ligamentos y tendones. Los Músculos que se intentan
16
replicar en este proyecto se encuentran en el antebrazo y no en la mano a excepción del
funcionamiento del dedo pulgar.
Los dedos índices, medio, anular y meñique se componen de tres falanges: Proximal, media
y distal. El dedo pulgar solo se conforma de falange proximal y distal. Cada una de estas
falanges se unen entre ellas por medio de ligamentos que permiten el movimiento relativo
entre ellas en un grado de libertad. A estas uniones se les conoce como uniones o
articulaciones interfalángicas. La unión de la falange proximal con el metacarpo se le conoce
como articulación metacarpofalángica y permite el movimiento del dedo en 2 grados de
libertad.
Los músculos que se encargan de la flexión de los dedos se encuentran en la superficie
ventral del antebrazo mientras que los músculos que se encargan de la extensión de los
dedos se encuentran en el dorso del antebrazo. La transmisión de la fuerza de los músculos
a las falanges se lleva a cabo por medio de tendones los cuales tienen una alta rigidez. Estos
Tendones conectan el tejido muscular con los huesos de los dedos y permiten su flexión y
extensión.
Los dedos pueden realizar 4 acciones diferentes de movimientos que permiten su amplia
adaptación a diferentes necesidades. Se tienen las siguientes acciones: Flexión, extensión,
abducción y aducción, En este caso se quiere replicar las acciones de flexión y extensión de
los dedos trifalángicos. Del dedo pulgar solo se requiere su acción de abducción para sujetar
objetos de la forma que se quiere en este proyecto.
17
Pulgar
Índice
Medio
Anular
Meñique
Figura 7. Clasificación de huesos en la mano. Modificada de [1]
Figura 8. Clasificación de falanges, articulaciones y articulaciones interfalángicas en el dedo. Modificada de [1]
Los tendones ayudan a la flexión y extensión de los dedos de la mano. Estos se encargan de
conectar los músculos que se encuentran en el antebrazo con las falanges de los dedos. Un
sistema de poleas hace que estos tendones se encuentren adyacentes a los huesos que
conforman el dedo [13]. Es por esto por lo que es de gran importancia desarrollar uniones
interfalángicas que permitan la transmisión de fuerza a cada una de las falanges evitando
así posiciones indeseables de los tendones.
18
Gracias a la actuación de los distintos músculos y tendones se llega a tener una estructura
con un total de 20 grados de libertad, sin tener en cuenta los movimientos de la zona
carpiana como se describe en [11]. En la mano, debido a su limitado espacio, encontramos
un número limitado de músculos. La mayoría de estos se encuentran ubicados en la zona
del antebrazo reduciéndose en forma de tendones al llegar a la mano. A través de
ligamentos estos tendones son capaces de llegar a las distintas falanges permitiendo, de
esta forma, el movimiento de estas. Distintas combinaciones de estos tendones van a servir
para la adaptación de nuestra mano al momento de realizar distintos tipos de agarre y
también al posicionamiento de nuestra mano al agarrar objetos de distintas geometrías.
Para la actuación de los dedos diseñados en este proyecto se va a tratar de simular el efecto
de los tendones sobre las falanges de nuestra mano. Esto teniendo en cuenta su gran
eficiencia en cuanto al espacio y transmisibilidad de fuerza que tienen.
4. DISEÑO DE MANO
En este capítulo se explica el proceso de construcción computacional de la mano robótica
prensil. Como primer paso se definen ciertas dimensiones estándar de la mano que se
quieren implementar en el modelo. Luego se procede a diseñar el CAD de la mano en el
programa Autodesk Inventor.
4.1 DIMENSIONAMIENTO DEDOS Y PALMA
No existe una norma universal que nos permita definir el tamaño de los dedos de una mano
ya que, debido a nuestra anatomía, esta puede variar dependiendo de las facciones de cada
persona. En este caso, para el diseño de los dedos, se plantearon dos dimensiones
específicas que se miden directamente de una mano humana. Estas son la longitud de las
falanges y el ancho de estas como se especifica en la figura 9.
19
Figura 9. Dimensionamiento de medidas dedo.
En este caso se tomaron las medidas a partir de una fotografía y una escala con ayuda de
un programa de procesamiento de imágenes. Para realizar este proceso existen diversos
programas que se pueden utilizar como por ejemplo el programa Autodesk Inventor 2015
donde se importa la imagen en el ambiente de dibujo (Sketch), se define una escala con
ayuda de una referencia ubicada en la imagen y posterior a esto, se calculan las medidas
requeridas. Se realizó este procedimiento tanto como para longitudes de las falanges como
para su ancho.
Para el diseño de la palma se simplificó el dimensionamiento a tres dimensiones específicas.
La longitud h que representa la medida vertical, la longitud w que representa el ancho y la
longitud t que representa el grosor de la palma. En este caso se tiene la siguiente relación
entre estas referencias h>w>t (Figura 11).
20
Figura 10. Dimensionamiento de la palma.
Para capturar estas dimensiones se realizó el mismo procedimiento realizado en el caso de
las falanges.
4.2 DISEÑO DE FALANGES Y PALMA CON DIMENSIONES
El diseño de las falanges se llevó a cabo teniendo en cuenta la morfología de los dedos de
la mano humana. Uno de los aspectos más importantes a la hora de la rehabilitación de
personas que sufren una amputación de miembro superior es la apariencia estética de la
prótesis que utilizan [10]. Muchas personas utilizan una prótesis totalmente estética en
situaciones que requieren relacionarse socialmente con otras personas y una prótesis
funcional, como la tipo pinza, para desenvolverse en el diario vivir.
21
Figura 11.CAD falanges con dimensiones.
En la figura 11. se puede observar como se implementaron las dimensiones tomadas
directamente de los dedos. Estas se encuentran parametrizadas para que el diseño pueda
ser adaptado dependiendo de las facciones fisicas de la persona que requiera la prótesis.
Figura 12. CAD palma con dimensiones.
En la figura 12 se puede observar cómo se aplicaron las medidas capturadas de las imágenes
en el diseño propuesto. En este caso se sigue cumpliendo el objetivo de que estas
22
dimensiones sean paramétricas para una fácil modificación en caso de ser requerido
dependiendo de las necesidades de la persona afectada. En muchos de los casos donde
ocurre una amputación, se tiene que el paciente tiene una de sus manos en total
funcionamiento. En este caso las medidas pueden ser extraídas de la mano sana e
implementadas en la prótesis diseñada. Esta parametrización también es conveniente en el
caso de diferencias proporcionales por la edad del paciente.
5. MODELAMIENTO
5.1 SIMULACIÓN PRENSIÓN GRUESA CILÍNDRICA Y ESFÉRICA
Una vez realizado el diseño propuesto se procedió a realizar una simulación donde se
verifica la efectividad de agarre de la mano. Es decir que pueda realizar un agarre estable al
momento de realizar prensión gruesa cilíndrica y prensión gruesa esférica [12]. Los
resultados de esta simulación ayudaran a verificar que los dedos puedan adaptarse a
diferentes geometrías.
Figura 13. Simulación prensión gruesa cilíndrica (izquierda) y prensión gruesa esférica (derecha)
La simulación se llevó a cabo en el ambiente de simulación dinámica en el programa
Autodesk Inventor 2015. Para esto se definieron las fronteras de los cuerpos por medio de
la restricción de contacto 3D. Con esto, al aplicar el cierre de los dedos, las falanges se van
a bloquear al entrar en contacto con el objeto que se quiere sujetar. No se tiene en cuenta
el peso del objeto por lo que no se puede verificar la sujeción teniendo en cuenta la
23
gravedad. Sin embargo, se tienen resultados positivos respecto al posicionamiento de los
dedos y sus dimensiones.
