CAPITULO II MARCO TEÓRICO

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1. BASES TEÓRICAS.

A lo largo del desarrollo del presente de investigación se planteó la

necesidad de dar a conocer algunos términos que tanto para la ingeniería

como para la medicina adecuan la completa reali zación de la misma,

consiguiendo así los términos para cada una de las ramas involucradas.

Para lograr llevar un orden de los temas relacionados con la

investigación se han dividido los basamentos teóricos de la siguiente

manera:

1.1. BASES TEÓRICAS PARA LA INGENIERÍA

La amplia gama de recursos con la que la ingeniería se vale obliga

a tener en cuenta la definición de los términos que se relacionan directa e

indirectamente con el desarrollo de la presente investigación, desarrollando

este punto con lo siguiente:

§ PROTOTIPO

Según la Enciclopedia Encarta 98 es un modelo o versión inicial

de un producto, previsto para probar y desarrollar el diseño. Antes de invertir

en el equipo necesario para fabricar en serie un producto, el fabricante debe

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estar convencido de que el diseño es seguro y fiable. Los

diseñadores e ingenieros emplean prototipos para conseguirlo.

Los prototipos pueden ser muy sencillos, con sólo unos pocos

componentes. Un ejemplo sería un prototipo para averiguar la velocidad de

giro de una cuchilla de una cortacésped cuando es impulsada por un motor

eléctrico determinado. Lo único que haría falta sería un motor, una cuchilla

y una fuente de alimentación.

El papel fundamental de un prototipo es reducir el riesgo de

errores de diseño. Con los prototipos, los fabricantes pueden adquirir

confianza en sus diseños y justificar la inversión necesaria para su

producción en serie.

§ MANIPULADOR

Un manipulador mecánico se puede modelar como una cadena

articulada en lazo abierto con unos cuerpos rígidos (elementos) conectados

en serie por una articulación de revolución o prismática movida por

actuadores. Un soporte final se une a una base mientras que el otro está

libre y unido con una herramienta (efector final) para manipular objetos o

realizar tareas de montaje. El movimiento relativo en las articulaciones

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resulta en el movimiento de los elementos que posicionan el elemento final

en una orientación deseada. En la mayoría de las aplicaciones de robótica,

se está interesado en la descripción espacial del efecto final del manipulador

con respecto a un sistema de coordenadas de referencia fija (K.S.FU, 1.988).

MODELOS DEL MANIPULADOR

CONTROL DE MOVIMIENTOS

Beer y Russell alegan que la Dinámica es la parte de la mecánica

que se encarga del análisis de los cuerpos en movimiento. La primera

contribución importante a la dinámica fue hecha por Galileo (1564-1642), los

experimentos de Galileo sobre cuerpos uniformemente acelerados

condujeron a newton (1642-1727 ), a formular sus leyes fundamentales del

movimiento.

La dinámica y el control de manipuladores. Comportamiento

dinámico del manipulador. Actuadores. El sistema de control.

Especificaciones de posicionamiento. Control independiente por articulación.

Programación de robots. Niveles del lenguaje. Programación gestual.

Programación textual. Características de los lenguajes a nivel robot.

Programación el VAL II. (Buscar más información con referencia a dinámica

para complementar la idea)

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Así mismo señalan que la dinámica se divide en dos partes:

Cinemática: Que es el estudio de la geometría en movimiento y

se usa para relacionar el desplazamiento, velocidad, aceleración y el tiempo

sin hacer referencia a la causa del movimiento.

Cinética: Es el estudio de la relación que existe entre las fuerzas

actuando sobre un cuerpo, su masa y movimiento, la cinética se usa para

predecir el movimiento causado por fuerzas conocidas o para determinar las

fuerzas necesarias para producir un cierto movimiento.

En síntesis, se alega que tanto la cinemática como la cinética se

involucran dentro del área de la medicina ya que relacionan velocidad,

movilidad y las diferentes fuerzas actuantes que deben realizar los pacientes

con dificultad para articular la flexión de la rodilla, todo ello que conlleva a la

realización del prototipo controlado por PC.

1.2. BASES TEÓRICAS PARA LA MEDICINA

Al igual que la ingeniería la medicina se vale de términos básicos

para poder lograr tener una visión más clara y precisa de lo que se desea,

cuando no se tienen conocimientos amplios del tema a discutir; entre estos

términos tenemos:

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§ ARTICULACIÓN DE LA FLEXIÓN DE RODILLA

La articulación de la rodilla establece la unión entre el muslo y la

pierna. En los vertebrados inferiores, los dos huesos de la pierna, casi de

igual longitud, entran en relación con la extremidad inferior del hueso del

muslo. En el hombre, por efecto del desarrollo considerable que ha tomado

la tibia solo este hueso se articula con el fémur; el peroné es muy reducido,

resultando ser una pieza esquelética secundaria, que no forma parte

absolutamente de la articulación. La articulación de la rodilla es, pues,

femorotibial, resultando por esto muy diferente, morfológicamente

considerada, de su homóloga la articulación del codo, en la que se logra ver

que la extremidad inferior del húmero se articula a la vez con los dos huesos

del antebrazo. Por lo demás, desde el punto de vista mecánico, pertenece al

mismo grupo de esta última; es una articulación troclear, o sea una

trocleartrosis.

Tres huesos contribuyen a formar las superficies articulares de la

rodilla: por parte del muslo, el extremo inferior del fémur, por parte de la

pierna, el extremo superior de la tibia, completando por delante y por arriba

por la cara posterior de la rótula. (Testut, Latarjet).

a. Extremo inferior del fémur. En el extremo inferior del fémur,

visto por su cara anterior, distinguimos desde luego una superficie articular

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en forma de polea, la tróclea femoral constituida, como todas las poleas, por

dos carillas laterales que, inclinándose la una hacia la otra, forman un surco

redondeado y obtuso, que constituye la garganta de la tróclea. Este surco,

dispuesto en el plano sagital, se dirige oblicuamente, como la misma polea,

de arriba abajo y de delante atrás. Al llegar a la parte más inferior del hueso

se separan las dos carillas trocleares, hasta entonces contiguas, con lo cual

la garganta de la tróclea resulta remplazada por una ancha escotadura. Esta

escotadura, en el punto que ocupa, divide la extremidad inferior del fémur en

dos eminencias voluminosas, llamadas cóndilos, y habida cuenta de su

situación, recibe el nombre de escotadura intercondílea.

A su vez, tanto el cóndilo interno como el externo son divergentes

de delante atrás, de lo cual resulta que el diámetro transversal del extremo

inferior del fémur es más extenso en su parte posterior que en la anterior.

Así mismo la parte Ínfero posterior de los cóndilos es la única que tiene

superficie articular; que esta superficie articular, seguida de delante atrás

pertenece primeramente a un circulo de gran radio, después de un circulo de

radio mucho menor, y , por consiguiente, que se enrolla de manera de voluta,

o mejor dicho, que describe una curva espiral, cuyos radios van decreciendo

de la parte anterior a la posterior. Gráficamente se muestra de la siguiente

manera:

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Figura No. 1

CORTE SAGITAL DEL CÓNDILO INTERNO DEL FÉMUR (Según Bugnion)

a. cóndilo. – b. Tróclea. – c. Límite condilotroclear Fuente: Testut y Latarjet

Según las mediciones de Weber, este radio de curvatura, que es

de 43 milímetros al principio , desciende, hacia atrás, hasta 16,85 milímetros.

Hemos de añadir que las superficies articulares de los cóndilos son un poco

más anchas en su parte anterior que en la posterior, de lo que resulta que la

superficie de contacto femorotibiales mayor en la extensión (posición en la

que los cóndilos descansan sobre la tibia por su parte anterior) que en la

flexión (posición en la que los cóndilos descansan sobre la tibia por su parte

posterior).

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Comparados entre sí, los dos cóndilos del fémur, aunque

constituidos sobre el mismo tipo, no son idénticos. El cóndilo interno se halla

sumamente desviado hacia dentro y el cóndilo externo lo esta mucho menos

hacia fuera. Además, la superficie articular del cóndilo interno es mucho más

larga que la del extremo: la primera mide 9 ó 10 centímetros, y la segunda

7,5 a 8 centímetros únicamente. Por último, como se deduce de las

mediciones tomadas por Bugnion, el radio de la curvatura del cóndilo

externo, considerado de atrás a delante, aumenta más rápidamente que el

del cóndilo interno. Como se ve, todas estas disposiciones tienen gran

influencia sobre el mecanismo de la articulación de la rodilla y en ellas

encontramos, en gran parte, la explicación de la asociación constante de los

movimientos de rotación con los de flexión y extensión.

