SIMULADOR DE MARCHA DEL TIPO PIE- …files.pucp.edu.pe/agenda/wp-content/uploads/2014/06/coloquio-2013... · marcha con una alta capacidad de carga útil y repetibilidad de movimientos

SIMULADOR DE MARCHA DEL TIPO PIE-PLATAFORMA USANDO MECANISMOS

PARALELOS DEL TIPO HEXÁPODO

Dr. Dante Elí[email protected]

Grupo de Investigación en Robótica Aplicada y Biomecánica - GIRAB

Terapias Tradicionales

Aplicaciones de Tecnología en

Terapias

Aplicaciones Robóticas

Simuladores de movimiento con mecanismo paralelo.

Equipos comerciales para tratamiento con TecnologíaLOKOMAT

Proyectos en investigación para simuladores de marcha

Proyectos en investigación para simuladores de marcha incluyendo uso de Realidad Virtual

Desarrollos con mecanismos seriales

Proyecto FINCyTPUCP

Proyecto “SIMULADOR DE MARCHA”

Equipo de Investigación

Ph.D. Dante ElíasIng. Mecánica (Coordinador General)

Dipl. Ing. Benjamín BarrigaIng. Mecánica

M.Sc. Roció Callupe – Ing. Electrónica

M.sc Julio Tafur Ing. Electrónica

Dra. Miriam Ibarcena HCSJD

Dra. Jessica PajayaINR

Ing. Javier Chang FuIng. Electrónica

Ing. Enrique BancesIng. Electrónica

Ing. José AlcántaraIng. Electrónica

Bach. Leslie CasasIng. Electrónica

Ing. Ruth ManzanaresIng. Mecánica

Sr. José Marreros –EstudianteIng. Mecánica

Equipo de Investigación

Ing. José LuisZarateIng. Electrónica

Bach. Gonzalo SevillanoIng. Mecánica

Bach. Andres GarcesIng. Mecánica

Otros integrantesDr. Omar Vallejos – HCSJDTco. Mayk Gutarra - HCSJDIng. Cromwell Anchante – Ing. MecánicaBach. Carlos Lock – Ing. ElectrónicaBach. Ricardo Marcacusco -Ing. ElectrónicaBach. Enrique Mejía - Ing. MecánicaBach. Luis Achuy – Ing. MecánicaBach. Cesar Ponce – Ing. MecánicaBach. John Malpartida – Ing. MecánicaSr. Eduardo Valdivieso - Estudiante Ing. MecánicaPersonal Técnico de Laboratorio de Manufactura

Sr. Luis GarciaIng. InformáticaPaciente en tratamiento

Ing. GonzaloCuchoIng. Electrónica

Más de 43 mil con alguna discapacidad. Locomoción 60%. Registro Nacional de la Persona con Discapacidad (10/07)

Marcha difícil evaluar (diversos movimientos, personas diferentes, pre y pos tratamiento)

Rehabilitación: exigente en lo físico, requiere movimientosrepetitivos, ambiente poco estimulador, especialistas insitu.

¿CUÁL ES EL PROBLEMA?

Desarrollar tecnología de puntabasada en plataformas móviles conentorno virtual para mejorar elproceso de rehabilitación, in-situ o adistancia, de pacientes con lesionesmotoras en sus miembros inferiores.

1. Sistema mecánico y de control2. Entorno virtual3. Comunicación a distancia4. Validación funcional5. Proteger y transferir

OBJETIVO DEL PROYECTO

“Simulador de Marcha”

Desarrollo de un simulador de marcha usando dosplataformas Stewart-Gough (Diseño y fabricaciónde los sistemas mecánico y de control).

Mecanismo serial Mecanismo paralelo

Máquina para ensayo de neumáticos diseñado por

Gough, 1954

Simulador de vuelo, diseñado por Stewart, 1963

¿ Stewart-Gough ?

Metodología para el diseño mecánico

CINEMATICA INVERSA

ANALISIS DE MARCHA

ESPACIO DE TRABAJO

CONFIGURACION DE TRABAJO

DISEÑO CONCEPTUAL

OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO

MODELACION EN SOFTWARE CAD.

