INSTITUTO SUPERIOR TECNOLÓGICO PÚBLICO SIMÓN BOLIVAR ELECTRONICA INDUSTRIAL
Mano Articulada con Arduino AUTORES: Oscar Armando Altamirano Silva Víctor Francisco Reyes Raymundo Miguel Ángel Acuña Salazar José Luis Gutiérrez Enciso Panta Jacinto
ASESOR: Mg. Lino Benny Dávila Francia
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Dedicatoria
La concepción de este proyecto está dedicado primeramente a Dios por darnos la salud y la sabiduría para enrumbarnos en este proyecto.
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Agradecimiento
Este proyecto es el resultado del esfuerzo conjunto de todos los que formamos el grupo de trabajo. Por esto agradezco a nuestro profesor Magister Lino Dávila Francia por su su gran apoyo, paciencia y conocimientos que permitieron que esta investigación se vaya concluyendo con éxito. Al profesor y jefe de área de la carrera de Electrónica Industrial Lic., Ramírez por brindarnos su tiempo y facilitarnos del ingreso a los talleres y sala de cómputo para realizar nuestro proyecto en las diversas etapas del proyecto. A la IESTP Simón Bolívar por brindarnos sus conocimientos y enseñanzas para la realización de este proyecto. .
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TABLA DE CONTENIDOS Portada
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Dedicatoria
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Agradecimiento
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Tabla de contenido
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Lista de tabla
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Lista de figuras
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Resumen
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Abstract
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Introducción Capítulo I: Planteamiento del problema 1.1 Descripción del Problema 1.2 Formulación del problema 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General 1.3.2 Objetivos específicos 1.4 Justificación del problema Capitulo II: Marco Teórico 2.1 Antecedentes 2.2.1 Internacionales 2.2.2 Nacionales 2.2 Base Teórica 2.3 Marco conceptual
4 Capitulo III: Hipótesis y Variables 3.1. Hipótesis 3.1.1. Hipótesis General 3.1.2. Hipótesis Específicas 3.2. Variables 3.2.1. Definición de las Variables 3.2.2. Operacionalizacion de Variables Capitulo IV: Metodología 4.1. Tipo y diseño de la investigación 4.2. Población y muestra 4.2.1. Tamaño de la muestra 4.2.2. Selección de la muestra 4.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos. Capítulo V: Resultados Capítulo VI: Análisis de discusión de datos Conclusión Recomendaciones Referencias Apéndice
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Lista de tabla
Lista de figuras
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Resumen
Este prototipo tiene como principal objetivo ayudar a personas con discapacidades que presenten en la mano, pero aun también este prototipo puede ser utilizado para las tareas peligrosas que suelen realizar las personas cono por ejemplo la desactivación de granadas gr anadas o algún artefacto que pueda dañar la integridad física de la persona. La mano robótica será formada por cinco servomotores, para lograr los movimientos y los grados capaces de realizar una seña. Sus aplicaciones son innumerables ya que el prototipo está desarrollado modularmente, cada parte puede ser aplicada en otros sistemas, el control de servomecanismos, sistemas mecánicos. El prototipo como tal puede ser aplicado en el desarrollo de prótesis, manipulación de objetos mediante el uso del Potenciómetros que asimilan el movimiento de cada dedo, para el control de la mano, etc.
Abstract
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INTRODUCCIÓN La mano articulada surgió de la necesidad de brindar una metodología de poder evitar los accidentes ocasionado por trabajos de riesgo que la mano está sometida en ocasiones, también se puede utilizar para dar terapias de rehabilitación a aquellas personas per sonas que sufrieron accidentes accident es en la mano, es una forma diferente para las personas que realizan trabajos de riesgos o para pacientes que requieren de terapias de esta es ta forma interactúan usando este prototipo. p rototipo. Este prototipo está diseñado con 5 servomotores, una tarjeta Arduino uno y un guante que en su exterior posee sensores flexibles que miden el movimiento que realiza la mano. Este complejo sistema se basa en 5 servomotores que manejan la falange de los dedos, un seto motor que se encarga de captar el giro que realiza la muñeca. Todo esto desencadeno una serie de estudios de esta parte del cuerpo humano para determinar las características esenciales y sus grados de movilidad. Debido a la cantidad de huesos y falanges que posee cada una de las articulaciones es necesario una análisis previo para establecer las pautas que posteriormente ayudan a la construcción de este prototipo a realiza.
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CAPITULO I Planteamiento del Problema 1.1 Descripción del problema Este proyecto a realizar se puede usar en cualquier parte del mundo debido a que la mano es parte esencial del cuerpo que realiza movimiento mediante acciones enviadas envia das por el cerebro, a partir de aquí es que nosotros elegimos ele gimos describir el interés por el conocimiento y la comprensión del prototipo, que surge en la necesidad para aquellas acciones que la mano humana corre peligro al hacerlas. o para la ayuda de rehabilitación en la mano, que a causa de un accidente perdió la movilidad, y requiere de terapias de rehabilitación. Por ello, con la ayuda de los profesores del instituto Simón Bolívar, y los conocimientos que vayamos obteniendo de diferentes fuentes, podremos de una u otra forma hacer que este prototipo esté sincronizado con los movimientos de la mano humana real.
1.2 Formulación del problema Problema general ¿Cómo se podría diseñar e implementar la construcción de esta mano articulada con arduino, 2017?
