Brazo protésico con músculo neumático y sensor elástico

Abstract

En este proyecto hemos investigado la viabilidad de la neumática en la robótica para la realización de prótesis biónicas al hacer uso de un actuador al que se le conoce como músculo neumático. La principal diferencia entre el uso del músculo neumático y el clásico pistón neumático es la capacidad de carga y el rango de retracción o extensión que manejan. Por un lado, el pistón nos ofrece una capacidad de carga media y mayor rango de movimiento que el músculo. Por otro lado, el músculo es mucho más flexible, y tiene una gran capacidad de carga en relación a su bajo peso, pero tiene una capacidad de retracción bastante menor, del 24% de su extensión normal. Haciendo una valoración de las ventajas e inconvenientes, decidimos utilizar el músculo por su flexibilidad, por lo que soportaría mejor los movimientos de las demás articulaciones, y por su capacidad de carga superior a otros actuadores. La prótesis que elaboramos es un brazo, aunque en este caso solo trabajaremos con el codo para evitar la coordinación entre los músculos, ya que por el tipo de actuador y de sensor, el modelo es poco preciso. Este hecho será importante remediarlo, debido a que la prótesis la utilizará una persona, y lo ideal es que no haya grandes diferencias con el manejo de un brazo humano. El funcionamiento del actuador consistirá en dos electroválvulas “todo o nada”, que procurarán la entrada y salida de aire al músculo, por lo que el control en el código también será del tipo “todo o nada”. Concretamente, trabajaremos con 3 intervalos para el control del actuador: cuando el brazo tenga que comprimirse, por lo que deberemos introducir aire; cuando tenga que relajarse, por lo que expulsaremos aire; y cuando esté dentro de un margen de la posición requerida. Para determinar la posición del codo usaremos como sensor una resistencia elástica, la cual es un tipo de goma que, al estirarse, reduce su resistencia eléctrica. Una de las bondades de este sensor es su alta elasticidad, ya que nos permite asignarle un rango de movimiento amplio, además de ser económico y resistir bien los movimientos de las articulaciones. El principal problema es su baja precisión, puesto que los valores pueden oscilar sin siquiera haber cambiado la extensión del elástico.

The aim of this project is to investigate the feasibility of pneumatics in robotics for the realisation of bionic prostheses by using an actuator known as pneumatic muscle. The main difference between the use of the pneumatic muscle and the classic pneumatic piston is the load capacity and the range of retraction or extension that they can handle. On the one hand, the piston offers a medium load capacity and a greater range of movement than the muscle. On the other hand, the muscle is much more flexible than the piston, and has a high load capacity in relation to its low weight but has a much lower retraction capacity as for a 24% of its normal extension. Assessing the advantages and disadvantages, it was decided to use the muscle due to its flexibility, and would therefore better support the movements of the other joints, and also due to its higher load capacity than other actuators. Although in this case, we will only work with the elbow, the prosthesis developed is an arm. This is so in order to avoid coordination between the muscles, as due to the type of actuator and sensor used, the prototype is not very precise. It will be important to solve this, as the prosthesis will be used by a person, and there should not be major differences with the operation of a human arm. The functionality of the actuator will consist of two "all or nothing" solenoid valves, which will provide air in and out of the muscle, so the control in the code will also be of the "all or nothing" type. Specifically, it will run with three intervals for the actuator control: when the arm must compress, so the air will have to be introduced; when it must relax, so the air will be expelled; and when it is within a range of the required position. To determine the position of the elbow, an elastic resistor will be used as a sensor, which is a type of rubber that, when stretched, reduces its electrical resistance. One of the advantages of this sensor is its high elasticity, which allows us to assign it a wide range of movement, as well as being cheap and resistant to joint movements. The main problem is its low accuracy, as the values can fluctuate without even changing the elastic extension.