Resumen
mecánica denominada MA-I (Mano Artificial
Inteligente) diseñada y construida en el Instituto de
Organización y Control de Sistemas Industriales
como parte de un sistema integrado para la
experimentación y prueba de estrategias de
aprehensión y manipulación de objetos. La
configuración básica de la mano es de 4 dedos con 4
grados de libertad (GDL ) cada uno. Se resumen las
principales características de la mano, acorde con
los criterios de diseño, tanto del hardware como del
software, incluyendo aspectos de la parte mecánica,
de la parte eléctrica y electrónica, así como del
sistema de control.
Palabras Clave: Mano mecánica, Robótica,
Manipulador multipropósito, Aprehensión de objetos,
Manipulación de objetos.
1. INTRODUCCIÓN
Manipulador multipropósito, Efector final diestro,
Mano mecánica, son distintos nombres que se
utilizan para describir una herramienta mecánica que
tenga una destreza considerable, potencialmente
comparable con la de una mano humana desde el
punto de vista de la versatilidad de movimientos.
El objetivo principal de una herramienta de este tipo
es poder acoplarla a un brazo robot y con el conjunto
desarrollar distintas tareas de aprehensión y
manipulación de objetos con formas y tamaños
diversos. Herramientas de este tipo están pensadas
para realizar tareas tales como, por ejemplo, la teleoperación en ambientes riesgosos, aplicación muy
importante pues evita que un humano se ponga en
riesgo. Diversos centros de investigación han
trabajado desde hace tiempo en el diseño de manos
mecánicas, intentando buscar una buena relación
entre versatilidad, complejidad mecánica, costes y
facilidad de uso, entre otros aspectos afines. Una
descripción de las principales manos mecánicas
presentadas en la bibliografía especializada puede
encontrarse en [4]. No obstante el problema aún no
está resuelto de manera general y satisfactoria y
queda mucho trabajo por realizar.
Figura 1: Foto de la construcción mecánica de MA-I.
En el IOC se está trabajando en la integración de un
robot industrial con una mano mecánica y un sistema
de visión artificial, de forma que acoplados permitan
experimentar, probar y desarrollar teorías de
aprehensión y manipulación de objetos, y en este
contexto se ha desarrollado la mano MA-I. El diseño
inicial de la mano mecánica y de sus componentes se
llevó a cabo en el IOC en el marco de un proyecto ya
finalizado [2], y actualmente se sigue trabajando en
ella dentro de otro proyecto que implica tanto su
puesta a punto, la inclusión de nuevos sensores y el
desarrollo de estrategias de aprehensión y
manipulación [3]. Aunque no es el objetivo directo
del trabajo, la experiencia adquirida puede ser válida
para el potencial desarrollo de prótesis para el brazo
humano con capacidades superiores a las prótesis
actuales.
MA-I es una mano con características
antropomórficas (figura 1), tanto en relación de
dimensiones como de ubicación, orientación y
posibilidades de articular de los dedos. Estas
características se describirán con mayor detalle en
apartados posteriores. Tras esta introducción, el articulo incluye los
siguientes apartados.
• Punto de referencia: la mano humana
• Conceptos básicos de diseño
• Estructura de MA-I: Características
antropomórfica y antropométrica.
• Esquema general del sistema.
• Aspectos mecánicos.
• Aspectos eléctricos y electrónicos.
• Software.
• Sistema de control.
• Incorporación de sensores en las yemas de
los dedos.
2. PUNTO DE REFERENCIA: LA
MANO HUMANA
Intuitivamente, la relevancia de la mano humana
como referencia de diseño de un manipulador
multipropósito se basa en: a) El ser humano utiliza su
mano como primer contacto con el mundo para
conocerlo y desenvolverse en él; b) Los instrumentos
y artefactos que el hombre diseña y que se
encuentran en la vida diaria, tienen como base de
diseño el concepto de que serán manipulados por una
mano humana; c) La mano es el elemento más común
en el que se piensa para realizar manipulación o
aprehensión.
También existen razones de carácter técnico para
intentar emular la eficiencia de la mano humana. La
mano humana tiene un número alto de grados de
libertad, alta relación fuerza /peso (incluida la fuente
de energía), bajo factor de forma (compacta) y un
sistema sensorial complejo. La mano humana cuenta
con más de 25 GDL, que permiten múltiples
configuraciones de aprehensión y manipulación con
los distintos pares, tríos, cuartetos, quinteto de dedos
y la palma. Cada dedo cuenta con dos articulaciones
tipo bisagra (rotación en una sola dirección) y una
articulación en la base con dos GDL, donde uno de
los dos ejes de rotación es paralelo a los ejes de
rotación de las articulaciones tipo bisagra y el
segundo es perpendicular a este y normal a la palma.
