CONSTRUYE UNA MANO ROBÓTICA CASERA

DIFICULTAD: Baja TIEMPO REQUERIDO: 2 a 5 días COSTE DEL TRABAJO: Bajo, de 10 a 20 euros MEDIDAS DE SEGURIDAD: Atención al usar herramientas de corte afiladas

RESUMEN: Imagina una mano artificial capaz de sujetar objetos como una pelota. En este proyecto de ingeniería robótica básica aprenderás a usar objetos sencillos y cotidianos como pajitas de refresco o hilo de coser para imitar el mecanismo por el cual la mano humana se articula y sus músculos la mueven, sin necesidad de herramientas complicadas.

OBJETIVO: Diseñar y construir una mano artificial que muestra el mecanismo de articulación y movimiento de la mano humana

FUENTE: Howard Eglowstein, Science Buddies Science Buddies Staff. (2014, November 13). Grasping with Straws: Make a Robot Hand Using Drinking Straws. Retrieved April 14, 2016 from http://www.sciencebuddies.org/sciencefairprojects/project_ideas/Robotics_p001.shtml Last edit date: 20141113

INTRODUCCIÓN Tus manos son asombrosas. Con ellas puedes tocar el violín, preparar algo de comer, o diseñar un robot. Cuando se diseña un robot, una de las partes en la que se invierte más tiempo es la mano, o cualquier mecanismo de agarre con el que se equipe al robot. Los robots hacen un trabajo útil e importante, pero, a menos que puedan coger objetos, no pueden cumplir su cometido. Puedes observar este vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=NgZqVjcI7P0 para comprobar cómo una mano robótica de tres dedos maneja una amplia variedad de objetos. Para este proyecto estudiarás la fisiología de la mano para ver cómo funcionan los dedos humanos y diseñar una mano que usa dedos como los humanos para hacer su trabajo. Mejor aún, vas a construir tu mano robótica con objetos sencillos como pajitas de refresco. Simplemente aplica tu creatividad y tus dotes de ingeniería para construir una útil mano robótica. El diseño de esta mano imita la forma en que los tendones flexionan los dedos, aunque realmente son los músculos palmares en el antebrazo los que realmente controlan este movimiento. Para doblar el dedo, el músculo tira de una larga fibra de colágeno llamada tendón. El tendón conecta el músculo con el hueso del dedo (falange), es algo como un control remoto: Cuando el músculo tira el dedo se flexiona por la articulación. Las pajitas harán las veces de hueso y de piel, el hilo de coser será el tendón y tú serás el músculo. Cuando hayas terminado este proyecto de ingeniería habrás construido una mano robótica funcional con múltiples dedos que puedes controlar simplemente tirando de unos hilos (mira la figura 10 en el apartado “Procedimiento” para ver unos ejemplos)

TERMINOLOGÍA: Tendón Músculo Colágeno Articulación Fisiología de la mano

PREGUNTAS PREVIAS ¿Cómo flexiona el dedo humano? ¿Cómo están organizados y conectados los dedos en la mano humana? Busca algunos ejemplos de extremidades de animales y descríbelos. Explica cuál es la función de estas extremidades. Basándote en estos ejemplos, ¿cómo diseñarías una mano para coger una pelota? ¿y para sostener un bolígrafo?

BIBLIOGRAFÍA: Ross, V. (n.d.) Six innovative robot hands. Popular Mechanics. Retrieved May 17, 2012, from: http://www.popularmechanics.com/technology/engineering/robots/6innovativerobothands#slid e1 Wikipedia contributors. (2012, May 10). Hand. Wikipedia, the Free Encyclopedia. Retrieved May 17, 2012, from http://en.wikipedia.org/wiki/Hand Smith, Miranda. Human Body: The Animated 3D Guide. Charlotte, N.C.: Silver Dolphin Books, 2012. Muscolino, Joseph E. Musculoskeletal Anatomy Coloring Book. Philadelphia: Elsevier Health Science, 2009.

MATERIALES NECESARIOS -

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Pajitas de refresco (20) de 7 u 8 mm de diámetro. Hilo de coser tapicería, de algodón. Agujas de coser largas para el hilo de tapicería el ojo de la aguja debe ser anchura justa para permitir el paso del hilo grueso, pero que no se deslice demasiado libremente. Arandelas de goma (10). De diámetro suficiente para que puedas pasar tus dedos por ellas Dos paquetes de plastilina Gomas elásticas (2) 1 Pelota de ping pong 1 Par de guantes de látex o de goma Pegamento, apto para el material que elijas utilizar como soporte de la mano (cartón, goma eva, pvc, polietileno, etc…) OPCIONAL: Tubos de madera o de cartón, que pueden usarse en lugar de la plastilina para conectar los dedos artificiales. (ver el procedimiento para completar los detalles) Un cutter o cuchilla afilada Una regla milimetrada Rotulador de punta fina Tijeras afiladas Plancha para cortar Cuaderno de prácticas Opcional: Alicates de punta fina (para pasar el hilo a través de las pajitas) Opcional: Punzón para manipular los materiales más gruesos (cartón, goma eva,…)