En su parte anterior, la superficie articular del cóndilo se continúa

con la carilla correspondiente de la tróclea. De ordinario, en el límite

respectivo de las dos superficies articulares, condílea y troclear, existe una

línea de separación, representada por una cresta obtusa, por detrás de la

cual se encuentran un surco más o menos marcado. En línea, línea

condilotroclear, muy visible en la figura No 2, empieza en el borde lateral de

cada cóndilo, a nivel de una escotadura mucho más marcada en el cóndilo

interno que en el extremo. Desde este punto se dirige oblicuamente hacia

atrás y adentro, hacia la escotadura intercondílea: la línea interna se dirige

hacia el vértice de la escotadura, pero la externa termina 8 ó 10 milímetros

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más lejos, en el borde interno del cóndilo correspondiente. La observación

demuestra que la línea condilotroclear es ordinariamente más pronunciada

en el cóndilo interno que en el externo: de cincuenta fémures, Mikulicz ha

encontrado las dos líneas a corta diferencia iguales en treinta y uno, la

interna más marcada que en la externa en dieciséis, y, al contrario, la externa

más marcada que la interna en tres. Terrillon ha dejado establecido desde

hace muchos años que las líneas condilotrocleares, en la estación de pie, se

corresponden con el borde superior de los fibrocartílagos semilunares, por lo

cual no son otra cosa que las huellas marcadas en las superficies articulares

por estos fibrocartílagos. Así se comprende que se las encuentre más

acentuadas cuanto mayor es la edad del sujeto.

Figura No. 2 EXTREMIDAD INFERIOR DEL FÉMUR DERECHO, CON SU COLLAR

CAPSULAR.

1. Cóndilo interno. – 2. cóndilo externo. – 3. tróclea. – 4. 4´. Líneas condilotrocleares interna y externa. – 5. escotadura intercondilea. – 6. cápsula articular. – 7. ligamento lateral interno. – 8. ligamento lateral externo. – 9. ligamento cruzado posterior. – 10. ligamento cruzado anterior. – 11. ligamento adiposo. – 12. tendón del poplíteo.

Fuente: Testut y Latarjet

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En estado fresco, la superficie troclear y las dos superficies

articulares condíleas están cubiertas de una capa de cartílago hialino, cuyo

espesor, por término medio, es de 2,5 a 3 milímetros. Esta capa, aunque

continua en toda su extensión, no es uniforme. En la tróclea es más gruesa

en la garganta, y en la vertiente extra más que en la vertiente interna. En los

cóndilos se encuentra también mucho más desarrollada en la parte media

que en los bordes. Visto en cortes frontales, el revestimiento cartilaginoso

de los cóndilos tiene la forma de media luna, cuya concavidad, dirigida hacia

arriba, rodea la superficie la superficie ósea correspondiente.

b. Extremo superior de la tibia. El extremo superior de la tibia

ofrece a la articulación de la rodilla sus dos cavidades glenoideas: una de

ellas, la interna, es a la vez más larga y está más hondamente excavada que

la externa, la cual es más ancha, ligeramente cóncava en sentido

transversal, plana o algo convexa en sentido antero posterior, y se prolonga

5 o 6 milímetros sobre la cara posterior del hueso.

Las dos cavidades glenoideas están separadas una de otra por la

espina de la tibia, especie de masa ósea cuadrilátera que termina por arriba

en dos tubérculos, uno interno y otro externo, Sobre este particular se

planteo que la espina de la tibia está un poco más aproximada al plano

posterior del hueso que al anterior, y, por otra parte, que cada superficie

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articular glenoidea sobresale del nivel de la espina que prolongarse hasta el

tubérculo correspondiente. Por delante y por detrás de la espina tibial,

siempre entre las dos cavidades glenoideas, se ven dos superficies

triangulares, rugosas y muy irregulares, la superficie preespinal y la superficie

retroespinal. Gráficamente se presenta así:

Figura No. 3

EXTREMIDAD SUPERIOR DE LA TIBIA DERECHA VISTA POR ARRIBA CON SU COLLAR CAPSULAR

Fuente: Testut y Latarjet

En estado fresco las dos superficies articulares de la tibia están

cubiertas, como la del fémur, por una capa de cartílago hialino, cuyo grosor

máximo corresponde siempre a la parte media de las cavidades glenoideas,

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exactamente en el punto en que se ejerce, en la estación de pie, la presión

más considerable. En la glena interna, el revestimiento cartilaginoso mide

por término medio 3 ó 4 milímetros de espesor; no modifica sensiblemente la

forma de la superficie articular; pero no sucede lo mismo respecto de la glena

externa, y esto porque la capa cartilaginosa que se extiende sobre ella es

mucho más gruesa en su parte media que en sus dos extremidades, anterior

y posterior. Resulta de ello que la superficie articular, que en el hueso seco

aparece casi plana en sentido antero posterior, en estado fresco es

decididamente convexa en el mismo sentido. En la glena externa, el

revestimiento cartilaginoso alcanza 6 y 7 milímetros de espesor.

c. Cara posterior de la rótula. La rótula presenta, en su cara

posterior, una superficie articular prolongada en sentido transversal, que

ocupa las tres cuartas partes superiores, o tal vez las cuatro quintas, de esta

cara.

Una cresta obtusa, de dirección vertical, divide esta superficie

articular en dos carillas laterales: una externa, más grande y excavada en su

centro, y otra interna, un poco más pequeña, ligeramente cóncava o tal vez

plana, a veces subdividida por una línea oblicua hacia abajo y adelante en

dos carillas secundarias. En estado fresco, la superficie articular de la rótula

presenta un revestimiento cartilaginoso de considerable espesor. Vista en

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corte horizontal, esta capa cartilaginosa es casi uniforme; apenas se atenúa

a nivel de sus bordes y mide de 3 a 4 milímetros.

d. Modo de corresponderse las precitadas superficies

articulares. Para constituir la articulación de la rodilla, las tres superficies

articulares que acabamos de describir, femoral, tibial y rotuliana, están

dispuestas del modo siguiente. La superficie articular rotuliana hallase desde

luego aplicada contra la tróclea femoral , la garganta de la tróclea se

corresponde con la cresta vertical de la rótula; por otra parte, las dos carillas

laterales o vertientes de la tróclea ligeramente convexas, se corresponden

con las dos carillas laterales de la rótula, las cuales, como hemos visto, son

ligeramente cóncavas. Por su parte, las dos superficies, condíleas, convexas

a la vez en sentido transversal y en el antero posterior, descansa sobre las

dos cavidades glenoideas de la tibia. Respecto de este punto, hemos de

hacer notar que, por su parte más interna, por la parte que se levanta a lo

largo de la espina, cada superficie glenoidea se pone en relación, en una

extensión de muchos milímetros, con la cara interna o axil del cóndilo

correspondiente. Esta disposición se ve muy claramente en la figura No. 4,

que representa un corte frontal de la articulación. Por último, el espacio

intercondíleo del fémur corresponde, por parte de la tibia, lo que llamaremos

espacio ínter glenoideo, formado por la espina de la tibia y por las dos

superficies rugosas preespinal y retroespinal, colocadas una por delante y la

otra por detrás de la espina.

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Si ahora consideramos de un modo más general las superficies

articulares de la rodilla, encontramos: por parte del fémur, uniendo la tróclea

propiamente dicha a las superficies articulares condíleas que son su

continuación, una verdadera polea, cuya garganta, muy marcada en la parte

anterior y superior del hueso, está reemplazada en la parte inferior y

posterior por la escotadura intercondílea. En correspondencia con esta polea

encontramos, por parte de la pierna, una superficie inversamente

configurada, constituida por la reunión de la superficie rotuliana con las dos

cavidades glenoideas de la tibia; con la garganta de la polea se corresponde

la cresta vertical de la rótula, reemplazada por abajo y atrás, como la

garganta troclear misma, por el espacio ínter glenoideo; con las vertientes de

la polea se corresponden las dos caras laterales de la rótula, continuadas,

por parte de la tibia, cada una por la cavidad glenoidea correspondiente.

