Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Prótesis robóticas: Reproduciendo la forma y funciones de partes del cuerpo humano.


Dr. Marco Antonio Oliver Salazar
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Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik
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M. en C. Fabio Abel Aguirre Cerrillo
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M. en C. Ernesto Cancino Cruz
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Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET)

El postgrado en mecatrónica del Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), busca formar investigadores capaces de desarrollar proyectos para cubrir los requerimientos de la industria y de la sociedad. Una de las líneas de investigación de la maestría en mecatrónica del CENIDET es la robótica. A 8 años de haberse iniciado esta maestría, se han alcanzado logros importantes en robótica, acortando el retraso tecnológico con respecto a otros países.

Desde los inicios de la robótica, el hombre ha buscado reproducir la forma y funcionalidad de partes del cuerpo humano, para sustituir a personas en la realización de actividades repetitivas, de gran precisión, tediosas o peligrosas. El CENIDET cuenta con proyectos de investigación encaminados hacia este fin. Una parte del cuerpo humano de especial atención es la mano, debido a su versatilidad como una extremidad imprescindible para realizar diversas tareas cotidianas.Imagen activa.

El desarrollo de manos robóticas que se asemejen fielmente a la mano humana ha sido y es un reto para los investigadores. Los avances alcanzados utilizando servomotores como elemento motriz, así como bandas, poleas y engranes como elementos de transmisión de fuerzas han dado resultados importantes en esta área. Una muestra de esto es la mano robótica llamada mano cenidet, diseñada con una muñeca fija y que consta de 4 dedos que realizan movimientos de flexión, extensión, abducción y aducción (4 grados de libertad por dedo). Esta mano fue diseñada y construida totalmente por esta Institución con la colaboración del Centro Nacional de Actualización Docente (CNAD).

Sin embargo, aún cuando los avances en manos robóticas han sido significativos, prevalece una gran diferencia entre una mano humana y una robótica, en especial debido a los elementos motrices y de transmisión de fuerza que en el ser humano son los músculos biológicos y los tendones, respectivamente. Estos elementos del ser humano no guardan una similitud con los servomotores, bandas, poleas y engranajes usados en la mayoría de las manos robóticas desarrolladas en el mundo.

Con los conocimientos adquiridos en la construcción de este proyecto y buscando evolucionar a una mano que se asemeje más a la humana, el CENIDET desarrolló un prototipo de dedo robótico basado en un elemento capaz de emular al músculo biológico; el músculo neumático. Éste es un actuador de tracción que imita la funcionalidad de un músculo humano y consta de una membrana flexible resistente a la tracción, accionada por aire u otro fluido a presión. El principio de funcionamiento del músculo neumático es: Al inyectarle por uno de sus extremos aire a presión, éste se infla aumentando su diámetro, simulando así a la acción de un músculo biológico cuando aumenta su presión sanguínea. Como consecuencia, se produce una fuerza de tracción en el extremo opuesto. Cuando se libera el aire, el músculo se relaja y regresa a su posición inicial tal y como sucede con el músculo biológico al disminuir la presión sanguínea. La contracción total que alcanza un músculo neumático es de un 20-25% de su longitud nominal (sin carga). Una analogía del movimiento de un brazo usando músculos neumáticos es la que se presenta a continuación.
Imagen activaLos músculos neumáticos comerciales tienen diámetros interiores mayores a 10 mm, y sus conexiones son relativamente voluminosas por lo que no son aptos para aplicaciones en espacios reducidos. En este proyecto se diseñó, construyó y caracterizó un músculo neumático. El resultado fue el prototipo músculo neumático cenidet con un diámetro interior de 3.17 mm, y longitud fácilmente configurable de acuerdo a las necesidades de fuerza. Por ejemplo, un músculo de 10 cm, de longitud con una masa de aproximadamente 11 grs, permite desplazar 1cm una carga de 19.6 N si se le aplica una presión de 600Kpa. Estos músculos están hechos de materiales de fácil adquisición. El control de la entrada y salida de aire al interior de los músculos neumáticos se realiza mediante un sistema neumático con electroválvulas de accionamiento rápido y válvulas reguladoras de flujo.

