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Departamento de Mecatrónica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Robot Paralelo para la Rehabilitación de Tobillo
Presentada por:
Jhonatan Isidro Godoy Ingeniero Electrónico por el I.T. de Lázaro Cárdenas, Michoacán.
Como requisito para la obtención del grado de: Maestro en Ciencias en Ingeniería en Mecatrónica
Director de Tesis: Dr. Andrés Blanco Ortega
Co - Director de Tesis:
Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez.
Cuernavaca, Morelos, México Febrero del 2012
Departamento de Mecatrónica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Robot Paralelo para la Rehabilitación de Tobillo
Presentada por:
Jhonatan Isidro Godoy Ingeniero Electrónico por el I.T. de Lázaro Cárdenas, Michoacán.
Como requisito para la obtención del grado de:
Maestro en Ciencias en Ingeniería en Mecatrónica
Director de Tesis:
Dr. Andrés Blanco Ortega
Co - Director de Tesis:
Dr. Enrique Quintero Mármol-Márquez.
Jurado:
Dr. Marco Antonio Oliver Salazar - Presidente M.C. Wilberth Melchor Alcocer Rosado - Secretario
Dr. Andrés Blanco Ortega - Vocal Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez - Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, México Febrero del 2012
DOCUMENTO DE ACEPTACION DEL
DOCUMENTO DE TESIS
~FAVOR DE NO IMPRIMIR~
DOCUMENTO DE AUTORIZACION DE
IMPRESIÓN DE TESIS
~FAVOR DE NO IMPRIMIR~
i
DEDICATORIA
Primeramente a esas personas tan importantes
por el gran esfuerzo que paralelamente conmigo han hecho.
Mis Padres
A mis hermanos que también han sabido darme
palabras de aliento para terminar mis estudios.
Daniel, Michel
Y finalmente a esa mujer que ha hecho estos más de
dos años unos cuantos días, por su paciencia y espera.
Leticia
ii
AGRADECIMIENTOS
Primeramente a Dios por haberme dado fortaleza, paciencia y sabiduría para poder realizar
satisfactoriamente estos estudios, que cuando más solo y triste me sentía, él estaba
acompañándome en todo momento.
A mis padres (Profesores) por que el esfuerzo que hemos hecho se ve recompensado en este
trabajo, por que estaré agradecido toda mi vida por el hombre de bien que han hecho de mí;
por que han sabido rectificarme el camino cada día de mi vida.
A mis hermanos: Daniel (Ingeniero) y Michel (Médico Cirujano) por que aunque hemos
estado mucho tiempo sin vernos sé que el día de mañana nos apoyaremos pase lo que pase,
por que solo somos tres para querernos.
A Leticia (Licenciada) por sus palabras de aliento y de apoyo. Por qué ha sido fundamental
para no sentirme solo, por las interminables llamadas telefónicas, por qué a pesar de la
distancia hemos logrado sobrellevar la soledad y por qué cada problema nos ha hecho mejores
personas.
A los profesores el cual para mi es un placer decir que han sido los mejores que he tenido, Dr.
Andrés Blanco Ortega, Dr. Marco Antonio Oliver Salazar, Dr. Luis Gerardo Vela Valdez, Dr.
Enrique Quintero-Mármol Márquez, M.C. Martín Gómez López, M.C. Wilberth Melchor
Alcocer, M.C. José Luis González Rubio.
A mis compañeros de inicio, Roy alias el “Royfli”, a Collí alías el “Juanito”, a Escamilla alías
el “Bop”, Leonardo alías el “Teja”. Que aunque algunos no pudieron continuar conmigo sé
que hay muy buenos recuerdos de esos primeros cuatrimestres.
A los amigos, compañeros, y/o vecinos, que después encontré: Román, Rodolfo, Eligio,
Armando, Hilario, Héctor, Alejandro, Susana, Israel, Lulú, Nadia, Claudia. Por cada ocasión
que se suscitó para reunirnos.
A personas que también les guardo un gran respeto Ing. Mario Moreno, Secretaria Rocío, Lic.
Rosa Olivia, Doña Ely (cafetería y tortivales), Don Artemio, Doña Tere y Don Manuel.
Al cenidet por todo el apoyo recibido desde un inicio cuando no contaba con beca, que a pesar
de todo y que aunque pudieron hacer más, claudicaron en la búsqueda de soluciones para ser
mas llevadera la estancia en la institución. Finalmente a la DGEST por el apoyo económico el
último año de los estudios de maestría.
iii
RESUMEN
Dentro de este trabajo de investigación se presenta el diseño y desarrollo de un prototipo el
cual está orientado a la rehabilitación de una de las extremidades del cuerpo humano muy
propensa a sufrir de lesiones debido a la constante carga de esfuerzos a la cual es sometida y
esta extremidad es el tobillo.
La configuración paralela de los robots no es tan estudiada como los son los robots seriales,
debido a su compleja cinemática inversa así como su poco espacio de trabajo, sin embargo
existen ventajas tales como su precisión, el soporte de grandes velocidades y aceleraciones
entre otras. El presente robot paralelo de rehabilitación de tobillo ha sido diseñado con la idea
de que se pueda ofrecer rehabilitación pasiva de dos movimientos básicos y comúnmente
utilizados en un proceso de rehabilitación como son el de dorsi/plantarflexión y
eversión/inversión. Para futuras investigaciones el robot paralelo está diseñado para que se
pueda utilizar en rehabilitación resistiva, debido a la ventaja de esta configuración para ofrecer
una plataforma sencilla, que permita ofrecer movimientos suaves y controlados.
También, se presentará una deducción de la cinemática inversa la cual está basada en modelos
geométricos, su validación a través de software y en el prototipo físico, cabe señalar que se
presenta también el modelo virtual del prototipo. Asimismo se cuenta con un control en lazo
abierto anexo a una interfaz física con el usuario y su correspondiente etapa de potencia.
iv
ABSTRACT
In this research work of the design and development of a prototype is shown, which is oriented
to the rehabilitation of one end of the human body very prone to suffer from injuries as it is
submitted to constant load efforts being this the ankle.
Parallel robot configuration is not as studied as serial robots due to its complex inverse
kinematics and its very limited workspace; nevertheless it provides some advantages such as
precision, high-speed support and accelerations among others. The ankle rehabilitation
parallel robot presented in this thesis has been designed with the intention of providing
passive rehabilitations for dorsi/plantarflexión and eversion/inversion. For future researches
the presented robot has been designed to be able to be used for resistive rehabilitation due to
the advantage of this configuration that provides a simple platform to allow to offering soft
and controlled movements.
A deduction of the inverse kinematics will be presented, which is based on geometrics
models, his validation is presented both by software and physical, it is possible to indicate that
is present the virtual model of the prototype too. It also has an open loop control attached to a
physical interface with the user and its corresponding amplifier.
v
Contenido
Lista de Figuras ........................................................................................................................ vii
Lista de Tablas ............................................................................................................................ ix
ABREVIATURAS ...................................................................................................................... x
NOMENCLATURA ................................................................................................................... xi
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 1
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 2
1.2 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 2
1.2.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................................. 2
1.2.2 OBJETIVOS PARTICULARES ................................................................................. 3
1.3 ALCANCES Y LIMITACIONES ..................................................................................... 3
1.4 ANTECEDENTES ............................................................................................................ 3
1.5 JUSTIFICACION .............................................................................................................. 4
1.6 UBICACIÓN DEL PROBLEMA ...................................................................................... 4
1.7 HIPÓTESIS. ...................................................................................................................... 5
1.8 ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO .............................................................................. 5
CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE ..................................................................................... 7
2.1 REHABILITACIÓN .......................................................................................................... 9
2.1.1 KINESIOTERAPIA Y KINESIOLOGIA ................................................................. 10
2.1.2 TIPOS DE KINESIOTERAPIA................................................................................ 10
2.2 MOVIMIENTOS DEL TOBILLO .................................................................................. 12
2.3 EL TOBILLO HUMANO ............................................................................................... 14
2.4 REHABILITADORES DE TOBILLO COMERCIALES ............................................... 15
CAPÍTULO 3: DISEÑO Y DESARROLLO DEL PROTOTIPO ........................................ 19
3.1 CLASIFICACION DE ROBOTS .................................................................................... 19
3.2 CINEMÁTICA INVERSA (Análisis Geométrico) ......................................................... 20
3.2.1 LONGITUD DEL MIEMBRO i ................................................................................... 24
3.3 SISTEMA ELECTRÓNICO ............................................................................................ 25
3.3.1 ETAPA DE CONTROL ............................................................................................ 25
3.3.2 ETAPA DE INTERFAZ CON EL USUARIO ......................................................... 28
3.3.3 ETAPA DE POTENCIA ........................................................................................... 30
3.3.4 Diseño de circuito impreso (PCB) ............................................................................ 31
3.4 SISTEMA MECANICO .................................................................................................. 32
vi
3.5 DISEÑO DE COMPONENTES ...................................................................................... 32
3.6 EL ACTUADOR CARE33H DE SKF GROUP .............................................................. 34
3.7 PROTOTIPO VIRTUAL DEL ROBOT PARALELO .................................................... 35
CAPÍTULO 4: ENSAMBLADO, PRUEBAS Y RESULTADOS ....................................... 38
4.1 COMPONENTES DEL PROTOTIPO ........................................................................... 38
4.2 ENSAMBLE DE LA BASE FIJA ................................................................................... 41
4.3 ENSAMBLE DE LA BASE MÓVIL .............................................................................. 43
4.4 ACOPLAMIENTO DE LOS ACTUADORES A LAS PLATAFORMAS .................... 45
4.5 CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA ELECTRÓNICO ................................................... 46
4.6 PRUEBAS EN MATLAB DE LA CINEMÁTICA INVERSA ...................................... 48
4.7 PRUEBAS EN AUTOCAD SOBRE LA CINEMÁTICA INVERSA ............................ 49
4.8 PRUEBAS SOBRE EL PROTOTIPO ............................................................................. 51
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES ......................................................................................... 56
5.1 TRABAJOS FUTUROS .................................................................................................. 57
BIBLIOGRAFÍA: .................................................................................................................. 568
ANEXO A ................................................................................................................................. 62
A1: EL TOBILLO ................................................................................................................. 62
A2: ESGUINCE DE TOBILLO TIPO 1 ............................................................................... 62
A3: ESGUINCE DE TOBILLO TIPO 2 ............................................................................... 63
A4: ESGUINCE DE TOBILLO TIPO 3 ............................................................................... 63
ANEXO B ................................................................................................................................. 64
B1: CODIGO DE VALIDACION EN MATLAB ................................................................ 64
B2: CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN EN CODEWARRIOR (MAIN) .............................. 65
B3: CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN EN CODEWARRIOR (EVENTOS) ...................... 71
ANEXO C ................................................................................................................................. 79
C1: DISEÑO DEL PCB ......................................................................................................... 79
C2: TOP LAYER Y BOTTOM LAYER ............................................................................... 79
C3: DISEÑO ESQUEMÁTICO ............................................................................................ 80
ANEXO D ................................................................................................................................. 81
HOJAS DE DATOS Y ESPECIFICACIONES ..................................................................... 81
ANEXO E ................................................................................................................................. 85
E1: COSTOS .......................................................................................................................... 85
ANEXO F ................................................................................................................................. 86
F1: PLANOS DE DISEÑO .................................................................................................... 86
vii
Lista de Figuras
Figura 1: a) Vista frontal del tobillo [37], b) Vista lateral del tobillo [36] .................................. 4 Figura 2: a) Robot tipo serie, b) Robot tipo paralelo. .................................................................. 7 Figura 3: Plataforma de movimiento espacial patentada por J. E Gwinnett................................ 7
Figura 4: Robot paralelo patentado por W.L.V. Pollard. ............................................................ 8 Figura 5: Robot Paralelo ideado por V. E. Gough, a)Primer prototipo, b) Configuración actual.
..................................................................................................................................................... 8 Figura 6: MAST, Multi-Axis Simultaion Table. ......................................................................... 9 Figura 7: Plataforma Stewart. ...................................................................................................... 9
Figura 8: Rehabilitación pasiva ................................................................................................. 11
Figura 9: Rehabilitación activa .................................................................................................. 11
Figura 10: Rehabilitación asistida ............................................................................................. 12
Figura 11: Movimientos generales del tobillo ........................................................................... 12 Figura 12: Movimientos de Plantarflexión y dorsiflexión......................................................... 13 Figura 13: Movimientos de Eversión e inversión. ..................................................................... 13
Figura 14: Movimiento de Abducción y Aducción del pie ....................................................... 13 Figura 15.- Huesos del pie-tobillo ............................................................................................. 15
Figura 16: Producto 1. ............................................................................................................... 15 Figura 17: Producto 2. ............................................................................................................... 16 Figura 18: Producto 3. ............................................................................................................... 16
Figura 19: Producto 4. ............................................................................................................... 16 Figura 20: Kinetec 5190 Ankle CPM Machine ......................................................................... 17
Figura 21: Dispositivos de rehabilitación, (a) Artromot[10]; (b)OptiFlex[11] ......................... 17 Figura 22: (a) Universidad de Rutgers, New Jersey 1998[12]; (b) Advanced Industrial Science
and Technology, Tsukuba University of Technology. 2007 ……………………………… .... 18 Figura 23.- Clasificación en categorías para el diseño del prototipo......................................... 19 Figura 24.- Clasificaciones de los Robots. ................................................................................ 19
Figura 25.- Partes del mecanismo.............................................................................................. 20 Figura 26.- Marcos de coordenadas en el mecanismo. .............................................................. 20
Figura 27.- Geometría total de la plataforma. ........................................................................... 21 Figura 28.- Vista superior de la base. ........................................................................................ 21 Figura 29.- Vista superior de la plataforma móvil..................................................................... 22
Figura 30.- Desglose de la parte electrónica.............................................................................. 25 Figura 31.- Muestra el comportamiento Velocidad contra voltaje del actuador. ...................... 27 Figura 32.- Secuencia de los mensajes introductorios. .............................................................. 28
Figura 33.- Las dos posibles opciones de elegir. ...................................................................... 28
Figura 34.- Asignación de teclas de la segunda etapa (los demás botones están deshabilitados).
................................................................................................................................................... 29 Figura 35.- Desglose de la tercera etapa 3. ................................................................................ 29 Figura 36.- Asignación de la tercera etapa. ............................................................................... 30 Figura 37.- Circuito interno del LMD18200T (Puente H). ....................................................... 30 Figura 38.- Comparación entre el circuito (a) esquemático, y (b) el físico. .............................. 31 Figura 39.- Diseño en Altium Designer; ................................................................................... 31
viii
Figura 40.- Imágenes del prototipo (a) Base Fija; (b) Base Móvil (Efector Final). .................. 33
Figura 41.- Desensamble de la unión esférica (rótula). ............................................................. 33
Figura 42.- Prototipo Final (a) Vista Superior; (b) Vista Isométrica......................................... 34 Figura 43.- Actuador CARE33H (a) Real; (b) Virtual. ............................................................. 35 Figura 44.- Diseño virtual del prototipo (SolidWorks 2011). ................................................... 35 Figura 45.- Diseño virtual del prototipo sin uniones (ADAMS View 2010). ........................... 36 Figura 46.- Diseño virtual del prototipo con uniones (ADAMS View 2010). .......................... 37
Figura 47.- Movimientos de la plataforma móvil (Plantarflexion y Dorsiflexion). .................. 37 Figura 48.- Piezas del robot paralelo: componentes de la base móvil y fija. ............................ 38 Figura 49.- Piezas del robot paralelo: componentes de la base fija. .......................................... 39 Figura 50.- Piezas del robot paralelo: pares cinemáticos y tornilleria....................................... 39 Figura 51.- Base móvil y base fija del prototipo. ...................................................................... 40
Figura 52.- Prototipo armado y listo para las pruebas. .............................................................. 40
Figura 53.- Brazo Principal con base circular, (a) Ajuste de tuerca; (b) Ajuste con llave Allen.