En este caso se realizó el cierre aplicando un torque T en cada una de las falanges en el
momento requerido. Es decir, una vez bloqueada la primera falange que entra en contacto
con el objeto (Proximal), se activa el movimiento de la siguiente falange y así
sucesivamente. Esto nos ayuda a verificar el acople de la mano a los objetos, sin embargo,
debido a la simplificación de la simulación, no nos entrega valores de fuerza ni datos
dinámicos del sistema. Para esto es de gran importancia definir parámetros como
transmisión de torque entre falanges y constantes de elasticidad entre las uniones
interfalángicas.
En el caso de la prensión gruesa esférica se puede ver que, al no tener ninguna restricción,
los dedos meñique y anular se cierran completamente. Este efecto muestra como la mano
se puede acoplar a las geometrías de distintos objetos.
El proceso de flexión de los dedos en este modelo difiere de la actuación real de las falanges.
En este caso se tiene la limitación de agarre de solo algunas geometrías pues la actuación
de la falange media solo inicia cuando se ha bloqueado la falange proximal. En casos reales
puede suceder que la falange media o distal se bloquea en primera instancia al querer
sujetarse una geometría irregular. También difiere la forma en que se transmite el
movimiento. En el diseño construido se utiliza un sistema de tendones y poleas que
transmiten la fuerza a cada una de las falanges. Se tiene una sola fuerza de entrada que se
divide y transmite a las distintas falanges permitiendo los distintos grados de libertad de la
mano.
La unión metacarpofalángica del dedo pulgar en la mano humana posee 2 grados de
libertad que le ayudan a posicionarse contra los dedos trifalángicos para poder realizar
distintas sujeciones. En este caso, en el diseño propuesto, se tiene un dedo pulgar con una
unión metacarpofalángica de un grado de libertad. La posición de este dedo es frontal al
dedo índice con el fin de poder realizar una fuerza contraria a la realizada por los dedos
trifalángicos y la palma. Con esto se busca tener un posicionamiento del dedo pulgar que
se puede lograr naturalmente en una mano real y que sirva para poder realizar el mayor
número de sujeciones posibles.
Esta simplificación del dedo pulgar también ayuda a la simplificación del sistema de control
de la mano. En este caso se considera innecesario el desplazamiento en dos grados de
libertad del dedo pulgar pues se quiere obtener un sistema que permita la sujeción de
objetos con un control sencillo pues posteriormente este debe ser realizado por una
persona.
24
5.2 SISTEMA SUBACTUACIÓN DEDOS
Para la transmisión de fuerzas en los dedos de la mano se utilizó un modelo de tendón-
polea como el propuesto en [4]. Con este sistema se trata de simular la actuación de los
tendones en la mano humana al generar el movimiento de las falanges. Se escogió este
sistema debido a la facilidad en su manufactura y de adaptación al diseño.
Figura 14. Sistema de transmisión por poleas en serie.
En este caso se definió un sistema de 3 poleas y 3 eslabones que van a simular el
movimiento de cada una de las falanges de los dedos. En la figura 14. se puede apreciar la
estructura de este sistema donde el cuerpo 0 se encuentra estático relativo a los otros. Este
cuerpo representa la palma a donde van a ir unidos cada uno de los dedos. El cuerpo 1
simula la falange proximal, el 2 la media y el 3 la distal. Es importante resaltar que las poleas
a y b, giran sobre el mismo eje de rotación de los cuerpos 1 y 2 respectivamente, pero tienen
un giro libre con respecto a estos cuerpos. Esta propiedad permite poder transmitir el
movimiento entre las poleas sin necesidad de mover los cuerpos. Si esta característica no
se cumple en realidad no se estaría hablando de un sistema subactuado [4] pues las falanges
tendrían un movimiento restringido. Por otro lado, la rotación de la polea c si va a ser igual
a la del eslabón 3 pues se encuentran conectados
Los elementos mecánicos pasivos como resortes y restricciones mecánicas ayudan al
desarrollo de sistemas subactuados. En este caso se van a utilizar resortes que unen los
eslabones entre ellos. Estos resortes van a regresar el sistema a su posición original o pasiva
una vez liberado el objeto sujetado. Otro aspecto importante es que el orden de cierre de
las falanges va a depender de la rigidez de los resortes aplicados.
25
Figura 15. Sistema de transmisión con poleas y resorte
Para analizar el comportamiento de los resortes se plantean 2 casos hipotéticos. Como
primera instancia tenemos que k3>k2>k1. En este caso, sin tener en cuenta los efectos de
la inercia de los segmentos ni la fricción de las uniones, se va a tener un primer cierre de la
falange proximal. Una vez bloqueada esta falange, se transmitirá el movimiento a la falange
media. Siguiendo el mismo procedimiento, una vez bloqueada la falange media, el
movimiento relativo de las poleas permitirá el cierre de la falange distal (figura 16).
Figura 16. Cierre caso K3>K2>K1.
Por otro lado, se plantea el caso en el que k3<k2<k1. En este sistema va a ocurrir un primer
cierre por parte de la falange distal. Una vez bloqueada esta falange se va a iniciar el cierre
de la falange media. Después de bloqueada la falange media, comenzará el cierre de la
falange proximal (Figura 17).
26
Figura 17. Cierre caso K3<K2<K1.
En la realidad el cierre generado por los dedos tiene una tendencia más natural. Va a existir
un cierre continuo por parte de las falanges y no discreto como el propuesto en los casos
anteriores. Esto se debe a los efectos de fricción e inercia de los elementos en movimiento.
Para generar un cierre del dedo se requiere de un torque de entrada que será aplicado a la
polea a (Figura 18). Como se explicó anteriormente, este torque podrá ser transmitido a
cada una de las falanges por medio de las poleas del sistema. En este caso se considera un
cierre discreto donde se supone que se obtiene un agarre estable del objeto, es decir que
cada una de las falanges se encuentra en contacto con este.
Figura 18. Cierre dedo con objeto irregular
27
Figura 19. Diagrama estático del dedo al realizar sujeción de objeto irrgular
A partir de los diagramas de la figura 19. se puede encontrar una expresión que relaciona
la fuerza de entrada con las fuerzas de contacto de cada una de las falanges. Para esto se
realiza un análisis estático del sistema donde se comienza con el pivote de la polea a.
∑ 𝑀𝑜1 = 𝑇𝑖𝑛 − 𝑇1 − 𝑇2 − T3 = 0 Ecuación 1.
Se obtiene que el torque de entrada va a ser igual a la suma del torque por la fuerza de
contacto con el objeto.
∑ 𝑀𝑜1 = 𝑇𝑖𝑛 − 𝑇1 − 𝑇2𝑥 − T2y − 𝑇3𝑥 − 𝑇3𝑦 = 0 Ecuación 2.
Para simplificar el análisis se estableció un sistema coordenado como se muestra en figura
19 (Derecha) que va a servir como referencia para determinar cada uno de los términos de
la ecuación 2. A partir de esto se tiene que:
𝑇1 = 𝐹1𝑑1 Ecuación 3.
28
Para determinar el valor del torque ejercido en el subsistema 2 (Falange media) se suman
los componentes proyectados en los ejes x y y. Para esto se tiene en cuenta la posición
angular de la falange respecto a su falange anterior, en este caso proximal la cual se
mantiene como referente. 𝑇2𝑥 = 𝐹2 cos(𝜃2) (𝑙1 + 𝑑2 cos(𝜃2))
Ecuación 4.
𝑇2𝑦 = 𝐹2 ∗ sen(𝜃2) (d2sen(θ2))
Ecuación 5.