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Problema especifico1: ¿Qué materiales o componentes electrónicos e instrumentos se requiere para la construcción e implementación de la mano articulada con Arduino, 2017?
Problema específico 2: ¿Cuáles son los costos de la construcción e implementación de la mano articulada con Arduino, 2017?
Problema específico 3: ¿Cómo se desarrollarán las etapas del proceso de construcción de la mano articulada con Arduino, 2017?
1.3 Objetivo 1.3.1 Objetivo general: Diseñar e implementar y construir la mano articulada con Arduino, 2017.
1.3.2 Objetivo específico: Objetivo específico 1: Identificar los materiales y componentes electrónicos requeridos para la construcción e implementación de la mano articulada con Arduino, 2017. Objetivo específico 2: Conocer los costos que genera la construcción de la mano articulada con Arduino, 2017.
10 Objetivo específico 3: Identificar y desarrollar las etapas del proceso de la construcción e implementación de la mano articulada con Arduino, 2017.
1.4 Justificación La importancia de este proyecto radica en ayudar a evitar los riegos de peligros por las acciones o tareas que realiza la mano humana en las labores cotidianas, este prototipo está hecho y diseñada para evitar que la mano humana realice este tipo de acciones o tareas por las cual son de sumamente peligrosas para ella. El presente proyecto tiene por finalidad, el diseño de un prototipo con un sistema para comandar un brazo robótico de asistencia, con el objetivo no solo para evitar trabajos riesgosos sino también para asistir a pacientes postrados con limitaciones de discapacidad muscular en miembros superiores, esclerosis lateral amiotrofica, lesión de la medula espinal, entre otros. El trabajo se enfoca en la implementación de un sistema basado en el procedimiento de medidas mediante sensores flexibles, producto de estímulos visuales modulados a frecuencias específicas, con las cuales será posible clasificar y definir los comandos de movimientos básicos sobre el brazo robótico. y muy aparte a colaborar en sujetar y transportar. Este prototipo es un avance tecnológico que mescla la electrónica y la robótica, el hardware y el software que se encargaran de dar vida a este prototipo de mucha ayuda para las personas ya antes mencionadas. mencionadas .
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CAPITULO II Marco Teórico 2.1 Antecedentes 2.2.1 Antecedentes internacionales Prótesis biónicas hechas en México. Provienes Luis Armando Bravo, 1 de diciembre 2015
Objetivo General Crear y fabricar esta prótesis para el mejor desarrollo y bienestar de los discapacitados.
Metodología Es de campo y Aplicativa y busca en ayudar a los discapacitados y mejorar si atención.
Conclusión: el proyecto ha cumplido en demostrar su funcionamiento y real ayuda a las personas limitadas. Mano Robótica Leonardo Vizcarra, 23/03/2017, Bolivia
Objetivo General Diseñar una mano robótica para solucionar y ayudar a mejorar la atención a personas con limitaciones.
Metodología Es de carácter aplicada y busca ayudar a personas con bajos recursos económicos de muchas limitaciones.
Conclusión: se busca crear para ayudar a personas que lo necesitan.
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2.2.2 Antecedentes nacionales
Fred Solio Achia Alarion (2017) lima “diseño del sistema de control de un brazo robótico de asistencia a personas discapacitadas”
Objetivo General Analizar y crear un brazo robótico que será de mucha utilidad a personas con discapacidad y si a la larga de los años este beneficio puede ser alcanzado por la mayoría de personas con limitaciones elebidos al costo de estos.
Metodología La investigación fue de campo y aplicada con la funcionalidad de ayudar a personas con limitaciones, minusválida en el Perú.
Conclusión. - el proyecto de investigación ha cumplido con la hipótesis de proporcionar ayudar a miles de personas que necesitan de algo adicional para poder ayudarse y no depender de otras.
c ausa admiración Cumbre presidencial: brazo robótico que invento peruano causa TERRY FERNANDEZ (3 de julio 2015)
Objetivo General Crea y diseñar para mejorar la atención y ayuda a los seres minusválidos.
Metodología Su objetivo es ayudar a personas que lamentablemente perdieron sus extremidades.
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2.2 Base Teórica Empezaremos definiendo dos palabras claves
2.2.1 Software Es el conjunto de los programas de un autómata, procedimientos, reglas, documentación y datos asociados, que forman parte de las operaciones de un sistema Automatizado.
Figura 1: Software
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2.2.2 Hardware Son todos los componentes electrónicos y dispositivos físicos y tangibles que forman parte de algún robot, como los integrados, PIC, P IC, CPU o la placa base llamada tarjeta Integrada electrónica.
Figura 2: Hardware
2.2.2.1 ¿Qué es la Robótica? Definición: La robótica es una ciencia o rama de la tecnología, que estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas realizadas por el ser humano o que requieren del uso de inteligencia. Las ciencias y tecnologías de las que deriva podrían ser: el álgebra, los autómatas programables, las máquinas de estados, la mecánica mecáni ca o la informática.
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Historia
La historia de la robótica ha estado unida a la construcción de “artefactos”, que trataban de
materializar el deseo humano de crear seres semejantes a nosotros que nos descargasen del trabajo. El ingeniero español Leonardo Torres Quevedo (que construyó el primer mando a distancia para su torpedo automóvil mediante telegrafía sin hilodrecista automático, el primer transbordador aéreo y otros muchos ingenios) acuñó el término “automática” en relación con la teoría de la automatización de tareas tradicionalmente asociadas a los humanos.