Así, pues, la articulación de la rodilla presenta todos los elementos

morfológicos que caracterizan las articulaciones trocleares, por lo cual resulta

plenamente justificado el sitio que le hemos asignado a la nomenclatura.

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Figura No. 4

CORTE FRONTAL DE LA RODILLA DERECHA, PARA DEMOSTRAR LAS RELACIONES RESPECTIVAS DE LAS SUPERFICIES ARTICULARES Y

EL VARIABLE ESPESOR DE LOS REVESTIMIENTO CARTILAGINOSOS.

Fuente: Testut y Latarjet (1978)

MOVIMIENTOS

La articulación de la rodilla disfruta principalmente de los dos

movimientos fundamentales que caracterizan las articulaciones trocleares: la

flexión y la extensión. Tiene, además, movimientos de rotación y de

inclinación lateral (Testut, Latarjet).

a. Flexión y Extensión. La flexión es un movimiento por el cual la

cara posterior de la pierna se aproxima a la cara posterior del muslo, y la

extensión, un movimiento en sentido opuesto, por el cual las dos precitadas

superficies se separan una de otra. Por lo demás, estos dos movimientos

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pueden ejecutarse de tres modos distintos, moviéndose la tibia sobre el

fémur, moviéndose el fémur sobre la tibia y moviéndose simultáneamente los

dos huesos uno sobre otro.

Por otra parte, los dos movimientos de flexión y extensión no son

nunca movimientos puros y aislados, pues la observación directa demuestra

claramente: primero, que la flexión se acompaña constantemente de una

rotación de la tibia hacia dentro o, lo cual viene a ser lo mismo, de una

rotación del fémur hacia fuera; segundo, que la extensión va así mismo

asociada a una rotación de la tibia hacia fuera o del fémur hacia dentro.

La flexión y la extensión se efectúan alrededor de un eje

transversal que pasa aproximadamente por las dos tuberosidades condíleas,

o, de otro modo, por las dos inserciones femorales de los ligamentos

laterales y de los cruzados. Si suponemos el caso de que el muslo se mueve

sobre la pierna inmóvil, los cóndilos ruedan alrededor el precipitado eje, de

delante hacia atrás en la flexión y de atrás a delante en la extensión. Hemos

de añadir, no obstante, que el eje de rotación no es fijo, sino que varía a

medida que se efectúa el movimiento; esto es una consecuencia de la forma

misma de las superficies articulares condíleas, las que como hemos dicho

antes, no son regularmente esféricas, pues su radio de curvatura aumenta

gradualmente de atrás a delante. Pero no es esto todo, pues los dos

cóndilos no se limitan a rodar sobre sus glenas respectivas, como las dos

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ruedas de un carro sobre el suelo, sino que, como desde hace mucho tiempo

han dejado consignado los hermanos Weber, se deslizan sobre sus glenas a

medida que se efectúa el movimiento de rotación. Estos dos movimientos,

deslizamiento y rotación, son simultáneos, y es de notar que los cóndilos más

se deslizan que ruedan.

El movimiento de deslizamiento de los cóndilos tiene su razón de

ser en la disposición que existe entre la superficie articular condílea, que es

relativamente más larga, y la glena tibial, que es mucho más corta. Por lo

demás, esto queda demostrado por el experimento siguiente de los

hermanos Weber (Figura No.5). Abrase una rodilla en extensión y señálense

en ella dos puntos a (en el fémur) y b (en la tibia), por los que los dos huesos

estén en mutuo contacto. Hecho esto, dóblese el fémur sobre la tibia, y

entonces veremos (trazo encarnado en la figura No. 5) que el punto de

contacto tibial de las superficies articulares ha retrocedido desde b hasta b´,

y el punto femoral ha subido de a hasta a´. Ahora bien, si medimos la

distancia que separa b de b´ y a de a´, obtendremos cifras muy diferentes.

Si el cóndilo se limitase a rodar como la rueda de un carro sobre el plano

horizontal en que se apoya, las dos distancias serían exactamente iguales; si

resultan desiguales es porque el cóndilo, al propio tiempo que rueda, se

desliza de atrás a delante sobre la superficie de la tibia.

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De modo que, en la flexión del muslo sobre la pierna inmóvil, los

cóndilos ruedan de delante atrás, al mismo tiempo que se deslizan de atrás a

delante sobre las cavidades glenoideas de la tibia. Del mismo modo, en la

extensión del muslo sobre la pierna, los cóndilos, moviéndose en sentido

inverso, ruedan de atrás a delante al mismo tiempo que se deslizan de

delante atrás.

Figura No. 5

CORTE SAGITAL DEL CÓNDILO INTERNO Y DE LA CAVIDAD GLENOIDEA PARA DEMOSTRAR EL MODO DE LOCOMOCIÓN DEL

FÉMUR EN LA FLEXIÓN Y EN LA EXTENSIÓN (MODIFICADO SEGÚN BUGNION).

El trazo negro indica el fémur en estado de extensión, el trazo encarnado, en estado de flexión. a y b, dos puntos por los cuales el fémur y la tibia se tocan en la extensión. a´ y b´ las nuevas posiciones que toman los puntos precipitados en la flexión. c, impresión condilotroclear. a, d, cartílago semilunar.

Fuente: Testut y Latarjet

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Los movimientos de flexión y extensión son muy extensos: el

camino que recorre la pierna al pasar de la extensión varía, según los casos,

de 130 a 160°. << La amplitud del movimiento del gínglimo, dice Bugnion,

desde 130° aproximadamente (según nuestras medidas) cuando lo

efectuamos lentamente por la acción de los músculos; nuestros flexores,

especialmente el semimembranoso y del bíceps femoral, háyanse insertos de

modo muy favorable para que puedan llevar más lejos la flexión. Pero si

contraemos bruscamente esos músculos, dando a la pierna una impulsión

súbita, el grado de la flexión aumenta, hasta el punto de que el talón viene a

dar contra la tuberosidad del isquion. Los mismo puede efectuarse

pasivamente cogiendo el pie con la mano para doblar por completo la rodilla,

y esto se realiza con facilidad tanto mayor cuanto que en este caso obramos

sobre un brazo sobre un brazo de palanca muy largo. Lo mismo sucede

cuando, estando de rodillas, nos agachamos sobre el suelo hasta dar con el

isquion al talón. En este momento el ángulo de flexión puede evaluarse en

150° ; en el cadáver puede llegar a 155 y hasta 160°. >>

b. Rotación. La pierna rueda sobre el muslo (o el muslo sobre la

pierna) lo mismo hacia dentro que hacia fuera: en la rotación hacia dentro la

punta del pie se acerca al plano medio y, al contrario, se aleja de él en la

rotación hacia fuera. Estos movimientos de rotación van por lo común

unidos, como ya hemos visto anteriormente, a los dos movimientos de flexión

44

y extensión; pero, además de esta rotación que llamaremos combinada, la

rodilla presenta otra rotación independiente, es decir, que se efectúa sin

relación con los movimientos de flexión y extensión.

Los movimientos de rotación se ejecutan alrededor de un eje

vertical que pasa, no precisamente por la parte media de la articulación, sino

un poco por dentro de esta parte media, por la tuberosidad interna de la

espina tibial. De ello resulta que las dos tuberosidades de la tibia (los dos

cóndilos cuando es el fémur el que se mueve) cambian ambas de sitio pero

en sentido inverso, dirigiéndose una hacia delante cuando la otra se dirige

hacia atrás, y viceversa. De ello resulta también que el cóndilo externo, por

efecto de la mayor longitud de su brazo de palanca, se disloca en una

extensión mayor que el cóndilo interno.

La amplitud de los movimientos de rotación presenta extensas

variaciones individuales, y respecto de este particular hemos de distinguir la

rotación voluntaria y la rotación pasiva. La rotación voluntaria es la que uno

mismo imprime a la pierna contrayendo los músculos rotatorios;

ordinariamente es insignificante, por no decir nula. La rotación pasiva, es

decir, la que se imprime a la pierna de otro sujeto acogiéndola con las manos

y comunicándole un movimiento de rotación sobre el muslo previamente

sujetado, es mucho más extensa y oscila entre 35 y 40°.

