Diseño de un banco de pruebas para un exoesqueleto de miembro superior

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El desarrollo de este proyecto Fin de Carrera se enmarca en el proyecto HYPER, financiado en el programa CONSOLIDER-INGENIO 2010 del Ministerio de Ciencia e Innovación. El objetivo de este proyecto es servir de apoyo a uno de los pequeños subproyectos dentro del Proyecto Hyper. Este, como se verá de un modo más desarrollado, trata de dar apoyo a la recuperación de la capacidad motora en diversas enfermedades. Para ello se está ideando un exorobot de cuerpo completo capaz de movilizar cualquier cadena muscular comprendida en el Proyecto Hyper. Este proyecto fin de carrera tratará de abordar la problemática de la articulación del codo para dar como resultado un primer modelo de exobrazo, que se construirá para utilizar en ensayos mecánicos, no con la finalidad que tendrá un diseño más refinado capaz de vestir a una persona, sino como banco de pruebas para futuras mejoras y obtención de datos en laboratorio. Una vez finalizado el exoesqueleto completo, esta herramienta tendrá el propósito de ayudar a la rehabilitación de personas con dificultades en la movilidad. Aunque el proyecto HYPER es muy ambicioso y abarca todo el cuerpo humano, en este Proyecto Fin de Carrera me centraré en el brazo humano, más concretamente en la articulación del codo, con objeto de no realizar un trabajo disperso y de bajo rendimiento global. Mientras trabajo en esta articulación, varios compañeros doctorandos en el RoboticsLab investigan para adaptar el proyecto a un dedo humano, para posteriormente trasladarlo a la mano completa.
Ingeniería Técnica en Mecánica
Publicado el : jueves, 01 de septiembre de 2011
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR

Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática




INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL MECÁNICA


PROYECTO FIN DE CARRERA

DISEÑO DE UN BANCO DE
PRUEBAS PARA UN
EXOESQUELETO DE MIEMBRO
SUPERIOR


Autor: Marcos Martínez Redondo
Tutor: MªDolores Blanco Rojas


Septiembre 2011









A Wido CAPÍTULO I. PROYECTO HYPER .............................................................................................. 7
1.1. INTRODUCCIÓN AL PROYECTO HYPER ........................................................................... 8
1.2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO HYPER .......... 9
1.3. ÁREA DE USO DE LA INVESTIGACIÓN (ENFERMEDADES COMPRENDIDAS DENTRO DEL
RANGO DEL PROYECTO) ...................................... 10
1.3.1. ACCIDENTE VASCULAR CEREBRAL (ACV) ..................................................................... 10
1.3.2. LESIÓN DE LA MÉDULA ESPINAL (SCI) ........... 10
1.3.3. PARÁLISIS CEREBRAL (PC) ............................................................. 11
1.4. ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................ 12
1.4.1. INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA ..................... 14
1.4.2. CLASIFICACIÓN DE LOS ROBOTS 14
1.4.3. ELEMENTOS DEL ROBOT INDUSTRIAL ............ 16
1.4.3.1. Estructura mecánica [10] ............................................................................................. 16
1.4.3.2. Sistema de transmisión ................................ 20
1.4.3.3. Actuadores [13] ............................................................................. 20
1.4.3.4. Sensores ......................................................... 25
1.4.3.5. Unidad de control ......................................... 26
1.4.4. NEUROROBOTS ................................................................................. 27
1.4.5. NEUROPRÓTESIS .............. 28
1.4.6. TRABAJO CONJUNTO DE NEUROROBOTS Y NEUROPRÓTESIS [4] ................................... 30
1.5. OBJETIVOS DEL PROYECTO HYPER ............................................ 31
1.6. TEMAS DE INVESTIGACIÓN ........................................................... 31
1.6.1. BIOMECÁNICA .................................................. 32
1.6.2. CONTROL NEUROMOTOR ................................................................. 32
1.6.2. TECNOLOGÍAS DE CONTROL ........................................................... 32
1.6.3. ACTUADOR, SENSOR Y LAS TECNOLOGÍAS DE ALIMENTACIÓN ..... 32
1.6.4. MULTIMODAL INTERFACES CEREBRO MÁQUINA (MBMI) .......................................... 33
1.6.5. ADAPTACIÓN DE LA PN Y NR A LOS USUARIOS Y LOS ESCENARIOS DE APLICACIÓN .. 33
1.7. ORGANISMOS IMPLICADOS EN EL PROYECTO HYPER .................. 33
CAPÍTULO II. OBJETIVOS DEL PROYECTO ...................................................................... 35
2.1. OBJETIVOS PROYECTO FIN DE CARRERA ..... 36
2.2. INTERVENCIONES AFECTADAS POR EL PROYECTO FIN DE CARRERA ........................... 38
CAPÍTULO III. BIOMECÁNICA DEL BRAZO ...................................................................... 42
3.1. INTRODUCCIÓN A LA BIOMECÁNICA ............. 43
3.1.1. ARTICULACIONES ............................................................................................................ 43
3.1.2. MÚSCULOS ........................ 44
3.2. DATOS ANTROPOMÓRFICOS ......................................................................................... 45
3.2.1. GRADOS DE LIBERTAD ..................................... 45 UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