Karel Capek, un escritor checo, acuño en 1921 el término Robot en su obra dramática “Rossum’s Universal Robots / R.U.R.”, a partir de la palabra checa Robbota, que significa
servidumbre o trabajo forzado. El término robótica es acuñado por Isaac Asimov, definiendo a la ciencia que estudia a los robots. Asimov creó también las Tres Leyes de la Robótica. En la ciencia ficción el hombre ha imaginado a los robots visitando nuevos mundos, haciéndose con el poder, o simplemente aliviándonos de las labores caseras. La Robótica ha alcanzado un nivel de madurez bastante elevado en los últimos tiempos, y cuenta con un correcto aparato teórico. Sin embargo, al intentar reproducir algunas tareas que para los humanos son muy sencillas, como andar, correr o coger un objeto sin romperlo, no se ha obtenido resultados satisfactorios, especialmente en el campo de la robótica autónoma. Sin embargo, se espera que el continuo aumento de la potencia de los ordenadores y las investigaciones en inteligencia artificial, visión artificial, la robótica autónoma y otras ciencias paralelas nos permitan acercarnos un poco más cada vez a los milagros soñados por los primeros ingenieros y también a los peligros que nos adelanta la ciencia ficción.
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Figura 3: Robótica
¿Qué es un robot?
Un robot es una entidad virtual o mecánica artificial. En la práctica, esto es por lo general un sistema electro-mecánico que, por su apariencia o sus movimientos, ofrece la sensación de tener un propósito propio. La palabra robot puede referirse tanto a mecanismos físicos como a sistemas virtuales de software, aunque suele aludirse a los segundos con el término de bots. No hay un consenso sobre qué máquinas pueden ser consideradas robots, pero sí existe un acuerdo general entre los expertos y el público sobre que los robots tienden a hacer parte o todo lo que sigue: moverse, hacer funcionar un brazo mecánico, sentir y manipular su entorno y mostrar un
17 comportamiento inteligente, especialmente si ése comportamiento imita al de los humanos o a otros animales. Aunque las historias sobre ayudantes y acompañantes artificiales, así como los intentos de crearlos, tienen una larga historia, las máquinas totalmente autónomas no aparecieron hasta el siglo XX. El primer robot programable y dirigido de forma digital, el Unimate, fue instalado en 1961 para levantar piezas calientes de matel de una máquina de tinte y colocarlas. Por lo general, la gente reacciona de forma positiva ante los robots con los que se encuentra. Los robots domésticos para la limpieza y mantenimiento del hogar son cada vez más comunes en los hogares. No obstante, existe una cierta ansiedad sobre el impacto económico de la automatización y la amenaza del armamento robótico, una ansiedad que se ve reflejada en el retrato a menudo perverso y malvado de robots presentes en obras de la cultura popular. Comparados con sus colegas de ficción, los robots reales siguen siendo torpes y cortos de entendederas.
Tipos de robot Industriales: los robots de este tipo pueden ser electrónicos o mecánicos y se los utiliza para la realización de los procesos de manipulación o fabricación automáticos. También se les llama robots industriales a aquellos electrodomésticos que realizan simultáneamente distintas operaciones.
Figura 4: Industrial
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Médicos: bajo esta categoría se incluyen básicamente las prótesis para disminuidos físicos. Estas cuentan con sistemas de mando y se adaptan fácilmente al cuerpo. Estos robots lo que hacen es suplantar a aquellos órganos o extremidades, realizando sus funciones y movimientos. Además, existen robots médicos destinados a la realización de intervenciones quirúrgicas.
Figura 5: Medicina
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Teleoperadores: estos robots son controlados de manera remota por un operador humano. A estos artilugios se los utiliza en situaciones extremas como la desactivación de una bomba o bien, para manipular residuos tóxicos.
Figura 6: Teleoperadores
Tres leyes de la robótica En ciencia ficción las tres leyes de la robótica son un conjunto de normas escritas por Isaac Asimov, que la mayoría de los robots de sus novelas y cuentos están diseñados para cumplir. En ese universo, las leyes son "formulaciones matemáticas impresas en los senderos positrónicos del cerebro" de los robots (líneas de código del programa de funcionamiento del robot guardadas en la ROM del mismo). Aparecidas por primera vez en el relato Runaround (1942), establecen lo siguiente:
20 1. Un robot no puede hacer daño a un ser humano o, por inacción, permitir que un ser humano sufra daño. 2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, excepto si estas órdenes entrasen en conflicto con la 1ª Ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que esta protección no entre en conflicto con la 1ª o la 2ª Ley.1.
ARDUINO Un poco de historia
Arduino, inicialmente, fue construido en base al proyecto Wiring, del colombiano Hernando
Barragán.
En el año 2003, en Italia, específicamente en el instituto Ivrea, Massimo Banzi enseñaba el uso de PICs a estudiantes de diseño interactivo, los cuales no tenían conocimiento técnico para utilizar herramientas de bajo. Anterior al nacimiento de Arduino existía el proyecto Processing, un lenguaje de programación basado en Java. Jav a. Las principales características de Processing Processin g es la facilidad con la que puede ser utilizado. Barragán, que era estudiante en aquel entonces, se basó en Processing para desarrollar una placa llamada electrónica electrónic a llamada Wiring. Esta contaba con su propio lenguaje de programación y su propio entorno de desarrollo (IDE).