𝑇2 = 𝑇2𝑥 + 𝑇2𝑦 = 𝐹2(𝑑2 + 𝑙1 cos(𝜃2))
Ecuación 6.
Para determinar el valor del torque ejercido en el subsistema 3 (Falange distal) se sigue un
procedimiento similar al desarrollado para el subsistema 2. En este caso se mantiene como
referente la posición de la falange proximal por lo que se debe tener en cuenta tanto el giro
de la falange distal como el de la falange media. Teniendo estos dos ángulos y la fuerza
ejercida por la interacción entre la falange y el objeto que se quiere sostener, se puede
determinar el torque necesario que se debe aplicar sobre la falange distal.
𝑇3𝑥 = 𝐹3cos (𝜃3)cos (𝜃2)(𝑙1 + 𝑙2 cos(𝜃2) + 𝑑3 cos(𝜃3))
Ecuación 7.
𝑇3𝑦 = 𝐹3sen(𝜃3)sen (𝜃2)(𝑙2 sen(𝜃2) + 𝑑3 sen(𝜃3))
Ecuación 8.
𝑇3 = 𝐹3(𝑑3 + 𝐿2 cos(𝜃3) + 𝐿1 cos(𝜃2 + 𝜃3))
Ecuación 9.
29
Con estas ecuaciones es posible determinar el valor del torque de entrada que va a ser
requerido para cierta sujeción. El problema que se encuentra es determinar el valor de la
interacción entre las falanges y el objeto que en este caso van a ser las variables F1, F2 y F3.
Estos valores van a depender de la posición relativa de la mano con respecto a la dirección
de la gravedad. En este caso los casos extremos van a ser cuando la mano se encuentra en
posición vertical y en posición horizontal. Respectivamente en el primer caso van a coexistir
fuerzas de fricción y fuerzas de contacto. En el segundo caso la fuerza de las falanges sobre
el objeto va a ser netamente debido a la fricción. Por esta razón se tiene la siguiente
expresión:
𝐹𝑛 = 𝜇𝑊
Ecuación 10.
𝑊 = 𝑚𝑔
Ecuación 11.
Donde 𝜇 es el coeficiente de fricción entre el objeto que se quiere sujetar y la falange y W
es el peso del objeto. Cuando la fuerza que ejerce la falange se debe solamente a el peso
debido a la gravedad se tiene que la fuerza Fn es igual a esta como se muestra a
continuación:
𝐹𝑛 = 𝑊
Ecuación 12.
6. SISTEMA DE SUBACTUACIÓN PALMA Y ACTUACIÓN GENERAL
Un sistema subactuado es aquel donde el número de grados de libertad es mayor al número
de actuadores. Es decir:
#GDL>#actuadores
30
En este caso se tiene un sistema con 2 actuadores que generan el movimiento de entrada y
13 GDL de libertad en la salida. Un motor se encarga de la actuación de los dedos índice,
medio, anular y meñique. Por otro lado, otro motor independiente, se encarga de la
actuación del dedo pulgar, donde no existe subactuación pues se tiene que:
#GDL=#actuadores
Elementos mecánicos pasivos como los resortes y restricciones ayudan a la subactuación de
la mano. Estos se utilizan en las uniones de cada una de las falanges para recuperar la
posición pasiva de los dedos.
6.1 SUBACTUACIÓN PALMA - CUERPO FLOTANTE
Como se pudo ver en el análisis realizado en el rubro 5.2 cada uno de los dedos diseñados
requiere de una fuerza de entrada relacionada con el torque aplicado a la polea a. En este
caso se tiene un solo motor de entrada para la actuación de estos dedos, por lo que se
diseña un sistema que pueda distribuir una fuerza de entrada en 4 de salida. Esto resulta en
que un solo motor pueda generar el movimiento de 4 dedos cada uno con 3 grados de
libertad. Es decir que se tiene 1 actuador de entada y 12 GDL de salida.
Figura 20. Cuerpo subactuación palma-Cuerpo flotante
El denominado cuerpo flotante, el cual se encarga de la distribución de las fuerzas internas
de la palma, se conforma de dos poleas que van a unir los dedos meñique-anular y los dedos
medio-índice. Gracias a que estas poleas pueden girar libremente con respecto al resto del
cuerpo, la fuerza se puede distribuir entre estos dedos dependiendo de la configuración de
31
la mano al momento de realizar un agarre. En el extremo inferior del cuerpo se encuentra
un pin que puede desplazarse libremente y conecta el sistema con el motor.
Figura 21. Configuración de cuerdas transmisoras de fuerza en la mano
Con el fin de evitar fuerzas de fricción dentro de la palma y que la transmisión desde el
motor a los dedos sea más eficiente, se diseñó este sistema de tal forma que flote dentro
de la palma. Es decir que no tiene contacto con las paredes de la palma gracias a la tensión
ejercida en las cuerdas que unen el sistema.
32
Figura 22. Distribución fuerzas en la palma
En la figura 22. Se puede apreciar cómo se distribuye la fuerza de entrada en el caso de un
cierre equitativo de los dedos. Esta es una aproximación aceptable al momento de agarrar
objetos de forma cilíndrica pues la longitud de la cuerda recogida en cada uno de los dedos
va a tener un valor muy cercano por lo que el cuerpo flotante solo se desplaza sobre un eje
(Vertical). En este caso se tiene que: 𝐹𝑖𝑛 = −(𝐹𝑝2 + 𝐹𝑝1) 𝐹 = 𝐹1 = 𝐹2 = 𝐹3 = 𝐹4
𝐹 = 𝐹𝑖𝑛4
Como se especificó anteriormente, el cuerpo flotante se encarga de la distribución de
fuerzas al interior de la palma. Al eje del motor se encuentra adaptado un tornillo sin fin el
cual se acopla a una corona de 32 dientes. En estos tipos de acople siempre va a existir una
reducción 1: 𝑁, donde N es el número de dientes de la corona [4], debido a que solo uno
de los dientes del sin fin se encuentra en contacto con la corona. 𝑇𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 = 𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝑁 𝑤𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 = 𝑤𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑁
33
A partir de las ecuaciones anteriores es fácil identificar que va a existir una reducción
proporcional N en la velocidad y un aumento en el torque también proporcional al número
de dientes en la corona. Una de las mayores ventajas de este sistema es el bloqueo
instantáneo del sistema. La corona solo va a girar a partir de un movimiento generado por
el sin fin. Es decir que una vez apagado el motor el sistema se bloquea lo cual resulta en la
posibilidad de mantener sujetados objetos sin necesidad de gastar energía en ello.
6.2 ACTUACIÓN DEDO PULGAR
El dedo pulgar humano, en condiciones normales, puede moverse en 4 GDL. Dos de estos
provienen de la articulación carpometacarpiana la cual tiene como equivalente mecánico
una unión tipo universal. Los otros 2 GDL provienen de la articulación metacarpofalángica
y de la articulación interfalángica. Estas dos últimas son equivalentes a una unión mecánica
tipo giratoria. Esta variedad de movimientos del dedo pulgar hace posibles distintas
configuraciones de la mano las cuales se ajustan a distintos tipos de agarre y otras funciones
que esta puede realizar.
En este caso la mano diseñada se limitará a generar sujeción gruesa cilíndrica y esférica por
lo que no todos los GDL del dedo pulgar son requeridos. En específico este dedo solo se
utilizará como apoyo al momento de realizar un agarre. Es decir que generará una fuerza
opuesta a la generada por los otros 4 dedos. Para esto, en el diseño propuesto en este
proyecto, el dedo pulgar solo gira en un grado de libertad con el fin de que este dedo se
ajuste a las condiciones geométricas del objeto. Por esto se elimina la articulación
carpometacarpiana y la interfalángica, dejando solo un grado de libertad en la unión
metacarpofalángica.
