Anlisis con MSC ADAMS de un dedo mecnico basado en mecanismos planos de cuatro barras
Analysis with MSC ADAMS of a mechanical finger based on flat four-bar mechanisms
Anlise com MSC ADAMS de um dedo mecnico baseado em mecanismos de quatro barras planas
Correspondencia: saquino@espoch.edu.ec
Ciencias tcnicas y aplicadas
Artculo de investigacin
*Recibido: 26 de enero de 2021 *Aceptado: 20 de febrero de 2021 * Publicado: 11 de marzo de 2021
- Ingeniero Mecnico, Magster en Diseo, Produccin y Automatizacin Industrial, Facultad de Mecnica, Carrera de Ingeniera Mecnica - Automotriz, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Grupo de Investigacin GIEBI, Chimborazo, Ecuador.
- Ingeniero Mecnico, Magster en Diseo, Produccin y Automatizacin Industrial Facultad de Mecnica, Carrera de Ingeniera Automotriz, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Grupo de Investigacin GIEBI, Chimborazo, Ecuador.
- Ingeniero Automotriz, Master en Manufactura y Diseo Asistidos por Computador, Investigador Particular, Universidad de las Fuerzas Armadas, Chimborazo, Ecuador.
- Ingeniero Automotriz, Master en Diseo Mecnico (cursando), Investigador Particular, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador.
Resumen
La mano humana permite realizar tareas de agarres de objetos, es muy comn debido a accidentes la prdida de los dedos humanos, siendo necesario buscar artefactos mecnicos que sean capaces de reemplazarlos. En la investigacin se parte estudiando las trayectorias que debe generar cada una de las articulaciones de un dedo humano, a partir de este estudio se desarrolla un mecanismo de dedo basado en la unin de mecanismos de cuatro barras.
El mecanismo desarrollado permite generar un modelo solido que se importa al software MSC ADAMS en donde se parte analizando la cinemtica: el movimiento, posiciones, velocidades y aceleraciones. Posteriormente se analiza la dinmica que permite establecer los valores de fuerzas, torques y el consumo de potencia del servomotor, estos anlisis de realizas con la existencia de cargas externas y sin ellas con la finalidad de analizar su influencia en los modelos.
En base a los anlisis cinemticos y dinmicos se analiza el funcionamiento de mecanismo para que posteriormente se puedan desarrollar las validaciones de resistencia de los eslabones y pasadores, adems los valores generados pueden ser tiles para desarrollar modelos bsicos de control automtico.
Palabras Clave: Ingeniera mecnica; diseo de levas; sistemas mecnicos; elementos de mquinas; mecanismos.
Abstract
The human hand allows to carry out tasks of grasping objects, the loss of human fingers is very common due to accidents, being necessary to look for mechanical devices that are capable of replacing them. The research starts by studying the trajectories that each of the joints of a human finger must generate, from this study a finger mechanism is developed based on the union of four-bar mechanisms.
The mechanism developed allows to generate a solid model that is imported into the MSC ADAMS software, where it starts by analyzing the kinematics: movement, positions, speeds and accelerations. Subsequently, the dynamics that allow establishing the values of forces, torques and the power consumption of the servomotor are analyzed, these analyzes are carried out with the existence of external loads and without them in order to analyze their influence on the models.
Based on the kinematic and dynamic analysis, the operation of the mechanism is analyzed so that later the resistance validations of the links and pins can be developed, in addition the generated values can be useful to develop basic models of automatic control.
Keywords: Mechanical engineering; cam design; mechanical systems; machine elements; mechanisms.
Resumo
A mo humana permite realizar tarefas de agarrar objetos, a perda de dedos humanos muito comum devido a acidentes, sendo necessrio procurar dispositivos mecnicos que sejam capazes de substitu-los. A pesquisa comea estudando as trajetrias que cada uma das articulaes de um dedo humano deve gerar, a partir deste estudo desenvolvido um mecanismo de dedo baseado na unio de mecanismos de quatro barras.