................................................................................................................................................... 41
Figura 54.- Vista después del ensamble anterior. ...................................................................... 41
Figura 55.- (a) Brazo principal y auxiliar; (b) Ensamble de ambos brazos. .............................. 42 Figura 56.- (b) Brazo auxiliar ensamblado en ambos lados; (b) Vista final de la base fija....... 42
Figura 57.- Se atornillará con una tuerca de 5mm. .................................................................... 43 Figura 58.- Ensamble de brazos superiores a la base hexagonal. .............................................. 43 Figura 59.- Acoplamiento entre la suela y la base hexagonal. .................................................. 44
Figura 60.- Acoplamiento de las uniones esféricas con un brazo superior. .............................. 44 Figura 61.- Plataforma móvil terminada.................................................................................... 45
Figura 62.- Inserción del tornillo de 3/8” para enganchar el actuador y la rótula. .................... 46 Figura 63.- Unión del actuador con la base fija. ........................................................................ 46 Figura 64.- Tarjeta MC56F8037EVM. ...................................................................................... 46
Figura 65.- Momento de fabricación de PCB. ........................................................................... 47
Figura 66.- Placa PCB terminada sin cortar (sin el Keep Out Layer). ...................................... 47 Figura 67.- Vista superior e inferior de la placa de PCB finalizada. ......................................... 48 Figura 68.- Proceso de validación en MATLAB. ...................................................................... 49
Figura 69.- Longitud de p. ......................................................................................................... 50 Figura 70.- Longitud d1. ............................................................................................................ 50
Figura 71.- Diametro rB. ............................................................................................................ 50 Figura 72.- Longitud d2. ............................................................................................................ 50 Figura 73.- Diametro rA. ............................................................................................................ 50 Figura 74.- Longitud d3 ............................................................................................................. 50 Figura 75.- Posición inicial del prototipo. ................................................................................. 51
Figura 76.- Altura inicial del prototipo de 400 mm. .................................................................. 52
Figura 77.- Datos ingresados en Matlab y resultados arrojados. ............................................... 52
Figura 78.- Elección del tipo de movimiento. ........................................................................... 53 Figura 79.- Elección de las repeticiones y el tiempo (en segundos). ......................................... 53 Figura 80.- Operación del actuador a 5.9 volts.......................................................................... 54 Figura 81.- Longitud de d1 para 30°. ......................................................................................... 54 Figura 82.- Diferentes inclinaciones para el efector final, a) 10° b) 20° c) 30°. ....................... 55
Figura 83.- (a) Top Layer (Capa superior); (b) Bottom Layer (Capa inferior). ........................ 79
ix
Lista de Tablas
Tabla 1: Rango de Movimientos del tobillo. ............................................................................. 14 Tabla 2: Características CARE 33H150231130240 .................................................................. 34 Tabla 3.- Componentes de la Base fija ...................................................................................... 41 Tabla 4.- Componentes de la base móvil. .................................................................................. 43 Tabla 5.- Componentes para ensamblado de los Actuadores. ................................................... 45
x
ABREVIATURAS
ADC Convertidor de Analógico a Digital por sus siglas en inglés (Analogic Digital
Converter)
CAD Diseño Asistido por Computadora por sus siglas en inglés (Computer Aided Design)
CENIDET Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
DAC Convertidor de Digital a Analógico por sus siglas en inglés (Digital Analogic
Converter)
DOF Grados de Libertad por sus siglas en inglés (Degree of Freedom)
DSC Controlador Digital de Señales por sus siglas en inglés (Digital Signal Controller)
DSP Procesador Digital de Señales por sus siglas en inglés (Digital Signal Processor)
GDL Grados de Libertad
GPIO Puerto de propósito general por sus siglas en inglés (General Port for Input or
Output)
JTAG Grupo de Acciones en prueba de uniones por sus siglas en inglés (Joint Test Action
Group)
LCD Display de Cristal liquido por sus siglas en inglés (Liquid Crystal Display)
MIPS Millones de instrucción por segundo por sus siglas en inglés (Millions of Instruction
Per Second)
PCB Tarjeta de circuito impreso por sus siglas en inglés (Printed Circuit Board)
PWM Modulación por ancho de Pulso por sus siglas en inglés (Pulse Width Modulation)
SPI Interfaz Periférica Serial por sus siglas en inglés (Serial Peripheral Interface)
USB Bus Serial Universal por sus siglas en inglés (Universal Serial Bus)
xi
NOMENCLATURA
A
BR Matriz de Rotación
B
ib Vector ‘i-ésimo’ de distancia del centro de la plataforma móvil a la unión ‘B’ esférica
id Representación de la longitud del miembro (actuador) ‘i-ésimo’
v Velocidad promedio
s Distancia
t Tiempo
∆A1A2A3 Triangulo equilátero formado por las 3 uniones de revoluta A1, A2 y A3
∆B1B2B3 Triangulo equilátero formado por las 3 uniones de revoluta B1, B2 y B3
ai Vector de distancia del centroide de ∆A1A2A3 a la unión de revoluta ‘i-ésima’
Ai Coordenada de la unión de revoluta ‘i-ésima’
bi Vector de distancia del centroide de ∆B1B2B3 a la unión esférica ‘i-ésima’
Bi Coordenada de la unión esférica ‘i-ésima’
M(u,v,w) Marco móvil generado por los ejes u, v y w
O(x,y,z) Marco fijo generado por los ejes x, y y z
p Vector de longitud del origen del Marco fijo al Marco móvil.
qi Vector de longitud del origen del Marco fijo a la unión esférica ‘i-ésima’
rA Radio imaginario generado por las uniones de revoluta
rB Radio imaginario generado por las uniones esféricas
Capítulo 1 INTRODUCCIÓN
En este documento se presenta la tesis de investigación “Robot Paralelo para Rehabilitación
de Tobillo”. Está orientada al diseño y construcción de un rehabilitador el cual podrá ser
utilizado en la rehabilitación de lesiones en el tobillo, de tal forma que reproduzca algunos de
los movimientos básicos del pie.
Este proyecto se ubica dentro de la línea de investigación Robótica y Automatización de
Procesos dentro del posgrado en Mecatrónica del CENIDET. Un aspecto relevante de este
trabajo es familiarizarse con las características de movimiento y estructural (ligamentos y
músculos) del pie humano con la finalidad de ubicar perfectamente las áreas más propensas a
lesionarse y en base a eso diseñar y construir el robot. El trabajo también contempla el diseño
virtual y su simulación de movimientos, construcción del robot (base, actuadores y efector
final), incluyendo pruebas para validar su desempeño.
Compañías de desarrollo tecnológico, instituciones y universidades en todo el mundo han
despertado un gran interés en los últimos años, en el desarrollo de sistemas de rehabilitación
con el objetivo de que, puedan rehabilitar y fortalecer completamente la parte afectada (por
ejemplo, rodilla, tobillo, cadera, brazos etc.); recuperar la movilidad, disminuir el trabajo
repetitivo de un terapista; incrementar el número de servicio de terapias; reducir el tiempo de
recuperación y ofrecer una mayor diversidad de terapias personalizadas con movimientos
precisos y seguros. Muestra de esto, es que se han desarrollado numerosas investigaciones y
prototipos con una amplia variedad de características.
Un robot de rehabilitación puede ser visto como un tipo de robot de servicio el cual es
designado para ayudar al lesionado o al anciano en realizar actividades de la vida diaria. Los
robots de rehabilitación pueden tomar varias formas, incluyendo productos realimentados,
brazos robóticos montados sobre un sillón de ruedas y miembros prostéticos inteligentes.
Sobre las últimas dos décadas, los investigadores han también explorados el uso de productos
robóticos en el área de terapia física y algunos productos han sido desarrollados para enfocarse
en varias partes del cuerpo humano[1].
El desarrollo de este proyecto generó conocimiento y experiencia para posibles desarrollos en
futuros rehabilitadores, más completos (capturando señales micro-eléctricas emitidas por los
músculos, reproduciendo otros movimientos, etc.). Así mismo, existen otro tipo de
aplicaciones tales como simuladores de vuelo, salas de cine con un efecto más real, robots
móviles para condiciones extremas como los enviados al planeta Marte por la NASA, etc.
Por todo lo mencionado está del interés de la institución para realizar un trabajo de tesis
enfocándose en la rehabilitación del tobillo, dado que después de una lesión generalmente es
Introducción 2
de extrema necesidad seguir un proceso para la rehabilitación del miembro, fortalecimiento de
los ligamentos y así como la flexibilidad de los propios músculos.
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los seres humanos estamos sujetos a presentar incidentes traumáticos los cuales ocasionan
que las personas no puedan realizar actividades de la vida cotidiana. Además, existen diversas
enfermedades neuromusculares que requieren tratamiento inmediato de recuperación, para
evitar daños más severos o permanentes. Cuando un músculo no se utiliza o se debilita, tiende
a acortarse, resultando que las articulaciones se vuelvan rígidas, ocasionando deformidades o
contracturas. Por otra parte, las fracturas obligan a la inmovilización del miembro a fin de que
el hueso fracturado pueda soldarse en la posición correcta. Lo que provoca un deterioro muy
notable sobre músculos y articulaciones que, sin el estímulo del movimiento o una terapia
física, pierden buena parte de sus capacidades.
En la actualidad, la mayoría de los centros de rehabilitación ofrecen un servicio de calidad no
adecuada a pacientes que requieren de un proceso de rehabilitación, ya que cuentan con poco
personal, el terapeuta puede aplicar movimientos bruscos por varios motivos (cansancio,
descuido, distante, etc.) provocando dolor en la parte afectada.
Para lograr una mejor rehabilitación en lesiones de tobillo o pie se han propuesto algunos
sistemas que permiten mover y estirar los músculos y tendones suavemente; sin embargo,
presentan varias desventajas, tales como, están limitados a movimientos con velocidades
constantes; intervalos de movimientos fijos; no coadyuvan a fortalecer el músculo; son de
costos elevados; sólo proporcionan dos tipos de movimientos realizados por el tobillo, y no
ofrecen la combinación de estos movimientos. Por otra parte, un especialista en traumatología
no cuenta con un diagnóstico de la mejora de un músculo, cuando está en proceso de
rehabilitación, por lo cual sólo se basa en la experiencia, aspecto físico del músculo y de los
comentarios del paciente para iniciar o dar seguimiento a una terapia de rehabilitación.
Aunado a esto, habrá que agregar un costo extra que se tiene que pagar debido a que los
pacientes tendrán que trasladares de su hogar al centro de rehabilitación y sí además se planea
una gran cantidad de sesiones para la rehabilitación, se convierte en un problema más, esto
contribuye a que los pacientes desistan de la rehabilitación.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir, un robot paralelo rehabilitador de tobillo que permita realizar los
movimientos de dorsiflexión/plantarflexión e inversión/eversión.
Introducción 3
1.2.2 OBJETIVOS PARTICULARES
Diseñar un prototipo virtual de un robot paralelo
Construir el robot paralelo para la rehabilitación del tobillo.
Control del robot paralelo para movimientos planificados que permita realizar los
movimientos de dorsi/plantarflexión e inversión / eversión.
1.3 ALCANCES Y LIMITACIONES
Los alcances de este proyecto de investigación son los siguientes:
Diseño mecatrónico y construcción de un aparato rehabilitador de tobillo
Diseño y construcción de una ley de control para reproducir los movimientos de
dorsi/plantarflexión e inversión/eversión.
El estudio de los fenómenos que pudieran ocurrir durante el transcurso de la tesis, así
como la simulación del diseño del prototipo.
Pruebas de validación de movimientos.
Las limitaciones podrían presentarse en el caso de:
Las singularidades presentes al momento de realizar el modelo matemático.
El presupuesto económico para el desarrollo del proyecto.
1.4 ANTECEDENTES
Con el paso de los años ha surgido en el ser humano el deseo de realizar mecanismos que
simulen los movimientos de la anatomía humana, dentro de este campo, a mediados del siglo
pasado se ha empezado a idear un tipo de robot que en este siglo se han clasificado como
“Robots Paralelos” para diversas aplicaciones [2]. Dado que este tipo de configuración de
Robot contiene ciertas ventajas sobre los Robots Seriales, en los últimos 50 años viene
dándose este enfoque en la rehabilitación.
El tobillo es una de las más importantes uniones del cuerpo (véase Figura 1). Los
investigadores médicos por lo tanto dedican mucha atención hacia encontrar un método
efectivo para el tratamiento y prevención de lesiones en el tobillo. Para desarrollar un producto
en rehabilitación de tobillo es indispensable tener conocimiento sobre conceptos de
rehabilitación.
Las lesiones en los ligamentos laterales del tobillo son los más comunes en los deportes y en la
vida en general, debido a que precisamente en esta área del tobillo es donde se presentan las
mayores tensiones (fuerzas) para el sostenimiento de todo el cuerpo, aunado a esto, si
pensamos en todo el esfuerzo y estiramiento que deben tener estos ligamentos en las personas
deportistas, podemos llegar a la conclusión que es altamente probable sufran de lesiones.
Introducción 4
a) b)
Figura 1: a) Vista frontal del tobillo [37], b) Vista lateral del tobillo [36]
En el CENIDET, este trabajo será pionero ya que anteriormente no se ha hecho algo similar a
esta tesis, por lo que hará de piedra angular para los conocimientos venideros.
1.5 JUSTIFICACION
Para que una persona que ha sufrido una lesión pueda reincorporarse a sus actividades
cotidianas, sin el temor de volver a lastimarse o recaer, se requiere que el músculo se
encuentre totalmente recuperado y fortalecido de la lesión. Los dispositivos para rehabilitación
coadyuvan a la recuperación de la parte afectada y se pueden utilizar en las modalidades de
recuperación pasiva y activa, para recuperar el rango de movimiento y fortalecer la parte
afectada
El uso de esta máquina en centros de rehabilitación permitirá incrementar el número y ofrecer
una mayor diversidad de terapias personalizadas; y lo que es más importante, reducir el tiempo
de recuperación de personas que hayan sufrido incidentes traumáticos, lo cual permitirá se
reincorporen más rápido a sus actividades cotidianas. Además, en pacientes con enfermedades
neuromusculares permitirán mejorar su calidad de vida.
1.6 UBICACIÓN DEL PROBLEMA
En la actualidad hay una gran demanda de servicios en el sector salud, y aunque en el mismo
medio se cuenta con personas altamente calificadas en la rehabilitación (pasiva, activa y
asistida) y equipo especializado, no siempre satisfacen la demanda, hablando en cuestiones de
tiempo y calidad.
Tomando el enfoque en la cuestión de tiempo, lo que más se escucha, es que las citas que
proporcionan los médicos, son en lapsos de tiempo demasiados prolongados, y esto no es
debido al médico en sí, sino a lo saturado de la agenda de los mismos lo cual hablando en
términos de calidad se sobrentiende que hay una baja considerable, ya que hay más gente de la
Introducción 5
que pueden tratar, es decir, la calidad disminuye a cambio de aumentar la cantidad de personas
beneficiadas.
Se han mencionado las diferentes áreas en general, porque la problemática no se encuentra
arraigada en un campo en específico, pero para poder abordar este problema no se puede ver
desde un enfoque global sino más bien delimitar un caso específico, dentro del cual se atacará
el área de rehabilitación de articulaciones y aún más especifico será para el tobillo.
Otra problemática que se presenta para proporcionar un servicio de calidad en las terapias de
rehabilitación, es contar con equipo o dispositivos especializados que ayuden a proporcionar
terapias personalizadas de mejor calidad (control de fuerzas y de movimientos), así como
incrementar el servicio de atención. Estos equipos por ser de importación aunado a su alto
costo son difícil de adquirir por los centros de rehabilitación públicos.
Estos dispositivos, tienen ciertamente algunas carencias, las cuales si bien no se va corregir el
de todos los productos pero si se va a puntualizar y encontrar un balance para la realización
del robot paralelo para la rehabilitación del área ya mencionada.
1.7 HIPÓTESIS.
Es viable y factible el diseño y construcción de un sistema articulado que sea actuado por
medio de actuadores eléctricos lineales, para producir los movimientos de plantarflexión,
dorsiflexión, eversión e inversión. A través de sensores de velocidad tales como encoders se
controlará la posición actual de los actuadores hacia el efector final, así como aplicar un
esquema de control al actuador para conocer la posición exacta a la que estará el efector final.
