Diseño y construcción de un exoesqueleto maestro de brazo para controlar un manipulador virtual tipo antropomórfico de 5 grados de libertad
La integración de humanos y dispositivos robóticos en un sistema híbrido en la actualidad nos ofrece una amplia gama de oportunidades para desarrollar una nueva generación de tecnologías para usar en aplicaciones biomédicas, espaciales, industriales y de investigación. Esta integración se ha potenci...
- Autores:
-
Silva Gualdrón, Javier Alberto
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2014
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/1585
- Palabra clave:
- Mechatronic Engineering
Exoskeleton
Robotics
Design and construction
Investigations
Analysis
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- openAccess
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La integración de humanos y dispositivos robóticos en un sistema híbrido en la actualidad nos ofrece una amplia gama de oportunidades para desarrollar una nueva generación de tecnologías para usar en aplicaciones biomédicas, espaciales, industriales y de investigación. Esta integración se ha potenciado con los avances en la miniaturización de sensores, la computación móvil, y el desarrollo de sistemas de actuación optimizados, además, con el desarrollo de elementos de almacenamiento de energía que proporcionan gran autonomía, se ha fomentado un creciente interés en tecnologías portátiles basadas en sistemas robóticos. La incorporación de nuevas estrategias de control biológicamente inspiradas, basadas en el modelo humano, para el control de dichos dispositivos robóticos posibilitará la interacción humano-robot de forma más natural. Este proyecto propone la construcción de un exoesqueleto maestro de brazo para controlar un manipulador virtual de tipo antropomórfico con 5 grados de libertad, el exoesqueleto de brazo será diseñado en SOLIDWORKS, este contara con un sensor de peso y un display LCD en la parte de la mano, el cual mostrara el peso del objeto que esta sostenga, también se contara con servo- motores digitales con retroalimentación ya que estos tienen la capacidad de controlar su velocidad, posición, entre otras. El algoritmo de control de posición de cada servo puede ajustarse individualmente, permitiendo control retroalimentado de variables como la velocidad y la Carga y Cada servomotor tiene un micro-controlador con el cual se fijan o leen parámetros que definen su comportamiento. El manipulador es virtual de tipo antropomórfico de 5 grados de libertad el cual cuenta con una interfaz gráfica desarrollada en BLENDER, el cual es un programa informático que permite modelado, iluminación, renderizado, animación y creación de gráficos tridimensionales. En conclusión el exoesqueleto deberá enviar al ordenador la lectura de su posición y que esta posición sea mostrada en la interfaz virtual del manipulador desarrollada, es decir es un exoesqueleto según su aplicación de tipo dispositivo maestro de tele-operación que comprende el conjunto de tecnologías que permiten a un operador la realización de tareas a distancia, teniendo su aplicación específica en el desarrollo de tareas en entornos que conlleven un riesgo al operador o bien sean inaccesibles por éste. |
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Silva, Javier (2014). Diseño y construcción de un exoesqueleto. Bucaramanga (Santander, Colombia) : Universidad Autónoma de Bucaramanga UNAB Prototipo de un robot tipo puma de seis grados de libertad, autores. Peña pardo Alfonso gonky, Perez Samiento Juan Guillermo y Suarez Saavedra Marco. UIS 2005. Diseño y construcción de un brazo robótico, Autor: Cesar Rolando Batz Saquimux. Universidad de san carlos de Guatemala 2005. Simulador de un manipulador de 6 grados de libertad Jose T. Scarpati, Luis E. Rodríguez, Carmen M. MillIer-Karger. Andres L. Granados. Division de Fisica y Matematieas, Departamento de Mec:inica. Universidad Simon Bolivar, Valle de Sanenejas, Edo Miranda,Venezuela. Diseño y fabricación de un brzo robot de cinco grados de libertad articulado verticalmente, autores. Luigi , Barriga, Benjamin C., Domínguez, Daniel. Pontificia universidad católica del Perú 2007. Diseño propio y Construcción de un Brazo Robótico de 5 GDL, Autores: Martínez A. Gloria M., Jáquez O. Sonia A., Rivera M. José y Sandoval R. Rafael. RIEE&C 2008. Modelado y análisis de un brazo mecánico, Autor: Jesus Jabonero Gamarra. Universidad Carlos III de Madrid 2010. Movimiento