O mecanismo desenvolvido permite gerar um modelo slido que importado para o software MSC ADAMS, onde comea por analisar a cinemtica: movimento, posies, velocidades e aceleraes. Posteriormente, so analisadas as dinmicas que permitem estabelecer os valores das foras, torques e consumo de energia do servomotor, essas anlises so realizadas com a existncia de cargas externas e sem elas para analisar a sua influncia nos modelos.
Com base na anlise cinemtica e dinmica, o funcionamento do mecanismo analisado para que posteriormente sejam desenvolvidas as validaes de resistncia dos elos e pinos, alm dos valores gerados podem ser teis para desenvolver modelos bsicos de controle automtico.
Palavras-chave: Engenharia mecnica; design de cam; sistemas mecnicos; elementos de mquina; mecanismos.
Introduccin
Una prtesis tiene dos funciones especficas, una de ellas es ortopdica y otra es esttica. Una prtesis ortopdica puede reemplazar a un miembro faltante del cuerpo sea este un dedo, mano, brazo, entre otros, dentro de las prtesis existen prtesis activas o que generan movimiento y pasivas o que no generan movimiento [1].
La mano humana formada por los dedos brinda una gran posibilidad funcional, permitiendo generar movimientos que permiten desarrollar acciones como agarrar y mover objetos con facilidad [2]. El estudio de mecanismos que sean capaces de generar los movimientos producidos por los dedos humanos encierra varias reas de estudio como es el diseo de mecanismos y partes mecnicas, diseo de sistemas de actuacin, teora de control, sensores tctiles, planeacin de agarre, calibracin cinemtica y tele manipulacin [3], [4].
En el desarrollo de una prtesis activa de dedo es de gran importancia el anlisis cinemtico que permite estudiar el movimiento sin tomar en cuenta las fuerzas que los producen y el anlisis dinmico que permite estudiar las fuerzas desarrolladas por un mecanismo [5], [6].
Las lesiones de miembros superiores son muy comunes debido a accidentes de trnsito, violencia comn, accidentes laborales, enfrentamientos armados y minas antipersonales. El 40 % de las lesiones de la mano producidas por accidentes laborales o de trabajo, comprometen en mayor porcentaje los dedos ndice y pulgar, lo cual establece que es de gran ayuda el desarrollar artefactos mecnicos que sean capaces de reemplazar a estos dedos amputados.
En la presente investigacin se plantea estudiar un mecanismo capaz de imitar el movimiento de los dedos humanos, el mecanismo se someter al estudio cinemtico que permitir verificar el correcto movimiento del mecanismo, las velocidades y aceleraciones que se producen en cada una de las articulaciones del mecanismo, as como tambin los toques desarrollados [7].
Marco terico/metodologa
Biomecnica de la mano
La mano se encuentra unida al antebrazo mediante la mueca (sus huesos forman el carpo), tambin est formada por la palma (sus huesos forman el metacarpo), de la cual se forman 5 dedos o falanges. Las manos contienen catorce huesos digitales o falanges: dos en el pulgar, y tres en cada uno de los otros cuatro dedos; cabe mencionar que el pulgar no tiene falange media [2].
Figura 1: Huesos de la mano izquierda.
La mano humana en cada dedo existe un hueso metacarpiano y falanges proximal, media y distal, sin embargo, el dedo pulgar solamente presenta las falanges proximal y distal como se puede comparar entre la figura 1 y figura 2 [2].
Los dedos humanos tienen tres articulaciones principales que son: articulacin metacarpo falngica (MCP): encargada de unir la falange metacarpiana y la proximal de un dedo o pulgar; articulacin interfalngica proximal (PIP): ubicada entre las falanges media y proximal del dedo; articulacin interfalngica distal (DIP): situada entre las falanges media y distal del dedo. En la Figura 2 se detalla en un esquema del dedo ndice sus falanges y tendones flexores [4].
Figura 2: Dedo ndice y sus partes: (A) zona proximal, (B) zona intermedio, (C) zona distal, (1) microvasos longitudinales intrnsecos, (2) vaina sinovial, (3) vinculum brevis, (4) segmento avascular, (5) y (6) vasos comparables a los del flexor superficial, (7) vinculum longus, (8) vinculum brevis sobre la tercera falange, y (9,10,11) segmentos de zonas avasculares.