DIMENSIONES PRELIMINARES

DISEÑO FINAL

SI

NO

AJUSTE DE DIMENSIONES

NO

Análisis de la marcha

Análisis de la Marcha

Fases de la marcha normal (oscilación y apoyo) Parámetros de posición y velocidad (18 a 45 años) CAD → trayectoria crítica que debe realizar el simulador

Configuración del mecanismo (CAD)

Configuración del mecanismo

Especificación RangoMáxima carga estática eje vertical Z 700 N

Máxima carga estática eje frontal X 200 N

Máxima carga estática eje lateral Y 100 N

Máximo movimiento eje Z 0-150 mm

Máximo movimiento eje X ± 400 mm

Máximo movimiento eje Y ± 50 mm

Máxima rotación eje Z ± 5°

Máxima rotación eje X ± 5Máxima rotación eje Y ± 30

Desarrollo del modelo básico

Mecanismo paralelo constade seis actuadores linealesque forman un octaedrohexápodo unidos a unabase fija por el extremo decada actuador y medianteuna plataforma móvil porlado opuesto.

Espacio de Trabajo (CAD y Matlab)

Definido por todas las posibles posiciones del centro de la plataforma móvil con una orientación constante predefinida.

ORIENTACIÓN CONSTANTE

p4

p3

p2p1

p6

p5

b4b5

b6

b1 b2

b3

Plataforma móvil

Orientación 0°

Plataforma fija

Espacio de Trabajo (Matlab y SolidWorks)

Espacio de Trabajo (Matlab y SolidWorks)

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 8000

100

200

300

400

500

600

700

800

X: 403Y: 596

X (mm)

Y (m

m)

-600 -400 -200 0 200 400 600 -600-400

-2000

200400

600

0

200

400

600

800

1000

Y mm

Posicion y Orientacion

X mm

Z m

m

-600-400-2000200400600

-500

0

500

0

200

400

600

800

1000

Y mm

Posicion y Orientacion

X mm

Z m

m

Análisis del mecanismo

Mecánica de cuerpos rígidos

Cinética

Fuerzas y torques necesariospara producir un movimientodado a través de unatrayectoria deseada.

Análisis del mecanismo

DINÁMICA INVERSA:Fuerza que necesita en cada pistón paraproducir un movimiento deseado, entérminos de las posiciones, velocidadesy aceleraciones.

Análisis del mecanismo (Matlab y MathCad)

1

1

2

3

4

5

6

ffffff

, cq q qq qH M q C q G F

, cq q qq qH F M q C q G F

1

, cq q qq qF H M q C q G F

DINÁMICA INVERSA


El método de análisis escogido ha sido propuesto por Guo y Li,donde se analiza la cinemática y dinámica inversa de unmanipulador paralelo tipo Stewart-Gough de 6 grados delibertad.

Además se realizó una amplia revisión de formulacionesmatemáticas propuestas por diferentes investigadores, yrelacionadas a la modelación dinámica de la plataforma Stewart-Gough.

1º MODELACIÓN DINÁMICA DEL ACTUADOR

(LAGRANGE)

2º MODELACIÓN DINÁMICA DE LA PLATAFORMA MÓVIL

(NEWTON-EULER)


1º MODELACIÓN DINÁMICA DEL ACTUADOR (LAGRANGE)


2º MODELACIÓN DINÁMICA DE LA PLATAFORMA MÓVIL (NEWTON-EULER)

Simulación Dinámica (Matlab y MathCad)

El objetivo es evaluar lasfuerzas obtenidas al interiorde cada actuador, y de estamanera corroborar y validarel procedimiento analíticorealizado para la obtenciónde la ecuación dinámicainversa de la plataformaStewart-Gough.