En la palma se encuentran el resto de GDL, que no se
mueven independientemente pero que permiten
curvar la superficie donde están localizadas las bases
de los dedos. El cambio de curvatura de la palma
permite reubicar los planos de trabajo de cada dedo
ampliando los tipos de agarres posibles y el rango de
tamaño de los objetos con los que se puede
interactuar. La figura 2 muestra todos los segmentos
y articulaciones con que cuenta una mano,
destacando la cantidad y complejidad de las
articulaciones de la palma.
Figura 2: Articulaciones de la mano humana.
Además de la destreza que le confiere el alto número
de GDL y su adecuado control, la mano humana
posee un sistema sensorial que le permite determinar
para un cierto objeto su dimensión, forma,
orientación y posición relativa, composición, peso,
conductividad térmica, textura de la superficie,
fuerza ejercida, existencia o no de deslizamiento
entre los dedos y el objeto, entre otras propiedades.
Estas capacidades sensoriales no están limitadas a la
yemas de los dedos sino distribuidas por toda la
superficie de la mano ampliando las superficies de
trabajo o puntos de apoyo.
La suma de todas las características mencionadas,
induce a utilizar la mano humana como un punto de
referencia o modelo para el desarrollo de
manipuladores multipropósito.
3. CONCEPTOS BÁSICOS DE
DISEÑO
El diseño de la mano mecánica se realizó en Proengineer, utilizando su capacidad de simulación y de
análisis por elementos finitos. A continuación se
describen los conceptos básicos que enmarcaron su
diseño.
Modularidad.
Como concepto básico de diseño se consideró que un
diseño modular del sistema era primordial.
Entendiendo por modular que los elementos, tanto
software como hardware, tengan fronteras y puentes
de comunicación claros y que permitan el reemplazo
de un módulo sin tener que intervenir en los demás.
Por ejemplo, poder cambiar el algoritmo de control
sin necesidad de adaptar el hardware o la interfase
gráfica del sistema.
Autocontenida.
A fin de que la mano sea fácilmente acoplable y
desacoplable a cualquier robot, y no se requiera de un
robot de uso específico para soportarla, se ha
realizado un diseño mecánicamente autocontenido,
evitando la existencia de tendones o elementos de
transmisión de movimiento externos a la propia
mano.
Antropomorfa y relaciones antropométricas.
Se ha buscado un diseño de características
antropomorfas y relaciones antropométricas por las
razones expuestas en la Sección 2, pero con un factor
de escala que la hace mayor que una mano humana,
lo que por un lado disminuye los costes de
construcción al tiempo que la hace proporcional a las
dimensiones del robot existente en el IOC, un Stäubli
RX-90.
4. ESTRUCTURA DE MA-I:
CARACTERÍSTICAS
ANTROPOMÓRFICAS Y
ANTROPOMÉTRICAS
MA-I cuenta con sólo cuatro dedos en vez de los
cinco de una mano humana. La reducción de un dedo
se justificó al tener en cuenta que la inclusión del
quinto dedo sólo incrementa un 5% las habilidades
prensiles de una mano y sin embargo tenía un coste
proporcionalmente mucho mayor. Otra reducción
importante fue la no inclusión de los GDL con que
cuenta la palma de una mano humana (ver figura 2),
que permiten a la palma curvarse en torno al eje
medio que pasa por la muñeca. La inclusión de estos
GDL en la mano mecánica implica una elevada
complejidad y coste no justificables en esta fase del
trabajo. Teniendo en cuenta estas dos reducciones se
detalla a continuación la estructura de MA-I.
Figura 4. Descripción de los dedos en MA-I con la
posición “cero” de cada articulación.