21 Poco tiempo después, Massimo Banzi, David Cuartielles y Gianluca Martino desarrollaron una tarjeta basada en el trabajo de Hernando Barragán, la cual era más pequeña y económica que la placa Wiring. Esta placa fue nombrada Arduino.
Desde entonces el proyecto Arduino le ha dado la vuelta al mundo con un gran éxito tanto entre los expertos como los aficionados a la electrónica. Su crecimiento ha sido tal que actualmente existen múltiples modelos en el mercado, con un sin fin de shields diseñados para aumentar sus capacidades y/o brindarle nuevas funcionalidades.
Existe una amplia gama de sensores adaptados a esta plataforma, lo cual lo hace muy útil a la hora de llevar a cabo proyectos basados en mediciones de fenómenos físicos. En la actualidad se puede encontrar Arduino en los salones s alones de las escuelas primarias, a nivel universitario, un iversitario, en desarrollos a nivel de ingeniería e incluso en satélites en la órbita terrestre.
¿Por qué Arduino? Costos Una de las principales características de Arduino es su bajo costo. Debido a que se trata de una plataforma de hardware libre, cualquier persona o grupo de personas con la tecnología necesaria para el diseño de dispositivos electrónicos (placas impresas, soldadura de componentes electrónicos, etc.) puede fabricar placas Arduino sin ningún tipo de implicación legal. La marca Arduino diseña sus propias placas, los Arduino originales, manufacturados en Italia y
22 recientemente en Estados Unidos. Los modelos americanos se conocen como Arduino, mientras que los modelos italianos son llamados Genuino. Tanto en Los Estados Unidos como en Asia (específicamente China, Japón y Taiwán) existen compañías dedicadas a la fabricación de placas genéricas que presentan el mismo aspecto visual y las mismas características (la mayor parte del tiempo) que un Arduino original. Hoy día, adquirir un Arduino resulta relativamente fácil y económico, especialmente debido a su amplia presencia en portales de ventas por Internet como Ebay y Amazon, entre otros. De igual forma, la inmensa cantidad de sensores y placas de expansión que ha sido diseñadas para Arduino (no necesariamente de la marca Arduino) y sus bajos precios, permite que esta tecnología sea considerada para toda clase de proyectos con presupuestos limitados.
Disponibilidad
Como se ha mencionado, tanto los diferentes modelos de Arduino, como las placas de expansión y sensores utilizados con Arduino pueden ser adquiridos a bajos costos en los portales de compra/venta en Internet. Poco a poco, a medida que pasa el tiempo se ha incrementado la presencia de tiendas especializadas en la venta de productos Arduino o relacionados a esta plataforma, en los países de América Latina. Algunos comercios que tradicionalmente se han dedicado a la venta de productos electrónicos, están incluyendo a Arduino Arduin o entre los productos que ofrecen a sus su s clientes, dada la creciente demanda.
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Flexibilidad Los diferentes modelos de Arduino disponibles en el mercado comparten una característica. Todos son placas pequeñas, compactas y con gran capacidad para llevar a cabo tareas que van desde encender un simple LED hasta controlar el encendido de un motor trifásico. El reducido tamaño de algunos modelos, como el Arduino Micro o el Arduino Nano permite que puedan ser insertados en una placa electrónica, tal cual circuito integrado. Los nuevos modelos que han visto la luz recientemente, como el Arduino Yún, el Intel Galileo (en colaboración con Intel Corporation) o el Arduino Tre (resultado de una colaboración con Texas Instruments) poseen una extraordinaria capacidad de procesamiento, similar a la de algunas computadoras de principios del siglo XXI. El modelo Yún posee la capacidad de conectarse a Internet, ya sea por medio de una conexión Wifi o a través del puerto un Ethernet integrado. Con el Yún se puede interactuar con bases de datos y elementos alojados en la nube. De hecho “Yún” significa nube. El Arduino Yún es el
modelo de Arduino por excelencia para Internet of Things.
Todos los modelos de Arduino son capaces de comunicarse con una computadora por medio de una conexión USB (de hecho, se utiliza un convertidor de RS232 a USB, por lo que Arduino en realidad se comunica con la computadora por medio de Comunicación Serial). Esto permite interactuar con aplicaciones escritas en una amplia variedad de lenguajes de programación, como Visual Basic, C++, Java y cualquier otro lenguaje capaz de establecer comunicación con el Puerto Serie de la computadora. La integración de los proyectos en Arduino con lenguajes de programación de Alto Nivel hace que Arduino pueda pu eda ser considerado en proyectos pro yectos a nivel científico y en ingeniería.
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¿Cómo funciona Arduino? El Arduino es una placa basada en un microcontrolador, específicamente un ATMEL. Un microcontrolador es un circuito integrado (podríamos hablar de un microhip) en el cual se pueden grabar instrucciones. Estas Es tas instrucciones se escriben utilizando un lenguaje de programación que permite al usuario crear cr ear programas que interactúan con circuitos electrónicos. electrón icos. Normalmente un microcontrolador posee entradas entrada s y salidas digitales, entradas y salidas analógicas y entradas y salidas para protocolos de comunicación.