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Los experimentos de Bugnion sobre este particular nos enseñan

que la amplitud de la rotación independiente varía mucho según la posición

que ocupa la pierna: nula en la extensión , aumenta rápidamente al empezar

el movimiento de flexión y alcanza un máximo entre los 40 y 60° de flexión

completa no pasa de 2 a 6°.

c. Inclinación lateral. Fijado el fémur en un torno y colocada la

pierna en semiflexión, pueden comunicarse la tibia ligeros movimientos de

inclinación lateral, ya hacia dentro (inclinación lateral interna), ya hacia fuera

(inclinación lateral externa). Estos movimientos son todavía más limitados

que los de la rotación: las oscilaciones que en este sentido pueden

imprimirse a la extremidad inferior de la tibia, en condiciones ordinarias, no

pasan de 2 a 2 y medio centímetros de amplitud. Los movimientos laterales

de la tibia están limitados por la tensión de los ligamentos laterales y de los

ligamentos cruzados. Por lo demás, disminuyen a medida que nos alejamos

de la semiflexión : apenas apreciables en la flexión extrema, son nulos en la

extensión completa.

ACCIÓN DE LOS LIGAMENTOS Y DE LOS MENISCOS EN LOS MOVIMIENTOS DE LA RODILLA.

a. Ligamento rotuliano. La rótula, íntimamente ligada a la tibia

por el ligamento rotuliano, acompaña a este último hueso en sus

46

desplazamiento: deslizándose a lo largo de la tróclea femoral, baja en la

flexión y sube en la extensión. En la extensión normal, estando el sujeto de

pie, la base de la rótula se encuentra situada a la altura de la tróclea o algo

por debajo de la misma; en la flexión extrema corresponde al cóndilo por su

parte superior y por su parte inferior al paquete adiposo anterior de la rodilla

que la separa de la tibia.

b. Función y desplazamiento de los meniscos. La acción de

los meniscos ha adquirido mucho importancia desde que se estudian sus

lesiones traumáticas. Tomamos las líneas que siguen de la documentada

comunicación de Mouchet y Tavernier (1970, Pág. 560):

§ Los meniscos completan a la manera de rodetes glenoideos y

cotiloideos las superficies glenoideas de la tibia; con sus bordes elevados

estas superficies se convierten en verdaderas cavidades en las que son

recibidos los cóndilos. Los meniscos reparten, pues, de una manera regular

la presión de los cóndilos femorales sobre las mesetas de la tibia. Como

dicen muy bien Dujarier y Braine, no hacen el oficio de talones debajo de

una pierna demasiado corta; son más bien comparables, como decía

Farabeuf, a los rodetes que emplean los panaderos que llevan los cestos la

cabeza. Esta comparación no siempre es enteramente justa, pues el rodete

del panadero sostiene todo el peso de la carga, mientras que el apoyo del

cóndilo femoral se hace directamente sobre la parte central de la meseta

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tibial y los meniscos no soportan en condiciones normales más que una

pequeña porción de presión. Su sección triangular los hace huir

constantemente bajo la presión como una pepita de naranja apretada entre

los pulpejos de los dedos. Las conexiones que los unen a la tibia son

sólidas, pero demasiado laxas para mantenerlos en su lugar bajo la presión.

Su papel es, es suma, secundario. Consiste principalmente en rellenar el

espacio angular que separa las superficies del fémur de las de la tibia,

adaptándose sin cesar a la forma de este espacio que varía según las

posiciones de la rodilla.

§ Se comprende, por consiguiente, que en su supresión operatoria no

dificulta mucho el juego de la articulación. El espacio que queda vacío es

ocupado por el líquido sinovial.

§ Así se explica que en esta huida incesante ante la presión femoral

que los rechaza hacia delante en la extensión y hacia atrás en la flexión,

pueden ser pellizcados por el condilo que los tritura o arranca.

§ Estos desplazamientos de los meniscos en los movimientos han sido

estudiados con mucha precisión en los trabajos clásicos, a los que nada hay

que añadir.

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§ En la flexión de los meniscos se desplazan de delante atrás sobre la

meseta tibial y aproximan uno a otros por sus extremos posteriores.

§ En la flexión completa del menisco externo esta a mas de un

centímetro y el menisco interno a ocho milímetros aproximadamente por

detrás del borde anterior de la meseta tibial. “ La parte anterior de las

cavidades glenoideas esta, pues, al descubierto ( Roud ) figura 6 . Los

meniscos se hacen mas anchos y mas cortos porque no están en relación

mas que con la cara posterior, poco extensa, de los condilios femorales”.

§ En la extensión los meniscos se desplazan de atrás a delante y se

aproximan uno al otro por delante.

§ En la extensión completa los meniscos llegan al borde anterior de la

meseta tibial. La parte posterior de las cavidades glenoidales queda al

descubierto en la (Fig. No 6) y los meniscos se tornan alargados y

adelgazados, pues la extensa cara inferior de los cóndilos femorales los

comprime.

§ Estos deslizamientos de los meniscos sobre la meseta tibial no

pueden producirse sin ocasionar de forma de estos fibrocartílagos, puestos

que sus extremos son fijos.

49

§ En la rotación de la pierna, los desplazamientos de los meniscos

están mucho mas limitados que en la flexión y la extensión. El movimiento de

rotación de la pierna hacia fuera, aquel en cuyo curso se producen tan a

menudo las lesiones meniscales, la parte anterior del menisco interno sigue a

la cápsula a la que se adhiere y la que se mueve de atrás a delante y de

adentro a fuera, mientras que su extremo posterior es rechazado hacia tras

por el condilo femoral que resbala en este sentido, de lo que resulta una

fuerte tracción del menisco que puede ocasionar el arrancamiento de su

cuerno anterior o la fisuración del menisco.

Figura No 6

DESPLAZAMIENTOS DE LOS MENISCOS (MOUCHET Y TAVERNIER)

Fuente: Testut y Latarjet

50

c. Funcionamiento de los ligamentos cruzados. Los

ortopedistas ingleses han estudiado particularmente en estos últimos tiempos

la acción de los ligamentos cruzados. Según ellos, el ligamento cruzado

anterior se pone tenso en la extensión, se relaja en la flexión ligera y se pone

de nuevo tenso en la hiperflexión . El ligamento cruzado posterior se pone

tenso en la flexión completa, se relaja en la semiflexión y se tiende

ligeramente de nuevo en la extensión. En la extensión completa el ligamento

cruzado anterior se opone a la movilidad antero posterior,; cruzado posterior

cumple el mismo papel en la flexión. En semiflexión es posible, pues, obtener

un ligero deslizamiento antero posterior de la tibia sobre el fémur. En esta

misma posición es posible un poco de rotación interna por la relajación del

ligamento cruzado anterior y el ligamento interno. No creemos que esta

rotación esté limitada por el cruzamiento de los ligamentos cruzados. La

rotación externa es relativamente fácil: está limitada por las fibras

superficiales del ligamento lateral interno y por el ligamento cruzado

posterior.

La rotura o la distensión de los ligamentos cruzados se manifiestan

por la posibilidad de movimientos de deslizamientos antero posterior (signo

del cajón), y por un aumento de los movimientos de rotación.

51

d. Ligamentos laterales. Los ligamentos laterales se ponen

ambos tensos en la extensión y contribuyen a restringir este movimiento;

pero éste se halla particularmente limitado por la tensión del ligamento

posterior (ligamento de Winslow) de la articulación de la rodilla y por el

ligamento cruzado anterior. Accesoriamente estos ligamentos laterales, el

cruzado posterior y los músculos isquiotibiales, limitan la extensión. En la

flexión completa el ligamento lateral externo se relaja, mientras que el interno

queda ligeramente tenso. En la semiflexión se obtiene su relajación máxima.

MÚSCULOS MOTORES

Los músculos motores de la articulación de la rodilla se dividen,

según el movimiento que determinan, en flexores, extensores, rotatorios

hacia fuera y rotatorios hacia dentro:

a. Son flexores: principalmente, el bíceps y el semimembranoso;

accesoriamente el semitendinoso, los gemelos, el poplíteo, el plantar

delgado, el sartorio y el recto interno.

b. Son extensores: el cuadriceps (principalmente sus tres

porciones de inserción femoral) y el tensor de la fascia lata.

52

c. Son rotatorios hacia fuera: los fascículos largo y corto del

bíceps.

d. Son rotatorios hacia dentro: el semimembranoso, el poplíteo

y los tres músculos de la pata de ganso (semitendinoso, recto interno y

sartorio).