del brazo humano: de los tres planos a las tres dimensiones, Autores: Carlos F. Rodríguez, Hugo Quintero, Helena Aschner. Universidad de los Andes, Bogotá D.C. 2005. Exoesqueletos para potenciar las capacidades humanas y apoyar la rehabilitación, Autor: Manuel Alejandro Chávez CardonaΨ, Felipe Rodríguez Spitia, Asfur Baradica López Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Grupo de Investigación PSI, Universidad del Valle, Colombia 2010. Diseño de un exoesqueleto mecatrónico de brazo basado en screws y robots paralelos Autor: D. Tibaduiza, N. Chio, J.M. Grosso y M. Anaya. Diseño de un exoesqueleto de miembro superior Autor: Alfredo Jose Sanabria Universidad Manuela Beltran Ingenieria Biomedica 2012. Tracking Control in an Upper Arm Exoskeleton with Differential Flatness Autor: E. Y. Veslin, M. Dutra, J. Slama, O. Lengerke and M. J. M. Tavera Universidad de Boyacá, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Universidad Autónoma de Bucaramanga Colombia Brazil Implementacion de la Sensorica para un exoesqueleto pasivo de miembros inferiores Autor: Ivan Adrian Mendoza Diusaba Universidad Militar Nueva Granada 2011 Sistemas de Captura de Movimiento - EXOCAP Autor Mauricio Gómez , Ing. Electrónico. John Nicholls Anzola, Ing. Electrónico. Daniel Barrero, Ing. Sistemas, PhD. Capitulo 2 TECNOLOGIA HAPTICA. http://htid3.files.wordpress.com/2013/04/tecnologia-haptica.pdf |
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Esta integración se ha potenciado con los avances en la miniaturización de sensores, la computación móvil, y el desarrollo de sistemas de actuación optimizados, además, con el desarrollo de elementos de almacenamiento de energía que proporcionan gran autonomía, se ha fomentado un creciente interés en tecnologías portátiles basadas en sistemas robóticos. La incorporación de nuevas estrategias de control biológicamente inspiradas, basadas en el modelo humano, para el control de dichos dispositivos robóticos posibilitará la interacción humano-robot de forma más natural. Este proyecto propone la construcción de un exoesqueleto maestro de brazo para controlar un manipulador virtual de tipo antropomórfico con 5 grados de libertad, el exoesqueleto de brazo será diseñado en SOLIDWORKS, este contara con un sensor de peso y un display LCD en la parte de la mano, el cual mostrara el peso del objeto que esta sostenga, también se contara con servo- motores digitales con retroalimentación ya que estos tienen la capacidad de controlar su velocidad, posición, entre otras. El algoritmo de control de posición de cada servo puede ajustarse individualmente, permitiendo control retroalimentado de variables como la velocidad y la Carga y Cada servomotor tiene un micro-controlador con el cual se fijan o leen parámetros que definen su comportamiento. El manipulador es virtual de tipo antropomórfico de 5 grados de libertad el cual cuenta con una interfaz gráfica desarrollada en BLENDER, el cual es un programa informático que permite modelado, iluminación, renderizado, animación y creación de gráficos tridimensionales. En conclusión el exoesqueleto deberá enviar al ordenador la lectura de su posición y que esta posición sea mostrada en la interfaz virtual del manipulador desarrollada, es decir es un exoesqueleto según su aplicación de tipo dispositivo maestro de tele-operación que comprende el conjunto de tecnologías que permiten a un operador la realización de tareas a distancia, teniendo su aplicación específica en el desarrollo de tareas en entornos que conlleven un riesgo al operador o bien sean inaccesibles por éste.1. OBJETIVOS 9 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 9 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN 10 3. INTRODUCCIÓN 11 4. MARCO TEÓRICO 12 4.1 ¿QUE ES UN MANIPULADOR? 12 4.2 TIPOS DE ROBOTS SEGÚN SUS EJES 12 4.3 TIPOS DE ARTICULACIONES ROBÓTICAS 14 4.4 MODELO DEL BRAZO HUMANO 15 4.5 MOVIMIENTOS REALIZADOS POR EL BRAZO HUMANO 17 4.6 ¿QUE ES UN EXOESQUELETO? 18 4.7 CLASIFICACIÓN DE LOS EXOESQUELETOS 19 4.8 APLICACIONES DE LOS EXOESQUELETOS ROBÓTICOS 20 4.9 QUE ES HÁPTICA? 