De esta forma se estará rehabilitando el tobillo humano. Y es por ello que se pretende resolver
la problemática a través de la construcción de un robot paralelo que contenga cuatro cadenas
cinemáticas cerradas.
1.8 ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO
La tesis ha sido organizada de tal manera que cualquier persona ajena al tema específico pero
con los conocimientos suficientes básicos pueda dar seguimiento claro y contundente de lo
que se pretende con esta tesis.
A lo largo de el Capítulo 1 se expresan algunas ideas básicas que nos condujeron al desarrollo
de este trabajo de investigación, así como identificar cual es el problema que se pretende
abordar y dar solución, paralelamente se especifican los objetivos una vez fijada la
problemática.
En el Capítulo 2 se presenta el estado del arte, sobre lo que se ha venido desarrollando a nivel
internacional en el campo de los robots paralelos así como también en el sentido específico de
la rehabilitación de miembros inferiores.
Introducción 6
El capitulo 3 muestra el proceso que se siguió para el diseño y desarrollo del prototipo, desde
una breve introducción sobre robot, pasando por el desarrollo de una cinemática inversa,
donde cabe señalar que por motivos de su complejidad por el método de Denavit-Hartenberg
se ha optado por resolver mediante su análisis geométrico. Se muestran algunas imágenes del
prototipo construido así como de sus partes que lo componen. También se presenta el sistema
electrónico que permite el control en lazo abierto del robot paralelo.
En el capitulo 4 se demuestran los resultados que se consiguieron con las pruebas que se le
aplicaron al ensamblado, ello con el fin de obtener y/o cumplir con los (dosri/plantarflexión y
eversión/inversión).
Finalmente, en el capítulo 5 se presentan las conclusiones derivadas del desarrollo de este
proyecto de tesis de investigación. Se presenta el listado de fuentes bibliográficas consultadas
y por su puesto los anexos que son parte principal de este trabajo de investigación, que entre
muchas otras cosas incluye planos de diseño, hojas de datos y código fuente de la interfaz de
usuario.
Capítulo 2 ESTADO DEL ARTE
A lo largo de esta sección se abordarán los conocimientos básicos que se deben tener en
cuenta antes de intentar dar el paso hacia los demás capítulos y en consecuencia hacia el
desarrollo de la misma tesis. Teniendo en cuenta su estructura, los robots se pueden clasificar
en: Robots tipo serie y robots o manipuladores paralelos. Los robots tipo serie están formados
por una cadena cinemática abierta, con una estructura similar al brazo humano
(antropomórficos), Figura 2(a). En cambio, los robots paralelos están formados por dos
plataformas, una fija y otra móvil, unidas por varias cadenas cinemáticas en paralelo y por
ello, formando cadenas cinemáticas cerradas, Figura 2(b).
Figura 2: a) Robot tipo serie, b) Robot tipo paralelo.
Según I. A. Bonev, el órden cronológico en que fueron apareciendo los robots paralelos es el
siguiente [3] :
El primer robot paralelo del que se tiene conocimiento es una plataforma sobre la que estaban
colocados los asientos de un teatro con el fin de introducir un movimiento que diese una
apariencia más real al espectáculo. Esta plataforma (Amusement Device) fue patentada en
1931 por J.E. Gwinnett. Por la información existente, esta plataforma no llegó a construirse
(véase la Figura 3).
Figura 3: Plataforma de movimiento espacial patentada por J. E Gwinnett.
Estado del Arte 8
En 1942 W.L.V. Pollard patentó un robot paralelo (Position-Controlling Apparatus) para
pintar automóviles. (Figura 4). Al parecer, este robot tampoco llegó a construirse.
Figura 4: Robot paralelo patentado por W.L.V. Pollard.
En 1947 V.E. Gough ideó un robot paralelo con seis actuadores lineales formando una
estructura de octaedro, Figura 5. Este robot con seis grados de libertad fue utilizado en la
empresa Dunlop para el ensayo de neumáticos de aviación. Esta estructura de robot paralelo
presentada en un congreso de FISITA (acrónimo de “The International Federation of
Automotive Engineering) en 1962 es la que ha tenido mayor éxito. En la actualidad,
injustamente, muchos autores le denominan plataforma de Stewart cuando se le debería
conocer como plataforma de Gough.
Figura 5: Robot Paralelo ideado por V. E. Gough, a)Primer prototipo, b) Configuración actual.
V.E. Gough en la presentación de su invento, citaba la existencia de unas mesas (MAST,
Multi-Axis Simulation Table) anteriores a su invento. Estas mesas están accionadas por seis
actuadores lineales, tres verticales y tres horizontales, Figura 6.
Estado del Arte 9
Figura 6: MAST, Multi-Axis Simultaion Table.
En 1965 D. Stewart[4] presentó una plataforma con seis grados de libertad para ser utilizada
como simulador de vuelo, Figura 7.
Figura 7: Plataforma Stewart.
En realidad todos los autores enumerados en este apartado se pueden considerar pioneros ya
que desarrollaron sus inventos sin conocimiento previo de los anteriores. A partir de 1970 la
necesidad de conseguir un entrenamiento más económico para los pilotos de aviación que la
realización de vuelos reales, hizo que se desarrollasen gran cantidad de simuladores de vuelo.
La mayoría de estos simuladores estaban basados en la estructura de Gough.
Teniendo en cuenta la recopilación de publicaciones más relevantes sobre robots paralelos
realizada por J.P. Merlet hasta 1969 tiene recogidas 11 publicaciones. En la década de 1970
figuran 13 publicaciones. En la década de 1980 el número aumenta hasta 125. En la década de
1990 recoge 879 publicaciones. Y entre el año 2000 y la actualidad 1023 publicaciones. Como
se observa, el interés sobre los robots paralelos ha ido en aumento pudiéndose considerar el
año 1985 como el año en el que se produce el inicio de un interés que ha ido creciendo de
forma exponencial.
2.1 REHABILITACIÓN
La rehabilitación, en un sentido general, es el proceso por el cual se recuperan las aptitudes
físicas perdidas a causa de un incidente traumático mediante terapia física. El objetivo de la
rehabilitación es recuperar una función completa y sin limitaciones, sobre todo en el caso de
los deportistas que necesitan volver al mismo nivel de exigencia física.
Estado del Arte 10
2.1.1 KINESIOTERAPIA Y KINESIOLOGIA
La kinesioterapia es una técnica correspondiente a un tratamiento terapéutico que estudia el
movimiento, la fisiología y la anatomía de la biomecánica correspondiente al cuerpo humano.
Al mismo tiempo, se ocupa de tratar aquellos problemas emergentes de malformaciones,
accidentes, lesiones, enfermedades, y mediante la kinesioterapia se logra mejorar de manera
terapéutica todos estos problemas mencionados, destacándose como parte fundamental de
cualquier tipo de proceso de rehabilitación. Lógicamente, la kinesioterapia comprende todos
los conocimientos de la kinesiología y surgió a partir de la necesidad de rehabilitar a las
víctimas de guerra como también a las personas que sufrieron accidentes laborales o bien, que
poseían algún tipo de enfermedad infecto-contagiosa.
Es importante tener en cuenta que la kinesioterapia participa de la rehabilitación provocando
una mejora en las condiciones de movimiento del paciente, mediante la aplicación de una
rutina leve de ejercicios físicos que estimulen el área necesitada, siempre considerando la
condición, características y limitaciones de cada paciente. A través del estudio de la
quinesiología, la kinesioterapia intenta reducir a la mínima expresión posible la discapacidad
que presenta el paciente, potenciando todas sus capacidades pero en una manera medida.
Quien lleva a cabo cualquier método de kinesioterapia es lógicamente un profesional en la
kinesiología, y el mismo suele diseñar una rutina de ejercicios específica para cada uno de los
pacientes atendidos y tratados, considerando, como bien se dijo anteriormente, sus
limitaciones y capacidad.
Dicho programa cuenta también con masajes terapéuticos, algo que resulta una excelente
manera para estimular algunas zonas del cuerpo, consiguiendo que algunos músculos se
relajen totalmente y muchos otros se tonifiquen; además, los programas rutinarios de
kinesioterapia incluyen tratamientos con diferentes técnicas de masajes que ayudan a regular
la energía corporal y estimular la circulación sanguínea. Algunos tratamientos
complementarios para la kinesioterapia son aquellos basados en la aplicación de frío, calor,
ultrasonido, y también en ocasiones, cuando el tratamiento lo amerita, se considera la
aplicación de estimulación eléctrica para poder rehabilitar aquellos músculos que se
encuentran en las zonas afectadas [38].
2.1.2 TIPOS DE KINESIOTERAPIA
Los tipos de kinesioterapia son muchos y se dividen en tres clasificaciones principales; en
primer lugar tenemos la kinesioterapia pasiva (véase Figura 8) que hace referencia al método
en el cual, una fuerza externa provoca un movimiento en una determinada zona corporal
evitando que el paciente tenga o realice una contracción muscular; que a su vez, puede ser
relajada o auto pasiva. En el caso de que dicha contracción sea relajada, el movimiento se verá
limitado por la fisiología y la patología correspondiente al paciente y generalmente es
recomendado para que se mantengan los recorridos articulares; en el caso de que la
contracción sea auto pasiva, entonces la fuerza externa será provocada por el mismo paciente
en las zonas corporales que no son tan accesibles. Este tipo de kinesioterapia se encuentra
indicada particularmente para recuperar los movimientos articulares y el esquema corporal del
paciente y específicamente para corregir cualquier tipo de alteración circulatoria.
Estado del Arte 11
También se aplica en aquellos casos donde se encuentra comprometida la movilidad articular
debido a procesos traumáticos.
Figura 8: Rehabilitación pasiva
Por otro lado está la kinesioterapia activa (véase Figura 9) en donde el método terapéutico se
basa en que el movimiento debe ser llevado a cabo mediante la contracción muscular del
paciente, provocado por las fibras musculares.
Las diferentes técnicas que se utilizan para realizar este tratamiento de quinesiología, son
ideales para provocar algún movimiento por la acción de la musculatura voluntaria, en
situaciones en donde la contracción es muy débil y no logra generar el movimiento o bien, lo
hace pero de manera incompleta. También puede utilizarse como técnica preventiva
induciendo a la relajación y produciendo a su vez una estimulación en las áreas cutáneas y
circulatorias. Por último es importante destacar que la kinesioterapia activa puede aplicarse en
patologías neurológicas, problemas de índole reumatológicos y hasta traumáticos, pero se
encuentra contraindicada en aquellas situaciones de procesos infecciosos, procesos de
inmovilidad e inflamatorio y agudos.
Figura 9: Rehabilitación activa
Finalmente se encuentra del mismo modo ubicada la kinesioterapia asistida (véase Figura 10),
la cual es una mezcla de las dos anteriores, donde interviene la voluntad del paciente así como
el trabajo del fisioterapista, dentro de esta sinergia de actividades da cabida al uso de
tecnologías como los son los rehabilitadores robóticos[5].
Estado del Arte 12
Figura 10: Rehabilitación asistida
2.2 MOVIMIENTOS DEL TOBILLO
Existen tres pares principales de movimientos del tobillo, es decir, cada uno de los
movimientos tiene su contraparte (véase la Figura 11) [1].
Figura 11: Movimientos generales del tobillo
*No aplica para el desarrollo de esta tesis.
Movimiento 1: Dorsiflexión o flexión dorsal es el movimiento que reduce el ángulo
entre el pie y la pierna en el cual los dedos del pie se acercan a la espinilla. el
movimiento opuesto se llama flexión plantar (véase Figura 12). Ocurre en el tobillo. El
rango de movimiento de la dorsiflexión indicado en la literatura es de 20° a 30°.
Mov. 1 • Dorsiflexión
• Plantarflexión
Mov. 2 • Eversión
• Inversión
Mov. 3 • Abducción*
• Adducción*
Estado del Arte 13
Figura 12: Movimientos de Plantarflexión y dorsiflexión
Movimiento 2: La eversión es la rotación externa del pie con elevación del borde
externo del pie. Los músculos que participan en la eversión son: Tercer peróneo
(principal), Peróneo corto, peróneo largo, extensor largo de los dedos, extensor corto
de los dedos. La inversión es también una rotación pero interna del pie con elevación
del borde interno del pie. Los músculos que participan en la inversión son: Tibial
anterior y tibial posterior son los principales, pero también participan: , flexor largo de
los dedos, flexor del dedo gordo, extensor largo del dedo gordo (véase Figura 13).
Figura 13: Movimientos de Eversión e inversión.
Movimiento 3: Este movimiento como tal, se menciona sin embargo no es del total
interés para el desarrollo de la tesis y por lo cual no es necesario definirlo, si se
menciona por que tiene parte en los movimientos naturales del tobillo (ver Figura 14).
Figura 14: Movimiento de Abducción y Aducción del pie
Dorsiflexión
Plantarflexión
n
Posición
Normal
Inversión Eversión
Abducción
Aducción
Estado del Arte 14
2.3 EL TOBILLO HUMANO
El tobillo es una de las más complejas partes del sistema esquelético y juega un papel
importante en la locomoción humana, transmitiendo fuerzas y torques a la tierra durante el
andar. El movimiento del tobillo puede ser descrito por las rotaciones a través de 3 ejes los
cuales son perpendiculares a los planos anatómicos. Los términos usados para definir la
dirección del movimiento pie-tobillo y los rangos estimados de movimientos en cada dirección
están dados en la Tabla 1. Cabe señalar que el rango de movimiento puede variar
extremadamente entre los individuos así destacando la necesidad de un sistema adaptable el
cual puede limitar la fuerza aplicada (tema que no se va a abordar en esta tesis), cuando se
acerca a los límites de la unión previniendo lesiones en el paciente (ver Tabla 1) .
Tabla 1: Rango de Movimientos del tobillo.
Tipo de movimiento Movimiento máximo permisible
Dorsiflexión 20.3º a 29.8º
Plantarflexión 37.6º a 45.8º
Inversión 14.5º a 22.0º
Eversión 10º a 17º
Abducción (rotación externa) 15.4º a 25.9º
Aducción (rotación interna) 22º a 36º
Los modelos cinemáticos con un rango de complejidad han sido propuestos para representar el
movimiento en el tobillo usando uniones básicas tales como bisagras o rótulas. Sin embargo
debido a la articulación compleja entre la tibia, peroné y los huesos de la parte trasera del pie,
el movimiento del tobillo no es puramente rotacional y las rotaciones están también acopladas.
La representación del tobillo con una simple bisagra o rótula es por lo tanto inadecuado en la
descripción correcta del movimiento anatómico.
Un modelo comúnmente que describe mejor este movimiento acoplado es el modelo biaxial el
cual usa dos articulaciones de bisagra, la unión del tobillo y la subastragalina respectivamente.
Los ejes de estas articulaciones son oblicuas con respecto a los planos anatómicos, así la
rotación acerca de ellos contribuirá a el movimiento alrededor de los 3 planos. Como en el
caso del rango del movimiento, la variabilidad de la inclinación de los ángulos de estos ejes es
también grande entre las diferentes personas. De hecho, se observó que mientras la
articulación del tobillo puede ser considerado estacionario durante el movimiento del tobillo,
la orientación del eje subastragalino actualmente cambia con la configuración del tobillo[6],
trayendo más complejidad al modelo. Para propósitos de este artículo el modelo biaxial con
los ejes fijos son usados para representar el movimiento del tobillo.
Demasiados investigadores han sido conducidos a estudiar la flexibilidad del tobillo humano,
particularmente en la dirección de dorsiflexión/plantarflexión[7]. En la rigidez y
amortiguación del tobillo se observó cierta dependencia sobre varios factores, entre ellos el
grado de activación muscular y la velocidad del movimiento. También se ha observado que en
el tobillo el momento resistivo varia de una manera no lineal con respecto a la posición del
tobillo mediante el cual la rigidez del tobillo cerca de la posición neutral es baja pero se
incrementa significativamente cuando el movimiento se acerca a los límites de la articulación.