Figura 23. Sujeción de objeto cilíndrico con dedo pulgar como apoyo
34
A partir de simulaciones realizadas con objetos cilíndricos y esféricos se determinó un valor
para un ángulo fijo entre la falange proximal y la falange distal del dedo pulgar. Esto con el
fin de asegurar el contacto de la mayoría de las falanges con el objeto a sujetar.
En este caso no se cuenta con un sistema subactuado pues solo existe un actuador de
entrada y un grado de libertad de salida. Una cuerda se encarga de transmitir la fuerza
desde el motor hasta el dedo pulgar. Esta se encuentra atada a un disco unido al eje del
motor que al ser girado 180°, en sentido contra horario, logra obtener una apertura total
del dedo.
Figura 24. Apertura dedo pulgar
Al girar el motor nuevamente 180° en sentido contrario se va a llegar nuevamente a la
posición en estado pasivo. Esto se logra gracias a un material elástico que une el dedo con
la palma. Una vez liberada la tensión de la cuerda, el dedo va a sentir una fuerza que se
puede representar como la de un resorte deformado elásticamente. Esta fuerza va a ser
utilizada ventajosamente para la adaptabilidad de la mano a distintas geometrías a sujetar.
De este modo se aprovecha el apoyo generado por este dedo y se mejora la funcionalidad
prensil de la mano
6.3 FUNCIONAMIENTO DE MOTORES
Para el funcionamiento de la mano se utilizan 2 motores eléctricos cada uno de 3.3 VDC. El
motor que se encarga de la actuación de los dedos índice, medio, anular y meñique se une
directamente con el cuerpo flotante que posteriormente transmitirá la fuerza ejercida por
35
este a los dedos. Con el fin de bloquear el sistema una vez sujetado un objeto se utiliza un
acople Sin fin-Corona.
7. MATERIALES
Para la selección de materiales se tiene en cuenta los resultados obtenidos en proyectos
anteriores. Para esto se analizan las ventajas y desventajas de utilizar ciertos materiales y
se propone una forma de optimizar ciertos aspectos físicos de la mano. Un ejemplo de esto
es tener en cuenta la deformabilidad de la piel y su efecto en el agarre. También aumentar
el coeficiente de fricción entre la mano y el objeto que se quiere sujetar es uno de los
parámetros que se tiene en cuenta a la hora de seleccionar materiales.
En este caso se explica un poco más a profundidad el argumento por el cual se seleccionaron
los materiales de la palma, dedos y piel (yemas y palma). Para las uniones interfalángicas se
utiliza una barra de 1 mm de diámetro que permite el giro relativo entre las falanges.
También es lo suficientemente resistente como para soportar cargas de distintas
magnitudes. Las poleas por donde pasa esta barra son de acrílico. Se utiliza este material
debido a su rigidez, bajo costo, fácil manufactura y bajo peso.
7.1 PALMA Y DEDOS
Debido a las condiciones a las que es sometida la palma en situaciones de sujeción comunes,
se debe utilizar un material con cierto nivel de ductilidad. Por esta razón se utiliza el
polímero ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) el cual permite una cierta deformación
elástica antes de sufrir una falla permanente.
En el caso de los dedos se requiere una rigidez más alta. Por esto, para la construcción de
los dedos, se utiliza el polímero PLA (Acido poliláctico), el cual es un material muy popular
en el contexto de la impresión 3D. Este tiene una alta resistencia mecánica y un relativo
bajo costo en comparación a otros materiales utilizados en la fabricación por adición. Una
característica muy importante de este material es su bajo comportamiento higroscópico, es
decir que no absorbe tanta humedad del ambiente. Un alto contenido de agua tanto
superficial como molecular podría llevar a deficiencias estéticas y mecánicas. En el contexto
donde se desarrolla el proyecto se tiene una alta humedad relativa por lo que se debe evitar
un material higroscópico.
36
Uno de los aspectos importantes que se deben tener en cuenta es que la palma y los dedos
simulan, en este caso, también el comportamiento de los huesos. Es por esto por lo que
deben tener una rigidez suficiente como para soportas diferentes cargas dependiendo del
objeto que se va a sujetar.
7.2 SILICONA-ECOFLEX
Con el fin de simular el comportamiento de la piel, se utiliza una silicona comercial llamada
ECOFLEX 00:30. Con ayuda de moldes cerámicos y plásticos se pueden obtener formas
semejantes a las yemas de los dedos y a la palma de la mano. Estas se adaptan a la
estructura de PLA con una resina especial para polímeros, con el fin de evitar fallas con
cargas altas.
Este material ayuda a simular con alta eficiencia el comportamiento normal de la piel. Se
deforma elásticamente con gran facilidad y aumenta de forma considerable el coeficiente
de fricción. Además, se utiliza este material para simular los tendones que permiten el
estado pasivo de la mano, es decir la mano abierta. Con el fin de evitar el uso de resortes
metálicos y reducir peso y costos, se utilizan bandas de este material que sirven como
resortes que regresan la mano a su estado original.
8. CONSTRUCCIÓN PROTOTIPO
En este capítulo se explicará el proceso de construcción de la mano robótica. Con el fin de
comprobar la funcionalidad de la mano se construye un prototipo que servirá para la
realización de pruebas tanto cualitativas como cuantitativas. Para esto se tiene en cuenta
la selección de materiales explicado en el capítulo anterior y los procesos de manufactura
disponibles en el contexto de este proyecto. La estructura de la mano en general se realiza
por medio de fabricación por adición mientras que para la piel se utilizan moldes cerámicos
y plásticos fabricados también en este proyecto. El ensamble de toda la mano se puede
apreciar con mayor detalle en los planos anexados a este documento.
37
8.1 CONSTRUCCIÓN PALMA Y DEDOS
El proceso de construcción de la mano robótica comienza con la construcción del CAD de la
palma y los dedos. En este caso se utilizó el programa Autodesk Inventor 2015. Como
medidas iniciales se toman las medidas definidas en el capítulo 4.1. Para definir las
geometrías y formas de los diferentes componentes se realizó un proceso iterativo con
diferentes diseños con el fin de poder analizar la relación entre las diferentes piezas. Es
decir, un análisis dinámico con el fin de comprobar un movimiento libre de los dedos
evitando fricciones o bloqueos con otras piezas. También la parte estética juega un papel
muy importante en el diseño final de la mano robótica. Como se explicó anteriormente, se
quiere obtener un diseño tanto funcional como estéticamente correcto al ser comparado
con la morfología de una mano humana común. Es imposible definir un solo tamaño de una
mano humana, es por esto por lo que el diseño propuesto contiene algunos parámetros
para ser modificado fácilmente en caso de ser necesario.
Figura 25. Libre movimiento de unión interfalángica
En la figura 25 se puede apreciar el movimiento relativo entre las falanges proximal y media
del diseño propuesto en este proyecto. Este movimiento se genera libre de colisiones al
igual que el movimiento relativo entre la falange media y distal.
Los parámetros que se tienen en cuenta para la adaptación de la mano a diferentes
proporcionalidades son 3 para palma: altura, ancho y espesor; y 2 para las falanges: largo y
diámetro. Es importante tener en cuenta que, al modificar estos parámetros, las funciones
de agarre van a cambiar también, sobre todo al momento de tener en cuenta la forma de
los objetos que se pretenden sujetar.
38
Posterior a la construcción del CAD y su respectivo análisis dinámico se procede a la
construcción física del prototipo. Tanto la palma como los dedos se realizan por medio de
la fabricación por adición, o comúnmente llamado impresión 3D. Se utiliza este proceso
debido a su relativo bajo costo y a su practicidad a la hora de fabricar geometrías complejas
como las que se tienen en este caso (Figura 26).