Un Arduino es una placa que cuenta con todos los elementos necesarios para conectar periféricos a las entradas y salidas del microcontrolador. microcontro lador. Se trata de una placa impresa con todos los componentes necesarios para el funcionamiento del micro y su comunicación con una computadora a través de comunicación serial. La comunicación serial es un protocolo de comunicación que alguna vez fue muy utilizado a través de los puertos serie que traían las computadoras de antaño. Arduino utiliza un convertidor de Serial a USB, por lo cual a la hora de conectarlo a una computadora simplemente utilizamos una conexión USB común y corriente. La computadora, sin embargo, verá nuestro Arduino como un dispositivo conectado al Puerto Serie. Existen diferentes modelos de Arduino, con múltiples características en cuanto a tamaño, formas, funciones y precios.
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Todas estas placas comparten una característica: poseen un microcontrolador.
Figura 7: Arduino
En esa pequeña pieza de silicio se encuentran millones de transistores y otros componentes electrónicos que realizan operaciones lógicas en conjunto y permiten que el microcontrolador funcione. Se utiliza un lenguaje de programación llamado Arduino para darle instrucciones a este dispositivo.
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Digamos que el microcontrolador es el “cerebro” del Arduino. Este posee además un cristal oscilador que vendría siendo el “corazón”; el voltaje con el que se alimenta el Arduino es la
presión sanguínea y la corriente que lo hace funcionar es la sangre que fluye f luye a través de sus circuitos. Esta analogía no es perfecta, pero es más que suficiente para comprender un poco sobre este tema.
Figura 8: Arduino software
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Arduino IDE, donde colocamos la programación del microcontrolador En el cerebro podemos grabar instrucciones utilizando una conexión entre una computadora y el Arduino a través de USB. El lenguaje Arduino, derivado de C, es mucho más amigable que el utilizado por otros microcontroladores, el Assembler.
Al colocar un algoritmo en la memoria del microcontrolador es como si dejáramos una parte de nuestra esencia en él (suena a romanticismo). Es enseñarle a un dispositivo electrónico a comportarse de tal forma ante una situación dada. A mí me encanta programar estos dispositivos porque soy yo quien decide su comportamiento compor tamiento y los obligo a hacer lo que yo necesito que hagan; yo soy quien tiene el control sobre su forma de actuar. El Arduino de por sí no posee mucha capacidad para manejar cargas con voltajes mayores a su voltaje operativo, es decir, 5 voltios en corriente directa. Sin embargo, con la electrónica apropiada es posible manejar cargas a voltajes muchos mayores, tanto en corriente alterna como en corriente directa. El control del encendido y el apagado de un motor trifásico es una posibilidad con Arduino.
El envío de información desde la computadora resulta muy fácil con la comunicación serial. Arduino puede recibir datos enviados por el usuario utilizando herramientas que el Arduino IDE trae en su diseño. Se le puede indicar al Arduino que al recibir determinada instrucción ejecute algún tipo de acción. Podemos obtener información útil y sumamente interesante si hacemos uso de sensores.
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Existen cientos de modelos de sensores y módulos electrónicos que se pueden conectar al Arduino y lograr resultados profesionales. Una correcta combinación de sensores + motores y engranajes, junto con el Arduino le permitirían a los entusiastas de la robótica diseñar sus propios modelos de robots, según gustos y necesidades. Recientemente algunos modelos de Arduino están incorporando, además del microcontrolador un microprocesador (Arduino Yún), lo cual le permite utilizar sistemas operativos como Linux y amplificar el poder de procesamiento y las capacidades en varios órdenes de magnitud si los comparamos con los modelos iniciales.
¿Para qué se utiliza? Mucho se ha escrito sobre Arduino. De hecho, tenemos una sección especial con todos los contenidos publicados sobre este tema donde nuestros lectores pueden nutrirse de nuestros conocimientos y construir sus propios proyectos. Los invito a que visiten la sección de Arduino y la de Arduino + Java, donde se muestra el verdadero poder del Arduino una vez se combina con un lenguaje de alto nivel como lo es Java y la electrónica apropiada.
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Me despido citando la siguiente frase “el pesimista en toda oportunidad ve un problema. El optimista en cada problema ve una oportunidad”. Querer aprender es lo único que se necesita
para entrar al mundo de Arduino. Las herramientas existen, es hora de empezar em pezar a utilizarlas.
Figura 9: Placa Arduino
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SERVO MOTORES SERVO SG90 El servo SG90 es un servo miniatura de gran calidad y diminutas dimensiones, además es bastante económico. Funciona con la mayoría de tarjetas electrónicas de control con microcontroladores y además con la mayoría de los sistemas de radio control comercial. Funciona especialmente bien en aeronaves dadas sus características de torque, tamaño y peso. El servo SG90 tiene un conector universal tipo “S” que encaja perfectamente en la mayoría de los receptores de radio control incluyendo los Futaba, JR, GWS, Cirrus, Hitec y otros. Los cables en el conector están distribuidos de la siguiente forma: Rojo = Alimentación (+), Café = Alimentación ((-) o tierra, Orange Orange = = Señal PWM.
Este tipo de servo es ideal para las primeras experiencias de aprendizaje y prácticas con servos, ya que sus requerimientos de energía son bastante bajos y se permite alimentarlo con la misma fuente de alimentación que el circuito de control. Por ejemplo, si se conecta a una tarjeta Arduino, se puede alimentar durante las pruebas desde el puerto USB de la PC sin mayor problema.
Características del Servo SG90
Dimensiones (L x W xH) = 22.0 x 11.5 x 27 mm (0.86 x 0.45 x 1.0 pulgadas)
Peso: 9 gramos
Peso con cable y conector: 10.6 gramos
Torque a 4.8 volts: 16.7 oz/in o 1.2 kg/cm
Voltaje de operación: 4.0 a 7.2 volts.