Estado del Arte 15
Los movimientos experimentados a través del tobillo son también bastante grandes, con
valores por encima de 50 N-m cuando el tobillo es movido pasivamente. Este valor puede aún
incrementarse más allá de 100 N-m cuando los músculos son contraídos. Una especial
consideración debe ser por lo tanto tomada en el diseño del robot para asegurar que sea capaz
de proveer grandes torques para ejercicios resistivos.
El tobillo humano tiene una estructura multi-unión compleja. El hueso central es el astrágalo,
los huesos circundantes son el calcáneo, el navicular (Escafoide) y el cuboide; ellos son los
responsables de la rotación del tobillo en 3D (ver Figura 15).
Figura 15.- Huesos del pie-tobillo
La parte superior del astrágalo articula con un segmento de la pierna a través de la tibia y el
peroné[8].
2.4 REHABILITADORES DE TOBILLO COMERCIALES
En la Figura 16 se muestra un dispositivo el cual no realiza ningún movimiento por sí solo,
únicamente coloca el pie en una altura en la cual una persona especializada realiza los
movimientos de rehabilitación [9].
Figura 16: Producto 1.
En el aparato que se muestra en la Figura 17, se puede observar que sólo proporciona un tipo
de movimiento y que este tiene que ser controlado por una persona especialista [9].
Estado del Arte 16
Figura 17: Producto 2.
Este dispositivo ofrece movimientos circulares bien definidos y el sistema mecánico está
diseñado para mover el peso del pie con relativa facilidad, mezcla dos movimientos y tiene
que ser usado de forma manual (ver Figura 18) [9].
Figura 18: Producto 3.
En el siguiente dispositivo se tiene que los movimientos ya están motorizados pero no están
bien definidos los rangos que se manejaran y no tienen un dispositivo que puede delimitarlos
por lo que todo el tiempo de la terapia es necesario que un especialista este supervisando las
rutinas (ver Figura 19) [9].
Figura 19: Producto 4.
Estado del Arte 17
La máquina mostrada a continuación es la que ofrece mejores movimientos a comparación con
los anteriores, se trata de un aparato que genera movimientos circulares teniendo como eje el
tobillo, limitados por las dimensiones del aparato, es automático y controlado con un control
que sobresale (teach-pendant), a su vez el usuario controla el tiempo y la velocidad bajo
parámetros prestablecidos por el fabricante (ver Figura 20) [9].
Figura 20: Kinetec 5190 Ankle CPM Machine
Cabe mencionar que este último dispositivo mencionado es sin duda el que nos ofrece un
mejor panorama en lo que se refiere a la rehabilitación, sin embargo es un dispositivo que es
necesariamente importado de países desarrollados como EUA o del viejo Continente, lo cual
nos reduce la posibilidad de adquirirlo, además de que si el producto falla se incrementan los
costos ya que se tiene que regresar al país de origen para su reparación.
Los siguientes dispositivos son el Artromot Ankle Cpm Kit y el OptiFlex® 3 Knee
Continuous Passive Motion (CPM) los cuales se pueden observar en la Figura 21. Cada uno de
estos dispositivos cabe señalar que conllevan un grado más de complejidad y por ende mayor
capacidad de movimientos.
a) b)
Figura 21: Dispositivos de rehabilitación, (a) Artromot[10]; (b)OptiFlex[11]
Finalmente, en el sector educativo o de investigación también han mostrado interés en
desarrollar rehabilitadores de tobillo como se muestra en la Figura 22. Se muestra los
prototipos de la Universidad de New Jersey, EUA y la Universidad Tsukuba de Tecnología,
Japón, de izquierda a derecha, respectivamente.
Estado del Arte 18
a) b)
Figura 22: (a) Universidad de Rutgers, New Jersey 1998[12]; (b) Advanced Industrial
Science and Technology, Tsukuba University of Technology. 2007 .
Capítulo 3 DISEÑO Y DESARROLLO DEL PROTOTIPO
El prototipo que se presenta a continuación es el resultado de la investigación previa que se
realizó sobre robots, en especial la configuración de robots paralelos, así como del estado del
arte de la rehabilitación del tobillo, el tipo de aparatos y/o mecanismos que existen
actualmente y algunos en proceso de desarrollo. Se puede clasificar el desarrollo del prototipo
en un diagrama de bloques que incluyen 4 categorías principales, tal como se muestra en la
Figura 23.
Figura 23.- Clasificación en categorías para el diseño del prototipo.
3.1 CLASIFICACION DE ROBOTS
Los Robots pueden se clasificados acorde a varios criterios, tales como sus grados de libertad,
estructura de su cinemática, manejo de tecnología, geometría de su espacio de trabajo,
configuración de su estructura y/o características de su movimiento. Para nuestro caso, se
establecerá una clasificación de acuerdo a su configuración de su estructura [13] [14].
Figura 24.- Clasificaciones de los Robots.
Cinemática Inversa
Sistema Electrónico
Actuadores Lineales
Prototipo Paralelo
RO
BO
T'S
Seriales
PUMA
Scara
...
Paralelos
DELTA
Airbus A340 simulator
...
Diseño y desarrollo del prototipo 20
3.2 CINEMÁTICA INVERSA (Análisis Geométrico)
El problema de la cinemática inversa es básicamente: Dada la localización de la plataforma
móvil, encontrar las longitudes de los miembros d1, d2 y d3 [14]. Debido a que el manipulador
tiene solamente 3 grados de libertad sin el poste central y 2 grados con el poste central, la
posición y orientación deben ser especificadas acorde con las restricciones impuestas por las
partes del mecanismo (véase la Figura 25).
Figura 25.- Partes del mecanismo.
Para propósitos de análisis geométrico se colocarán dos sistemas de coordenadas cartesianas
denominados O(x,y,z) y M(u,v,w) para la base y la plataforma móvil, respectivamente, y
momentáneamente se ocultará el poste central para efectos de análisis visual, tal como lo
ilustra la Figura 26:
Figura 26.- Marcos de coordenadas en el mecanismo.
Las uniones Ai son colocadas sobre el plano x-y. El origen del marco de referencia fijo llamado
O es posicionado en el centroide del triángulo equilátero ∆A1A2A3, y la unión A1 se encuentra
perpendicular a la dirección del eje x, como en la Figura 26.
Diseño y desarrollo del prototipo 21
Así mismo el marco de referencia móvil es puesto sobre el centroide del triángulo equilátero
∆B1B2B3, mientras que las uniones Bi son ubicadas sobre el plano u-v. Además la unión B1 se
encuentra perpendicular a la dirección del eje u, como en la Figura 27.
Figura 27.- Geometría total de la plataforma.
También en la Figura 27, se pueden observar los vectores de posición denominados p, qi , ai y
bi, donde q3 va desde la base hasta la unión esférica denominada B3 similarmente el vector a3
va desde el origen del marco de referencia fijo hasta la unión de revoluta A3 y así
sucesivamente los demás vectores en el mecanismo.
Los triángulos equiláteros están circunscritos en una circunferencia imaginaria con radios rA y
rB (Figura 28 y Figura 29 ) para la base y la plataforma móvil respectivamente. Ahora, permita
que (x,y,z) y (u,v,w) sean los vectores unitarios de los marcos de referencia O y M
respectivamente.
Figura 28.- Vista superior de la base.
Diseño y desarrollo del prototipo 22
Figura 29.- Vista superior de la plataforma móvil.
Por lo tanto las coordenadas de las uniones Ai y Bi están dadas por las ecuaciones (1)-(6):
[ 0 0]T
Ar1
a (1)
1 30
2 2
T
A Ar r
2a (2)
1 30
2 2
T
A Ar r
3a (3)
[ 0 0]B T
Br1b (4)
1 30
2 2
T
B
B Br r
2b (5)
1 30
2 2
T
B
B Br r
3b
(6)
Además se puede definir que el vector de posición de p que se ubica a lo largo del poste
central como:
[0 0 ]hp (7)
Diseño y desarrollo del prototipo 23
Así también podemos definir la matriz de rotación la cual describe las orientaciones de la
plataforma móvil (contiene senos y cosenos) con respecto a la base:
x x x
A
B y y y
z z z
u v w
R u v w
u v w
(8)
Hay que notar que los elementos de la matriz (8) deben satisfacer las siguientes propiedades
de ortogonalidad:
2 2 2 1x y zu u u
2 2 2 1x y zv v v
2 2 2 1x y zw w w
0x x y y z zu v u v u v
0x x y y z zu w u w u w
0x x y y z zv w v w v w
Los vectores de posición qi de Bi con respecto al sistema de coordenadas fijo es obtenido a
través de un simple análisis vectorial y se llega a la siguiente transformación:
A B
i B iR q p b (9)
Sustituyendo la Ecuación (8) y desde la Ecuación (4) hasta la (6) en la Ecuación (9) se
produce:
1
B x
B y
B z
r u
r u
h r u
q (10)
2
3 1
2 2
3 1
2 2
1 3
2 2
B x B x
B y B y
B z B z
r v r u
r v r u
h r u r v
q (11)
Diseño y desarrollo del prototipo 24
3
1 3
2 2
1 3
2 2
1 3
2 2
B x B x
B y B y
B z B z
r u r v
r u r v
h r u r v
q (12)
3.2.1 LONGITUD DEL MIEMBRO i
La longitud de un miembro, di, tal como se puede ver en la Figura 27, y está dada por [14]:
2 para =1,2,3T
i i i i id i q a q a (13)
Sustituyendo las ecuaciones desde la (10) hasta la (12) y desde las ecuaciones (1) hasta la (3)
en la ecuación (13), esto producirá:
2 2 2 2 2
1
2 2 2 2
2 2B z A A B x B x
B y B z
d h hr u r r r u r u
r u r u
(14)
2 2 2
2
2 2
2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2
13
2
3 3 3 1
2 2 2 4
3 1 3 1
2 4 2 4
3 3 3 3
2 4 4 4
B z B z A A B x
A B y A B x A B y B x
B x x B y B y y B z
B z z B x B y B z
d h hr u hr v r r r u
r r u r r v r r v r u
r u v r u r u v r u
r u v r v r v r v
(15)
2 2 2
3
2 2
2 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 2 2
13
2
3 3 3 1
2 2 2 4
3 1 3 1
2 4 2 4
3 3 3 3
2 4 4 4
B z B z A A B x
A B y A B x A B y B x
B x x B y B y y B z
B z z B x B y B z
d h hr u hr v r r r u
r r u r r v r r v r u
r u v r u r u v r u
r u v r v r v r v
(16)
Diseño y desarrollo del prototipo 25
3.3 SISTEMA ELECTRÓNICO
El sistema electrónico puede dividirse o se compone de 3 etapas principalmente, mismas que
están acopladas entre sí para el correcto funcionamiento del prototipo, Figura 30:
Figura 30.- Desglose de la parte electrónica.
3.3.1 ETAPA DE CONTROL
En este primer paso del sistema electrónico se puede especificar una ley de control de lazo
abierto (puesto que para cerrar el lazo, hubo una serie de complicaciones que se explicarán
mas adelante).
Para el control de la plataforma se realizó un control del tipo de lazo abierto, debido a la
dificultad de conseguir un actuador que tuviera las especificaciones de diseño requeridas en el
rehabilitador del robot paralelo, es decir:
a) Los actuadores no cuentan con un sistema de sensado de la posición lineal precisa en
cuestiones de décimas de milímetro.
b) Baja cantidad de pulsos por cada revolución del husillo.
c) Gran avance del husillo por cada revolución.
Por lo anterior, nos ha llevado a optar por un control en lazo abierto pero no por eso
ineficiente.
A continuación se mostrará el desarrollo del control en lazo abierto del robot paralelo para
obtener los movimientos de dorsiflexión-plantarflexión e inversión-eversión.
Control • DSC
56F8037EVM
Interfaz c/usuario • LCD-TECLADO
Potencia • LMD18200T
Diseño y desarrollo del prototipo 26
Basados en la ecuación de la Física para la velocidad, dada la ecuación (17):
sv
t (17)
dónde:
v = Velocidad
s = Distancia
t = Tiempo
Se realizará la caracterización de los actuadores para determinar la relación que existe entre la
entrada de control (voltaje), el desplazamiento lineal y el ángulo para cada tipo de
movimiento, teniendo en cuenta las siguientes aseveraciones sobre los actuadores de la marca
SKF modelo CARE33H:
1. Voltaje Máximo de operación: 24 volts
2. Voltaje Mínimo de operación: 2 volts
3. Máxima velocidad: 40 mm/s
4. Mínima velocidad: 2.33 mm/s
5. Carrera Máxima: 150 mm
6. Corriente Máxima: 3.5 A
Considerando estos datos se puede hacer algunas deducciones, por ejemplo, que a un voltaje
máximo le corresponde una velocidad máxima y viceversa, y a un voltaje mínimo le
corresponde una velocidad mínima; esto se puede mencionar debido a que el comportamiento
del actuador es un tanto lineal y como tal se puede manipular de esta manera. A su vez,
también se debe de ir pensando paralelamente en el dispositivo que realizará el control del
prototipo en este caso la tarjeta de evaluación el DSC por sus siglas en inglés (Digital Signal
Controller) 56F8037EVM de Freescale, el cual consta de un núcleo de 16 bits y 32 millones
de instrucciones por segundo; el cual está ligado con otros dispositivos (puentes “H” de
IGBT’s) para el control directo de los actuadores, los cuales trabajan a base de PWM de sus
siglas en inglés (Pulse Width Modulation).
Por lo cual cabe señalar que el dispositivo DSC cuenta 6 canales de PWM para uso general,
los cuales tienen una resolución de 16 bit y son controlados con 65535 cuentas por canal
dentro del registro que le coloca el valor especifico al PWM y este a su vez se coloca en un
particular Duty Cycle (Ciclo de trabajo) entendiéndose que puede ir desde el 100% hasta el
0% con un error menor al .005%.
Y entonces a partir de esta información se deduce lo siguiente:
Cuentas Ciclo de trabajo Velocidad Voltaje
mm 65535 100% 40 24 volts
s
mm 0 0% 2.33 0 volts
s
Diseño y desarrollo del prototipo 27
Por ejemplo supónganse que se desea configurar el actuador para que trabaje a una velocidad
de 20 mm/s, se calculará a cuantas cuentas equivale, a que ciclo de trabajo irá y con qué
voltaje se alimentará.
65535 cuentas 40 mm/s
"x" cuentas 20 mm/s
(20 mm/sx=
)*(65535 cuentas)
(40 mm/s32757.5 32758 cuentas
)
100% 40 mm/s
"x" % 20 mm/s
(20 mm/sx=
)*(100 %)
(40 mm/s50%
)
24 volts 40 mm/s
"x" % 20 mm/s
(20 mm/sx=
)*(24 volts)
(40 mm/s12 volts
)
Como se mostró en el ejemplo anterior se puede observar que la técnica para calcular cual será
el valor que se pondrá en el registro del DSC es una simple regla de tres, ampliamente
conocida. Similarmente para encontrar el voltaje y el ciclo de trabajo se utilizó la misma
técnica.
A continuación se muestra en la Figura 31 la curva obtenida de la caracterización de los
actuadores eléctricos, las cuales se utilizarán para definir los movimientos en la rehabilitación
del tobillo.
Figura 31.- Muestra el comportamiento Velocidad contra voltaje del actuador.
0 5 10 15 20 25 30 35 400
5
10
15
20
25
Velocidad (mm/s)
Vo
lta
je (
vo
lts)
Comportamiento (Voltaje-Velocidad)
Diseño y desarrollo del prototipo 28
3.3.2 ETAPA DE INTERFAZ CON EL USUARIO
En esta etapa básicamente se hace una manipulación de los datos que arroja el DSC
56F8037EVM, puesto a que a través de programación en “C” hecho en el software
CodeWarrior IDE en su versión 5.9.0.
La secuencia se realizó de la siguiente manera:
El DSC 56F8037EVM envía una serie de datos a través de un bus de 8 bits generado
por la parte baja del puerto de propósito general ‘B’ (GPIOB_Low), se utiliza el pin
GPIOD4 para el bit ‘RS’ y el pin GPIOD5 para el bit ‘E’; todo lo anterior para
controlar y desplegar datos en la LCD
Posteriormente el DSC 56F8037EVM envía los datos introductorios, los cuales son los
que se muestran en la siguiente Figura 32 (etapa 1):
Figura 32.- Secuencia de los mensajes introductorios.