Los dedos humanos tienen caractersticas muy similares a lo mostrado en la Figura 2, sin embargo, las dimensiones varan de acurdo diversos factores, en la Tabla 1 muestra rangos de variacin de las partes de un dedo ndice.
Tabla 1: Dimensiones del dedo ndice humano (mm).
Las articulaciones de los dedos permiten una gran variedad de movimientos como son flexin, extensin abduccin y adduccin, siendo necesario para lograr estos movimientos cubrir desplazamientos angulares de las articulaciones. En la Tabla 2 se muestran los rangos mnimos y mximos que pueden generarse en las distintas articulaciones de un dedo humano de acuerdo al movimiento requerido.
Tabla 2: Rangos de movimiento del dedo ndice humano.
Mecanismo para generar el movimiento del dedo humano
Se plantea desarrollar un mecanismo basado en la unin de varios mecanismos articulados de cuatro barras, en la Figura 3 se muestra el mecanismo de cuatro barras, que est formado por tres barras mviles y una cuarta barra fija. Las barras mviles estn enlazadas a la fija mediante pivotes [6]. Por lo general las barras se numeran de la siguiente forma:
Barra 2. Barra que proporciona movimiento al mecanismo.
Barra 3. Barra superior.
Barra 4. Barra que recibe el movimiento.
Barra 1. Barra fija imaginaria (bancada).
Figura 3: Mecanismo de cuatro barras y sus partes.
Metodologa
Para lograr desarrollar un mecanismo que sea capaz de copiar los movimientos de los dedos se plantea estudiar el dedo ndice ya que todos los dedos tienen movimientos muy similares variando nicamente sus dimensiones, la investigacin parte determinando experimentalmente las trayectorias que debe generar cada una de las articulaciones de un dedo ndice, en la Figura 4 se utiliza un software que determina las trayectorias recorridas por las articulaciones (TRACKER), a partir de un video del movimiento del dedo ndice.
Figura 4: Generacin experimental de las trayectorias del dedo ndice.
El software permite la captura de movimiento en base a puntos de referencia, logrando generarse grficas que muestran el comportamiento de los puntos de referencia respecto a un sistema de coordenadas, donde de acuerdo a la Figura 4, el color rojo equivale al extremo del dedo identificado como articulacin A, el color celeste identifica a la articulacin B, y el color morado indica a la articulacin C.
En la Figura 5a, Figura 5b y Figura 5c se indica las trayectorias recorridas por cada una de las articulaciones del dedo en estudio, estos datos permitirn buscar un mecanismo que copie estas trayectorias.
Figura 5a: Trayectoria seguida por la articulacin A. Figura 5b: Trayectoria seguida por la articulacin B.
Figura 5c: Trayectoria seguida por la articulacin C.
En la Figura 6a, Figura 6b y Figura 6c se indica el desplazamiento de las articulaciones del dedo ndice respecto al eje Y en funcin del tiempo, valores que servirn para comparar con los del dedo mecnico.
Figura 6a: Posicin respeto al eje Y de la articulacin Figura 6b: Posicin respeto al eje Y de la articulacin
A en funcin del tiempo. B en funcin del tiempo.
Figura 6c: Posicin respeto al eje Y de la articulacin C en funcin del tiempo.
En la Figura 7a, Figura 7b y Figura 7c se indica el desplazamiento de las articulaciones del dedo ndice respecto al eje X en funcin del tiempo, valores que servirn para comparar con los del dedo mecnico.
Figura 7a: Posicin respeto al eje Y de la articulacin Figura 7b: Posicin respeto al eje X de la articulacin
A en funcin del tiempo. B en funcin del tiempo.
Figura 7c: Posicin respeto al eje X de la articulacin C en funcin del tiempo.
En la Figura 8a, Figura 8b y Figura 8c se indica el desplazamiento angular de cada una de las articulaciones en estudio en funcin del tiempo, valores que se comparan con los de TABLA II.
Figura 8a: Desplazamiento angular de la articulacin Figura 8b: Desplazamiento angular de la articulacin
A en funcin del tiempo. B en funcin del tiempo.