3.2.2. RANGOS ARTICULARES .................................................................................................... 45
3.3. SISTEMA DE REFERENCIA Y NOMENCLATURA .............................. 49
3.4. ARTICULACIONES DEL BRAZO ...................... 50
3.4.1. HOMBRO ........................................................................................................................... 50
3.4.2. CODO ................................. 55
3.4.3. MUÑECA ............................ 59
CAPÍTULO IV. DISEÑO CONCEPTUAL Y ESFUERZOS MECÁNICOS ESTÁTICOS EN EL
BRAZO ............................................................................................................................... 63
4.1. JUSTIFICACIÓN DE ESTE CAPÍTULO .............................................................................. 64
4.2 DISEÑO CONCEPTUAL .................................... 65
4.3. MASAS Y LONGITUDES .. 66
4.4. MATERIALES UTILIZADOS EN LA MODELACIÓN. .......................................................... 66
4.5. DIAGRAMAS DE FUERZAS Y MOMENTOS EN LA REPRESENTACIÓN CONCEPTUAL .......... 67
4.5. TABLAS RESUMEN ........................................................................................................ 76
CAPÍTULO V. DISEÑO EN SOLID EDGE ST2 DEL EXOESQUELETO . 77
5.1. ¿QUÉ ES SOLID EDGE ST2? .......................................................................................... 78
5.2. FUNCIONAMIENTO DE SOLID EDGE ST2 ....................................... 78
5.2.1. LOS PRIMEROS PASOS EN SOLID EDGE ........................................... 78
5.3. MODELADO DEL EXOBRAZO ........................ 82
5.3.1. DIBUJADO DE LOS BOCETOS A UTILIZAR. ....... 82
5.3.2. EXTRUSIÓN POSITIVA ...................................................................................................... 83
5.3.3. BORRADO SECCIÓN .......... 83
5.3.4. EXTRUÍDO DE LA BARRA VERTICAL ................ 84
5.3.5. VACIADO POR EXTRUSIÓN ............................................................................................... 84
5.4. MODELADO DEL EXOANTEBRAZO ................ 85
5.5. RODAMIENTO ............................................................................... 86
5.6. ENSAMBLADO DEL MODELO COMPLETO ...................................... 86
CAPÍTULO VI. MODELADO Y SIMULADO EN MSC ADAMS DEL EXOESQUELETO .......... 89
6.1. ¿QUÉ ES ADAMS? ....................................................................................................... 90
6.2. MODELADO DE LOS SÓLIDOS ........................ 90
6.3. PUNTOS CARACTERÍSTICOS DEL MODELO. ... 95
6.4. CREACIÓN DE CONTROLADORES .................................................................................. 96
6.5. COACCIONES, CONTORNOS Y RELACIONES ENTRE PIEZAS. .......... 97
CAPÍTULO VII. SIMULACIÓN EN MSC.ADAMS MEDIANTE MOTOR MATLAB ................ 99
7.1 ¿QUÉ ES MATLAB? .................................................................................................... 100
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7.2 ÚLTIMOS PASOS EN MSC.ADAMS. EXPORTADO. ....................................................... 101
7.2.1 CONFIGURACIONES EN ADAMS ...................................................... 101
7.2.2 EXPORTACIÓN DE INFORMACIÓN DESDE MSC.ADAMS ............................................. 101
7.3 INICIO DE MATLAB ................................................................... 103
7.4 MÓDULOS DE MATLAB EN ADAMS_SYS .... 105
4.4.1 BLOQUE DE CÁLCULO DE MATLAB ............................................. 105
4.4.2 PID ................................................................................................... 105
CAPÍTULO VIII. CÁLCULO DEL MODELO EN SITUACIONES COTIDIANAS ................... 106
8.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 107
8.2. MOVIMIENTOS CARACTERÍSTICOS ............. 107
8.3. DISEÑO DE FUNCIONES PARA SU CONSTRUCCIÓN. ...................... 109
8.4. PROGRAMACIÓN DE MATLAB. ................................................................................. 111
8.5. RESULTADOS. ............................................. 112
8.6. CONCLUSIONES. ......... 113
8.7. MOTORES COMERCIALES PROPUESTOS. ..................................................................... 114
CAPÍTULO IX. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS PARA FUTUROS TRABAJOS DOCENTES
.......................................................................................................................................... 115
9.1. CONCLUSIONES .......... 116
9.2. FUTUROS TRABAJOS DOCENTES.................................................................................. 117
ANEXO A. JUSTIFICACIÓN DE LOS CÁLCULOS DEL RODAMIENTO ........ 120
A.1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 120
A.2. RODAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS ........... 120
A.2.1. EN CUANTO A DIMENSIONES: ........................ 120
A.2.2. CARGAS .......................................................................................................................... 120
A.2.3. LUBRICACIÓN ................ 120
A.2.4. MASAS Y CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL .............................. 121
A.2.5 NOMENCLATURA ............................................................................................................ 122
A.3. CÁLCULOS ................. 122
ANEXO B. GLOSARIO ......................................................................................................... 125
B.1. ANATOMÍA ................. 125
B.2. MODELADO ................................................................................................................ 125
B.3. OTROS ....................... 126
ANEXO C. BREVE MANUAL DE MSC.ADAMS ....................................................................... 127
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C.1. CONTROLES BÁSICOS ....................................................................................................... 128
C.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ............................... 130
C.2.1. Operaciones booleanas . 132
C.2.2. Modificación de los Sólidos .......................................................................................... 133
C.2.3. Modificación de las especificaciones iniciales de los Sólidos ..................................... 133
C.3. DISEÑO DE JUNTAS, ACTUADORES Y FUERZAS. .............................. 136
C.4. SIMULACIÓN DEL MODELO .............................................................................................. 142
C.5. POSTPROCESADOR ........................................... 144
ANEXO D. RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES ................................. 147
D.A. FLEXOEXTENSIÓN DEL CODO. BRAZO EN POSICIÓN VERTICAL. .................................. 147
D.B. FLEXOEXTENSIÓN DEL CODO. BRAZO EN POSICIÓN HORIZONTAL .............................. 150
D.C. FLEXOEXTENSIÓN DEL HOMBRO. BRAZO EN POSICIÓN VERTICAL 153
D.D. FLEXOEXTENSIÓN DEL HOMBRO. BRAZO EN POSICIÓN HORIZONTAL. ....................... 157
D.E. ELEVACIÓN DEL BRAZO. ................................................................................................. 161
D.F. ALARGAR EL BRAZO HACIA EL FRENTE CON OBJETO DE TOMAR ALGO CON LA MANO.
................................................................................................................................................... 166
D.G. ELEVACIÓN LATERAL SIMPLE DEL BRAZO. ABDUCCIÓN. ............ 170
D.H. ELEVACIÓN LATERAL COMPLEJA DEL BRAZO. ABDUCCIÓN DEL HOMBRO MÁS
FLEXOEXTENSIÓN DEL CODO. ................................................................................................. 174
ANEXO E. DOCUMENTACIÓN GRÁFICA .............................................................................. 183
ÍNDICE DE IMÁGENES ........................................ 184
ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................. 188
ÍNDICE DE GRÁFICAS .......................................... 190
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................... 191





