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Título : ANÁLISIS CINEMÁTICO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA MANO ROBÓTICA SERVO-ARTICULADA APLICABLE COMO PRÓTESIS
Autor : DR. URRIOLAGOITIA CALDERÓN, GUILLERMO
DR. VELÁZQUEZ SÁNCHEZ, ALEJANDRO TONATIU
ING. PÉREZ ROMERO, MAURICIO AARÓN
Palabras clave : ANÁLISIS CINEMÁTICO
MANO ROBÓTICA
SERVO-ARTICULADA
PRÓTESIS
Fecha de publicación : 28-jun-2011
Resumen : The scientists and researchers need to develop substitutes that supplies a partial functionality of a missing limb has been a source of coarse designs are examples of the evolution that has taken as the subject. This thesis work presents the beginning, evolution and current status of prosthetic and robotic devices for upper extremity, apart from showing a collection of the most important, from a hand iron to reach considerable limitations of robotic systems art, emphasizing the value of engineering to find solutions to the problems of man. Also addressed the biomechanical and pathological anatomical description of the hand, elements relevant to understanding and understanding of the prehensile functions for multiple activities in which highlights the enormous complexity that has the musculoskeletal structure of the hand and the configuration of each of the fingers to grip objects of different geometries and sizes. Similarly, we used a methodology for the implementation of an articulated robot hand, where it was necessary to consider a creative design process that incorporates several tools for clarifying objectives, establishing functions, requirements specification, determination of characteristics generation of alternatives and selection of a general scheme, which yielded a conceptual design that is thought to be ideal for an optimal system. Subsequently developed a processing images obtained from a CT in order to get the right dimensions to raise the initial parameters of the kinematic analysis. Then we obtained the direct and inverse kinematics of the system using the Denavit-Hartenberg parameters that resulted in the representation of a homogeneous transformation matrix, expressing the orientation and position of the end of the links based on joint coordinates, which gave direct kinematic solution to the problem. The inverse kinematic problem was solved for the values they can take the joint coordinates so that its end is oriented and positioned according to a given location. It also proposed a mechanism of transmission bar was simplified to get 2 links with different fixed points, which were analyzed individually. In this sense, a vector diagram is usually decomposed into two independent mechanisms, ie, we analyzed each of the internal links of the finger. This was solved by using the Chebychev spacing, which is to select a set of precision points for use in the kinematic synthesis, so as to minimize the structural error. To this end, synthesized four-bar linkage to generate the function y = f (x), where x represents the movement of the input crank and the linkage was designed so that movement of the oscillator output is an approximation of y. With this spacing proposed, identified 21 points of precisely what led to find a link that will meet the desired ratio for the synthesis, and subsequently underwent a second approach using the method described by Freudenstein string functions to open and close respectively . To solve the set of equations used the numerical method of Newton-Raphson developed in Matlab ®. The image processing and synthesis mechanism were pillars to generate detailed threedimensional model using SolidWorks ® software program, which later was the interface for a three dimensional impression of the prototype. Also, is detailed description of the generation of robotic hand model and its three-dimensional printing at actual size, part of the study was a preamble to raise tests for number of movements and holding objects. Also, describes the analysis of results from the methodology proposed design and synthesis of mechanism and prototype implementation. It also makes a profound emphasis on the diversity of movements that can run the device coupled with the subjection of palm-shaped objects, spot, lateral, cylindrical and spherical. Finally, conclusions are presented concerning the development of this thesis with recommendations and proposals for future work subsequent to this research.
Descripción : Aquí se presenta el comienzo, evolución y estado actual de prótesis y dispositivos robóticos para extremidad superior, aparte de mostrar una recopilación de los trabajos más relevantes; a partir de una mano de Hierro hasta llegar a sistemas robóticos de última generación, destacando el valor de la Ingeniería para encontrar solución a las problemáticas del hombre. Además, se abordó la descripción anatómica biomecánica y patológica de la mano, elementos relevantes para la comprensión y entendimiento de las funciones prensiles para realizar múltiples actividades en donde se resalta la enorme complejidad que posee la estructura músculo-esquelética de la mano, así como la configuración de cada uno de los dedos para sujetar objetos de diversas geometrías y tamaños. De igual forma, se planteó una metodología para la implementación de una mano robótica articulada, donde fue indispensable considerar un proceso de diseño creativo, que incorpora diversas herramientas para obtener la clarificación de objetivos, establecimiento de funciones, especificación de requerimientos, determinación de características, generación de alternativas y selección de un esquema general, con lo que se obtuvo un diseño conceptual que se piensa, es idóneo para obtener un sistema óptimo. Posteriormente se desarrolló un procesamiento de imágenes obtenidas de una tomografía con la finalidad de obtener las dimensiones adecuadas para plantear los parámetros iníciales del análisis cinemático. Después, se obtuvo la cinemática inversa y directa del sistema utilizando los parámetros de Denavit-Hartenberg que resultaron en la representación de una matriz de transformación homogénea, expresándose así la orientación y posición del extremo de los eslabones en función de sus coordenadas articulares, lo que dio solución al problema cinemática directo. El problema cinemático inverso se resolvió para obtener los valores que pueden adoptar las coordenadas articulares para que su extremo se oriente y posicione de acuerdo a una localización determinada. Asimismo, se propuso un mecanismo de barras de transmisión que se simplificó para obtener 2 eslabones con diferentes puntos fijos, los cuales fueron analizados de forma individual. En este sentido, un diagrama vectorial general se descompuso en dos mecanismos independientes, es decir, se analizó cada uno de los eslabones internos del dedo. Lo anterior se resolvió utilizando el espaciamiento de Chebychev, que consiste en seleccionar un conjunto de puntos de precisión para utilizarlos en la síntesis cinemática, de tal modo que se minimice el error estructural. Para ello, se sintetizó el eslabonamiento de cuatro barras para generar la función y = f (x), donde x representa el movimiento de la manivela de entrada y el eslabonamiento se diseñó de tal modo que el movimiento del oscilador de salida sea una aproximación de y. Con este espaciamiento propuesto, se identificaron 21 puntos de precisión lo que dio pie a encontrar un eslabonamiento que logró satisfacer la relación deseada para la síntesis; posteriormente se realizó una segunda aproximación utilizando el método descrito por Freudenstein para las funciones de cadena abierta y cerrada respectivamente. Para resolver el conjunto de ecuaciones se utilizó el Método Numérico de Newton-Raphson desarrollado en Matlab ®. El procesamiento de imágenes y la síntesis del mecanismo fueron pilares fundamentales para la generación detallada de un modelo tridimensional utilizando el programa de cómputo Solidworks ®, que posteriormente fue la interface para obtener una impresión tridimensional del prototipo. Así también, se hace descripción detallada de la generación del modelo de la mano robótica y su impresión tridimensional a tamaño real, sección del estudio que fue un preámbulo para plantear pruebas correspondientes a cantidad de movimientos y sujeción de objetos. También, se describe el análisis de resultados obtenidos a partir de la metodología de diseño propuesta, así como de la síntesis del mecanismo y la implementación del prototipo. Asimismo se realiza un profundo énfasis la diversidad de movimientos que este puede ejecutar el dispositivo aunado a la sujeción de objetos en forma palmar, puntual, lateral, cilíndrica y esférica. Por último, se presentan las conclusiones referentes al desarrollo de esta Tesis con recomendaciones y propuestas para realizar trabajo futuro subsecuente a esta investigación.
URI : http://www.repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/8137
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