Comparados entre sí por su volumen y fuerza los grupos

musculares recíprocamente antagonistas distan mucho de ser equivalentes.

Las medidas tomadas por los hermanos Weber nos enseñan, respecto a este

particular, que el peso de los flexores (sin los gemelos, el plantar y el

poplíteo) es de 818 gramos, al paso que los extensores pesan 1.291 gramos;

y, por otra parte, los rotatorios hacia dentro pesan 566 gramos y los rotatorios

hacia fuera pesan tan sólo 275 gramos. Resulta, pues, que los extensores

superan a los flexores, y los rotatorios hacia dentro son superiores a los

rotatorios hacia fuera.

El predominio de los extensores sobre los flexores se explica por

el hecho de que los extensores, cuando se contraen para enderezar el muslo

sobre la pierna, luchan contra el peso del cuerpo entero, obstáculo adicional

que no existe en los movimientos de flexión. Respecto del predominio de los

rotatorios hacia dentro sobre los rotatorios hacia fuera, depende, como

observa Bugnion, de que la flexión combinada con la rotación hacia dentro es

53

el movimiento típico habitual, y la rotación hacia fuera sólo un movimiento

excepcional.

1.3. CONSIDERACIONES MÉDICAS

Según Clarencio Galeno y María Márquez en su obra

“Goniometría Articular” (1990, Pág. 130), plantean las siguientes

consideraciones:

En todas las mediciones se tomará en cuenta la posición

anatómica como posición de partida, exceptuando la articulación del tobillo.

Los puntos de referencias serán ubicados por el operador

mediante palpación.

Es muy importante que el evaluador realice una exploración

pasiva sin instrumento, con la finalidad de estimar la amplitud; luego se

efectúa activamente la goniometría y se comparan los datos con la

articulación indemne.

En algunos casos la posición del evaluador no es la más indicada,

sin embargo, hemos preferido presentar esa disposición para mayor claridad

en la explicación del método. En todos los casos debe ajustarse el

goniómetro con ambas manos.

54

El instrumento para realizar las mediciones puede ser de material

plástico o de metal y tener diversas formas y tamaños, pero su construcción

obedece a un diseño básico: un cuerpo o protractor con una escala doble, un

eje y dos brazos.

La apreciación de la escala puede variar entre 1 y 5 grados. El

brazo estacionario puede contener divisiones en centímetros para la

medición de la amplitud digital.

El goniómetro debe alinearse al cuerpo del paciente tomando en

cuenta los puntos de referencia anatómicos y específicos de la parte a

evaluar, sin embargo, puede decirse que el brazo estacionario se coloca en

una línea paralela al eje longitudinal del segmento proximal y que el brazo

móvil se sitúa paralelamente del eje longitudinal al segmento distal.

El fulcro (centro) del goniómetro debe ser colocado en las

proximidades del eje de movimiento de la articulación. Puesto que este eje

puede cambiar durante la excursión, es preferible alinear perfectamente los

brazos del instrumento y al final del movimiento reajustar el fulcro a la

proximidad del eje de movimiento.

55

1.4. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LA ROBÓTICA

THE ROBOT INSTITUTE OF AMERICA define el robot como “un

manipulador multifuncional reprogramable, diseñado para desplazar

materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante

movimientos programados variables para el desempeño de diversas tareas”

(C. Belovep.1990, Pág. 1086).

Durante la década de 1.970 se combinaron adelantos sinérgicos

en microprocesadores, controles, software, sensores y computadoras para

producir los robots adaptativos inteligentes de que ahora se dispone.

La palabra robot proviene de la palabra checa robota, que significa

trabajo. El diccionario Webster define a un robot como “un dispositivo

automático que efectúa funciones ordinariamente asignadas a los seres

humanos”. Según K. S. Fu define que “un robot industrial es un manipulador

de uso general controlado por computador que consiste en algunos

elementos rígidos conectados en serie mediante articulaciones prismáticas o

de revolución”.

Según la definición de los robots se puede clasificar en función de

sus componentes principales: Clasificación de robots industriales, tipo de

manipulador, tipos de controladores y motores primario.

56

OBJETIVOS DE LA ROBÓTICA

En análisis, las consecuencias más evidentes de la utilización de

los robots son el aumento de la productividad y la mejora de la calidad de los

productos, pues la repetibilidad y la precisión son dos de sus características

fundamentales. Estas ventajas se constatan más ampliamente, en los países

desarrollados, como EE.UU., Japón y Europa.

Las causas que ocasionan la mejora de la productividad son:

§ Aumento de la velocidad en los procesos productivos.

§ La repetición automática de los movimientos del robot, con

optimización de la velocidad, representa una reducción en el ciclo parcial

controlado por el manipulador, así como un incremento del rendimiento total

de la producción.

§ El elevado tiempo de funcionamiento sin fallos que es previsible

esperar de un robot repercute, favorablemente, en la consecución de un

trabajo uniforme e ininterrumpido.

57

§ Mantenimiento reducido y empleo de módulos normalizados en la

reparación de averías, con lo que se consigue minimizar los tiempos de

parada.

§ Optimización sustancial del empleo del equipo o maquinaria

principal a la que el robot alimenta en numerosas aplicaciones. El robot

permite trabajar a la máxima velocidad a las máquinas que atiende, así como

operar con las características más favorables de los equipos junto con los

que trabaja.

§ Acoplamiento ideal para producciones de series cortas y medianas.

La fácil programación, unida a la adaptabilidad de numerosas herramientas

de trabajo, permite al robot constituirse como una célula flexible de

fabricación.

§ Rápida amortización de la inversión. La sustitución de la mano de

obra que el robot introduce va acompañada de una reducción importante de

los costos directos e indirectos.

Cabe destacar, entre estos últimos, un mejor uso de las

herramientas, lo que implica una mayor duración de las mismas.

58

CONFIGURACIÓN BÁSICA DE LOS ROBOTS

De una forma global, se puede considerar que un robot se

compone fundamentalmente de tres partes:

EL MANIPULADOR

El manipulador constituye la parte mecánica del robot. Está

formado por:

§ Varios elementos relacionados entre sí mediante uniones que

permiten su movimiento relativo. Se denomina a estas uniones “pares

cinemáticos” y generalmente, el movimiento relativo permitido es una

rotación alrededor de un eje (par de rotación) o una traslación (par

prismático).

§ Dispositivos de agarre y sujeción (gripping mechanism), y que

poseen la capacidad de sujetar, orientar y operar sobre las piezas

manipuladas. En ocasiones, en lugar de un dispositivo de agarre, se coloca

una herramienta.

59

§ Sistemas motores, como motores eléctricos tipo paso a paso,

dispositivos neumáticos e hidráulicos, motores eléctricos de corriente

continua, etc. Estos sistemas proporcionan una energía mecánica, que se

transmite directamente o a través de elementos auxiliares, como engranajes,

correas dentadas, etc.

Dado que un robot dispone, generalmente, de manos o

herramientas intercambiables, se suelen hacer referencias, a veces al

manipulador.

LOS SISTEMAS SENSITIVOS

Son aquellos dispositivos que permiten la interacción del robot con

su entorno. Los sensores empleados pueden ser de varios tipos diferentes,

entre los cuales se encuentran:

§ De fuerza.

§ De visión.

§ De sonido.

Se denominan también, sensores del primer grupo, como “de

contacto directo”, mientras que los otros se conocen como “remotos” o de “no

contacto”.

60

Los sensores de contacto directo se han utilizado, principalmente,

para la búsqueda de objetos mediante peso, la medición de las fuerzas y

momentos que se producen al realizar determinadas tareas, etc.. En cuanto

a los sensores remotos, su forma de operación consiste en la identificación

de objetos en su entorno, localización, etc. Para ello se han utilizado medios

diversos, incluso el láser y dispositivos electro-óptico.

El control

Según el concepto de manipulador, el sistema de control debe

“controlar” el movimiento del mecanismo producido por la variación en el

tiempo de los grados de libertad. Existen diferentes técnicas de control

aplicado a robots; en efecto se puede controlar, únicamente, la posición o,

también, la velocidad (“control cinemático”). Si, además, se tiene en cuenta

las propiedades dinámicas del manipulador y de los motores, aparece el

denominado “control dinámico”. En el caso de considerar, la variación de los

parámetros del robot con la posición, surge “el Control Adaptativo” (Figura 7).