1 2 3 4 5 6, , , , ,jf f f f f f f

, , , , ,p p pj x y zf F

1 5 0 2

0 2

1 0 2

. . sin( )

. sin( )

. sin( )

p t

p t

p t

x t

y t

z t

0

0

0

t

t

t


Trayectoria recta en Z

0

t

t

t

x 0y m

0,5+ 0.1 tz

t

t

t

φ 0θ 0 rad

0ψ


Trayectoria de la marcha


Trayectoria de la marcha

Diseño MecánicoCAD/CAE

Diseño Mecánico CAD/CAE

F/2

F/2

F/2

F/2

Rz

Rx

Rz

RxRy

Ry

R/2

R/2

F/2

F/2

F

R/2 R/2

FaFa

Rh

Rh

Mf Mf

A

B

X Y

Z

Diseño Mecánico CAD/CAEAnálisis de Elementos Finitos

MfR/2

R/2

F/2

F/2

Planos y Fabricación

Sistema Mecánico

Sistema Hidráulico

Sistema Hidráulico

Análisis del Sistema Hidráulico (Matlab)

Análisis - Control del Actuador (Matlab)

Modelación:de SolidWorks a SimMechanics

Simulación Modelo Matemático (Matlab)

Simulación de Sistema de Control

Sistema electrónico de control

Sistema electrónico de control

Sensor de posición Válvula Proporcional

Comunicación por puerto USB

Diseño y Fabricación Sistema Electrónico

Diseño de Circuito Impreso

Implementación de Diseño Electrónico

Programación del Microcontrolador

El algoritmo de control y los modelos matemáticos se implementan en el microntrolador. La programación del microntrolador se realizó usando un programador SPI y el software AVR Studio 4.

Operación del Simulador

A través de una PC, un Firmware del control desarrollado y uncuadro para la interface usuario, se facilita al usuario la operacióndel simulador de marcha.

Plataformas Móviles

Unidad Hidráulica

Sensores

IAK 2013 - Second Conference on Interdisciplinary Applications in Kinematics, September 9-11, 2013, Lima, Peru

58

EXPERIENCIAS

¿VIDEO?


59

CONCLUSIONES

Experiencias de laboratorio con el prototipo construido hanmostrado una aplicación exitosa de un simulador demarcha como plataforma de rehabilitación.

El diseño del prototipo combina la planificación demovimientos con el rendimiento dinámico de dosplataformas Stewart-Gough para obtener un simulador demarcha con una alta capacidad de carga útil y repetibilidadde movimientos sincronizados.


60

Trabajo Futuro

Monitorear las características cinemáticas de lasplataformas móviles para comprobar el rendimiento y laretroalimentación.

Mejorar el rendimiento de los sub-sistemas del simuladorde marcha (mecánica, oleo-hidráulico, sistema de control,modelo cinemático y dinámico)

Otras cosas?....

Exoesqueleto (para complementar simulador de marcha)

Desarrollar exoesqueleto pararehabilitación. Se debe integraral simulador de marcha paracomplementar ventajas

LokomatPropuesta

Exoesqueleto (siguiente etapa)

e-legs Rewalk Rex

Desarrollo de exoesqueleto para caminar

Exoesqueleto (para complementar simulador de marcha)

Avances…

Diseño preliminarAnálisis dinámico

Apoyo Balanceo

Sillas de ruedas (niños)

Proyecto con empresa privada

Un producto que integre las características

Sillas de ruedas (niños)

Avances…

Nuevas ideas (Sistemas hápticos )

• Implementación de Músculos neumáticos• Desarrollo de guante háptico, sensores de

fuerza, pinzas neumáticas• Integración con realidad virtual

Apunta a: tele-cirugía, prótesis, etc.

Nuevas ideas (visión)

Apunta a: Rehabilitación, prótesis, tele-cirugía, adulto mayor

Desarrollar sistemas de adquisición,procesamiento, análisis y entendimientode imágenes para emular la visiónhumana, o para reconocer movimientos uobjetos.

Reconocimiento de objetos para su manipulación Análisis de

movimientoSilla de ruedas inteligente

capta gestos faciales

Nuevas ideas (comunicación)

Apunta a: Rehabilitación, tele-monitoreo

Trasmitir información a sistemas móviles

GRACIAS…

Dr. Dante Elí[email protected]

Grupo de Investigación en Robótica Aplicada y Biomecánica - GIRAB

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