Figura 8c: Desplazamiento angular de la articulacin C en funcin del tiempo.
El anlisis del mecanismo se dividi en dos partes un diseo cinemtico con ayuda del software MSC ADAMS y un diseo dinmico con el mismo software.
Para el desarrollo del anlisis se inicia generando el mecanismo con las dimensiones adecuadas en base a la TABLA 1 y las trayectorias que se estudiaron anteriormente en la Figura 5, Figura 6 y Figura 7. El modelado inicial del mecanismo se desarroll en base a la unin de varios mecanismos articulados de cuatro barras, desarrollndose el modelo mostrado en la Figura 9.
Figura 9: Mecanismo que reemplaza a un dedo humano.
Generado el modelo geomtrico del mecanismo se procede a verificar si cumple con los recorridos de las trayectorias adecuados para reemplazar a un dedo humano.
En la Figura 10 se muestra el mecanismo y las trayectorias de la articulacin A, B y C respectivamente.
Figura 10: Trayectorias generadas por la articulacin A, B y C, de un mecanismo de dedo mecnico.
En la Figura 11a, Figura 11b y Figura 11c se indica el desplazamiento respecto al eje Y de las articulaciones de mecanismo de un dedo mecnico (tomar en cuenta la posicin de la Figura 10).
Figura 11a: Posicin respeto al eje X de la articulacin Figura 11B: Posicin respeto al eje X de la articulacin
A de un mecanismo de dedo mecnico. B de un mecanismo de dedo mecnico.
Figura 11c: Posicin respeto al eje X de la articulacin C de un mecanismo de dedo mecnico.
En la Figura 12a, Figura 12b y Figura 12c se indica el desplazamiento respecto al eje Y de las articulaciones de mecanismo de un dedo mecnico (tomar en cuenta la posicin de la Figura 10).
Figura 12a: Posicin respeto al eje Y de la articulacin Figura 12b: Posicin respeto al eje Y de la articulacin
A de un mecanismo de dedo mecnico. B de un mecanismo de dedo mecnico.
Figura 12c: Posicin respeto al eje Y de la articulacin C de un mecanismo de dedo mecnico.
De acuerdo con la Figura 11 y Figura 12 se establece que el movimiento es adecuado, por tanto, se procede a generar un modelo solido del mecanismo como se observa en la Figura 13.
Figura 13: Modelo slido de un mecanismo de dedo mecnico.
En el modelo slido del mecanismo generado en SolidWorks se puede desarrollar el anlisis cinemtico y dinmico del mecanismo en el software MSC ADAMS. En la Figura 14 se muestra el mecanismo importado a MSC ADAMS donde se ingresa las condiciones de movimiento de los pares, condiciones inerciales y de los actuadores para conseguir la simulacin de movimiento del mecanismo y su posterior anlisis.
Figura 14: Modelo slido de un mecanismo de dedo mecnico en MSC ADAMS.
Anlisis cinemtico
El anlisis cinemtico del mecanismo permite establecer el las posiciones, velocidades y aceleraciones de un mecanismo.
En la Figura 15 se muestra la velocidad angular del actuador que se ubica en el PAR 1 mostrado en la Figura 14, la velocidad tiene una parte de curva positiva y una negativa debido a la inversin de giro en el movimiento del mecanismo para que retorne a la posicin inicial.
Figura 15: Velocidad angular del actuador.
En la Figura 16 se muestra la aceleracin angular del actuador que se ubica en el PAR 1 mostrado en la Figura 14.
Figura 16: Aceleracin angular del actuador.
En la Figura 17 se muestra la velocidad angular del PAR 2 mostrado en la Figura 14, la velocidad tiene una parte de curva positiva y una negativa debido a la inversin de giro en el movimiento del mecanismo para que retorne a la posicin inicial.
Figura 17: Velocidad angular del PAR 2.
En la Figura 18 se muestra la aceleracin angular del actuador que se ubica en el PAR 2 mostrado en la Figura 14.
Figura 18: Aceleracin angular del PAR 2.
En la Figura 19 se muestra la velocidad lineal del PAR C mostrado en la Figura 14, la velocidad tiene una componente en X, componente en Y de estas dos se obtiene la magnitud resultante.