61

Posición

Adaptativo

Dinámico

Cinemático

De

De

Punto a

Velocidad

P. Dinámicas

Variación de parámetro

(K.S.Fu,1988) Figura No. 7

Clasificación de los robots.

La clasificación de los robots se describe según K. S. Fu como:

§ Robots inteligentes: Son manipuladores o sistemas mecánicos

multifuncionales controlados por computador, capaces de relacionarse con

un entorno a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto

programables). Actualmente se están dedicando grandes esfuerzos a la

investigación en este tipo de robots, pero se encuentran, aún, en una fase

62

prácticamente experimental, en la que la “inteligencia artificial” de que se les

intenta dotar se perfecciona día a día.

§ Robots con control por computadora: Son similares a los del

grupo anterior, pero carecen de capacidad de relacionarse con el entorno

que les rodea. Como puede verse, si se les añade los sensores adecuados y

el “software” operativo conveniente, se convierten en robots inteligentes.

§ Robots de aprendizaje: Se limitan a repetir una secuencia de

movimientos, realizada con la intervención de un operador y memorizada.

§ Manipuladores: Son sistemas mecánicos multifuncionales, cuyo

sencillo sistema de control permite gobernar el movimiento de sus elementos

de la siguiente manera:

Manual, cuando el operario controla directamente el manipulador.

De secuencia variable, cuando es posible alterar algunas de las

características de los ciclos de trabajo.

63

CLASIFICACIÓN MECÁNICA:

Los manipuladores pueden clasificarse conforme a su

configuración mecánica, como se explican sus disposiciones comunes:

§ Brazo articulado que gira en torno a un eje vertical y tres ejes

horizontales.

§ Brazo cartesiano o x-y-z que se mueve horizontalmente con

articulaciones en voladizo.

§ Brazo cilíndrico que gira en torno a un eje vertical y también tiene

movimiento radial.

§ Brazo esférico que gira en torno a los ejes vertical y horizontal y

también se mueve radialmente.

§ Robot con bastidor en forma de caja o de caballete que se

desplaza horizontalmente en X, Y y Z y que tiene una articulación extra en el

extremo del brazo suspendido, para la rotación de balanceo, cebeceo y

guiñada.

§ Brazo con dos articulaciones que giran en torno a ejes verticales,

una tercera que se mueve hacia arriba y abajo, y la capacidad de girar el

sujetador en torno a un eje vertical. Esta última configuración se conoce

como brazo robot de montaje con acomodación selectiva (SCARA) debido a

su capacidad inherente de desplazarse ligeramente en el plano horizontal

64

para compensar el desalineamiento de piezas sin permitir que estas giren, lo

cual podría causar su apretamiento.

CLASIFICACIÓN SEGÚN SUS MOVIMIENTOS:

La clasificación según sus movimientos descritas por K. S. Fu son:

§ Sin servocontrol: El programa controla el movimiento de los

diferentes componentes del robot que realiza en un posicionamiento “punto a

punto” en el espacio.

§ Con servocontrol: Este tipo de control permite, a su vez, dos

formas de trabajo.

§ Gobierno de los movimientos de los elementos del robot en

función de sus ejes: Los desplazamientos pueden realizarse punto a punto

con “trayectoria continua”. Los movimientos se establecen en función de la

posición respecto a los ejes de coordenadas (x, y, z) y de la orientación de la

mano o herramienta del robot.

65

CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES PARA ROBOTS

La clasificación de los controladores para los robots se detallan

como:

§ Control manual con botones de pulsación u otros.

§ Lógica de reveladores o neumática con secuencia fija.

§ Controlador programable.

§ Microprocesador con capacidad de servocontrol.

§ Control por computadora del movimiento con capacidad lógica.

§ Control por computador con capacidad de movimiento, lógica,

procesamiento de datos, detector (sensor) y comunicaciones.

En el nivel microprocesador con capacidad de servocontrol la

programación se realiza en el ámbito de un lenguaje ensamblador. Por

encima de este nivel suele requerirse un lenguaje de programación de alto

nivel para el control adecuado y detallado del manipulador.

Desde el punto de vista de análisis de control, el movimiento de un

brazo se suele efectuar en dos fases de control distintas. La primera es de

control del movimiento aproximado durante el cual el brazo se mueve desde

una posición / orientación inicial hasta la cercanía de la posición / orientación

final deseada a lo largo de una trayectoria planificada. El segundo es el

66

control del movimiento fino en el cual el efector final del brazo interacciona

dinámicamente con el objeto utilizando información de la reglamentación

sensorial para completar la tarea.

Los métodos industriales actuales para diseñar el sistema de

control de un robot tratan cada articulación del brazo como un

servomecanismo simple. El método del servomecanismo modela la dinámica

variable del manipulador de forma inadecuada porque desprecia el

movimiento y configuración del brazo en conjunto. El resultado es una

velocidad de respuesta y amortiguamiento del servo reducido, limitando la

precisión y velocidad del efector final, lo que les ha apropiado solamente

para las tareas de precisión limitada. Como resultado de ello, los

manipuladores controlados de esta forma se mueven a velocidades lentas

con vibraciones innecesarias.

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN DEL ROBOT

Un gran obstáculo cuando se usan manipuladores como maquinas

de uso general es la dificultad de una comunicación eficiente y adecuada

entre el usuario y el sistema robot, de tal forma que el usuario pueda dirigir el

manipulador para cumplir la tarea dada. Hay varias maneras de comunicarse

con un robot, de las cuales utilizaremos los lenguajes de programación de

alto nivel.

67

Los lenguajes de programación de alto nivel suministran una

solución más general para resolver el problema de la comunicación hombre-

robot. En la década anterior, los robots fueron utilizados con éxito en áreas

tales como soldadura por arco voltaico o pintura con spry utilizando el

guiado. Estas tareas no requieren interacción entre el robot y su entorno y

pueden ser programadas fácilmente por guiado. Sin embargo, la utilización

del robot para llevar a cabo las tareas requiere interacción técnica de

programación en lenguajes de lato nivel ya que el robot de la línea de

producción suele confiar en la realimentación de los sensores y este tipo de

interacción solo pueden ser mantenida por métodos de programación que

contengan condiciones.

La programación de robots es bastante diferente de la

programación tradicional. Podemos definir varias consideraciones que

debemos mantener para cual método de programación de robots: los

objetos a manipular por un robot son objetos tridimensionales que tienen

numerosas propiedades físicas; los robots trabajan en un espacio

especialmente complicado; la descripción y representación de los objetos

tridimensionales en una computadora son imprecisas y la información de los

sensores tiene que ser controlada, manejada y utilizada de forma adecuada.

Por lo que se refiere a los lenguajes de programación aplicados a la robots,

son varios los que hoy en día, están desarrollados, los cuales se

68

mencionaran a continuación, WAVE, LAMA, VAL, AL, MAL, AUTOPASS,

etc. Asimismo, casi todos los lenguajes están capacitados para trabajar con

información procedente de sensores, es decir, enfocados, ya, hacia los

robots inteligentes. En estos robots el sistema de control debe ser capaz de

decidir automáticamente, planificar el trabajo, controlar los movimientos e

interpretar los datos suministrados por los sensores. Evidentemente que la

velocidad con que cuente el computador y la capacidad condicionan al robot

de una mejor forma.

Volviendo al tema de los lenguajes de programación de su

relación con el control se puede mencionar de una forma general que esto

permite realizarlo en cuatro estados diferentes, Motor, Mano de sujeción,

Objeto manipulado y tarea a realizar. (El cuarto estado puede ser realizado

en caso de ser un robot inteligente).

CARACTERÍSTICAS DE LOS LENGUAJES DE NIVEL DE

ROBOTS

El lugar se establece en un lugar del trabajo y quedan fijas las

partes que definen los objetos fijos y los alimentadores.

69

La tarea definida se divide en una secuencia de acciones tales

como las de los movimientos del robot, sujeción de objetos y desarrollo de

inserción.

Se añaden órdenes para que los sensores detecten situaciones

anormales, tales como la capacidad de localizar un tornillo. Se vigila el

proceso de tarea.

El programa queda depurado y mejorado por interacción por lo

mencionado con anterioridad.