Una vez presentado los mensajes de introducción entrará a la parte principal donde a
través del mismo LCD mandará el siguiente mensaje que se muestra en la Figura 33
(etapa2):
Figura 33.- Las dos posibles opciones de elegir.
Después de la pregunta sobre cual es el movimiento que se desea realizar el paso
siguiente será elegir a través del teclado el movimiento correcto Figura 34:
B I E N V E N I D O S
A L C E N I D E T
J H O N A T A N I G
M C MECATRONICA
CUERNAVACA MOR
D I C D E 2 0 1 1
A S E S O R E S :
DR ANDRES BLANCO
DR ENRIQUE Q MM
ELIJA
DORSAL/PLANTAR->
ELIJA
<- INVER/EVER
QUE MOVIMIENTOS
DESEA REALIZAR?
Diseño y desarrollo del prototipo 29
Figura 34.- Asignación de teclas de la segunda etapa (los demás botones están deshabilitados).
La primera impresión sobre la LCD es el siguiente mensaje “Elija Dorsal/Plantar ->” si
ese fuese nuestro caso, el de elegir ese tipo de movimiento se procedería a presionar la
tecla “0” la cual es equivalente a un enter, o en su defecto si deseamos el movimiento
de inversión y/o eversión necesitaremos presionar la tecla de “#” para girar a la
derecha y se presente el mensaje de “Elija <- Inver/Ever” así una vez sobre ese
mensaje nuevamente se presionará la tecla “0”.
Finalmente la etapa 3 es el paso siguiente después de haber elegido el tipo de
movimiento que se requiere, y la cual es una interacción entre la LCD y el teclado
matricial, ver Figura 35:
Figura 35.- Desglose de la tercera etapa 3.
ELIJA
DORSAL/PLANTAR->
ELIJA
<- INVER/EVER
DORSIFLEXION
[--]
INVERSION
[--]
PLANTARFLEXION
[--]
EVERSION
[--]
REPETICIONES
[--]
EN CUANTO TIEMPO
[--]
REPETICIONES
[--]
EN CUANTO TIEMPO
[--]
Botón de giro a la
derecha
Botón de giro a la
izquierda
Botón de aceptar
“enter”
Diseño y desarrollo del prototipo 30
Cabe señalar que en la figura anterior donde se muestra “[--]” es donde el usuario
utilizará el teclado para introducir los grados correspondientes para la terapia. Para la
tercera etapa los botones las funciones del teclado matricial cambia tal y como lo
muestra la siguiente Figura 36 (todos los demás botones están habilitados).
Figura 36.- Asignación de la tercera etapa.
3.3.3 ETAPA DE POTENCIA
En cuanto a lo perteneciente a esta etapa se puede mencionar que se optó por elegir en
particular un puente “H” dado que los motores de los actuadores son motores de corriente
directa los cuales giran en los dos sentidos y para poder controlar este sentido se tiene que
invertir el voltaje de alimentación sobre el motor de C.D. así pues para hacerlo de una forma
mas segura y automática véase la Figura 37.
Figura 37.- Circuito interno del LMD18200T (Puente H).
Botón de aceptar
“enter”
Botón de retroceso
“borrar”
Botón “0”
Diseño y desarrollo del prototipo 31
El circuito hecho con uno solo de los puentes “H” se muestra en la Figura 38:
a) b)
Figura 38.- Comparación entre el circuito (a) esquemático, y (b) el físico.
3.3.4 Diseño de circuito impreso (PCB)
Para darle un “plus” a la misma tesis, se optó por realizar el PCB por sus siglas en inglés
(Printed Circuit Board), utilizando entre muchos otros componentes, de montaje superficial,
componentes pasivos, y la misma tarjeta del DSC 56F8037EVM la cual se une a la tarjeta
doble cara a través de un conector madre, donde el DSC 56F8037EVM contiene el conector
madre tipo hembra y el PCB tiene el conector madre tipo macho, así pues se realiza la
comunicación entre el control, la interfaz con el usuario y la etapa de potencia.
El diseño fue realizado en el software Altium Designer versión 2009, donde la tarjeta diseñada
tiene por medidas 117 mm x 147 mm 12 cm x 15 cm el cual es presentado en la Figura 39 y
a su representación de ambos lados de la placa.
Figura 39.- Diseño en Altium Designer;
El consumo de la placa es aproximadamente de 85 mA sin conexión hacia los actuadores,
mismo que se incrementa al conectarlos, debido al consumo propio de los mismos.
Diseño y desarrollo del prototipo 32
3.4 SISTEMA MECANICO
El objetivo principal del sistema mecánico es proporcionar movimientos rotatorios a la
plataforma móvil del robot paralelo mediante el uso de tres actuadores lineales. Por lo que se
requiere proporcionar un voltaje por la parte de potencia del PCB al actuador lineal que tiene
un motor interno donde éste a su vez lo convertirá en desplazamiento lineal; que finalmente el
usuario lo visualizará como una posición angular para la plataforma móvil.
El sistema mecánico esta compuesto básicamente por los siguientes puntos:
Actuadores lineales SKF.
Dos bases (placas), una fija y una móvil
Eslabones para unir las bases fija y móvil.
Uniones esféricas que permitan proporcionar los movimientos rotatorios.
En el siguiente apartado se verá más detalladamente los puntos anteriores que conforman el
sistema mecánico. Se mostrará el ensamble del sistema mecánico, así como una prueba
realizada en el ambiente de ADAMS para validar su funcionalidad.
3.5 DISEÑO DE COMPONENTES
El objetivo principal del efector final del prototipo es servir como rehabilitador de tobillo para
pacientes con cierto tipo de lesiones, empleando para este objetivo elementos mecánicos,
eléctricos y electrónicos.
Este prototipo puede ser desmenuzado en ciertas partes principales, cada una juega un papel
importante en el correcto funcionamiento del mismo:
Base Fija: Tal y como su nombre lo indica, esta pieza es una placa de aluminio la cual
formará parte del prototipo y su función principal será de mantener fijas las posiciones
de los actuadores así como de unir el prototipo al suelo.
Base móvil: Generalmente es llamada efector final, es la pieza que tendrá que variar su
posición angular para poder ejercer los movimientos básicos del pie, así pues se logrará
la rehabilitación del tobillo del usuario.
Actuadores lineales: Componente cuyo objetivo será producir el movimiento suficiente
para lograr un desplazamiento angular en la base móvil, cabe mencionar que es
fabricado por la compañía SKF Group, diseñado y ensamblado en Suecia (ver sección
anexa la cual da mas detalles sobre el mismo).
Uniones esféricas: Estas piezas se encargarán de unir los actuadores lineales con la
base móvil (efector final) lo cual le dará esa libertad de movimiento a ésta última.
Unión de revoluta: Son colocadas en la parte inferior de los actuadores lineales para
sujetarlos con la base fija y así permitir un pequeño movimiento de éstos y evitar que
se inmovilice el mecanismo.
Diseño y desarrollo del prototipo 33
En las siguientes figuras se presenta el diseño del prototipo del rehabilitador de robot paralelo
en CAD, primeramente se referirán a las bases tanto la fija como la móvil, para eso véase la
Figura 40:
a) b)
Figura 40.- Imágenes del prototipo (a) Base Fija; (b) Base Móvil (Efector Final).
En la Figura 41 se observa un despiece de la unión esférica, de esta manera se puede observar
de cuantas piezas está conformada la unión o también llamada rótula, cabe mencionar que se
necesitó aplicarle un poco de grasa a la esfera para que la fricción entre ambas piezas (esfera-
caja) fuera la menor posible.
Figura 41.- Desensamble de la unión esférica (rótula).
Finalmente en la Figura 42 se visualiza en el prototipo finalizado tal y cual como se ha hecho,
los colores con los cuales están presentadas las piezas solo es de carácter ilustrativo ya que el
prototipo final físico fue solamente cubierto con pintura de aerosol en color aluminio y/o
negro para evitar cualquier tipo de rayones a la vista del propio material de aluminio.
Además otro de los aspectos importantes que es necesario conocer es revisar una lista de todos
los componentes que se necesitaron para construir el prototipo desde un simple tornillo, llaves
Allen, tuercas, etc; donde en el Anexo E se podrá ver esta tabla de partes/componentes
utilizados así como los costos unitarios y totales que se necesito para la construcción del
prototipo.
Tuerca 5mm
Esfera
Tornillería
3/16”
Brazo
Superior
Tapa de la unión
Caja de la
unión
Diseño y desarrollo del prototipo 34
a) b)
Figura 42.- Prototipo Final (a) Vista Superior; (b) Vista Isométrica.
Una vez obtenido el diseño CAD se procedió a la fabricación de las piezas correspondientes,
la compra de tornillería, compra de herramienta, compra de los mismo actuadores y prosiguió
su ensamble respectivo. Asimismo se adquirió también una tira de cinta contactel para fijar el
pie del paciente unido a la base móvil y así mantenerlo sujeto.
3.6 EL ACTUADOR CARE33H DE SKF GROUP
El actuador lineal CARE 33 para el robot paralelo permite una gran capacidad de carga
dinámica, opera de manera silenciosa y es de bajo consumo de corriente. Las características de
seguridad del diseño lo hacen particularmente adecuado para la resolución de un gran número
de necesidades de posicionamiento en equipo, así como para muchas aplicaciones industriales.
La transmisión le permite suspenderse debido a que la trayectoria de la carga pasa
directamente a través de un rodamiento de soporte localizado en la unión trasera. Este diseño
ofrece una gran vida operacional y minimiza el nivel de transmisión de ruido. El CARE 33
ofrece un amplio rango de características extras tales como ahorro de energía y protección en
sobrecargas.
El CARE 33 es confiable, compacto y de un bajo costo, el actuador de 24 volts de DC esta
diseñado para un uso intermitente y cargas dinámicas de hasta 3000N. Entre muchas otras
características, la tabla muestra las principales características.
Tabla 2: Características CARE 33H150231130240
Carga dinámica/estática 800N/3000N
Voltaje de Alimentación 24 V.C.D
Factor de Trabajo (Duty Cycle) 20% a 800N
Consumo de corriente 3.5 A
Carrera 150 mm
Velocidad Max/Min (sin carga) 45/32 mm/s
Encoder Elemento de efecto Hall
Diseño y desarrollo del prototipo 35
a) b)
Figura 43.- Actuador CARE33H (a) Real; (b) Virtual.
3.7 PROTOTIPO VIRTUAL DEL ROBOT PARALELO
En la Figura 44 se muestra el diseño en CAD del robot paralelo que se desarrolló para la
rehabilitación del tobillo. EL diseño se realizó tomando en cuenta los actuadores que se
seleccionaron para el prototipo físico. Como se puede apreciar el efector final o base móvil,
que corresponde a la base en donde se pondrá el pie que soportará al tobillo lesionado, está
unido a otra base fija, en la parte inferior, mediante el acoplamiento de los actuadores
eléctricos. Controlando el desplazamiento lineal de los actuadores se podrá proporcionar los
movimientos de dorsi/plantarflexión e inversión-eversión cuando actúan solo dos actuadores al
mismo tiempo.
Figura 44.- Diseño virtual del prototipo (SolidWorks 2011).
Diseño y desarrollo del prototipo 36
El diseño de este prototipo se hizo en un entorno grafico especial para el diseño de piezas,
como es el software de SolidWorks; posteriormente, se hizo su exportación en un formato
especial denominado parasolid (*.x_t), para su lectura en el software denominado ADAMS
View 2011; en este último software es donde se llevó a cabo las pruebas del prototipo virtual
del robot paralelo. Dichas pruebas consistieron en simulaciones cinemáticas y dinámicas para
mostrar que el prototipo cumple con los requerimientos o especificaciones de diseño, como
son los ángulos definidos para cada uno de los movimientos que se realizarán en la
rehabilitación del tobillo y las velocidades a las que operará de acuerdo a las especificaciones
técnicas del actuador lineal.
En la Figura 45 se muestra el prototipo en la versión de ADAMS, en este programa se puede
realizar simulaciones más reales que las que se obtendrían con un modelo matemático
simplificado. Por ejemplo, en el prototipo virtual se puede considerar que se presenta
amortiguamiento o fricción seca entre los acoplamientos, también, se pueden realizar
simulaciones aplicando fuerzas a la base móvil, lo que representaría la fuerza debido al peso
del pie o a la rigidez debido a la lesión.
Figura 45.- Diseño virtual del prototipo sin uniones (ADAMS View 2010).
En la Figura 46 se muestra el prototipo virtual ya con algunas funciones implementadas de
ADAMS, como son los tipos de uniones o pares cinemáticos que tendrán entre los diferentes
eslabones. Es importante resaltar que también en las simulaciones dinámicas o cinemáticas se
realizan tomando en cuenta las colisiones que pudieran existir, ya que esto ayudará a que se
identifiquen posibles problemas, tal como, que el robot paralelo se trabe debido a las
longitudes y pares cinemáticos de los eslabones.
Finalmente en la Figura 47 se muestra una gráfica de resultados de simulación llevada a cabo
en el software de ADAMS View 2011 la cual representa un desplazamiento angular en la base
móvil, así como se ha mencionado es la que llevará atado y/o unido el pie del paciente para su
Diseño y desarrollo del prototipo 37
rehabilitación. Se puede observar el aumento del ángulo que forma la base móvil respecto a la
base fija. Se verifico en estas simulaciones que no hubiera contacto entre piezas que
bloquearan el movimiento. Sin embargo, si se tuvo contacto para transmitir los movimientos
de una pieza a otra. La gráfica muestra como mediante el desplazamiento de extensión de uno
de los actuadores lineales se proporciona el movimiento de dorsiflexión y con un
desplazamiento de contracción del actuador se obtiene el movimiento de plantarflexión. El
ángulo máximo para esta simulación fue de 28.
Figura 46.- Diseño virtual del prototipo con uniones (ADAMS View 2010).
Figura 47.- Movimientos de la plataforma móvil (Plantarflexion y Dorsiflexion).
Capítulo 4 ENSAMBLADO, PRUEBAS Y RESULTADOS
Siguiendo el desarrollo de este trabajo de tesis, en este capítulo se mostrará el proceso que se
llevo a cabo para el ensamblado, mostrando cada uno de los componentes del robot paralelo.
Es importante mencionar que las piezas como tales fueron fabricadas por personas
técnicamente capacitadas para el uso y manejo de herramientas de torno así como de fresado;
sin embargo como se ha mencionado se expondrá de tal forma que se lleve la noción de la
fabricación.
4.1 COMPONENTES DEL PROTOTIPO
En este apartado se mostrará lo que se ha realizado para construir todas y cada una de las
piezas del prototipo del robot paralelo para la rehabilitación de tobillo.
En las Figura 48, Figura 49, Figura 50 se muestran algunas de las piezas de las que está
conformado el robot paralelo, desde diferentes ángulos, además se han hecho unos videos
mismos para poder demostrar la dinámica del prototipo en los movimientos de dorsiflexión-
plantarflexión e inversión-eversión. Existen detalles que se tuvieron que contemplar como, por
ejemplo, la lubricación de las uniones esféricas, el movimiento de la plataforma móvil con y
sin poste central.
Figura 48.- Piezas del robot paralelo: componentes de la base móvil y fija.
Base Circular Base
Móvil
Suela
para el
Pie
Poste
Central Base del
Poste
Central
Ensamblado, pruebas y resultados 39
Figura 49.- Piezas del robot paralelo: componentes de la base fija.
Figura 50.- Piezas del robot paralelo: pares cinemáticos y tornillería.
En la Figura 51 se presenta el ensamble de la base fija y la móvil separadas cada una de ellas
con sus respectivos componentes para posteriormente ensamblar todo el robot paralelo
incluyendo los actuadores.
Para más información sobre los componentes y/o dispositivos empleados en el diseño final del
rehabilitador favor de referirse al anexo E donde se encontrará una tabla cuyo contenido
muestra también precios y costos.