20 4.10 ANTROPOMETRÍA 21 4.11 ACTUADORES Y SENSORES 21 4.11.1 ACTUADORES 21 4.11.2 ACTUADORES ELÉCTRICOS 22 4.11.2.1 TIPOS DE SERVOMOTORES 23 4.10.2.2 PARTES DE UN SERVOMOTOR 23 4.11.3 SENSORES 25 5. SELECCIÓN DE SENSORES Y ACTUADORES 29 6. INSTRUMENTACIÓN SELECCIONADA PARA LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO 31 6.1 SERVOMOTOR CDS5516 31 6.2 SENSOR DE FUERZA PIEZO CUADRADO 10 KG 32 6.3 LCD ALFANUMÉRICA 4*20 AZUL 32 6.4 ACELERÓMETRO DE 3 EJES MMA7361 33 7. ESTADO DEL ARTE 34 7.1 MANIPULADORES 34 7.2 EXOESQUELETOS 35 8. Hand Exoskeleton Haptic Display 35 9. GUANTES CON FEEDBACK DE FUERZA CYBERGRASP IMMERSION CO: 36 10. REWALK 36 11. REX 37 12. HAL (HYBRID ASSISTIVE LIMB) 37 12.1 DISPOSITIVOS HÁPTICOS 39 13. DISPOSITIVO HÁPTICO NOVINT FALCON 39 14. DISPOSITIVO HÁPTICO PHANTOM OMNI 39 15. GUANTE TACTIL CYBERTOUCH 40 16. EXOESQUELETO HÁPTICO SARCOS 40 17. DISEÑO METODOLÓGICO 42 18. ESQUEMA METODOLÓGICO 43 19. CRONOGRAMA 44 20. DESARROLLO DEL PROYECTO 45 20.1 Boceto 45 20.2 DISEÑO EN CAD 47 20.3 DISEÑO FINAL 54 20.4 Cinemática directa 68 20.5 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO 70 20.6 RECEPCIÓN DE LA SEÑAL DE LOS SENSORES Y ENVIÓ DE LOS DATOS PARA REALIZAR EL MOVIMIENTO EN EL ENTORNO VIRTUAL. 71 20.7 C-SHARP (RECEPCIÓN DE LOS DATOS DE ARDUINO) 72 20.8 MODELO DE REALIDAD VIRTUAL EN BLENDER 72 20.9 SOFTWARE UNITY 73 21. CONCLUSIONES 75 22. BIBLIOGRAFÍA 76 23. ANEXOS 78 23.1 PLANOS 78 23.2 CONEXIÓN CIRCUITO ELÉCTRICO 92 23.3 CODIGO ARDUINO 94 23.4 CODIGO C SHARP 99PregradoThe integration of human and robotic devices in a hybrid system today offers us a wide range of opportunities to develop a new generation of technologies for use in biomedical, space, industrial and research applications. This integration has been enhanced with advances in the miniaturization of sensors, mobile computing, and the development of optimized actuation systems, in addition, with the development of energy storage elements that provide great autonomy, a growing interest in portable technologies based on robotic systems. The incorporation of new biologically inspired control strategies, based on the human model, for the control of these robotic devices will enable human-robot interaction in a more natural way. This project proposes the construction of a master arm exoskeleton to control a virtual manipulator of anthropomorphic type with 5 degrees of freedom, the arm exoskeleton will be designed in SOLIDWORKS, it will have a weight sensor and an LCD display in the part of the hand, which will show the weight of the object it is holding, there will also be digital servo motors with feedback since they have the ability to control their speed, position, among others. The position control algorithm of each servo can be individually adjusted, allowing feedback control of variables such as speed and load and Each servo motor has a micro-controller with which parameters that define its behavior are set or read. The manipulator is virtual of the anthropomorphic type of 5 degrees of freedom which has a graphical interface developed in BLENDER, which is a computer program that allows modeling, lighting, rendering, animation and creation of three-dimensional graphics. In conclusion, the exoskeleton must send the reading of its position to the computer and that this position is shown in the virtual interface of the developed manipulator, that is, it is an exoskeleton according to its application of the master tele-operation device type that includes the set of technologies that They allow an operator to perform tasks remotely, having their specific application in the development of tasks in environments that pose a risk to the operator or are inaccessible by the operator.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDiseño y construcción de un exoesqueleto maestro de brazo para controlar un manipulador virtual tipo antropomórfico de 5 grados de libertadDesign and construction of a master arm exoskeleton to control an anthropomorphic type virtual manipulator with 5 degrees of freedomIngeniero MecatrónicoBucaramanga (Colombia)UNAB Campus BucaramangaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronic EngineeringExoskeletonRoboticsDesign and constructionInvestigationsAnalysisHybrid systemsBiomedical applicationsMobile computingIngeniería mecatrónicaExoesqueletoRobóticaDiseño y construcciónInvestigacionesAnálisisSistemas híbridosAplicaciones biomédicasComputación móvilSilva, Javier (2014). Diseño y construcción de un exoesqueleto. Bucaramanga (Santander, Colombia) : Universidad Autónoma de Bucaramanga UNABPrototipo de un robot tipo puma de seis grados de libertad, autores. Peña pardo Alfonso gonky, Perez Samiento Juan Guillermo y Suarez Saavedra Marco. UIS 2005.Diseño y construcción de un brazo robótico, Autor: Cesar Rolando Batz Saquimux. Universidad