PROCEDIMIENTO: Nota: Este proyecto se describe mejor como un “proceso de diseño de ingeniería” que como un “experimento científico”. Puedes obtener más información respecto a ello en http://www.sciencebuddies.org/engineering-design-process/engineering-design-processsteps.shtml Estas instrucciones te ayudarán a construir una mano robótica a partir de materiales cotidianos y sencillos. También te proporcionarán ideas acerca de cómo conectar varios dedos de plástico juntos para formar la mano. Como ingeniero robótico, necesitarás pensar

qué quieres que haga tu mano y darle vueltas al diseño hasta encontrar el mejor diseño para esa finalidad. Cada dedo de tu mano estará hecho de una paja con una o más muescas que simulan las articulaciones. El hilo pasará por los tubos, se atará en las articulaciones y se unirá a una arandela. Al tirar de esta arandela transmitirás la tensión al hilo y esto hará que las pajas flexionen en las articulaciones.

CÓMO CORTAR LAS MUESCAS DE LAS ARTICULACIONES Antes de tomar una decisión, necesitas averiguar cuál es la mejor manera de cortar las pajitas. Qué tamaño debes dar a los cortes, a qué distancia entre ellos. Usa una pajita de sobra para probar. Si tienes pajas de diferentes materiales o grosores prueba a hacer varias muescas en cada una de ellas para ver cuál funciona mejor. 1.- Protege la superficie de la mesa con una plancha de cortar. Puedes usar un cartón grueso.

Figura 1: corte de muescas 2.- Usa un cutter, tijeras, punzones de manualidades u otra herramienta de corte para ensayar cortes de diferente forma y tamaño hasta que encuentres el que mejor funciona. Haz cortes de mayor o menor profundidad, dejando más o menos cantidad de material sin cortar y observa la elasticidad de las articulaciones resultantes.

Figura 2: corte de muescas usando un punzón de manualidades 3.- Anota tus observaciones en una tabla en tu cuaderno de prácticas. Tipo de pajita

Herramienta de corte

Profundidad de la muesca (mm)

Recupera la forma al soltar (si/no)

Otras anotaciones

Observa los datos que has tomado. Elije el tipo de pajita y la herramienta o método de corte que te proporcione la mejor articulación y elasticidad para la mano que pretendes construir.

Figura 3: comprobando la flexion.

PLANIFICAR LA MANO ROBÓTICA 1.- Antes de construir la mano, debes pensar qué es lo que quieres que pueda hacer. Para ello puedes hacerte algunas preguntas: ¿Qué va a hacer mi mano robótica? ¿Va a coger cosas? ¿Qué tipo de cosas? P.ej: latas vacías, vasos de papel, pelotas, paquetes de klínex,… nota: las pajitas no van a poder cargar cosas pesadas ¿Qué características particulares quiero que tenga mi mano? Observa tu propia mano y piensa cómo haces para coger cosas. Si pudieras tener más o menos dedos de los que tienes, cuál sería la forma para agarrar cosas. ¿Podría colocar los dedos de alguna otra forma para agarrar mejor las cosas? 2.- Una vez que has encontrado respuestas a estas preguntas, haz un diseño de la mano para ver qué aspecto tendría. 3.- Piensa cómo vas a probar tu mano. ¿Va a ir unida a algún tipo de brazo? ¿qué cosas voy a coger? ¿en cuántos intentos debo ser capaz de agarrar algo para considerar que funciona bien?

PREPARAR LAS PAJITAS 1.- Es conveniente que las muescas estén alineadas. Puedes trazar una recta a lo largo de la pajita. Si ya la tiene sáltate este párrafo

Figura 4: traza una línea recta para guiarte al cortar las muescas 2.- Busca una tira de material recto y del grosor de la mitad de la pajita. 3.- Coloca la pajita sobre la mesa y la tira de material a su lado, sujétalas con cello a la mesa sin que se separen, coloca la regla encima y apoyada sobre la pajita. 4.- Usa un rotulador permanente de punta fina para trazar una línea sobre la pajita con ayuda de la regla. 5.- Comprueba mirando desde un extremo de la pajita si la línea es recta.

6.- Repite el proceso con el resto de las pajitas.

HACER EL PRIMER DEDO. 1.- ¿Cómo has planeado tu diseño? ¿Has hecho un dibujo para ver cómo quedará? Conserva los bocetos para entregarlos con el trabajo final. 2.- Del experimento previo de corte habrás obtenido una idea de cuánto material necesitas cortar en cada articulación. Observa tu dedo. Tiene tres articulaciones. Tanto si tu diseño final va a seguir este modelo como si no, haz un primer dedo que flexione como el tuyo. Sujeta la pajita junto a tu dedo. Con la otra mano (y la ayuda de un compañero) marca en la pajita dónde irían las articulaciones (generalmente a unos 2 cm unas de otras). Empezando por el extremo del dedo, mide y haz una marca donde deba ir la articulación, sobre la línea longitudinal que hemos marcado en el apartado anterior.