Figura 26. Dedo y palma elaborados por fabricación por adición
8.2 CONSTRUCCIÓN POLEAS
Las poleas cumplen un papel muy importante en el movimiento de los dedos. Estas
permiten la transmisión de la fuerza ejercida por el motor a través de todas las falanges y
por esto son de gran importancia para la subactuación de la mano robótica.
Para su diseño se tiene en cuenta el espacio que existe entre las falanges que van a ser
acopladas. Es importante que la polea se mueva libremente y evitar fricción o contacto con
las falanges. Para esto se deja un margen de error lo suficientemente amplio teniendo en
cuenta la rigidez de los dedos, pero también el espacio suficiente para el tamaño de las
poleas.
Después de revisar su funcionamiento en el ambiente de modelamiento CAD, se procede a
la construcción física. Esto se realiza por medio de corte laser para asegurar la precisión de
los diámetros de cada polea. Se procede realizando un plano de corte con los diferentes
diámetros teniendo en cuenta que las poleas se limitan a los extremos con tapas que evitan
que la cuerda se desvíe. Por esto se toma 1 mm de diferencia entre el radio efectivo de la
polea y sus tapas.
39
Puntos críticos-Reducción fricción
Puntos de sujeción
8.3 CONSTRUCCIÓN CUERPO FLOTANTE
El cuerpo flotante es uno de los elementos más importantes de la mano robótica. Gracias a
su funcionamiento se puede transmitir la fuerza del motor a todos los dedos de la mano de
tal forma que se distribuye equitativamente.
Para poder analizar su comportamiento en el espacio se realiza un análisis en el ambiente
de modelamiento CAD donde se verifica que se tenga el espacio suficiente en la palma para
poder realizar el cierre completo de todos los dedos. Para esto se analizan los casos
extremos donde se bloquea por completo el movimiento del dedo meñique y cuando se
bloquea por completo el movimiento del dedo índice. Este análisis se hace teniendo en
cuenta la longitud de la cuerda recogida en los casos extremos.
Para su construcción se utiliza nuevamente el corte laser para asegurar la precisión de las
medidas. En este caso es muy importante que las medidas sean correctas pues la fricción o
bloqueo con el resto de las piezas podría generar fuerzas y movimientos inadecuados de los
dedos lo cual llevaría a una sujeción errada.
En este caso se utilizan láminas de acrílico para su elaboración, tanto para la estructura
como para las poleas. Después de obtener las piezas del corte laser se hace un respectivo
acabado de las partes críticas donde se debe tener una fricción baja como por ejemplo el
espacio de los ejes. En este caso se realiza el respectivo proceso de pulido para minimizar
el efecto de la fricción y optimizar la trasmisión del movimiento.
Figura 27. Lamina cuerpo flotante
El ensamble del cuerpo flotante es relativamente sencillo. Las poleas se unen a los dos
puntos críticos superiores mientras que el punto crítico inferior va a servir para transmitir
la fuerza desde el motor. Un pin se mueve libremente por este espacio lo cual facilita la
adaptabilidad de la transmisión de fuerzas al momento de acoplarse la mano a diferentes
40
geometrías. Los puntos de sujeción sirven para la unión de las dos laminas (figura 27) para
poder generar una estructura robusta que soporte la carga de distintas configuraciones de
la mano.
8.4 ACOPLE MOTORES
La ubicación y acople de los motores DC a la mano robótica es de gran importancia para el
funcionamiento de esta. Para que se pueda transmitir de forma correcta la fuerza a cada
uno de los dedos, estos tienen que estar debidamente fijados pues se debe contrarrestar el
efecto de las fuerzas de reacción. Para esto se usa la estructura de la palma donde se
diseñan espacios especiales para el acople de los motores. Al cerrar las dos caras de la
palma, estas ejercen la presión suficiente para que los motores se mantengan fijos. Es
importante también tener en cuenta que el material del cual está hecha la palma debe
soportar las cargas generadas por el motor.
9. EXPERIMENTACIÓN CON PROTOTIPO
Para verificar la funcionalidad de la mano robótica es necesario realizar algunas pruebas
que ayudan a caracterizar la mano tanto de una forma cualitativa como de una forma
cuantitativa. Para este fin se construye un circuito que ayuda a controlar la mano y simula
el funcionamiento real de la mano. También se construye un banco de pruebas con el fin
de poder experimentar con la mano fijada a una estructura. Esto permite la
experimentación con distintos objetos de distintas formas y distintos pesos.
Con el fin de estudiar la cinemática de la mano se realiza un análisis del cierre de la mano
en un programa de análisis de video. Esto con el fin de poder caracterizar la mano de forma
cuantitativa.
9.1 CIRCUITO ON/OFF
Para la utilización de una mano robótica con fines prostéticos es necesaria la construcción
de un circuito relativamente complejo pues se debe tener en cuenta algún tipo de control
que sea alimentado con sensores de posición y fuerza. En el marco de este Proyecto se tiene
41
un enfoque especifico en el diseño mecánico de la mano por lo que se construye un circuito
relativamente sencillo que ayuda a comprobar el funcionamiento de la mano.
El diseño del circuito se enfoca en el funcionamiento de los motores DC que controlan el
movimiento de los dedos. En el caso del dedo pulgar se tiene un giro de 180° para una
apertura completa de este y 0° para regresar a su estado pasivo. En el caso de los dedos
Índice, medio, anular y meñique se debe tener que cuenta que el motor tiene que cambiar
su dirección de giro para poder volver a su estado pasivo. Por esto es necesario, ya que se
trata de un motor DC común, invertir la polaridad de la fuente de voltaje como se muestra
en la figura 28.
Figura 28. Circuito motores DC
Al cerrar los interruptores 1 y 2 se obtiene el cierre completo de los dedos Índice, medio y
anular, y meñique. Una vez que los dedos se adaptan a la forma del objeto y se obtiene una
sujeción segura, se bloquea el sistema gracias al acople del Sin fin-Corona. Para que el
sistema vuelva a su estado pasivo se tiene que liberar la fracción de la cuerda que ha sido
recogida y así poder soltar el objeto. Para este fin se tienen que cerrar los interruptores 3 y
4 lo cual llevara a un cambio en la polaridad en la entrada del motor. Para el funcionamiento
del dedo Pulgar se cierra el interruptor 5 el cual activa el Motor DC_Pulgar. Una vez
alcanzado su máximo desplazamiento, al seguir presionando este interruptor, se alcanza
nuevamente el estado pasivo del dedo pulgar. Es decir, movimiento completo del dedo
pulgar se tiene con un giro continuo del Motor DC_Pulgar
9.2 PRUEBAS
Con el fin de poder analizar el comportamiento de la mano robótica se construye un banco
de pruebas que permite el montaje de la mano sobre una estructura que la mantendrá fija.
Gracias a este sistema se logra probar el funcionamiento de la mano con objetos de
diferentes formas, tamaños y pesos.
42
9.2.1 BANCO DE PRUEBAS
Para la construcción del banco de pruebas se utilizaron dos láminas de madera. Después de
un proceso de manufactura se obtiene una estructura que sirve para la sujeción de la mano
con un espacio entre esta y la superficie suficientemente grande como para probar el agarre
de objetos con distintas formas.
Figura 29. Banco de pruebas
9.2.2 EXPERIMENTACIÓN SUJECIÓN
Gracias al banco de pruebas se logran hacer un gran número de videos y fotos que ayudan
a la documentación de la mano robótica. Para esto se prueba el agarre de la mano con
objetos de forma esférica, cilíndrica e irregular. Cumpliendo con el objetivo de este
proyecto de lograr un agarre grueso cilíndrico y esférico se muestran a continuación los
resultados obtenidos.