Apoyos para
los brazos
principales
Brazos
Principales
Brazos
superiores
Llave de
7/16
Uniones
esféricas Tornillería
de
diferentes
medidas
Llaves
Allen
Ensamblado, pruebas y resultados 40
Figura 51.- Base móvil y base fija del prototipo.
Una vez presentadas las piezas con sus respectivos nombres y su papel dentro del prototipo,
ahora se mostrará la unión de todas las piezas formando una sola entidad, lo que conforma el
robot paralelo rehabilitador de tobillo, ver Figura 52. Como se puede apreciar en la Figura 44
el diseño CAD corresponde idénticamente al prototipo físico ya construido como se muestra
en la Figura 52 y viceversa.
Figura 52.- Prototipo armado y listo para las pruebas.
Base fija
Base
móvil
Base fija
Suela Actuadores
Uniones
Esféricas
Tornillos
de ½”
Ensamblado, pruebas y resultados 41
4.2 ENSAMBLE DE LA BASE FIJA
Esta parte específica del prototipo es sin duda crucial para el equilibrio y sostén de todo el
robot, es por ello que se analizará la manera en que debe de ser armada esta estructura así
como un detalle de las piezas que intervendrán en este ensamble (ver Tabla 3).
Tabla 3.- Componentes de la Base fija
Pieza Cantidad
Base Circular 1
Brazos Principales 3
Brazo auxiliar 3
Tornillo Allen 3/16” x 1” 6
Tuerca 3/16” 6
Tornillo Allen 3/16” x ½” 6
El primer paso es ensamblar los brazos principales con la base circular ver Figura 53:
|
a) b)
Figura 53.- Brazo Principal con base circular, (a) Ajuste de tuerca; (b) Ajuste con llave Allen.
a) b)
Figura 54.- Vista después del ensamble anterior.
Ensamblado, pruebas y resultados 42
Al terminar el paso anterior el ensamble de los tres brazos principales con la base circular y
haber utilizado los tornillos de 3/16” por 1” con sus respectivas tuercas, debe de haber
finalizado tal como la muestra la Figura 54.
Posteriormente, el paso siguiente es ensamblar los brazos auxiliares a cada uno de los brazos
principales con los tornillos de 3/16” por ½” (perforación del brazo auxiliar no pasado y con
machueleado con cuerda fina), los cuales le dan una rigidez mas al prototipo aunado al
equilibrio mismo que le añade a la estructura (ver Figura 55)
a) b)
Figura 55.- (a) Brazo principal y auxiliar; (b) Ensamble de ambos brazos.
Y finalmente al haber terminado las instrucciones anteriores un brazo auxiliar ya ensamblado
con el brazo principal se verá así como la Figura 56 (a) y el conjunto de toda la base fija es tal
como lo muestra la Figura 56 (b).
a) b)
Figura 56.- (b) Brazo auxiliar ensamblado en ambos lados; (b) Vista final de la base fija.
Ensamblado, pruebas y resultados 43
4.3 ENSAMBLE DE LA BASE MÓVIL
Esta parte del prototipo es un poco más complicado de armar que la base fija, sin embargo es
cuestión de seguir los pasos que a continuación se detallan. Los componentes que intervienen
y/o se necesitan para esta etapa se muestran en la Tabla 4. Se ensamblará una unión esférica a
la parte central de la base hexagonal, ver Figura 57:
Tabla 4.- Componentes de la base móvil.
Pieza Cantidad
Base Hexagonal 1
Brazos Superiores 3
Suela 1
Tornillo Allen 3/16” x 1 ¼” 3
Tuerca 3/16” 6
Tornillo Allen 3/16” x ½” 6
Figura 57.- Se atornillará con una tuerca de 5mm.
Después se colocan los brazos superiores a su posición adecuada para ser fijados a la base
hexagonal a través de los tornillos de 3/16” por 1 ½”, se puede observar en la Figura 58, cabe
señalar que los brazos superiores tienen una perforación no pasada y están machueleados para
cuerda fina.
Figura 58.- Ensamble de brazos superiores a la base hexagonal.
Ensamblado, pruebas y resultados 44
Una vez hecho lo anterior, se continúa con el ensamblado de la suela a la base hexagonal a
través de los tornillos de 3/16” por 1 ¼” y ajustándolos con las tuercas de 3/16”.
Figura 59.- Acoplamiento entre la suela y la base hexagonal.
Ahora para finalizar la parte móvil, se instalarán las uniones esféricas una vez armadas estas y
después de haber sido engrasadas adecuadamente. Las uniones esféricas van instaladas en la
parte extrema de los brazos superiores, donde estas a su vez serán ensambladas con los
actuadores (ver Figura 60).
Figura 60.- Acoplamiento de las uniones esféricas con un brazo superior.
Ensamblado, pruebas y resultados 45
Al final se obtendrá la base móvil ensamblado y ajustada en su totalidad (ver Figura 61)
solamente esperando ser acoplada con los actuadores y a su vez con la base fija, para así estar
terminado el prototipo.
Figura 61.- Plataforma móvil terminada.
Una vez que hemos concluido con el ensamble y ajuste de la plataforma fija y móvil
respectivamente, el siguiente paso será especificar cual es el procedimiento para el
acoplamiento de los actuadores a estas bases mismas.
4.4 ACOPLAMIENTO DE LOS ACTUADORES A LAS PLATAFORMAS
Para realizar este paso habrá que contar con los siguientes componentes que se visualizan en la
Tabla 5.
Tabla 5.- Componentes para ensamblado de los Actuadores.
Pieza Cantidad
Tornillo Hex 3/8” x 1 5/8” 3
Tuerca 3/8” 3
Tornillo Hex 5/16” x 1 ¼” 3
Tuerca 5/16” 3
En este paso se va a acoplar el actuador a la base móvil, siendo insertado el actuador en las
uniones esféricas que tienen una abertura sobre la cual el actuador será aprisionado con un
tornillo de 3/8” tal como lo muestra la Figura 62 (por comodidad la parte móvil no se
muestra):
Ensamblado, pruebas y resultados 46
Figura 62.- Inserción del tornillo de 3/8” para enganchar el actuador y la rótula.
Y ahora se muestra la forma en que se unió el actuador a la base fija con ayuda de los tornillos
de 5/16” y sus respectivas tuercas, logrando así la sujeción de los mismos (Figura 63).
Figura 63.- Unión del actuador con la base fija.
4.5 CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA ELECTRÓNICO
Para el control se había planteado el uso de una tarjeta DSC de Freescale, como la que se
muestra en la Figura 64.
Figura 64.- Tarjeta MC56F8037EVM.
Ensamblado, pruebas y resultados 47
Para complementar el control del prototipo se mencionó que igualmente se necesitaban
puentes “H” así como componentes pasivos para el funcionamiento, una LCD y un teclado. El
diseño del PCB por sus siglas en inglés (Printed Circuit Board) se diseñó en un software
bastante conocido como lo es el ALTIUM Designers y se construyó con ayuda de una
máquina instalada en el Laboratorio de Electrónica denominada Master Board, sin embargo
antes de ser construida se tuvo que exportar los archivos de ALTIUM Designer en archivos
gerber que a su vez fueron canalizados y transformados por otro software denominado
CircuitCam el cual se encargó de controlar la Master Board y construir el PCB.
Figura 65.- Momento de fabricación de PCB.
La placa ya terminada se muestra en la Figura 66 con la tarjeta DSC MC56F8037EVM sobre
puesta así como el teclado de 3X4 y la LCD de 16X2.
Figura 66.- Placa PCB terminada sin cortar (sin el Keep Out Layer).
Husillo
Placa
Mesa
Ensamblado, pruebas y resultados 48
Y finalmente la placa de PCB ya terminada, al haber soldado el Teclado de 2X3, la LCD de
16X2, los puentes “H” y demás circuitos pasivos se muestra en la Figura 67.
Figura 67.- Vista superior e inferior de la placa de PCB finalizada.
4.6 PRUEBAS EN MATLAB DE LA CINEMÁTICA INVERSA
Así como se realizó una validación en AUTOCAD, asimismo se hará una validación en
MATLAB (Laboratorio de Matemáticas) para comprobar por otro método que la cinemática
inversa que se esta proponiendo es correcta.
Para ello se ha realizado un pequeño código en .m el cual funciona como una interfaz entre
maquina y usuario, ya que lanza unos mensajes sobre le command window del software
interactuando así.
En el anexo B1 de este trabajo de tesis se muestra el código fuente, en esta área solo se
mostrara un ejemplo del mismo, capturando los mensajes que muestra el programa. Por
ejemplo si deseamos una posición de 30° para el movimiento de dorsiflexión/plantarflexión
como en el ejemplo de AUTOCAD, la secuencia será como lo indican las flechas verdes (ver
Figura 68):
Primero nos pide el tipo de movimiento, seleccionamos, después introducimos con el teclado
los grados que se desea y al final se observa que el resultado es el mismo obtenido en las
pruebas en AUTOCAD, en el command window nos muestra la matriz de rotación y los
valores para cada actuador.
Ensamblado, pruebas y resultados 49
Figura 68.- Proceso de validación en MATLAB.
4.7 PRUEBAS EN AUTOCAD SOBRE LA CINEMÁTICA INVERSA
En esta etapa del mismo proyecto se pretende dejar en claro la concordancia matemática de la
cinemática inversa con lo que son las medidas reales del manipulador, por ello se ha hecho un
procedimiento un tanto rústico para la validación, pero antes de comenzar se pide revisar
nuevamente las ecuaciones presentadas en el punto 3.2.1 del capitulo 3 [14].
Los cálculos realizados se han hecho si la plataforma superior ‘móvil’ se desplazara de una
posición de 0° a 30° para el movimiento de dorsiflexión/plantarflexión, este hecho genera una
matriz de rotación tal como se muestra en la Ecuación (18) .
1 0 0 1 0 0
0 cos( ) sin( ) 0 cos(30 ) sin(30 )
0 sin( ) cos( ) 0 sin(30 ) cos(30 )
1
01 0 0
0.866 0 0.866 0.5
0.50 0.5 0.866
x x x
A
B y y y
z z z
x
y z x x
y z
z
u v w
R u v w
u v w
u
u u v w
v w
v
0.5yw
(18)
Ensamblado, pruebas y resultados 50
Asimismo también se contempla en los cálculos el vector p referente al poste central del
manipulador, aproximando la altura existente entre la plataforma fija y la móvil es de 300
(unidades de longitud) y que está definido como en la Ecuación (19), la longitud mencionada.
[0 0 ] [0 0 300]h p (19)
Figura 69.- Longitud de p.
Figura 70.- Longitud d1.
Figura 71.- Diametro rB.
Figura 72.- Longitud d2.
Figura 73.- Diametro rA.
Figura 74.- Longitud d3
En el segmento de anexos (anexo B1) se muestra un código (*.m) realizado en MATLAB el
cual lanza una interfaz sobre el command window del mismo programa, este pequeño
Ensamblado, pruebas y resultados 51
programa realiza todos los cálculos necesarios para el cálculo de cada una de las extremidades
(llámese y/o entiéndase por la longitud de los actuadores).
Las Figuras 66-71 tienen como finalidad demostrar que para un ejemplo sencillo calculado,
para un movimiento de dorsiflexión de 30° como se muestra en la sección 4.6 los valores
obtenidos son realmente los mismo que se obtuvieron en la validación a través de MATLAB,
estableciéndose previamente los radios de las plataformas, la longitud del vector p y el
establecimiento de los ejes coordenados en cada una de las plataformas estrictamente a 120°
uno de otro.
Con las anteriores figuras se demuestra que la cinemática calculada es la correcta para el
prototipo que se ha construido, se demuestra en cálculos, se demuestra en el software de
dibujo y en el laboratorio de matemáticas.
4.8 PRUEBAS SOBRE EL PROTOTIPO
En esta sección se muestran algunas de las pruebas más relevantes que se realizaron con el
prototipo, de las cuales fue haberse llevado de la posición inicial (ver Figura 75 hasta un
ángulo requerido, y como lo veremos en los siguientes ejemplos.
Figura 75.- Posición inicial del prototipo.
Vale la pena aclarar que para tener cierta ubicación de la posición angular de la plataforma
móvil se utilizó un celular como se puede observar en la Figura 75, debido a que de esta
manera se puede utilizar el acelerómetro o giroscopio, después se le descargó un software que
permite la medición de esta posición angular para finalmente ser atado a el efector final y así
estar pendientes de cada cambio angular.
Ensamblado, pruebas y resultados 52
Para la siguiente prueba, para llevar el prototipo de la posición inicial a una posición angular
de 30° se hizo primeramente el cálculo en MATLAB con unas especificaciones tales como
Figura 76:
1. A=0;
2. h=400;
3. ra=194.83; rb=194.83;
Figura 76.- Altura inicial del prototipo de 400 mm.
El software arrojó los siguientes resultados con esos valores preliminares, ingresando como el
movimiento de dorsiflexión/plantarflexión como el tipo de rehabilitación deseada y
posteriormente el ángulo deseado para la plataforma móvil (el signo menos significa que para
un movimiento de dorsiflexión el ángulo será negativo y para el movimiento de plantarflexión
será positivo), véase la Figura 77.
Figura 77.- Datos ingresados en Matlab y resultados arrojados.
Entonces para que el motor de CD del actuador d1 tuviese que moverse para llegar a los 30° se
procedió a capturarse en el módulo DSC, primeramente elegir el tipo de movimiento como lo
muestra la Figura 78 (a) después se introduce el valor del ángulo al cual se desea posicionar
como en la Figura 78 (b).
Ensamblado, pruebas y resultados 53
a) b)
Figura 78.- Elección del tipo de movimiento.
Posteriormente se elegirá las repeticiones y el tiempo en el cual se desea llegar a la posición
deseada a partir de su posición inicial, para ejemplificar se eligen los siguientes datos que se
muestra en la Figura 79 (a) y (b),
a) b)
Figura 79.- Elección de las repeticiones y el tiempo (en segundos).
El voltaje del motor tendrá que ser proporcional a la velocidad calculada así como a el ciclo de
trabajo del PWM que será comandado por el DSC.
498.09949.96 mm/s
50
9.96 mm/s 16318.215 cuentas
9.96 mm/s 24.9%
9.96 mm/s 5.96 volts
dV
t
Según la gráfica presentada en la Figura 80 (ver intersección, punto rojo) que la velocidad del
actuador será de aproximadamente 10 mm/s.
Ensamblado, pruebas y resultados 54
|
Figura 80.- Operación del actuador a 5.9 volts.
Luego de haber hecho esta prueba se procedió a llevar el prototipo a los 30° y medir cuales
son las distancias de cada uno de sus miembros y así comparar los resultados con los
obtenidos en el software Matlab. Por ello se aconseja referirse a la siguiente Figura 81.
Figura 81.- Longitud de d1 para 30°.
Como se puede observar en la figura anterior la longitud del miembro d1 para realizar el
movimiento de dorsiflexión es de aproximadamente 500 a 510 mm cuando en el software
estaba arrojando 498 mm, eso nos demuestra que existe un error de +2% aproximadamente,
este error puede deberse a diferentes factores como lo son la exactitud de las medidas tomadas,
un desnivel en el suelo etc.
Así como se hizo las pruebas para un ángulo dado de 30° también se hicieron pruebas para
otros ángulos mas tales como para 10° y 20° cuyas muestras se pueden observar sobre la
Figura 82 en sus incisos (a) y (b) el inciso (c) muestra solamente otro ángulo de vista para el
ejemplo anterior de 30°.
0 5 10 15 20 25 30 35 400
5
10
15
20
25
Velocidad (mm/s)
Vo
lta
je (
vo
lts)
Comportamiento (Voltaje-Velocidad)
Ensamblado, pruebas y resultados 55
a)
b)
Figura 82.- Diferentes inclinaciones para el efector final, a) 10° b) 20° c) 30°.
Capítulo 5 CONCLUSIONES
El objetivo de este trabajo de tesis ha sido cumplido ya que si se hace una recapitulación, se
observará que el objetivo principal era “Diseñar y construir un robot paralelo rehabilitador de
tobillo que permita realizar los movimientos de Plantarflexion/Dorsiflexion así como el de
inversión/eversión”.