El cuarto dedo (el pulgar) tiene la misma
configuración que los demás, pero varían las
dimensiones entre sus articulaciones así como su
ubicación con respecto al plano de la mano. Es
fácilmente apreciable que cuando se apoya la mano
humana sobre una superficie plana se logran apoyar
los cinco dedos y la palma al mismo tiempo, y
también es capaz de enfrentar el pulgar con
cualquiera de los restantes dedos para realizar
operaciones prensiles. Para lograr estas habilidades
habría que incluir GDL en la palma de la herramienta
mecánica, equivalentes a las articulaciones que le dan
la flexibilidad a la palma de la mano humana. En este
trabajo el objetivo es crear una herramienta para la
experimentación en la aprehensión y manipulación
de objetos, por lo tanto lograr posiciones tales como
la mano completamente apoyada sobre una superficie
plana no es de interés, en cambio el poder enfrentar
el pulgar con cualquiera de los otros tres dedos
(índice, corazón o anular) es una necesidad. Para
lograr este enfrentamiento el dedo pulgar se debe
ubicar tratando de compensar en la medida de lo
posible la no inclusión de los GDL de la palma. Una
primera estrategia es colocar el pulgar en frente del
dedo central, el corazón. Esta opción es la más pobre
por la simetría de la misma, aunque esta posición
permite fácilmente la interacción del pulgar con
cualquiera de los otos tres dedos. Si se observa la
mano humana, partiendo de la posición plana, y
girando solamente el dedo pulgar hacia la palma, se
aprecia que la base del pulgar se ubica en medio del
corazón y el índice, y el plano de acción en el que se
confina la flexión del pulgar pasa entre el meñique y
el anular. Esta estrategia da una riqueza superior en
diferentes tipos de agarre, comparada a la opción de
enfrentar el pulgar al corazón. Para conservar esta
configuración, teniendo en cuenta que la mano
mecánica no tiene meñique, se ubicó la base del
pulgar en medio del índice y el corazón y se ubicó el
plano de acción del pulgar pasando entre el anular y
el corazón. La figura 6a muestra el resultado final.
Figura 5: Orientación de los dedos Tipo II con
respecto a la palma.
En general se puede considerar cada dedo como una
cadena cinemática de 3 GDL (GDL #1, #2 y #3)
confinada a un plano que pivota sobre un eje fijo, el
GDL #0 (ver figura 5). Se debe destacar la
particularidad de que los dos primeros GDL (#0 y
#1), están acoplados, lo que eleva la complejidad
mecánica de esta articulación, que se describe con
mayor detalle en la Sección 6. En la tabla 1 se
especifican los rangos de los ángulos de movimiento
de cada articulación con sus equivalencias en los
parámetros D-H, la posición cero de cada
articulación se muestra en la figura 4.
El conjunto mano más robot se describe, en
parámetros D-H, con 4 cadenas cinemáticas. Cada
cadena comienza en la base del robot y termina en el
extremo de un dedo. Al generar los marcos de
referencia (MR) según el método D-H, el MR de la
última articulación del robot sería distinta para cada
cadena. Esta diferencia aumentaría el número de
cálculos y dificultaría el encontrar el valor de la
articulación 6 del robot, necesaria para posicionar el
robot y para calcular la posición y orientación de la
muñeca (unión robot-mano), siendo la posición y la
orientación de la muñeca un parámetro
indispensables para resolver la cinemática inversa de
la mano. Para tener un MR común para la última
articulación del robot se introdujo una articulación
ficticia (articulación D-H #1 de la mano) que tiene su
origen sobre el eje de giro de la última articulación
del robot y su eje de giro de tal manera que sea
colineal con el eje de giro de la última articulación
del robot. Esta articulación no tiene rango de trabajo,
está posicionada en un valor fijo, aunque distinto
para cada dedo. Así se pudo definir un MR único en
la última articulación del robot que se hace coincidir
con la base común a las cuatro cadenas cinemáticas
de la mano: base_mano-anular, base_mano-corazón,
base_mano-índice y base_mano-pulgar. La
base_mano se definió sobre la muñeca, con su centro
en la posición donde la mano y el robot se ensamblan
(sistema de referencia “0” en la figura 4)
Figura 6b: Sistemas de referencia usados para
obtener los parámetros D-H.
Para definir el punto de contacto de cada dedo se
incluyeron en cada cadena cinemática tres
articulaciones ficticias adicionales, las dos primera
con sus centros en el centro de la yema del dedo, la
cual se aproxima mediante una esfera. La tercera
articulación ficticia es simplemente el traslado del
centro de la yema hacia la superficie de la yema en la
dirección definida por las otras dos articulaciones
ficticias. La primera de las articulaciones permite barrer todos los ángulos de una circunferencia que
pertenece al plano de acción del dedo, la segunda
permite barrer todos los ángulos de la circunferencia
perpendicular al plano de acción y cuya inclinación
es la definida por el ángulo anterior (ver figura 7).
Las tres articulaciones ficticias permiten considerar
contactos en cualquier punto de la yema del dedo. La
tabla 2 contiene los parámetros D-H de MA-I, que
están calculados según la metodología utilizada por
Craig [1], y la figura 6b describe la posición de los
sistemas de referencia utilizados.