Para el agarre esférico se utilizó una pelota de espuma ligera. Como se muestra en la
siguiente figura se obtiene un agarre exitoso de este tipo de forma y a la vez una buena
distribución del contacto con las falanges de la mano.
43
Figura 30. Prueba agarre grueso esférico
Para la comprobación del agarre cilíndrico se utilizó una botella de agua comercial de 330
ml lo cual equivale a aproximadamente 330 g de masa. En este caso se obtiene nuevamente
un agarre exitoso y una buena distribución del contacto entre el objeto y las falanges de la
mano. Además, se pudo probar el efecto de la fricción generado por las falanges y la palma.
Como se explicó anteriormente, con el fin de aumentar la fricción entre la mano y los
objetos, que se quieren sujetar, se añaden resinas que ayudan a cumplir este objetivo.
Figura 31. Prueba agarre grueso cilíndrico
Con el fin de comprobar la adaptación de los dedos a diferentes formas se realizan pruebas
de agarre con objetos de formas irregulares como por ejemplo frutas y objetos de uso
cotidiano como tazas y campanas. En la figura 32 se puede apreciar el agarre exitoso de la
mano con los objetos anteriormente mencionados.
44
Figura 32. Prueba con objetos irregulares
Es importante resaltar que para ciertos objetos existen características de la mano que son
más importantes que otros. Por ejemplo, a la hora de agarrar la taza y el micrófono es muy
importante la forma de la mano como tal mientras que para el agarre de la campana es más
impórtate que el coeficiente se fricción sea alto. Gracias a estas pruebas se pueden
comprobar que las características físicas y mecánicas de la mano funcionan correctamente.
Además, gracias al bloqueo de la mano, no es necesario el uso de energía mientras se
sostiene el objeto lo cual hace que el agarre sea más eficiente.
9.2.3 ANÁLISIS CINEMÁTICO DEDO ÍNDICE
Con el fin de analizar el comportamiento cinemático de la mano robótica se realiza el
estudio de un cierre completo libre. Para esto se utiliza el programa de código abierto
Tracker, en el cual se sube un video grabado en cámara lenta a 240 fps. Inicialmente se
rastrea, en el programa, el movimiento de la falange proximal ya que su punto de referencia
se mantiene estático, el cual en este caso es la palma.
45
Gráfica 1. Posición angular falanges dedo índice
De la gráfica anterior se pueden obtener datos de posición angular de la falange proximal y
el tiempo requerido para su bloqueo final en un cierre libre. En este caso se obtiene un giro
máximo respecto a la palma de aproximadamente 60° y un tiempo de cierre de
aproximadamente 60 ms.
Tanto la falange media como la falange distal tienen un movimiento relativo respecto a la
falange anterior. Es decir, la falange media hace un giro relativo respecto a la falange
proximal y la falange distal hace un giro relativo respecto a la falange media. Por esta razón
se toman los datos con referencias dinámicas que permiten analizar el movimiento aislado
de cada falange. Para esto se centran las referencias en los puntos de unión de las falanges.
De la gráfica se pueden obtener datos relevantes del movimiento de la falange media
respecto a la falange proximal. Por ejemplo, se tiene un giro de aproximadamente 90° total
y un tiempo de cierre de aproximadamente 51 ms.
La falange distal tiene un comportamiento distinto al resto de las falanges pues alcanza una
posición angular negativa. Esto ocurre debido a las características del diseño del dedo índice
las cuales permiten una mejor adaptación de este con los objetos que se van a sujetar. En
este caso se tiene un giro total de aproximadamente 120° en un tiempo de cierre de
aproximadamente 51 ms.
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16Po
sici
on
an
gula
r [°
]
Tiempo [s]
Cierre dedo Índice
F. Proximal
F. Media
F. Distal
Datenreihen4
Datenreihen5
46
También se logra comprobar que la elasticidad de las uniones interfalángicas funciona
correctamente y llevan a un cierre exitoso como se explica en el capítulo 5.2. El cierre que
se obtiene no es discreto y mantiene un movimiento natural.
10. CARACTERISTICAS GENERALES DEL DISEÑO
Con el fin de caracterizar la mano robótica se realizan algunas pruebas que permiten
cuantificar las características de la mano. Una de las restricciones de diseño más
importantes es el peso de la mano. Este valor no puede ser demasiado alto pues limitaría el
movimiento natural de la persona afectada.
Otro factor importante es el precio final de manufactura. En este caso solo se tiene en
cuenta el valor de los materiales y los costos de producción sin tener en cuenta costos de
personal ni energéticos los cuales se toman como despreciables. En el contexto en el que
se desarrolla este proyecto se tiene en cuenta que la accesibilidad a una prótesis es un
problema social y económico por lo que se busca reducir los costos al máximo. Por esto el
resultado obtenido se califica como exitoso, pues al ser comparado como valores
comerciales de prótesis que cumplen funciones similares, se tiene que es notablemente
menor.
Otros valores que fueron cuantificados durante las pruebas realizadas como por ejemplo
tiempo requerido para el cierre total y los pesos máximos que puede soportar la mano en
dos configuraciones distintas de posición, también se muestran en la siguiente tabla.
Características de la mano
Peso neto 214 g
Fuente de energía 3,3 V Costo total aproximado del diseño 145000 COP
Costo total con electrónica 200000COP
Tiempo requerido para el cierre total
1,3 s
Peso máximo posición horizontal 250 g Peso máximo posición vertical 1,5 kg
Tabla 1. Características de la mano
47
11. CIRCUITO PROPUESTO CON SENSORES DE FUERZA
Con el fin de mejorar la electrónica del sistema se propone el diseño conceptual de un
circuito, el cual sirve para un funcionamiento más preciso de la mano. Hasta ahora el diseño
propuesto no contempla la retroalimentación de la fuerza aplicada por la mano al objeto.
Es por esto por lo que se incluye el parámetro de fuerza, el cual asegura un agarre más fino
y seguro.
En este caso se integran dos elementos electrónicos relevantes al sistema: sensores de
fuerza por presión y transistores. El primer elemento va a servir para tener una
retroalimentación del sistema y poder controlar el parámetro de fuerza por medio de la
potencia de los motores DC. Además, se incluye un microcontrolador, en este caso un
Arduino Uno, el cual por medio de señales PWM controla la potencia de cada uno de los
motores independientemente.
Un sensor muy popular y de fácil adaptación al Arduino es el sensor MF01. El
funcionamiento de este sensor es bastante sencillo. Al aplicarse una fuerza sobre este, se
cambia el valor nominal de su resistencia, lo cual se verá reflejado en un cambio en el
voltaje. El valor de este voltaje se lee en los puertos análogos del Arduino y sirve como
entrada para la variación de las señales PWM de los puertos 3 y 11 del Arduino. Al ser
requerida una fuerza de mayor magnitud se aumenta el valor de la señal para que el motor
siga funcionando.
Este sensor se podría adaptar con facilidad a la yema de las falanges distales de cada uno
de los dedos. Como esta falange es la última en entrar en contacto con el objeto, tiene
sentido tener una retroalimentación de esta fuerza. Es importante tener en cuenta que el
sensor debe situarse detrás de las yemas de goma pues no se quiere comprometer el efecto
de la fricción.
48
Figura 33. Circuito con microcontrolador. Realizado en Matlab-Simulink
En este caso el proceso de apertura todavía se tiene que realizar de forma manual pues el
motor tiene que girar en sentido contrario. Una solución podría ser el uso de servomotores
que simplifican el proceso de control y facilitan el cambio de dirección de este.