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CAPÍTULO I. PROYECTO HYPER


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1.1. Introducción al Proyecto Hyper

El desarrollo de este proyecto Fin de Carrera se enmarca en el proyecto HYPER,
financiado en el programa CONSOLIDER-INGENIO 2010 del Ministerio de Ciencia e
Innovación.


Imagen 1.1. Logotipo del Proyecto HYPER

El objetivo de este proyecto es servir de apoyo a uno de los pequeños subproyectos
dentro del Proyecto Hyper. Este, como se verá de un modo más desarrollado, trata de
dar apoyo a la recuperación de la capacidad motora en diversas enfermedades. Para ello
se está ideando un exorobot de cuerpo completo capaz de movilizar cualquier cadena
muscular comprendida en el Proyecto Hyper.

Este proyecto fin de carrera tratará de abordar la problemática de la articulación del
codo para dar como resultado un primer modelo de exobrazo, que se construirá para
utilizar en ensayos mecánicos, no con la finalidad que tendrá un diseño más refinado
capaz de vestir a una persona, sino como banco de pruebas para futuras mejoras y
obtención de datos en laboratorio.

Una vez finalizado el exoesqueleto completo, esta herramienta tendrá el propósito de
ayudar a la rehabilitación de personas con dificultades en la movilidad.

Aunque el proyecto HYPER es muy ambicioso y abarca todo el cuerpo humano, en este
Proyecto Fin de Carrera me centraré en el brazo humano, más concretamente en la
articulación del codo, con objeto de no realizar un trabajo disperso y de bajo
rendimiento global. Mientras trabajo en esta articulación, varios compañeros
doctorandos en el RoboticsLab investigan para adaptar el proyecto a un dedo humano,
para posteriormente trasladarlo a la mano completa.








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