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Velocidad de giro a 4.8 volts: 0.12 seg / 60 º
Conector universal para la mayoría de los receptores de radio control
Compatible con tarjetas como Arduino y microcontroladores que funcionan a 5 volts.
Figura 10: Diagrama Servo SG90
Figura 11: Servo SG90
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POTENCIOMETRO 10K Un potenciómetro son 2 resistencias conectadas en serie, las cuales poseen valores que pueden ser modificados por el usuario. usua rio. A partir del nodo que se forma entre entr e estas dos resistencias tenemos un terminal, el cual normalmente será la pata del centro en un potenciómetro de 3 patas. El símbolo utilizado para representar un potenciómetro en un diagrama de circuitos es:
Es, básicamente, el símbolo de una resistencia con una flecha que nos indica que podemos variar su valor. Los potenciómetros que encontramos en el mercado vienen con un valor de resistencia determinado. Estos valores han sido estandarizados y solamente encontraremos valores de resistencia específicos, por ejemplo 1K, 5K, 10k, 50k, 100k, etc. Este valore de resistencia lo podemos medir entre las terminales 1 y 3 del potenciómetro.
Figura 12: Potenciómetro 10K
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RESISTENCIA 1M OHMIO Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.
Figura 13: Resistencia de 1megaohmio
CABLE MACHO MACHO Macho-Macho.- Este tipo de cable es el más común ya que sus terminales son de punta y sirven en prácticas como los puentes de cable telefónico. Estos cables suelen ser los más usados en los circuitos de los proyectos electrónicos que el estudiante desea dar a conocer dentro de la faculta o al público.
Figura 14: Cable Macho-Macho
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Macho-Hembra.- Este tipo de puente es el segundo más usado, en uno de sus extremos esta la conexión de “pico o punta” y en la otra una entrada en la cual se ajusta para la entrada Macho,
este tipo de entrada es la conocida como Hembra.
Figura 15: Cable Hembra-Macho
FUENTE DE PODER 12V La fuente de poder es un dispositivo que se encarga de transformar la corriente alterna en corriente continua. Es utilizada en diversos artefactos, destacándose entre estos los electrónicos.
¿Qué debo mirar al comprar una fuente de alimentación? Es recomendable revisar las especificaciones de la fuente que se desea comprar y ver si es tanto el voltaje como de amperaje se requiera o que se desea usar en el aparato electrónico o en el circuito a montar.
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BATERIA PORTATIL DE 9V
Dispositivo que almacena energía eléctrica usando procesos electroquímicos y permite devolverla luego para ser usada. Se considera un generador eléctrico secundario, pues no puede funcionar si no se le ha dado energía previamente cuando se carga.
Figura 16: Fuente – Batería Batería
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PROTOBOARD El protoboard o breadbord: Es una especie de tablero con orificios, en la cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Como su nombre lo indica, esta tableta sirve para experimentar con circuitos electrónicos, con lo que se asegura el buen funcionamiento del mismo.
Figura 17: Protoboard-breadbord
Mano Humana La mano es una de las piezas más complejas y bellas de la ingeniería natural en el cuerpo humano. Nos da un poderoso agarre, pero también nos permite manipular objetos pequeños con gran precisión. Esta versatilidad nos distingue de todas las demás criaturas del planeta. La mano tiene una de las disposiciones musculares más extrañas del cuerpo. Sus movimientos son mayormente controlados por músculos que no se encuentran en la mano, sino en el antebrazo.
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Los músculos del antebrazo se conectan a los huesos de los dedos por largos tendones que pasan a través de una muñeca flexible. Esta musculatura remota le da a los dedos un movimiento y fuerza que no serían posibles si todos los músculos tuvieran que estar conectados directamente. En efecto, la mano es simplemente una marioneta huesuda, atada por ligamentos y controlada por el antebrazo. Pero esa disposición nos permite hacer bastante. En un extremo está la impresionante fuerza de las manos de un montañista. A través del uso y entrenamiento habitual, un solo dedo puede llegar a soportar el peso del cuerpo entero. En el otro extremo, un concertista de piano necesita gran finura, que viene de unos músculos dentro de la mano llamados "intrínsecos". Algunos de estos músculos controlan específicamente el pulgar y el meñique, mientras que otros, como los lumbricales (llamados así por su forma de lombrices), no están directamente conectados con los huesos sino con tendones y permiten una maravillosa sutileza de movimiento.
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Figura 18: Partes de la Mano
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2.3 Marco Conceptual
Resistencia:
Fuente Poder:
Potenciómetro:
Protoboard:
Genuino :
Digital:
Analógico:
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CAPITULO III Hipótesis y Variables
3.1. HIPOTESIS: -Este proyecto puede servir para mejorar la calidad de vida del paciente discapacitado. -Tal vez el brazo robótico sea utilizado para otras mejoras en el ser humano. -Quizá el brazo robótico sea una mejor opción para generaciones futuras en todo el mundo. -Tal vez no todas las personas discapacitadas se sientan muy cómodos con esta terapia.
3.2. VARIABLES: Variable Independiente: El Brazo Robótico. Variable Dependiente: En el estado de ánimo y su fuerza de voluntad y en su más rápida recuperación.