49
12. RECOMENDACIONES
En este espacio se nombrarán y explicarán algunas recomendaciones para próximos
proyectos que traten este tema. Aunque en este proyecto se obtuvieron resultados
satisfactorios es importante resaltar aspectos que podrían elaborarse de una forma distinta
para llegar a un resultado mejor.
• Como primera recomendación se propone la implementación de sensores que
ayuden a controlar de una forma más precisa la mano. En este proyecto se utilizó
un circuito on/off que ayudo a probar las propiedades mecánicas de la mano. Sin
embargo, a la hora de ser implementada en un caso real, es necesario tener una
retroalimentación. Por un lado, se recomienda usar sensores de fuerza que ayuden
a cuantificar la sujeción de la mano (capítulo 11) y por otro lado un sensor de
posición que ayude a la retroalimentación del cierre de la mano. Es decir que sirva
para tener una medida de posición de los dedos con el fin de controlar el cierre de
una forma más efectiva.
• Otra recomendación que se quiere dejar es la realización de un modelo dinámico de
la mano subactuada. Por cuestiones de tiempo no fue posible realizar este modelo
en el marco del proyecto. Sin embargo, se entendió la necesidad y potencial que
este tipo de modelos podría brindar a estos proyectos. Con este se podrían optimizar
valores de longitudes cinemáticas de las falanges o también los valores de rigidez de
las uniones interfalángicas.
• Otra recomendación que se puede hacer es optimizar el movimiento del dedo
pulgar. Una mejoría que se puede aplicar es la habilitación de la articulación
interfalángica en este dedo. Esto ayudaría a generar un cierre mucho más seguro y
adaptable a diferentes formas. Por otro lado, también se recomienda cambiar el
sistema de cierre de este dedo. Una mejoría podría ser que el cierre del dedo se
realice gracias al motor y no al elemento elástico que lo hace ahora. De esta forma
se podría generar una fuerza mayor de agarre por parte de este dedo.
50
13. CONCLUSIONES
• La mano funciona bastante bien en sujeciones gruesas cilíndricas y esféricas y logra
adaptarse efectivamente a objetos con geometrías irregulares. El sistema de
tendón-Polea hace que los dedos se acoplen a distintos objetos y el efecto de
fricción de la silicona utilizada permite la sujeción de objetos más pesados.
• Con respecto al precio se puede decir que se obtuvo un resultado bastante exitoso
pues es inferior al precio de una prótesis tipo gancho. Esto quiere decir que las
personas que actualmente solo podían acceder a este tipo de prótesis podrían ahora
utilizar este nuevo diseño.
• Como se explicó anteriormente no es posible determinar un tamaño genérico de la
mano de una persona. Por esto, el diseño obtenido es adaptable a diferentes
tamaños dependiendo de las facciones o edad del afectado. Para esto se encuentran
parametrizadas ciertas dimensiones de la palma y los dedos.
• El sistema de subactuación de la mano permite una fácil adaptación de los dedos a
distintas formas dependiendo del objeto. Gracias al cuerpo flotante se logra una
disminución en pérdidas por fricción y este permite también una buena distribución
de la fuerza aplicada por el motor.
51
14. REFERENCIAS 1. Flower Sánchez, Andrés . Desarrollo del prototipo de una mano robótica prensil. Bogotá : Tesis
pregrado, Departamento de Ingenieria Mecánica. Universidad de los Andes., 2004.
2. Estadística-DANE, Departamento Administrativo Nacional de. Grupo de Discapacidad. Bogotá :
s.n., 2008.
3. Barouti, Henri, Agnello, Mathieu y Volckmann, Pierre. Amputations du membre supérieur-
Amputaciones del miembro superior. Paris : s.n., 1998.
4. Birglen, Lionel, Laliberté, Thierry y Gosselin, Clemént . Underactuated robotic hands. Berlin :
Springer, 2008.
5. Fillauer. Lyre Shape Finger Hooks. [En línea] 20 de 04 de 2015. http://fillauer.com/Upper-
Extremity-Prosthetics/body-powered-systems/hooks/lyre-shape-finger-hooks/index.html.
6. Camargo, Jonathan. Mano robótica prensil controlada por señal mecanográfica. Bogotá : Tesis
pregrado, Departamento de Ingenieria Mecánica. Universidad de los Andes., 2009.
7. Sánchez, Juliana. Prótesis funcional de mano con control y retroalimentación de fuerza. Bogotá :
Tesis pregrado, Departamento de Ingenieria Mecánica. Universidad de los Andes., 2014.
8. Quinayás Burgos, César Augusto, y otros, y otros. Diseño y construcción de la prótesis robótica
de mano UC-1. SciElo. [En línea] 17 de 7 de 2010. [Citado el: 25 de 04 de 2015.]
http://www.scielo.org.co/pdf/inun/v14n2/v14n2a01.pdf.
9. Adee, Sarah. Dean Kamen's "Luke Arm" Prosthesis Readies for Clinical Trials. IEEE-spectrum. [En
línea] 1 de 2 de 2008. [Citado el: 20 de 04 de 2015.]
10. Murray, Craig D. Amputation, Prothesis use and Phantom Pain. New York : Springer, 2010.
11. Boada Ortiz, Eduardo. Diseño y construción de una prótesis eléctrica para miembro superior.
Bogotá : Tesis maestria, Departamento de Ingenieria Mecánica.Universidad de los Andes., 1996.
12. Taylor, Craig L, and Robert J Schwarz. "The Anatomy and Mechanics of the Human Hand."
Digital Resource Foundation. Web. 2 Feb. 2015.
<http://www.oandplibrary.org/al/1955_02_022.asp>.