CARACTERÍSTICAS DE LOS LENGUAJES A NIVEL DE

TAREAS

Un sistema de programación a nivel de tareas permite al usuario

describir la tarea en un lenguaje de alto nivel; un planificador de la labor

consultará una base de datos y transformará las especificaciones de las

tareas en un programa a nivel de robot. Si nos basamos en esta descripción,

podemos dividir la planificación de tareas en tres fases conceptuales:

Modelado del mundo, especificación de tareas y síntesis del programa.

Cada una de ellas se encuentra intrínsecamente relacionadas.

70

Como ejemplo una arquitectura posible para el planificador de la

tarea. La persona encargada de descomponer la tarea divide la

especificación de la tarea en una serie de sub-tareas y se extrae información

tales como, estado inicial, estado final, posición de sujeción, operando,

especificaciones y relaciones de aproximaciones. Las sub-tareas, por tanto,

pasan por el planificador de sub-tareas que generan el programa robot

requerido.

El concepto de planificación es bastante parecido a la idea de

generación automática de programas en inteligencia artificial. El usuario de

los requisitos de entrada y salida de un programa deseado y el generador de

programas nos da un programa que producirá el comportamiento deseado y

de entrada y salida (BAR y col. "1.981, 1.982").

Figura No. 8

Descomposición de la tarea

Planificación de

Especificaciones de

Modelo

..........

Conocimiento

Programa de

PLANIFICACIÓN DE LAS TAREAS

71

§ MODELIZACIÓN DEL MUNDO

Se necesita una modelización del mundo para describir las

propiedades geométricas y físicas de los objetos (incluyendo al robot) y para

representar al estado de la disposición de los objetos en el lugar de trabajo.

§ ESPECIFICACIÓN DE TAREA

La planificación de tarea se hace con un lenguaje de alto nivel. En

el nivel mas alto nos gustaría utilizar los lenguajes naturales para la entrada,

sin tener que dar todos los pasos. La solución actual es emplear un lenguaje

para la entrada con una sintaxis y cinemática bien definidas, donde

especificaremos la tarea completa.

Una tarea completa se puede escribir como una secuencia de

estados del modelo del mundo. Los estados se pueden obtener de las

disposiciones de los objetos en el lugar del trabajo y una forma de especificar

la configuración es utilizar las relaciones espaciales entre los distintos

objetos.

72

§ SÍNTESIS DE UN PROGRAMA PARA ROBOTS

La síntesis de un programa para robots desde una especificación

de tarea es una de las fases más importantes y difíciles de la planificación de

tarea. Los pasos principales de esta fase son la planificación de la sujeción,

planificación del desplazamiento y comprobación del plan. Antes de que se

pueda llevar a cabo la planificación, se debe convertir la especificación de la

tarea simbólica en una forma utilizable.

ESPECIFICACIÓN DE LA POSICIÓN

En los robots de la línea de producción, los robots y las partes

están, en general, confinadas a un lugar de trabajo bien definido. Lo habitual

es que las partes queden restringidas a objetos físicos fijos y alimentadores

para minimizar las incertidumbres de la posición. Trabajar con conjuntos de

partes situadas aleatoriamente requiere visión y ésta no constituye todavía

una práctica normal en la industria.

La solución más común utilizada para describir la orientación y

posición de los objetos en el lugar de los objetos en el lugar de trabajo es por

sistema de coordenadas. Se suelen representar por matrices de

transformación homogénea 4x4. Un sistema consta de una submatriz 3x3

73

(que especifica la orientación) y un vector (que especifica la posición) que

están definidos a un mismo sistema base.

ESPECIFICACIÓN DE MOVIMIENTO

La operación más común en los robots de la línea de producción

es la operación de recoger y colocar. Consiste en llevar al robot desde la

configuración inicial hasta la configuración de sujeción, recoger el objeto y

llevarlo hasta la configuración final. En general, el movimiento queda

especificado como una secuencia de objetivos de posición que el robot debe

tener. Sin embargo la simple especificación de las configuraciones inicial y

final no es suficiente. El sistema planifica el camino sin considerar los objetos

del lugar de trabajo y algunos obstáculos se pueden presentar en el camino

ya planificado. Para que el sistema genere un camino libre de choque, el

programador debe especificar los suficientes puntos intermedios o del paso

del camino.

Se puede especificar los objetivos de posición en un espacio de

segmentos variables o en un espacio cartesiano, dependiendo del lenguaje.

Una desventaja de esta clase de especificación es que el

programador debe planificar, por anticipado, todo el movimiento para poder

seleccionar los puntos intermedios. El camino resultante puede producir

74

movimientos impredecibles o ineficientes. Es más, describir un camino

complejo como una secuencia de puntos produce un programa largo de

forma inevitable.

CINEMÁTICA Y DINÁMICA DEL BRAZO DEL ROBOT

La cinemática del brazo del robot trata con el estudio analítico de

la geometría del movimiento de un brazo de robot con respecto a un sistema

fijo de coordenadas de referencia sin considerar las fuerzas o momentos

que originan el movimiento. Así, la cinemática se interesa por la descripción

analítica del desplazamiento espacial del robot como una función del tiempo,

en particular de las relaciones entre la posición de las variables de

articulación y la posición y orientación del efector final del brazo del robot.

La dinámica del robot, por otra parte, trata con la formulación

matemática de las ecuaciones del movimiento del brazo. Las ecuaciones

dinámicas de movimiento de un manipulador son un conjunto de ecuaciones

matemáticas que describen la conducta dinámica del manipulador. Tales

ecuaciones de movimientos son útiles para simulación en computadora del

movimiento del brazo, el diseño de ecuaciones de control apropiadas para el

robot y la evaluación del diseño y estructura cinemática del robot.

75

PLANIFICACIÓN DE LA TRAYECTORIA Y CONTROL DEL

MOVIMIENTO DEL MANIPULADOR

Con el conocimiento de la cinemática y la dinámica de un

manipulador con elementos series, sería interesante mover los activadores

de sus articulaciones para cumplir una tarea deseada controlando al

manipulador para que siga un camino previsto. Antes de mover el brazo, es

de interés saber si hay algún obstáculo presente en la trayectoria que el

robot tiene que atravesar (ligaduras de obstáculos) y si la mano del

manipulador necesita viajar a lo largo de una trayectoria especificada

(ligaduras de trayectoria). El problema del control de un manipulador se

puede dividir convenientemente en dos subproblemas coherentes: El

subproblema de planificación de movimiento (o trayectoria) y el subproblema

de control de movimiento.

La curva espacial que la mano del manipulador sigue desde una

localización inicial (posición y orientación) hasta una final se llama la

trayectoria o camino. La planificación de la trayectoria (o planificador de

trayectoria) interpola y / o aproxima la trayectoria deseada por una clase de

ecuaciones polinomiales y genera una secuencia de puntos de "consigna de

control" en función del tiempo para el control del manipulador desde la

posición inicial hasta el destino.

76

En general, el problema de control de movimientos consiste en: 1)

obtener los modelos dinámicos del manipulador, 2) utilizar estos modelos

para determinar leyes o estrategias de control para conseguir la respuesta y

el funcionamiento del sistema deseado. Desde el punto de vista de análisis

de control, el movimiento del brazo de un robot se suele realizar en dos fases

de control distintas. La primera es el control del movimiento de aproximación

en el cual el brazo se mueve desde una posición / orientación del destino

deseado a lo largo de una trayectoria planificada. El segundo es el control del

movimiento fino en el cual el efector final del brazo interacciona

dinámicamente con el objeto utilizando información obtenida a través de la

realimentación sensorial para completar la tarea.

Los enfoques industriales actuales para controlar el brazo del

robot tratan cada articulación como un servomecanismo de articulación

simple. Este planteamiento modela la dinámica de un manipulador de forma

inadecuada porque desprecia el movimiento y la configuración del

mecanismo del brazo de forma global. Estos cambios en los parámetros del

sistema controlado algunas veces son bastante significativos para ser

ineficaces las estrategias de control por realimentación convencional. El

resultado de ello es una velocidad de respuesta y un amortiguamiento del

servo reducido, limitando así la precisión y velocidad del efector final y

haciéndolo apropiado solamente para limitadas tareas de precisión. Los

manipuladores controlados de esta forma se mueven a velocidades lentas

77

con vibraciones innecesarias. Cualquier ganancia significativa en el

rendimiento de esta y otras áreas de control del brazo del robot requieren la

consideración de modelos dinámicos más eficientes, enfoques de control

sofisticados y el uso de arquitecturas de ordenadores dedicadas y técnicas

de procesamiento en paralelo.