Figura 5: marca las muescas para las articulaciones del dedo 3.- Haz una marca en la pajita hacia el centro de la mano para saber cuál puede ser la longitud total de la misma, pero no cortes todavía. 4.- Coloca la pajita plana sobre la mesa, con la línea hacia arriba y las marcas. Haz las muescas con el método que hayas decidido que funciona mejor a tus planes. Cuando hayas terminado intenta doblarlas todas a la vez. La pajita debería formar una curvatura suave si todas las muescas están correctamente alineadas sobre la línea que has dibujado antes

Figura 6: las muescas están listas 5.- Corta ahora la pajita a la longitud medida. La longitud dependerá de tu diseño y propósito. Asegúrate de dejar un largo suficiente para poder conectarla la “palma” o estructura de soporte de la mano. 6.- Corta un trozo de hilo al menos cuatro veces tan largo como el dedo. Haz un nudo en un extremo, un nudo en 8 o lasca simple servirá. Enhebra la aguja. 7.- Atraviesa la pajita con la aguja por delante de una de las articulaciones luego pásala por el interior de la pajita hasta el otro extremo. Puedes asegurar el punto inicial con una gota de pegamento o de laca de uñas para que no se salga el hilo. Repite los pasos 6 y 7 con hilos para cada articulación.

Figura 7: asegura el hilo en la muesca y pásalo por la pajita 8. Recorta el extremo de los hilos a la misma longitud, al menos unos 10 cm desde el final de la pajita. Ata cada hilo a una arandela.

Figura 8: un hilo por cada articulación. Une los extremos a arandelas 9.- Con una mano, sujeta la pajita recta y pasa tus dedos por las arandelas. Tira suavemente para ver qué ocurre ¿Puedes doblar cada articulación independientemente de las otras? Observa tu propio dedo índice y comprueba si puedes doblar las articulaciones de forma independiente una de otra. ¿Se parecen tu dedo y el artificial? 10.- ¿Puedes doblar la articulación más cercana al extremo sin doblar las otras? ¿por qué crees que es así? ¿Puedes doblar tu dedo de esta manera? Debido a la forma en que funcionan los tendones en un dedo real es casi imposible flexionar sólo una articulación.

ENSAMBLAJE DE LA MANO COMPLETA 1.- Una vez completado un primer dedo, que es bastante parecido a un dedo humano, hay que completar la mano. Usando tu diseño y bocetos y las técnicas que has practicado, termina de hacer varios dedos. Corta las pajitas que necesites, con las articulaciones correspondientes. Puedes hacer un tendón para cada articulación como en el dedo anterior o bien, para simplificar los controles, puedes usar un solo tendón por cada dedo. Si lo haces así, conéctalo a la articulación más cercana al extremo del dedo. 2.- Piensa en cómo los dedos de tu mano están reunidos y conectados con la palma. Tu mano robótica necesita una estructura para reunir los dedos. Agrupa todos los dedos de forma que se parezcan a la mano que has diseñado. Puedes pegarlos sobre un trozo de cartón o de madera o preparar un soporte de plastilina. Es mejor usar de la que se puede hornear para que quede dura en la forma. Si te decides por esto, modela la plastilina alrededor de las pajitas y luego sácalas antes de meter la plastilina en el horno. Pero asegúrate que es plastilina de cocción. (Fimo, Sculpey y Kato: Masas de modelar, arcillas poliméricas o plastilinas para horno.) Cuando se haya enfriado vuelve a insertar las pajitas.

Figura 9: puedes reunir los dedos con plastilina para formar la mano Idea: Puedes hacer un pulgar unido en otro lado de la palma y con una goma en la parte trasera asegurar el retorno de la flexión. Un guante de látex puede servir para mejorar la adherencia si los dedos no agarran bien o globos largos de los que se usan para hacer figuras.

Figura 10: sugerencias de manos terminadas

PROBAR EL PROTOTIPO Parte del proceso de ingeniería es la prueba de los prototipos, para comprobar si funcionan como esperábamos. 1.- Sujeta la mano robótica en un soporte o dile a un compañero que lo haga. Pasa tus dedos por las arandelas de control de los tendones. ¿Se curvan los dedos correctamente? ¿Se abre y cierra como habías planeado? 2.- Comprueba si tu mano es capaz de agarrar un objeto o hacer aquello para lo que la habías diseñado. Si lo hace ¡enhorabuena!. ¿Puedes mejorarlo? ¿Cómo podrías hacer algo más? Si no consigues coger los objetos ¿a qué se debe? Este es el momento de detectar qué es lo que no ha funcionado y arreglarlo. ¿Los dedos son demasiado largos? ¿cortos? ¿se

curvan en los sitios correctos? Haz varias pruebas hasta encontrar el problema y reconstruye las piezas. 3.- Has comprobado que funciona razonablemente según lo diseñado. Date una palmadita en la espalda. Lo lograste.

VARIANTES ¿Necesitas más alcance? Quizá puedas diseñar un brazo con tubos de cartón para llegar más lejos. Si necesitas articular tu brazo puedes usar bisagras y una cuerda para hacer tendones ¿De qué otros materiales se podría hacer una mano? ¿Qué otras estructuras de la naturaleza podrías replicar usando materiales sencillos? ¿Podrías motorizarla?