Asimismo habían objetivos mas específicos que poco a poco fueron cumplidos como lo son, el
diseño de un robot paralelo rehabilitador de tobillo virtual, la construcción del prototipo físico
del robot paralelo rehabilitador de tobillo, el control del mismo, etc.
Dándole un valor agregado se hizo lo conveniente para que el prototipo tuviese una
presentación un tanto buena, añadiendo diseños de circuito impreso y evitando dejarlo en
protoboard.
Con esto se aborda el problema que se menciona en un inicio, dadas las constantes lesiones
que sufren los humanos en el tobillo, el cual esta expuesto a cargas demasiado fuertes se opta
por tratar de resolver este tipo de actos, si bien este trabajo de tesis no lo resuelve por
completo si es una oportunidad de basarse en estos temas para apuntalar otras investigaciones
y así poder ir avanzando en el tratamiento de este tipo de padecimientos.
Por otro lado cabe mencionar que durante el desarrollo de esta investigación hubieron
diferentes detalles que fueron atrasando los resultados, como por ejemplo el tema de los
actuadores, primero se adquirieron un par de actuadores que cuando se analizaron se notó que
no eran precisamente lo que se esperaba, posteriormente se pidieron otros los cuales sí se
acercaban mas a la posibilidad de incluirlos en el prototipo sin embargo los limites de posición
supuestamente con los que contaban no los traía por lo que se tuvo que regresar a su país de
origen y fabricación (Suecia) en un tiempo estimado de 3 meses para tenerlos de regreso.
Así pues surgieron imprevistos también como la declinación de usar los sensores de efecto hall
para el posicionamiento de los actuadores (incluidos en los CARE33H), debido a que estos
tienen particularmente una resolución un poco lenta, es decir, los sensores generan dos pulsos
por cada revolución del husillo del actuador y dado que cada revolución del husillo son 6 mm
y fracción entonces esto nos provocó el haber optado por un control sin retroalimentación y
mas bien en lazo abierto.
Finalmente el prototipo en general da una muestra de la constitución de la palabra
“Mecatrónica” una sinergia entre varias disciplinas tales como Mecánica, Electrónica, Control
y Computación.
Conclusiones 57
5.1 TRABAJOS FUTUROS
Como opinión propia, hubiese deseado tener más tiempo para poder lograr el tercer
movimiento que se describe en el capítulo 2, el cual es el movimiento de abducción y
aducción; así como la combinación de los movimientos que aquí se presentaron y tal como lo
comentaba el asesor de este trabajo, la generación de patrones tales como la formación en el
aire de las letras del abecedario, el seguimiento de ciertas trayectorias que puedan llevar a una
rehabilitación más completa e integral.
El prototipo tiene que ser mejorado en su parte de control, etapa que por el tiempo no fue
posible ahondar más, desde su diseño hasta su implementación y por lo que sería bueno que en
otra tesis se abordaran el diseño de estrategias de control con seguimiento de trayectorias
planificadas y desarrollar los circuitos electrónicos para contar con un prototipo rehabilitador
más completo y funcional. Para esto se requiere que se utilice un sensor o encoder para medir
el ángulo de inclinación de la base móvil o mediante la medida del desplazamiento lineal del
actuador para retroalimentar la señal y controlar la posición o velocidad de los movimientos.
Por otro lado, el diseño podría también modificarse a fin de que los brazos superiores, que van
unidos a la plataforma móvil, puedan ser ajustados en longitud y con eso conseguir un mayor
espacio de trabajo y una flexibilidad mejor para la plataforma móvil, aunque con esta
implementación se gane en un grado más de libertad y complique más el control
Las uniones esféricas también se pueden mejorar o incluso podría adquirirse por parte de
alguna organización que las comercialice, puesto que han llevado un curso de diseño ejemplar
para este tipo de piezas, cosa que indudablemente son muy superiores a lo que se podría hacer
hasta el día de hoy en cenidet.
Si bien los comentarios que siempre podrán esperarse es que cualquier trabajo, cualquier
mecanismo y/o prototipo siempre podrá mejorarse, esto aplica también para el robot paralelo
aquí desarrollado.
Con este capítulo se concluye este trabajo de tesis no sin antes hacer mención de los anexos
que incluyen entre muchas otras cosas, planos de diseño, diseño de PCB y los códigos de
programación.
Referencia
Bibliográfica
[1-35]
Referencias Bibliográficas 59
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[37] http://www.fisioavila.e.telefonica.net/enciclopedia/esqueleto/tobillo.htm
[38] http://www.tratamientosalternativos.com/medicina-alternativa/kinesioterapia.html
Anexos
Anexos 62
ANEXO A
A1: EL TOBILLO
El movimiento pasivo continuo combinado con fisioterapia, ofrece resultados beneficiosos comparados con la
fisioterapia sola en la rehabilitación a corto plazo posterior a una artroplastia total de tobillo.
La articulación del tobillo conecta al pie con la pierna y permite que el pie se mueva hacia arriba y hacia abajo
y en un movimiento hacia adentro y hacia afuera. Hay músculos, tendones y ligamentos que rodean el tobillo
suministrando la estabilidad que la articulación del tobillo necesita para caminar y correr.
A2: ESGUINCE DE TOBILLO TIPO 1
La forma más común como se puede lesionar ele tobillo es por medio de un esguince y cuando éste se presenta,
los ligamentos en el tobillo se estiran o se desgarran parcial o totalmente. El tipo de esguince más común es una
lesión por inversión, donde el pie es rotado hacia adentro
Anexos 63
A3: ESGUINCE DE TOBILLO TIPO 2
El esguince de tobillo tipo II es de nivel moderado y ocurre cuando algunas de las fibras de los ligamentos se
han desgarrado completamente, con hinchazón inmediata. Generalmente precisan de un periodo de reposo de
tres a seis semanas antes de volver a la actividad normal.
A4: ESGUINCE DE TOBILLO TIPO 3
Existe una laxitud articular manifiesta, rotura completa del ligamento, dolor intenso, deformidad e hinchazón
francas. El sujeto no puede caminar ni apoyar el pie en el suelo. Las maniobras exploratorias (vide infra) son
positivas.
Son los más graves y suponen la rotura completa de uno o más ligamentos pero rara vez precisan cirugía. Se
precisan ocho semanas o más para que los ligamentos cicatricen.
De acuerdo al mecanismo de producción estas lesiones se clasifican en: Eversión y abducción. Ruptura del
ligamento deltoideo. De inversión y adducción. Disrupción o ruptura del ligamento externo.
Anexos 64
ANEXO B
B1: CODIGO DE VALIDACION EN MATLAB
%Programa de Validación de la Cinemática Inversa del Robot Paralelo %Asesor Dr. Andrés Blanco Ortega y Dr. Enrique Quintero Mármol-Márquez %Alumno Jhonatan Isidro Godoy
%--- |ux vx wx| --- %--- R= |uy vy wy| --- %--- |uz vz wz| ---
%--- p= |0 0 h|---
clear all ; clc; A=0; h=300; ra=150; rb=150; while (0<=A<=2), fprintf('SELECCIONA UNA OPCIÓN \n'); fprintf('1. Dorsiflexion/Plantarflexion \n'); fprintf('2. Eversión/Inversión \n'); A=input(' '); if A>=1, if A<=2, fprintf('Ok\n'); break; end, A=0; fprintf('Nuevamente selecciona'); pause(2); clc; end, end, fprintf('CUANTOS GRADOS DESEA PARA LA POSICION\n'); x=input(' '); switch A case 1 R=[cosd(x) 0 sind(x);0 1 0;-sind(x) 0 cosd(x)]; ux=R(1,1); uy=R(2,1); uz=R(3,1); vx=R(1,2); vy=R(2,2); vz=R(3,2);
d1=sqrt(h^2+2*h*rb*uz+ra^2-2*ra*rb*ux+rb^2*ux^2+... rb^2*uy^2+rb^2*uz^2)
d2=sqrt((h^2)-h*rb*uz+sqrt(3)*h*rb*vz+(ra^2)-(1/2)*ra*rb*ux+... (sqrt(3)/2)*ra*rb*uy+(sqrt(3)/2)*ra*rb*vx-(3/2)*ra*rb*vy+... (1/4)*(rb^2)*(ux^2)-(sqrt(3)/2)*(rb^2)*ux*vx+(1/4)*(rb^2)*... (uy^2)-(sqrt(3)/2)*(rb^2)*uy*vy+(1/4)*(rb^2)*(uz^2)-... (sqrt(3)/2)*(rb^2)*uz*vz+(3/4)*(rb^2)*(vx^2)+(3/4)*(rb^2)*... (vy^2)+(3/4)*(rb^2)*(vz^2))
d3=sqrt((h^2)-h*rb*uz-sqrt(3)*h*rb*vz+(ra^2)-(1/2)*ra*rb*ux-... (sqrt(3)/2)*ra*rb*uy-(sqrt(3)/2)*ra*rb*vx-(3/2)*ra*rb*vy+... (1/4)*(rb^2)*(ux^2)-(sqrt(3)/2)*(rb^2)*ux*vx+(1/4)*(rb^2)*... (uy^2)+(sqrt(3)/2)*(rb^2)*uy*vy+(1/4)*(rb^2)*(uz^2)+... (sqrt(3)/2)*(rb^2)*uz*vz+(3/4)*(rb^2)*(vx^2)+(3/4)*(rb^2)*...
Anexos 65
(vy^2)+(3/4)*(rb^2)*(vz^2)) break;
case 2 R=[1 0 0;0 cosd(x) -(sind(x));0 (sind(x)) cosd(x)] ux=R(1,1); uy=R(2,1); uz=R(3,1); vx=R(1,2); vy=R(2,2); vz=R(3,2);
d1=sqrt(h^2+2*h*rb*uz+ra^2-2*ra*rb*ux+rb^2*ux^2+... rb^2*uy^2+rb^2*uz^2)
d2=sqrt((h^2)-h*rb*uz+sqrt(3)*h*rb*vz+(ra^2)-(1/2)*ra*rb*ux+... (sqrt(3)/2)*ra*rb*uy+(sqrt(3)/2)*ra*rb*vx-(3/2)*ra*rb*vy+... (1/4)*(rb^2)*(ux^2)-(sqrt(3)/2)*(rb^2)*ux*vx+(1/4)*(rb^2)*... (uy^2)-(sqrt(3)/2)*(rb^2)*uy*vy+(1/4)*(rb^2)*(uz^2)-... (sqrt(3)/2)*(rb^2)*uz*vz+(3/4)*(rb^2)*(vx^2)+(3/4)*(rb^2)*... (vy^2)+(3/4)*(rb^2)*(vz^2))
d3=sqrt((h^2)-h*rb*uz-sqrt(3)*h*rb*vz+(ra^2)-(1/2)*ra*rb*ux-... (sqrt(3)/2)*ra*rb*uy-(sqrt(3)/2)*ra*rb*vx-(3/2)*ra*rb*vy+... (1/4)*(rb^2)*(ux^2)-(sqrt(3)/2)*(rb^2)*ux*vx+(1/4)*(rb^2)*... (uy^2)+(sqrt(3)/2)*(rb^2)*uy*vy+(1/4)*(rb^2)*(uz^2)+... (sqrt(3)/2)*(rb^2)*uz*vz+(3/4)*(rb^2)*(vx^2)+(3/4)*(rb^2)*... (vy^2)+(3/4)*(rb^2)*(vz^2)) break; end
B2: CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN EN CODEWARRIOR (MAIN)
/** ################################################################### ** Filename : RobotParalelo.C ** Project : RobotParalelo ** Processor : 56F8037 ** Version : Driver 01.14 ** Compiler : Metrowerks DSP C Compiler ** Date/Time : 03/10/2011, 09:09 p.m. ** Abstract : ** Main module. ** This module contains user's application code. ** Settings : ** Contents : ** No public methods ** Ing. Jhonatan Isidro Godoy ** Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnólogicos ** Cuernavaca, Morelos ** ###################################################################*/ /* MODULE RobotParalelo */
/* Including needed modules to compile this module/procedure */ #include "Cpu.h" #include "Events.h" #include "Valores.h" #include "PWM1.h" #include "Direccion_CH1.h" #include "Direccion_CH2.h"
Anexos 66
#include "Direccion_CH3.h" #include "Datos_LCD.h" #include "Control_LCD.h" #include "Fila1.h" #include "Inhr1.h" #include "Fila2.h" #include "Inhr2.h" #include "Fila3.h" #include "Inhr3.h" #include "Fila4.h" #include "Inhr4.h" #include "Rebote_Fila1.h" #include "Rebote_Fila2.h" #include "Rebote_Fila3.h" #include "Rebote_Fila4.h" #include "Contador_Gral.h" #include "Freno1.h" #include "Freno2.h" #include "Freno3.h" #include "EInt1.h" #include "Columnas.h" /* Including shared modules, which are used for whole project */ #include "PE_Types.h" #include "PE_Error.h" #include "PE_Const.h" #include "IO_Map.h"
//DECLARACION DE FUNCIONES-------------------------------------------------------------------- void BIENVENIDA (void); void PROGRAMAR (unsigned char); void DESPLEGAR (unsigned char); void TECLADO (unsigned char); void ESPECIFICACION (unsigned char); void DECODIFICAR1 (word);
unsigned char MOVIMIENTO (void); unsigned char DECODIFICAR (unsigned char, unsigned char);
//VARIABLES GLOBALES-------------------------------------------------------------------------- unsigned char MEN[9][21]={{' ',' ',' ','B','I','E','N','V','E','N','I','D','O',' ',' ',' ',}, {' ',' ',' ','A','L',' ','C','E','N','I','D','E','T',' ',' ',' ',}, {' ',' ','>','J','H','O','N','A','T','A','N',' ','I','G',' ',' ',}, {' ','M','C',' ','M','E','C','A','T','R','O','N','I','C','A',' ',}, {'C','U','E','R','N','A','V','A','C','A',',',' ','M','O','R','.',}, {' ',' ','D','I','C','.',' ','D','E',' ','2','0','1','1',' ',' ',}, {'A','S','E','S','O','R','E','S',':',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',}, {'D','R',' ','A','N','D','R','E','S',' ','B','L','A','N','C','O',}, {'D','R',' ','E','N','R','I','Q','U','E',' ','Q','.',' ','M','M',}};
unsigned char MSJ[11][21]={{' ','Q','U','E',' ','M','O','V','I','M','I','E','N','T','O','S',}, {' ','D','E','S','E','A',' ','R','E','A','L','I','Z','A','R','?',}, {' ',' ',' ',' ',' ','E','L','I','J','A',':',' ',' ',' ',' ',' ',}, {'D','O','R','S','A','L','/','P','L','A','N','T','A','R','-','>',}, {'<','-',' ',' ','I','N','V','E','R','/','E','V','E','R',' ',' ',}, {' ','D','O','R','S','I','F','L','E','X','I','O','N',':',' ',' ',}, {'P','L','A','N','T','A','R','F','L','E','X','I','O','N',':',' ',}, {' ',' ',' ','I','N','V','E','R','S','I','O','N',':',' ',' ',' ',}, {' ',' ',' ','E','V','E','R','S','I','O','N',':',' ',' ',' ',' ',}, {'R','E','P','E','T','I','C','I','O','N','E','S',':',' ',' ',' ',}, {'E','N',' ','C','U','A','N','T','O',' ','T','I','E','M','P','O',}};
Anexos 67
unsigned char comandos[20]={56,6,12,1,NULL}; unsigned char *ptr,*cmmd; unsigned char i; unsigned char j; unsigned char columna; unsigned char tipo; unsigned char mov; unsigned char tecla;
unsigned char valor; unsigned char DorsiFlexion; unsigned char PlantarFlexion; unsigned char Inversion; unsigned char Eversion; unsigned char Rep; unsigned char Tie; unsigned char test;
unsigned int *time=NULL,y; float velocidad[3]; float cuentas[3],x[3]; float q,w,e;
//VARIABLES EXTERNAS-------------------------------------------------------------------------- extern unsigned char unidad; extern unsigned char decena; extern unsigned char centena; extern unsigned char cont; extern float Long_P[32][3]; extern float Long_D[16][3]; extern unsigned char F;
word *miliseconds;
void main(void) { /*** Processor Expert internal initialization. DON'T REMOVE THIS CODE!!! ***/ PE_low_level_init(); /*** End of Processor Expert internal initialization. ***/
BIENVENIDA(); PROGRAMAR(0x01); for(;;) { ESPECIFICACION(MOVIMIENTO()); PROGRAMAR(0x01);
Cpu_Delay100US(50000); Contador_Gral_Reset();
while(F==0) { PWM1_SetRatio16(9900); Direccion_CH1_PutVal(1);
Contador_Gral_GetTimeMS(miliseconds); }
DECODIFICAR1(*miliseconds);
Anexos 68
Cpu_Delay100US(50000);