13. M.R. Morro Martí, M. Llusá Pérez, A. Carrera Burgaya, P. Forcada Calvet y A. Mustafa Gondolbeu. "Anatomía aplicada a la cirugía de los tendons flexores". Revista Iberoamericana de cirugía de la mano. 2015
52
ANEXO: PLANOS
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
A A
B B
C C
D D
E E
F F
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A2
11 1
1:1Ensamble ManoObservaciones:
- Ensamble, de los dedos meñique, anular y medio, sigue el mismo procedimiento del dedo índice
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
1
6
4
5
7
2
3
22
24
15
16
17
7
20
21
14
13 12 11
2930
27
25
26
28
28
10
9
8
19
23
4
10
18
Lista de partesNo. Pieza Nombre de pieza Cantidad Plano/Descripción
1 Falange distal 4 22 Falange media 4 33 Falange proximal 4 44 Yema dedo 14 115 Polea interfalángica 13 86 Articulaciones interfalángicas 12 117 Pin union falanges 13 n/a8 Palma posterior 1 59 Soporte Metacarpofalángico 1 1010 Tornillos 5 n/a11 Soporte sistema recolección cuerda 1 n/a12 Corona 1 n/a13 Eje 1 n/a14 Tapa corona 1 n/a15 Soporte motor 1 1 n/a16 Motor 1 1 n/a17 Motor 2 1 n/a18 Soporte motor 2 1 n/a19 Palma superior 1 620 Tonillos palma 8 n/a21 Palma EcoFlex 1 n/a22 Tuercas palma 8 n/a23 Dedo pulgar 1 924 Tendón pulgar 1 n/a25 Cuerpo fotante: Pin cuerda 1 n/a26 Cuerpo flotante: Tuercas 2 n/a27 Cuerpo flotante: Pin poleas 2 n/a28 Cuerpo flotante: Tapa 2 729 Cuerpo flotante: Tornillos 2 n/a30 Cuerpo flotante: Poleas 2 n/a
5
SECTION F-FSCALE 1 : 1
F
F
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A4
11 2
1:1Falange distalObservaciones:
-Material: PLA
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
45.0°
2.0n
n1.5
n e
i
5.0
ng
h
f
a
d
c
R8.0
Dimensiones Falange Distal 4 dedos [mm]Dimensiones Meñique Anular Medio Indice
a 29,25 30 30,0 30,0b 6,5 9 9 9c 33,5 35,5 35,5 35,5d 12,5 14,5 14,5 14,5e 10,5 13 13 13f 8,5 11 11 11g 14 16 16 16h 10 10 10 10i 1 1 1 1j 4,25 5,5 5,5 5,5k 4,25 5,5 5,5 5,5l 2 2 2 2
bj
k
l
1.5
SECTION G-GSCALE 1 : 1
G
G
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A4
11 3
1:1Falange mediaObservaciones:
-Material: PLA
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
Dimensiones Falange Media [mm]Dimensiones Meñique Anular Medio Indice
a 16,25 21 24,5 21b 25,25 32,5 36 32,5c d 4 5 5 5e 2 2 2 2f 12,5 14,5 14,5 14,5g 5,75 7 7 7h 10 11 11 11i 8,5 11 11 11j 7 7 7 7k 4,25 5,5 5,5 5,5l 7 10 10 10m 2,75 1,5 5 1,5n 4,75 6 6 6o 5 5 5 5p 2 2 2 2q 9,5 12 12 12r 7,5 9 9 9s 5 5 5 5t 1 1 1 1u 4 2 3 2
h
a b
Rd
p u
s
tRr
f
ll
o
n
nk
k
q
j
Rge
m
i
SECTION H-HSCALE 3:2
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
A A
B B
C C
D D
H
H
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A3
11 4
1:1Falange proximalObservaciones:
-Material: PLA
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
Dimensiones Falange Media [mm]Dimensiones Meñique Anular Medio Indice
a 44 48 44b 56,5 60,5 56,5c 11 11 11d 5,5 5,5 5,5e 1,5 1,5 1,5f 2 2 2g 12 12 12h 12 12 12i 4,5 4,5 4,5j 2 2 2k 7 7 7l 6 6 6m 6 6 6n o 10 10 10p 10 10 10q 6,5 6,5 6,5r 5 5 5s 6,5 6,5 6,5t 2 2 2u 13 13 13v 10 10 10w 5 5 5x 1 1 1y 3 3 3
a b
f
Rd
Rr
nel
m
q
s
v
t
y
w
x
po
u
g
h
kj
i
c
DETAIL JSCALE 2 : 1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
A A
B B
C C
D D
E E
F F
J
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A2
11 5
1:1Palma posteriorObservaciones:
-Material: PLA
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
37.7
54.3
57.5
65.0 7.5
24.026.0
28.0
34.7
29.0
124.5
0.0
45.050.0
65.0
R25.0
10.5
R12.5
1.0
8.0 3.0
3X n1.5 x 2.0
0.0
13.0
15.5
18.5
23.0
36.0 40
.5
47.0
60.0
66.5
71.0
84.0
88.0
8.5
16.0 15.8
5.3
10.3
15.3
R150.0
R5.0R4.0
5.0
1.02.0
8X
68.5
114.5
10.0
30.0
84.5
114.5
5.6
8.0
SECTION K-KSCALE 3 : 1
DETAIL LSCALE 3 : 1
SECTION M-MSCALE 3 : 1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
A A
B B
C C
D D
E E
F F
K
K L
MM
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A2
11 6
1:1Palma superiorObservaciones:
-Material PLA
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
92.0
65.0
20.0
56.84.1 4.1
15.0
30.0
R30.0
R15.0
R10.0
R30.0
46.0 57
.0
52.0
40.4
82.05.0
5.0
120.0°
8.0
14.2
R1.0
6.0 3.0
4.5
5.0 3.0
2.6
R5.0
R1.0
R25.02X
39.5
50.07.5 7.53.2
29.0
135.0°
80.06.0 6.0
13.0
20.0
3.0
8X n3.5 x 13.0
8X n6.0 x 3.0
R11.5
2.0
R4.0R4.0
R12.5
11.0
5.5
12.0
4.5
R4.0
13.020.0
3.5
15.0
3.0
n1.5 THRUR3.5
4.0
3.0
124.
5
6.25.0
R2.0
10.0
6.0
10.0
60.0
5.0
2X
21.4
15.0
2X
37.5
22.5
7.5
45.0
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A4
11 7
2:1Estructura cuerpo flotanteObservaciones:
-Material: Acrílico
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
15.0
47.5
50.5
R107.8
60.0
3.0
2.0
3.0
4.3
5.0
6.3 6.3
R7.04X
n3.0 x Pasante
6.0
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A4
11 8
2:1Poleas Interfalángicas y metacarpofalángicasObservaciones:
-Material: Acrílico
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
a
b
ne x Pasante
d
c
d
Dimensiones de poleas Metacarpofalángica (PM) y poleas Interfalángicas Proximal (PIP) y DistDedo Dimensión a b c d e
Meñique PM 8,5 7,5 3 1 1,5PIP 7,5 6,5 3 1 1,5PI 6,5 5,5 3 1 1,5
Anular PM 11 10 3 1 1,5PIP 10 9 3 1 1,5PI 9 8 3 1 1,5
Medio PM 11 10 3 1 1,5PIP 10 9 3 1 1,5PI 9 8 3 1 1,5
Indice PM 11 10 3 1 1,5PIP 10 9 3 1 1,5PI 9 8 3 1 1,5
Pulgar PIP 6 5 3 1 1,5
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A4
11 9
1:1Dedo PulgarObservaciones:
-Material: PLA
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
20.0
3.0
55.0
52.4
12.54.5
R3.0
R10.0
2.0 2.0
7.0
16.010.522
.07.50
R5.0
R8.0R8.0
R3.0
n1.5 x PASANTE
1.0 3.0
2.0
165.0°
R5.0
4.04.0
80.9
3.0
1.0
4.6
8.0
SECTION W-WSCALE 2:1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
A A
B B
C C
D D
E E
F F
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A2
11 10
1:1Soporte metacarpofalángicoObservaciones:
-Material PLA-Empalme superior de 5 mm sobre toda la pieza
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
W
W
1.5
4.0
17.0 19
.522
.527
.0
40.0 44.5
51.0
56.5
58.5 64
.0
75.0
88.0
4.88.6
13.612.6
12.3
12.9
23.3
45.5
69.5
13.3
13.0
R5.0
R3.6
R4.0
R150.0
R4.0
0.8
4.8
13.0
1.5
1.51.5 1.5
1.5 1.5
1.5
1.5
20.23.
0
2.9
2.0 2.0 2.0 2.0
9.5 21.0 22.0 22.0 9.5
R4.0
R4.0
20.8
R5.0
Ø1.5
R3.0
5.36.
55.
0
3.1
6.0
3Xn1.5 x PASANTE
SECTION N-NSCALE 1 : 1
SECTION P-PSCALE 1 : 1
N
N
P P
Universidad de los AndesFacultad de Ingeniería-Departamento de Ingeniería Mecánica
Proyecto: Diseño y construcción de mano robótica prensil con fines prostéticosAutor: Gustavo Zapata
Profesor asesor: Jonathan Camargo M.ScTitulo plano:
Fecha: Julio 2015
Plano No. de
Escala:A4
11 11
1:1Moldes EcoFlexObservaciones:
-Material: PLA
-Todas las dimensiones en [mm] y angulos en [°] a menos que se indique lo contrario-Toleracias: ±0,2mm y ±1° respectivamente
21.5
35.5
72.030
.023
.56.5
22.0
8.0
19.5
10.5
26.5
5.0
40.5
7.0
1.53.5
5.5
R23.4
R4.6
R25.3
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
5.0
25.0
35.0
30.0
5.0
3.5
Molde Yemas Molde Tendones