Figura 19: Velocidad lineal del PAR C.
En la Figura 20 se muestra la aceleracin lineal del PAR C mostrado en la Figura 14, aceleracin tiene una componente en X, componente en Y de estas dos se obtiene la magnitud resultante.
Figura 20: Aceleracin lineal del PAR C.
En la Figura 21 se muestra la velocidad lineal del PAR B mostrado en la Figura 14, la velocidad tiene una componente en X, componente en Y de estas dos se obtiene la magnitud resultante.
Figura 21: Velocidad lineal del PAR B.
En la Figura 22 se muestra la aceleracin lineal del PAR B mostrado en la Figura 14, aceleracin tiene una componente en X, componente en Y de estas dos se obtiene la magnitud resultante.
Figura 22: Aceleracin lineal del PAR B.
En la Figura 23 se muestra la velocidad lineal del PAR A o el extremo del dedo, mostrado en la Figura 14, la velocidad tiene una componente en X, componente en Y de estas dos se obtiene la magnitud resultante.
Figura 23: Velocidad lineal del PAR A.
En la Figura 24 se muestra la aceleracin lineal del PAR A o el extremo del dedo, mostrado en la Figura 14, aceleracin tiene una componente en X, componente en Y de estas dos se obtiene la magnitud resultante.
Figura 24: Aceleracin lineal del PAR A.
Anlisis dinmico
El anlisis dinmico del mecanismo permite establecer los torques y fuerzas y en base a estas la potencia de los actuadores.
En la Figura 25 se muestra el torque requerido por el motor para lograr el movimiento del dedo mecnico, el valor de torque calculado es en vaco es decir sin la accin de fuerzas externas.
Figura 25: Torque generado por el motor.
En la Figura 26 se muestra la potencia consumida por el motor para lograr el movimiento del dedo mecnico, los datos generados son en vaco es decir sin la accin de fuerzas externas.
Figura 26: Potencia consumida por el motor.
En la Figura 27, Figura 28 y Figura 29 se muestran las fuerzas dinmicas generadas en PAR 2, PAR C y PAR B respectivamente, los datos generados son en vaco es decir sin la accin de fuerzas externas.
Figura 27: Fuerzas generadas en el PAR 2. Figura 28: Fuerzas generadas en el PAR C.
Figura 29: Fuerzas generadas en el PAR B.
La funcin de un dedo no es solo generar el movimiento adecuado sino tambin ser capaz de producir fuerzas necesarias para poder sujetar objetos. En la Figura 30 se muestra la aplicacin de una fuerza de 20 N en el extremo del dedo.
Figura 30: Aplicacin de fuerzas en el dedo.
En la Figura 31 se muestra el torque requerido por el motor para lograr el movimiento del dedo mecnico, estos resultados incluyen la aplicacin de la fuerza de agarre de objetos.
Figura 31: Torque generado por el motor con existencia de fuerzas externas.
En la Figura 32 se muestra la potencia consumida por el motor para lograr el movimiento del dedo mecnico, con la accin de fuerzas externas.
Figura 32: Potencia consumida por el motor con aplicacin de fuerzas externas.
Resultados y discusin
Las trayectorias generadas experimentalmente de Figuras 5a, 5b, 5c sirven de base para buscar un mecanismo que siga las mismas trayectorias lo cual se consigue con un mecanismo formado por mecanismo de cuatro barras, la Figura 10 se muestran las trayectorias del mecanismo, las que son muy similares a las generadas por el dedo.
El desplazamiento de las articulaciones del dedo ndice respecto al eje Y de las Figuras 6a, 6b, 6c, muestran el anlisis de un ciclo de extensin - flexin - extensin, mientras que en las Figuras 11a, 11b, 11c se indica el desplazamiento del dedo mecnico respecto al eje X, pero solo de un ciclo de extensin flexin. Se debe analizar grficas opuestas debido a que las posiciones de anlisis de dedo y mecanismo estas desfasados noventa grados como se puede ver al comparar la Figura 4 y Figura 10. En la Figura 33 se muestra la comparacin de dos figuras donde se observa que son idnticas, estn invertidas debido a la posicin de los ejes coordenados entre un anlisis y otro de acuerdo a la Figura 4 y Figura 10.