for(;;) { Direccion_CH2_PutVal(0); Direccion_CH3_PutVal(0); Cpu_Delay100US(1000); Direccion_CH2_PutVal(0); Direccion_CH3_PutVal(1); Cpu_Delay100US(1000); } } } //-------------------------------------------------------------------------------------------- void BIENVENIDA (void) { for (cmmd=&comandos[0];*cmmd;cmmd++) { PROGRAMAR(*cmmd); } for (j=0;j<=8;j++) { if(j==1 || j==3 || j==5 || j==8) PROGRAMAR(0xC0); if(j==0 || j==2 || j==4 || j==6 || j==7) PROGRAMAR(0x80); if(j==6) PROGRAMAR(0x01); for (i=0;i<=20;i++) { ptr=&MEN[j][i]; DESPLEGAR(*ptr); } if(j==6) Cpu_Delay100US(10000); if(j==1 || j==3 || j==5 || j==8) Cpu_Delay100US(20000); } } //-------------------------------------------------------------------------------------------- unsigned char MOVIMIENTO (void) { for (cmmd=&comandos[0];*cmmd;cmmd++) { PROGRAMAR(*cmmd); } for(j=0;j<=3;j++) { if(j==1 || j==3){PROGRAMAR(0xC0);} if(j==0 || j==2){PROGRAMAR(0x80);} for(i=0;i<=20;i++) { ptr=&MSJ[j][i]; DESPLEGAR(*ptr); } if(j==1 || j==3){Cpu_Delay100US(10000);} } mov=0; TECLADO(1); return(mov); } //-------------------------------------------------------------------------------------------- void ESPECIFICACION (unsigned char A1) { if (A1==0) { for(j=5;j<=6;j++) {
Anexos 69
PROGRAMAR(0x01); PROGRAMAR(0x80); for (i=0;i<=20;i++) { ptr=&MSJ[j][i]; DESPLEGAR(*ptr); } cont=0; tecla=0; TECLADO(2); valor=DECODIFICAR(decena,unidad); if(j==5){DorsiFlexion=valor;} if(j==6){PlantarFlexion=valor;} cont=0; tecla=0; } } if (A1==1) { for(j=7;j<=8;j++) { PROGRAMAR(0x01); PROGRAMAR(0x80); for (i=0;i<=20;i++) { ptr=&MSJ[j][i]; DESPLEGAR(*ptr); } cont=0; tecla=0; TECLADO(2); valor=DECODIFICAR(decena,unidad); if(j==7){Inversion=valor;} if(j==8){Eversion=valor;} cont=0; tecla=0; } } for(j=9;j<=10;j++) { PROGRAMAR(0x01); PROGRAMAR(0x80); for (i=0;i<=20;i++) { ptr=&MSJ[j][i]; DESPLEGAR(*ptr); } cont=0; tecla=0; TECLADO(2); valor=DECODIFICAR(decena,unidad); if(j==9){Rep=valor;} if(j==10){Tie=valor;} cont=0; tecla=0; } } //-------------------------------------------------------------------------------------------- void TECLADO(unsigned char A2) { tipo=A2; while(A2==1 && tecla!=11) {
Anexos 70
columna=1; Columnas_PutVal(0x06); Cpu_Delay100US(20); columna=2; Columnas_PutVal(0x05); Cpu_Delay100US(20); columna=3; Columnas_PutVal(0x03); Cpu_Delay100US(20); } while(A2==2 && tecla!=12) { Cpu_Delay100US(1); columna=1; Columnas_PutVal(0x06); Cpu_Delay100US(1); columna=2; Columnas_PutVal(0x05); Cpu_Delay100US(1); columna=3; Columnas_PutVal(0x03); } } //-------------------------------------------------------------------------------------------- void DESPLEGAR (unsigned char punt) { Control_LCD_PutVal(0x03); // RS=1 Y E=1 Cpu_Delay100US(40); // TIEMPO DE ESPERA Datos_LCD_PutVal((byte)punt); // SE MANDA EL DATO RECIBIDO EN LA FUNCION Control_LCD_PutVal(0); // RS=0 y E=0 Cpu_Delay100US(40); } //-------------------------------------------------------------------------------------------- void PROGRAMAR (unsigned char comm) { Control_LCD_PutVal(0x02); // RS=0 Y E=1 Cpu_Delay100US(40); // TIEMPO DE ESPERA Datos_LCD_PutVal((byte)comm); // SE MANDA EL DATO RECIBIDO EN LA FUNCION Control_LCD_PutVal(0); // RS=0 y E=0 Cpu_Delay100US(40); } //-------------------------------------------------------------------------------------------- unsigned char DECODIFICAR (unsigned char DEC, unsigned char UNI) { unsigned char numero; //CEN=CEN*100; DEC=(unsigned char)(DEC*10); UNI=(unsigned char)(UNI*1); numero=(unsigned char)(DEC+UNI); return(numero); } //--------------------------------------------------------------------------------------------
void DECODIFICAR1 (word cyc1) { unsigned char decenademillon1,unidaddemillon1, centena1,decena1,unidad1;
decenademillon1=(unsigned char)((cyc1/10000)+48); PROGRAMAR(0xC2); DESPLEGAR(decenademillon1);
unidaddemillon1=(unsigned char)(((cyc1%10000)/1000)+48);
Anexos 71
PROGRAMAR(0xC3); DESPLEGAR(unidaddemillon1);
centena1=(unsigned char)(((cyc1%1000)/100)+48); PROGRAMAR(0xC4); DESPLEGAR(centena1);
decena1=(unsigned char)(((cyc1%100)/10)+48); PROGRAMAR(0xC5); DESPLEGAR(decena1);
unidad1=(unsigned char)(((cyc1%100)%10)+48); PROGRAMAR(0xC6); DESPLEGAR(unidad1);
} /* END RobotParalelo */ /* ** ################################################################### ** ** This file was created by Processor Expert 3.00 [04.35] ** for the Freescale 56800 series of microcontrollers. ** ** ################################################################### */
B3: CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN EN CODEWARRIOR (EVENTOS)
/** ################################################################### ** Filename : Events.C ** Project : RobotParalelo ** Processor : 56F8037 ** Component : Events ** Version : Driver 01.03 ** Compiler : Metrowerks DSP C Compiler ** Date/Time : 03/10/2011, 09:09 p.m. ** Abstract : ** This is user's event module. ** Put your event handler code here. ** Settings : ** Contents : ** No public methods ** ** ###################################################################*/ /* MODULE Events */
#include "Cpu.h" #include "Events.h"
//VARIABLES Y FUNCIONES EXTERNAS--------------------------------------------------------------
extern void PROGRAMAR(unsigned char); extern void DESPLEGAR(unsigned char);
extern unsigned char tipo; extern unsigned char mov; extern unsigned char tecla; extern unsigned char columna;
Anexos 72
//-------------------------------------------------------------------------------------------- unsigned char k; unsigned char cont; unsigned char *punt; unsigned char ERROR[16]="OPCION INVALIDA!"; unsigned char MENS1[16]="DORSAL/PLANTAR->"; unsigned char MENS2[16]="<- INVER/EVER ";
unsigned char unidad; unsigned char decena; unsigned char centena;
/* User includes (#include below this line is not maintained by Processor Expert) */
/* ** =================================================================== ** Event : Fila4_OnButton (module Events) ** ** Component : Fila4 [Button] ** Description : ** This event is called when the button is pressed. ** If button inactivity feature (advanced view) is enabled, ** then the next OnButton event is not generated during dead ** time. ** Parameters : None ** Returns : Nothing ** =================================================================== */ #pragma interrupt called /* Comment this line if the appropriate 'Interrupt preserve registers'
property */ /* is set to 'yes' (#pragma interrupt saveall is generated before the ISR)
*/ void Fila4_OnButton(void) { if(tipo==1) { if(columna==1 && mov==1) { tecla=10; PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&MENS1[k]; DESPLEGAR(*punt); } mov=0; // "0" PARA DORSIFLEXION/PLANTARFLEXION tecla=0; }
if(columna==2) { tecla=11; }
if(columna==3 && mov==0) { tecla=12; PROGRAMAR(0xC0);
Anexos 73
for (k=0;k<=20;k++) { punt=&MENS2[k]; DESPLEGAR(*punt); } mov=1; // "1" PARA INVERSION/EVERSION tecla=0; } }
if(tipo==2) { if(columna==1) { tecla=10; cont=0; } if(columna==2) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=0; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=0; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } if(columna==3) { tecla=12; } } }
/* ** =================================================================== ** Event : Fila3_OnButton (module Events) ** ** Component : Fila3 [Button] ** Description : ** This event is called when the button is pressed. ** If button inactivity feature (advanced view) is enabled, ** then the next OnButton event is not generated during dead ** time. ** Parameters : None ** Returns : Nothing ** =================================================================== */ #pragma interrupt called /* Comment this line if the appropriate 'Interrupt preserve registers'
property */ /* is set to 'yes' (#pragma interrupt saveall is generated before the ISR)
*/ void Fila3_OnButton(void) { if (tipo==1) { PROGRAMAR(0xC0);
Anexos 74
for (k=0;k<=20;k++) { punt=&ERROR[k]; DESPLEGAR(*punt); } Cpu_Delay100US(10000);
if (mov==0) { PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&MENS1[k]; DESPLEGAR(*punt); } } if (mov==1) { PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&MENS2[k]; DESPLEGAR(*punt); } } }
if(tipo==2) { if(columna==1) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=7; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=7; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } if(columna==2) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=8; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=8; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } if(columna==3) {
Anexos 75
if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=9; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=9; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } } }
/* ** =================================================================== ** Event : Fila2_OnButton (module Events) ** ** Component : Fila2 [Button] ** Description : ** This event is called when the button is pressed. ** If button inactivity feature (advanced view) is enabled, ** then the next OnButton event is not generated during dead ** time. ** Parameters : None ** Returns : Nothing ** =================================================================== */ #pragma interrupt called /* Comment this line if the appropriate 'Interrupt preserve registers'
property */ /* is set to 'yes' (#pragma interrupt saveall is generated before the ISR)
*/ void Fila2_OnButton(void) { if (tipo==1) { PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&ERROR[k]; DESPLEGAR(*punt); } Cpu_Delay100US(10000);
if (mov==0) { PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&MENS1[k]; DESPLEGAR(*punt); } } if (mov==1) { PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&MENS2[k]; DESPLEGAR(*punt);
Anexos 76
} } }
if(tipo==2) { if(columna==1) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=4; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=4; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } if(columna==2) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=5; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=5; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } if(columna==3) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=6; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=6; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } Cpu_Delay100US(1000); }
}
/* ** =================================================================== ** Event : Fila1_OnButton (module Events)
Anexos 77
** ** Component : Fila1 [Button] ** Description : ** This event is called when the button is pressed. ** If button inactivity feature (advanced view) is enabled, ** then the next OnButton event is not generated during dead ** time. ** Parameters : None ** Returns : Nothing ** =================================================================== */ #pragma interrupt called /* Comment this line if the appropriate 'Interrupt preserve registers'
property */ /* is set to 'yes' (#pragma interrupt saveall is generated before the ISR)
*/ void Fila1_OnButton(void) { if (tipo==1) { PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&ERROR[k]; DESPLEGAR(*punt); } Cpu_Delay100US(10000);
if (mov==0) { PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&MENS1[k]; DESPLEGAR(*punt); } } if (mov==1) { PROGRAMAR(0xC0); for (k=0;k<=20;k++) { punt=&MENS2[k]; DESPLEGAR(*punt); } } }
if(tipo==2) { if(columna==1) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=1; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=1; DESPLEGAR(unidad+48); }
Anexos 78
cont=1; } if(columna==2) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=2; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=2; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } if(columna==3) { if(cont==0) { PROGRAMAR(0xC7); decena=3; DESPLEGAR(decena+48); } if(cont==1) { PROGRAMAR(0xC8); unidad=3; DESPLEGAR(unidad+48); } cont=1; } } }
/* END Events */
/* ** ################################################################### ** ** This file was created by Processor Expert 3.00 [04.35] ** for the Freescale 56800 series of microcontrollers. ** ** ################################################################### */
Anexos 79
ANEXO C
C1: DISEÑO DEL PCB
C2: TOP LAYER Y BOTTOM LAYER
a) b)
Figura 83.- (a) Top Layer (Capa superior); (b) Bottom Layer (Capa inferior).
C3: DISEÑO ESQUEMÁTICO
MATERIAL Y COMPONENTES UTILIZADOS
Resistencias de 2.7k 3 Capacitor de 22uF 1 Tira de pines de 1x4 1 TA78033AF 1
Potenciometro 100k 1 Capacitores 1200uF 3 LMD18200T 3 Gomas para soporte 4
Capacitores 1uF 3 Tira de pines 2x30 1 Teclado matricial 3x4 1 56F8037EVM 1
Capacitores 10nF 6 Tira de pines de 1x2 3 LCD 16x2 1 Vaquelita 12x15 cm 1
Anexos 81
ANEXO D
HOJAS DE DATOS Y ESPECIFICACIONES
Anexos 82
Anexos 83
Anexos 84
ANEXO E
E1: COSTOS
1 Precios con IVA
2 Este resultado no refleja gastos indirectos tales como de transporte, paquetería etc
3 Precios sin IVA
Cantidad PRODUCTO PRECIOS
COSTO FINAL12
$Unitario3 Total
3 pzas. Actuador SKF CARE 33H1503311100024 8,000 24,000 24,000
1 pza. POSTE ELEVADOR No. 1 MAT. ALUM. 220 220
4,512.4
1 pza BASE DE PIE MAT. ALUM. 200 200
3 pzas. BRAZO PRINCIPAL INF. MAT. ALUM. 180 540
3 pzas. BRAZO AUXILIAR INF. MAT. ALUM. 160 480
1 pza. BASE INFERIOR. MAT. ALUM. 150 150
1 pza. BASE SUP. HEXAGONAL. MAT. ALUM. 180 180
3 pzas. BRAZO SUPERIOR. MAT. ALUM. 140 420
4 pzas. TAPA4. MAT. ALUM. 100 400
4 pzas. ROTULA4. MAT. ALUM. 140 560
4 pzas. ESFERA4. MAT. ALUM. 80 320
1 pza. BASE DEL POSTE CENTRAL. MAT. ALUM. 220 220
~ Tornillería diversa 200 200
1 pza. Módulo DSC 56F8037EVM 3022.88 3022.08
4,332.78
1 pza. LCD 16x2 (JHD162A-STNGLED) 85 85
1 pza. Regulador de voltaje TA78033AF 24.99 24.99
1 pza. Teclado Matricial 3x2 75 75
3 pzas. Puente H (IGBT’S) LMD18200T 346.30 1038.9
3 pzas. Resistencias de 2.7k 0.99 2.97
1 pza. Potenciometro 100k 21.98 21.98
3 pzas. Capacitores 1uF 1.99 5.97
6 pzas. Capacitores 10nF 1.99 11.94
1 pza. Capacitor de 22uF 1.99 1.99
3 pzas. Capacitores 1200uF 4.99 14.97
1 pza. Tira de pines 2x36 6.99 6.99
4 pza. Gomas para soporte 5 20
$ 32,845.18
ANEXO F
F1: PLANOS DE DISEÑO