A partir de la caracterización del músculo neumático se diseñó y construyó un dedo neumático con sus 3 falanges (proximal, medial y distal). Pequeños tensores de acero emulan los tendones y una estructura de aluminio emula una estructura ósea. El dedo robótico resultante tiene las dimensiones promedio de un dedo medio humano con 4 grados de libertad para realizar movimientos de flexión-extensión y aducción-abducción. También se desarrollaron sus modelos dinámico (con 4 grados de libertad) y cinemático (resolviendo el problema de la cinemática inversa).
Este prototipo cuenta con control de posición de falanges, montando para ello sensores de efecto Hall en cada articulación. Se diseñaron y construyeron tarjetas electrónicas para adquisición y acondicionamiento de señales y para el control de las electroválvulas. La tecnología usada para el procesamiento de señales y cálculo de operaciones matemáticas en tiempo real fue a base de FPGA’s. La plataforma de programación, control PID, monitoreo de señales e interfase con la PC fue Labview.

Esta investigación ha dejado conocimientos importantes en robótica y una de sus aplicaciones potenciales a corto plazo es el desarrollo de equipos para rehabilitación de dedos en personas que así lo requieran, pudiendo extrapolarse a equipos de rehabilitación de otras extremidades como brazos y piernas. Adicionalmente, se busca generar conocimiento para desarrollar a largo plazo prótesis o sistemas bio-robóticos con mayores similitudes al funcionamiento de la mano humana.

Aun cuando se han obtenido resultados satisfactorios con este sistema, actualmente se desarrolla en el CENIDET una versión más robusta del músculo neumático cenidet, así como una versión mejorada del dedo neumático incluyendo sensores de tacto y un rediseño de las estructuras mecánicas para lograr una mayor semejanza con la estructura ósea del dedo humano. Esto permitirá posteriormente integrar una mano robótica completa basada en músculos neumáticos.

Parte de los resultados obtenidos de esta investigación se han publicado en congresos nacionales (AMCA 2007) e internacionales (SOMIM 2007). Además, se participó en el XXII Evento Nacional de Creatividad del Sistema Nacional de Educación Superior Tecnológica, área posgrado, que organiza la DGEST, obteniendo el primer lugar en sus Fases Local y Regional y el segundo lugar en la Fase Nacional.
Este proyecto fue desarrollado con apoyo de la Dirección General de Educación Superior Tecnológica (DGEST) y participaron los alumnos Ernesto Cancino Cruz y Fabio Abel Aguirre Cerrillo, con la asesoría del Dr. Marco Antonio Oliver Salazar y el Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik, ambos profesores investigadores de los departamentos de mecatrónica y mecánica del CENIDET, respectivamente.
Para mayor información contactar al Dr. Marco Antonio Oliver Salazar Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla. , tél: 777- 3627770 ext. 212.

 

 


El Dr. Marco Antonio Oliver Salazar es ingeniero mecánico electricista por la Universidad Anáhuac. Tiene una maestría en control y tecnología de la información por el Departamento de Ingeniería Eléctrica, UMIST, Manchester, Gran Bretaña. Cuenta con un doctorado en Ingeniería de Control por el Depto. de Control Automático e Ingeniería de Sistemas de la Universidad de Sheffield, Gran Bretaña. Ha sido investigador en el Instituto de Investigaciones Eléctricas. Actualmente es profesor-investigador en el CENIDET y profesor de cátedra en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Imagen activa

El Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik es ingeniero mecánico por la Universidad Politécnica de Gdansk en Polonia, donde también realizó estudios de maestría y doctorado en mecánica. Actualmente es profesor-investigador en el CENIDET. Cuenta con diversas patentes y publicaciones en diversos congresos y revistas en el área de mecánica. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores y de la Academia Nacional de Ciencias, entre otras. Ha sido profesor de cátedra en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey y en la Universidad de las Américas.

El M. C. Ernesto Cancino Cruz es Ingeniero electromecánico. Tiene una maestría en ingeniería mecatrónica por el CENIDET (mejor promedio de su generación) con el tema de tesis: “Diseño de un Efector que Reproduzca Algunos Movimientos de la Mano Humana Usando Recursos Neumáticos”. Tiene experiencia en diseño mecánico, instrumentación, modelado y mantenimiento.

El M. C. Fabio Abel Aguirre Cerrillo es ingeniero electromecánico. Tiene una maestría en ingeniería mecatrónica por el CENIDET con el tema de tesis: “Diseño de un Efector que Reproduzca Algunos Movimientos de la Mano Humana Usando Recursos Neumáticos”. Ha trabajado en la industria relacionada con procesos neumáticos e hidráulicos. Sus áreas de interés son la automatización (PLC´s), robótica y programación.