Figura 33: Comparacin de desplazamientos de la articulacin A del dedo y mecanismo.
La comparacin figuras de las posiciones entre:
Figura 6b con Figura 11b.
Figura 6c con Figura 11c.
Figura 7a con Figura 12a.
Figura 7b con Figura 12b.
Figura 7c con Figura 12c.
Las comparaciones demuestran similitudes altas lo cual demuestra que el mecanismo mecnico seleccionado para reemplazar los movimientos del dedo es adecuado.
Los rangos de movimiento mostrados en Figura 8a, Figura 8b y Figura 8c oscilan aproximadamente entre 80 grados, estos datos al ser comparados con la TABLA II se demuestran que son adecuados.
De acuerdo al anlisis de velocidad angular y aceleracin angular en el motor se muestra cambios de direccin resultados que son adecuados ya que el motor debe tener inversin de giro para poder conseguir el movimiento de extensin - flexin extensin.
Al comparar las velocidades de los pares A, B y C (Figura 19, Figura 21, Figura 23) se observa que el mayor valor de velocidad tiene el par A, seguido por los valores de velocidad del par B, el par C posee los menores valores de velocidad, estos resultados son adecuados ya que la mayor velocidad debe tener el punto ms extremo. Una comparacin muy similar se produce en las aceleraciones (Figura 20, Figura 22, Figura 24).
El torque mximo para mover el dedo mecnico sin cargas es de 32 N.mm, mientras que al aadir una fuerza de 20 N el toque aumenta a 4700 N.mm, incrementndose ms 100 veces el torque lo cual se puede observar al comparar la Figura 25 y Figura 32.
El valor de potencia consumida por el motor para mover el dedo mecnico sin cargas es de 30 N.mm/s, mientras que al aadir una fuerza de 20N la potencia aumenta a 3000 N.mm/s, incrementndose 100 veces la potencia lo cual se puede observar al comparar la Figura 26 y Figura 31.
Con el anlisis dinmico se puede tomar el mximo valor de potencias consumida de 3000 N.mm/s para la seleccin del motor, se toma un porcentaje extra de potencia para compensar los efectos de la friccin que no se considera en el anlisis, por tanto, se construye el mecanismo con un servomotor de potencia 4500 N.mm/s.
Conclusiones
El diseo de la prtesis mecnica realiz con medidas promedio tomadas de encuestas que permitieron generar datos estadsticos, a partir de los datos estadsticos los softwares de ingeniera como AutoCAD, Solidworks, SAM, ADAMS se utilizaron para validacin virtual del prototipo antes de construir el prototipo.
Debido a que el mecanismo est conformado por dos mecanismos de cuatro barras se observ que las velocidades en los puntos lejanos al motriz son de gran magnitud y por lo tanto tambin sus aceleraciones son altas.
La sntesis dimensional de los mecanismos articulados ha sido desarrollada con consideraciones para obtener las proporciones de la transmisin necesarias y evitar interferencias entre los diferentes eslabones para un movimiento antropomrfico de agarre.
Los modelos cinemticos y dinmicos desarrollados son muy tiles para el diseo del mecanismo y posteriormente desarrollar los anlisis de resistencia de los eslabones del mecanismo.
El mecanismo requiere de un control automtico adecuado ya que posiciones o velocidades muy altas pueden ser inadecuadas para las tareas de agarre, otro parmetro que se debe controlar es la fuerza ya que de generarse fuerzas muy altas se podra llegar a daar los objetos que se requiere agarrar. Para poder desarrollar los modelos bsicos de control usar los datos generados de MSC ADAMS, pero para el desarrollo de modelos avanzados ms eficientes se requiere desarrollar los modelos matemticos cinemticos y dinmicos.
Es necesario continuar con la investigacin en busca de desarrollar un mecanismo de dedo en donde no se requiera de un actuador sino se implante en la mano y el simple movimiento de la mano controle el movimiento de extensin - flexin - extensin.
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2019 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
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