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CAPITULO IV Metodología
4.1. Tipo y diseño de la investigación El presente estudio es de investigación aplicada pues se usó los conocimientos tecnológicos para la implementación de este proyecto.
4.2. Materiales e instrumentos
Cables jumper
Resistencias 1M
Potenciómetros 1M
Protoboard
Servomotores
Placa Arduino Uno
Pabilo
Mano de madera
Ligas
Armellas
Pegamento
Cuchilla
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4.3 Procedimiento 1 Parte Mecánica En primer lugar haremos una plantilla de la mano dibujada en un papel, para tener claras las articulaciones y las medidas aproximadas de los dedos con las que trabajaremos:
43 Cortaremos la varilla a las medidas aproximadas de la longitud de cada falange.
Una vez tengamos todas las piezas cortadas, habrá que hacer los agujeros centrales en cada una de ellas. Para hacerlo con ciertas garantías, utilizaremos un soporte específico, que mantendrá los cilindros perfectamente rectos y sujetos.
Si la varilla que estamos utilizando es de 12 mm, en un bloque de madera haremos un agujero con una broca de 12 mm, lo más recto posible, en el que se insertará cada una de los cilindros, hasta que haga tope al fondo (para ello será necesario haber calculado la profundidad del orificio, de manera que permita que sobresalga una buena parte de la pieza.
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Nosotros hemos utilizado una máquina manual de perforar perfor ar fija. Con una taladradora montada en su soporte y la plantilla anterior, será fácil hacer los agujeros centrados en los extremos de cada cilindro.
Posteriormente se colocaran las bisagras.
Previamente al montaje definitivo, habrá que tener en cuenta algunos detalles.
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Para que al montar los dedos a la mano, las gomas posteriores no obliguen a flexionarlos hacia atrás, cosa que dificultaría o impediría la articulación natural de cada uno de ellos, antes de encolar las bisagras, nos fijaremos en que queden bien empotradas, de manera que con los dedos estirados las dos partes traseras tengan contacto (A). Habrá que limar las extremidades en el ángulo apropiado (B) (unos 45º), de manera que permita la flexión de las dos partes a 90º (C).
Recordad que la articulación inferior de cada dedo, que se unirá a la mano, también deberá disponer del agujero correspondiente para insertar la bisagra. . Vamos, ahora, a por la mano. De un pedazo de madera plana que tengamos (nosotros hemos utilizado una franja de un palé, encolando y dando forma a dos piezas), haremos una pieza aproximadamente como esta, procurando mantener una cierta proporción con la largada y
46 anchura de los dedos (hay que dejar espacio suficiente al final, para colocar los servos con comodidad).
Acabaremos la parte superior, limando un poco para darle la forma aproximada de una mano natural. Se procederá a realizar los 4 agujeros, de los dedos meñique, anular, corazón e índice, en los que se insertarán las bisagras, en la parte superior. Una vez montado el sistema, quedará más o menos como las siguientes imágenes:
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Para el dedo pulgar, el sistema de montaje es diferente, porque el movimiento natura es diferente al resto de dedos. La parte inferior irá atornillada al rebaje de la mano, permitiendo
48 el libre movimiento. Habrá que pensar el ponerle algún tope para que el movimiento (hacia arriba y hacia abajo) no sobrepase los límites de una articulación natural.
De la misma manera que hicimos individualmente con los dedos, para que no flexionen hacia atrás, habrá que hacer algo para evitar dicha flexión con respecto a la mano y el conjunto “digital”.
En este caso hemos colocado un tope (D) detrás del de l sistema “digital”. Con esta solución se evita que los dedos flexionen para atrás de manera antinatural.
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Se observan las articulaciones y topes (C) que permiten la movilidad funcional del conjunto Procederemos a colocar los cáncamos que servirán de guía a los cables de cada unidad.
Para evitar que los pequeños cilindros se abran e inutilicen al colocar los cáncamos, será conveniente hacer unos agujeros preliminares de menor diámetro, antes de roscar los tornillos.
50 Antes de encolar definitivamente los dedos al cuerpo de la mano y unirlo todo, será conveniente mecanizar todo el conjunto, ya que dificulta mucho el trabajar con los dedos montados. Llegados a este punto, ya es posible sujetar las bandas elástica por la parte posterior de los dedos. Recordar que es mejor hacerlo sin que estén estos pegados al cuerpo, dejando una buena tira por debajo, para asegurarse asegurars e que se pueda colocar bien en el cuerpo cuer po de la mano.
La banda elástica es conveniente que sea ancha para que coja una buena superficie del cilindro. Si es demasiado estrecha, al flexionar se desplazará hacia los lados y el movimiento de la articulación fallará. La tensión de la banda elástica ha de ser suficiente para mantener los dedos hacia atrás, pero que no exija una fuerza excesiva a las levas de los servos en la flexión. [/fancy-ul] Una vez los cáncamos colocados y hechos los ajustes para ver que funcionen correctamente todas las articulaciones, ya se puede proceder a pegar las bisagras al cuerpo de la mano, y a sujetar las bandas elásticas a esta.
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El conjunto tendrá un aspecto similar a la imagen anterior en el reverso, y uno parecido a esto en el anverso:
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Se colocan los cables, de manera provisional, para comprobar el funcionamiento general de todo el conjunto, y hacer los ajustes necesarios si fuera preciso.