de san carlos de Guatemala 2005.Simulador de un manipulador de 6 grados de libertad Jose T. Scarpati, Luis E. Rodríguez, Carmen M. MillIer-Karger. Andres L. Granados. Division de Fisica y Matematieas, Departamento de Mec:inica. Universidad Simon Bolivar, Valle de Sanenejas, Edo Miranda,Venezuela.Diseño y fabricación de un brzo robot de cinco grados de libertad articulado verticalmente, autores. Luigi , Barriga, Benjamin C., Domínguez, Daniel. Pontificia universidad católica del Perú 2007.Diseño propio y Construcción de un Brazo Robótico de 5 GDL, Autores: Martínez A. Gloria M., Jáquez O. Sonia A., Rivera M. José y Sandoval R. Rafael. RIEE&C 2008.Modelado y análisis de un brazo mecánico, Autor: Jesus Jabonero Gamarra. Universidad Carlos III de Madrid 2010.Movimiento del brazo humano: de los tres planos a las tres dimensiones, Autores: Carlos F. Rodríguez, Hugo Quintero, Helena Aschner. Universidad de los Andes, Bogotá D.C. 2005.Exoesqueletos para potenciar las capacidades humanas y apoyar la rehabilitación, Autor: Manuel Alejandro Chávez CardonaΨ, Felipe Rodríguez Spitia, Asfur Baradica López Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Grupo de Investigación PSI, Universidad del Valle, Colombia 2010.Diseño de un exoesqueleto mecatrónico de brazo basado en screws y robots paralelos Autor: D. Tibaduiza, N. Chio, J.M. Grosso y M. Anaya.Diseño de un exoesqueleto de miembro superior Autor: Alfredo Jose Sanabria Universidad Manuela Beltran Ingenieria Biomedica 2012.Tracking Control in an Upper Arm Exoskeleton with Differential Flatness Autor: E. Y. Veslin, M. Dutra, J. Slama, O. Lengerke and M. J. M. Tavera Universidad de Boyacá, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Universidad Autónoma de Bucaramanga Colombia BrazilImplementacion de la Sensorica para un exoesqueleto pasivo de miembros inferiores Autor: Ivan Adrian Mendoza Diusaba Universidad Militar Nueva Granada 2011Sistemas de Captura de Movimiento - EXOCAP Autor Mauricio Gómez , Ing. Electrónico. John Nicholls Anzola, Ing. Electrónico. Daniel Barrero, Ing. Sistemas, PhD.Capitulo 2 TECNOLOGIA HAPTICA. http://htid3.files.wordpress.com/2013/04/tecnologia-haptica.pdfORIGINAL2014_Tesis_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf2014_Tesis_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdfTesisapplication/pdf6161151https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/1585/1/2014_Tesis_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf378364902cb37533ae196ea54aaf6de8MD51open access2014_Video_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.zip2014_Video_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.zipVideoapplication/octet-stream7431515https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/1585/2/2014_Video_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.zip4974250d2367455bfeff30f82ac835e7MD52open access2014_Presentacion_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf2014_Presentacion_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdfPresentaciónapplication/pdf1130112https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/1585/3/2014_Presentacion_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf4fa8bbc9a105bf33af21101d277de64bMD53open access2014_Anexos_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.zip2014_Anexos_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.zipAnexosapplication/octet-stream194718282https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/1585/4/2014_Anexos_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.zipa642a54a122aaf9dea3310265a8c603cMD54open accessTHUMBNAIL2014_Tesis_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf.jpg2014_Tesis_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg4650https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/1585/5/2014_Tesis_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf.jpg3fe5445ffb3e27a0fca0740112a8ff71MD55open access2014_Presentacion_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf.jpg2014_Presentacion_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10945https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/1585/6/2014_Presentacion_Silva_Gualdron_Javier_Alberto.pdf.jpg6f250bbfdc901d615beebb99c347c62cMD56open access20.500.12749/1585oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/15852024-01-21 10:39:46.93open accessRepositorio Institucional | Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABrepositorio@unab.edu.co |