1.5. SISTEMA DE INFORMACIÓN

Antes de definir lo que se entiende por sistema de información, se

hace necesario acotar que un Sistema es un gran número de objetos,

conceptos o conjunto de ambos, que ordenadamente se relacionan entre sí,

donde existe un conjunto de elementos asociados, existiendo un sistema. Así

mismo la teoría de sistemas según Senn, señala que un sistema es un

conjunto de entidades enmarcadas en una frontera, las cuales se asocian

entre sí y salen al medio exterior del sistema, con la finalidad de conseguir su

objetivo.

De tal manera que el Sistema de información es aquel en el cual

sus salidas y entradas están constituidas plenamente por información o

datos. El sistema procesa los datos de entrada y luego los convierte en

información de salida.(Senn)

78

Los sistemas de información no siempre son automatizados, solo

lo son cuando se hace uso del computador para ejecutar las tareas

asociadas al sistema.

Si no interviene el computador como herramienta en la ejecución

de tales tareas, el sistema es denominado Sistema Manual de información.

Un sistema de información automatizado está constituido por

subsistemas que incluyen hardware, software y medios de almacenamiento.

OBJETIVOS DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN

Los objetivos de un sistema de información son la razón de su

existencia, ya que loa caracterizan como tal, estos son:

§ Interactuar con el medio ambiente, con el fin de la obtención de

información y adaptación a los cambios que el medio produzca.

§ Permitir la captura y el proceso de los datos por las transacciones y

entidades, también distribuir la información a la empresa y su medio.

§ Facilitar la información para la ejecución de tareas, operaciones y

funciones de una organización en todos sus niveles.

79

FUNCIONES DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN

Básicamente las funciones de un sistema de información son las

de mantener en una constante retroalimentación el archivo y el

procesamiento de datos, además producir información y reportes.

Sin embargo, de una forma más detallada un sistema de

información debe ocuparse de:

§ Mantener el archivo de datos: su función principal es la de

ejecutar las operaciones básicas (ingresos, modificaciones y eliminación) de

archivos o registros de una base de datos o cualquier dispositivo de

almacenamiento.

§ Procesar los datos: se basa en el ordenamiento, clasificación y

cálculo de los datos originados por cualquier actividad o tomados

directamente de los medios de almacenamiento.

§ Producir información y reportes: se encarga de convertir todos

los datos originados de los procesamientos en información útil para el

usuario. Esta información, originada de las necesidades requeridas de las

bases de datos que pueden visualizarse por reportes tanto en pantalla como

en el medio impreso.

80

CICLO DE VIDA DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN

El ciclo de vida es un conjunto de actividades que realiza un grupo

de personas calificadas y capacitadas para el análisis, diseño e

implementación de un sistema de información (no siempre existe la

necesidad de la presencia de un grupo, esto es ya que un solo individuo

puede cumplir con tales funciones en conjunto). El ciclo de vida para el

desarrollo de sistemas de información debe cumplir con las siguientes

etapas:

§ Investigación preliminar.

§ Determinación de los requerimientos.

§ Diseño del sistema.

§ Desarrollo del software.

§ Prueba del sistema.

§ Implantación y evaluación.

Mas adelante, estas serán estudiadas en el capítulo III, habida

cuenta de ser seleccionadas las mismas y su correspondiente autor como la

metodología a utilizar en la investigación.

81

1.6. SOPORTES TÉCNICOS DE LA INTERFAZ

Para Peter Dyson (1.994, p.124) Una interfaz es un conjunto de

normas que definen la interconexión entre dos dispositivos que pueden

realizar funciones diferentes. Punto donde se hace la conexión entre dos

dispositivos de hardware, entre un usuario y un sistema o programa, o

simplemente entre dos aplicaciones.

Senn (1.992 p.518) define la interfaz como "una frontera entre el

usuario y la aplicación del sistema de cómputo (el punto donde el individuo y

la computadora interactúan)".

Como puede inferirse, sus características influyen en la eficiencia

del usuario, al igual que en la frecuencia de errores cuando se introducen

datos o instrucciones.

OBJETIVOS DE LA INTERFAZ

Recopilando los criterios de todos los anteriores autores referidos,

se concluye indicando a juicio de la presente investigación que estos

objetivos son:

82

§ Eficacia al lograr mediante el diseño de interfaces que tengan

enlaces exactos, o sea, que sea congruente con las necesidades de los dos

archivos.

§ Eficacia demostrada a través de interfaces que mejoran la

velocidad de enlace y de intercambio de datos para reducir errores.

§ Mostrar un diseño de interfaz adecuado para favorecer un

intercambio adecuado.

§ Productividad, considerada a través del apego a los principios del

diseño ergonómico de las interfaces y de sus áreas de trabajo.

FORMATO Y FUNCIÓN DE LAS INTERFACES

Cada interfaz posee una estructura y función específica. Las

señales eléctricas poseen una estructura constituida por niveles de tensión,

frecuencias y duración.

Lo que se trata de precisar es que, los mensajes de datos que un

dispositivo o programa pasa a otro poseen un formato particular.

De allí que al nivel del hardware, las señales electrónicas activan

funciones; los datos son leídos, grabados, transmitidos, recibidos, analizados

para verificar errores, etc.

83

Así mismo, a nivel de software las instrucciones activan el

hardware, método de acceso, protocolos de enlaces de datos, etc.

Sin embargo, a niveles más altos los datos transferidos o

transmitidos pueden por si mismos requerir la ejecución de funciones (cliente

/ servidor, programa - programa, etc.).

2. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS

ARTICULACIÓN

Conexión entre los huesos. Se clasifican según su estructura y

movilidad, como fibrosa, cartilaginosa o sinovial (Galeno y Márquez, 1990,

Pág. 90).

CONDILEA, ARTICULACIÓN

Articulación sinovial en la que un condilio se aloja en una cavidad

elíptica, tal como ocurre en la articulación de la muñeca (Testut y Latarjet,

1978, Pág. 1089).

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CONDILO

Proyección redondeada que se encuentra en el extremo de un

hueso en la que se inserta los tendones de los músculos y se articula con los

huesos adyacentes (Testut y Latarjet, 1978, Pág. 1089).

ESCOTADURA

Incisura o depresión, principalmente en el borde de un hueso u

otro órgano.

REHABILITACIÓN

Restitución de un individuo o un órgano a la normalidad después

de una enfermedad incapacitante, una lesión o un periodo de adición o

encarcelamiento(Galeno y Márquez, 1990, Pág. 92).

TRODEA

Superficie lisa articular sobre la cual se desliza otra.

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3. SISTEMA DE VARIABLES

§ PROTOTIPO

Conceptualmente, es Modelo o versión inicial de un producto,

previsto para probar y desarrollar el diseño. Antes de invertir en el equipo

necesario para fabricar en serie un producto, el fabricante debe estar

convencido de que el diseño es seguro y fiable. Los diseñadores e ingenieros

emplean prototipos para conseguirlo.

Operacionalmente, son versiones iniciales de proyectos que al

estar en períodos de pruebas prolongadas antes de su manufacturación en

escala, pueden así confirmar anomalías antes de salir al mercado.

§ MANIPULADOR

Conceptualmente, Un manipulador mecánico se puede modelar

como una cadena articulada en lazo abierto con unos cuerpos rígidos

(elementos) conectados en serie por una articulación de revolución o

prismática movida por actuadores. La parte final de una de las bases de la

estructura se une a una base soporte mientras que el otro está libre y unido

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con una herramienta (efector final) para manipular objetos o realizar tareas

de montaje.

Operacionalmente, un manipulador es la unión de varios

elementos u objetos que interceptados entre sí por maquinarías controladas

por operadores, permiten realizar una tarea con una velocidad mayor y con

un margen de error mínimo.

§ ARTICULACIÓN DE LA FLEXIÓN DE RODILLA

Conceptualmente, La articulación de la rodilla establece la unión

entre el muslo y la pierna. En los vertebrados inferiores, los dos huesos de la

pierna, casi de igual valor, entran en relación con la extremidad inferior del

hueso del muslo (Galeno,1990,Pág. 70).

Operacionalmente, La articulación de la rodilla es la intersección

de los músculos y cartílagos que constituyen las partes entre la pierna y el

muslo, esto con la finalidad de permitir flexibilidad en la unión para así

permitir movilidad alguna.