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Una vez se vea que está todo correcto, ya se puede pensar en la colocación de los servos. Pero antes, hay que ampliar un poco la explicación. El lector atento se habrá dado cuenta que hay algo que no cuadra; ¿6 servos, si hay 5 dedos? La respuesta es que mientras los otros 4 dedos se gobiernan con un solos servo por dedo, el pulgar está gobernado por dos servos: s ervos: uno realiza el movimiento de flexión-extensión, igual que los otros (en este caso concreto, izquierda-derecha), y el segundo, el movimiento sobre la primera falange (adelante atrás). Más adelante se s e comprenderán con más claridad estos dos movimientos.
Durante la construcción de la mano, se hablaba de dejar espacio suficiente en la parte a atrás para la colocación de los servos. Estos deberán tener una colocación especial y será necesario algo de espacio para poder manipular los ajustes.
54 A demás, si al final de todo, se pretende colocar un guante para darle más realismo al montaje (cosa que no hemos hecho nosotros), el espacio entre la punta de la mano (no de los dedos), y la colocación de los servos, deberá ser mayor, para evitar que los servos queden dentro del guante y este estorbe las flexiones.
Como se puede observar en la imagen superior y en el diagrama inferior, cada servo tiene una posición definida y diferente del resto.
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Hay que tener en cuenta los movimientos de las levas, que no se estorben entre ellas ni tampoco que se estrellen contra los servos, así como también el recorrido de los cables. En posiciones similares a las de las imágenes, se sortean sor tean estos problemas. Pero surge otro problema. Al tener montados los servos, las levas resultan demasiado cortas para que las articulaciones de los dedos hagan ha gan la totalidad del recorrido correctamente. Entonces será necesario pegarles unos alargos para aumentar el brazo de palanca y, por tanto, el recorrido útil de los cables.
56 Sirven pedacitos de palo de helado, pegados con cola termofusible, asegurándose que queden bien unidos. Lo hemos hecho de esta manera, porque po rque será posible recuperar las levas si al terminar el proyecto necesitamos reutilizarlas. Una vez colocadas las levas en cada uno de los servos, sin atornillarlos aún, se procederá a calibrarlos, de manera que cada leva haga el recorrido justo para realizar la flexión y extensión completa de cada dedo, sin tensar en exceso los cables.
Lo que hace referencia al movimiento de los servos con los joysticks, se verá en el capítulo de programación, pero será necesario necesa rio tener en cuenta algunos aspectos básicos a tener en cuenta durante el montaje mecánico. En primer lugar, hay que recordar que el servo tiene un recorrido de barrido que va desde 0º a 180º. Hará falta tenerlo en cuenta para el montaje de las levas. Cada servo, incluso siendo de la misma marca, acostumbran a tener parámetros de calibrado diferentes, por lo que será necesario calibrarlos independientemente. Esto se verá en la programación, pero para seguir con el montaje, será se rá necesario tenerlo en cuenta. cu enta. Para empezar, hará falta colocar las levas de los servos en una determinada posición, sea de reposo (0º) o en flexión (180º), para poder colocar los cables (si es en reposo, 0º, el cable estará tensado justo para que quede el dedo ligeramente flexionado. Si está en flexión, el cable deberá estar tensado, de manera que la punta del dedo toque la parte interna de la mano). Se tendrá en cuenta que, los servos S0, S1 y S2, se sitúan a la izquierda, mientras que los S3, S4 y S5 lo hacen a la derecha. Estas posiciones influirán, también, en la programación, tal y como se verá en su momento, ya que las levas se moverán en sentidos contrarios con respecto al cuerpo del servo.
57 Es aconsejable realizar las pruebas de calibrado de los servos, con las levas montadas (sin tornillo central de sujeción), y sin los cables sujetos, ya que estorbaran continuamente durante el reglaje. Una vez se tengan los servos calibrados, ya se puede proceder a sujetar los cables a las levas. En este punto se trabajará mejor si se puede retirar la leva y hacer los nudos fuera, que si hubiera de desenroscar los tornillos de sujeción.
La solución que hemos encontrado para sujetar el otro extremo del cable a la punta del dedo, ha sido colocarle un tornillo en lugar del primer cáncamo, de manera que enrollando el cable al tornillo y apretando este, el cable queda sujeto con seguridad. Otra ventaja, es que será posible dar más o menos largada al cable, para completar el reglaje de cada dedo.
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La tensión de los cables, en reposo (posición 0º), será la justa y necesaria para proporcionarle una pequeña tensión a la falange distal del dedo, de manera que quede ligeramente levantada la punta. Esto facilitará el inicio del movimiento de flexión, evitando que el servo deba hacer fuerzas excesivas y/o que la estructura del dedo adopte posturas extrañas a causa de tensiones inapropiadas.
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2 Parte electrónica Primero hallamos el rango de valores minimo y máximo de lectura analógica de los sensores lo cuales permitirán el grado de movimiento de los servomotores y con esos valores debemos construir el código respectivo para el movimiento de los los servomotores en el software Arduino.
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Este código se compilará y se subirá al Arduino. Luego seguimos el procedimiento armando el circuito el cual es la base de todo lo físico electrónico es importante tener mucho mucho cuidado con las conexiones ya que el programa está basado en cómo está conectado cada servomotor. s ervomotor.
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Finalmente tenemos que experimentar comprobando el funcionamiento debido del proyecto.
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CAPITULO V Resultados
CAPITULO IV Análisis de discusión de datos
Conclusión
Recomendaciones
Referencias
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Apéndice
