Category: exoesqueletos

Puede parecer una banalidad , pero la idea detrás de este prototipo es muy interesante ya que  puede suponer una ayuda importante   a la movilidad,  pues esta  assietncia puede ser especialmente importante para los ancianos y otras personas que necesitan este tipo de ayuda en la vida cotidiana.

El sistema que sugieren sus creadores destaca por su simplicidad : una estructura de aluminio  para sujetar el brazo, un motor y una placa Arduino con su correspondiente escudo (cuyos detalles, por cierto, han publicado en hackaday.com) ,

Nos explican   que en la construcción del  exo-brazo buscaban  que fuese relativamente barato, sencillo y potente que permitiera  un uso fácil del mismo , por lo cual  construir su prototipo no deberia costar mas de 100$ ,  lo cual es un precio bastante razonable ,sobre todo si nos vamos a soluciones que se  estan desarrollando la industria.

El desarrollo de este proyecto comenzó centrándose más en el control del brazo y luego en el propio diseño, por lo que  tal vez el  objetivo número de sus creadores  es   hacer que el control de ExoArm sea tan barato y tan intuitivo como sea posible.

En el siguiente video podemos verlo en acción:

Como podemos  apreciar, hay una estructura articulada de aluminio  y precisamente en la articulación esta el motor (en el codo) , aunque  sugieren que en otros diseños futuros  también proveen implementar  un  actuador en el hombro( de hecho el shield empleado admite dos motores).

Este  exo-brazo tiene   tambien apoyo trasero, de modo que todo el peso se distribuye uniformemente a su cuerpo siendo la capacidad de elevación  alrededor de 10 kg máximo o 22 libras.

 

Electrónica

 

 

 

 

Ademas de la placa Arduino, un componente básico es el driver del motor VNH2SP30 ,el cual es esencialmente una versión en rampa del escudo de motor Ardumoto. Esta placa se presenta como un escudo que  se conecta encima de Arduino  y es de bajo coste ( unos 6,5€ en Amazon).

Para este  Shield se usa  un par de drivers de motor de puente completo VNH2SP30. También incluye los circuitos de soporte para que esta placa sea capaz de controlar  un par de motores de alta corriente ,  aunque para esta aplicacion solo se usa uno .

El VIN y el motor son lanzados para  terminales de tornillo de 5mm , lo que facilita la conexión de cables de mayor calibre.

Al utilizar este escudo en aplicaciones de alta demanda extrema puede ser necesario mejorar el rendimiento térmico con un disipador de calor o ventilador y soldar los cables directamente a la placa en lugar de usar un terminal de tornillo (tenga en cuenta la alta corriente de este) , aunque  cuando se utiliza el escudo en corrientes de hasta 6A los chips apenas llegarán a ser perceptiblemente calientes.

Resumidamente  esta son algunas de las características del escudo empleado:

• Voltaje: max. 16V
• Regimen de corriente: 30A maximo 
• Corriente permanente: 14 A
• Resistencia MOSFET (solo ida): 19 m & OHgr;
• Frecuencia PWM: 20 kHz Max.
• Tamano placa: 6 * 5,2 * 2cm / 2,4 * 2 * 0,8pulg
• Peso : 23 g / 0,8 oz

Una vez resuelto el driver, respecto a Arduino , los pines que se requieren , en la aplicación  son los pines siguientes:

• Pines 3 y 4  como salidas binarias para configurar el motor vía el driver del motor VNH2SP30
• Pin 5  como salida analógica para escribir el dato en el el driver del motor VNH2SP30
• Pin 2  como entrada analógica para el encoder solidario al eje del motor para saber la posición de la articulación
• Pines 8 como entrada binaria para ordenar subir la articulación via el motor
• Pines 9  como entrada binaria para ordenar bajar  la articulación vía el motor

 

 

Antes de ver el codigo  final ,  es interesante apreciar como el control del motor se hace fijando los pins 3  y 4 a un valor  y luego sacando un valor analogico en el pin 5, por ejemplo, parar mover  arriba el motor   se usa esta función:

void moveup(float writemotor){ /
writemotor = map(writemotor, 0, -80, 255, 0);
digitalWrite(3, HIGH);
digitalWrite(4, LOW);
analogWrite(5, writemotor);

Y de forma similar para mover hacia  abajo :

void movedown(float writemotor){ 

writemotor = map(writemotor, 0,-255, 0, 255);
digitalWrite(3, LOW);
digitalWrite(4, HIGH);
analogWrite(5, writemotor);
}

Simplemente para  parar el moto,r   sacamos un  valor cero  en el pin 5 usan esta otra función:

void stopmove(){ //parar el motor
digitalWrite(3, LOW);
digitalWrite(4, LOW);
analogWrite(5, 0);
}

 

Una función  muy importante  es conocer la posición de la articulación  gracias a que hay conectado un potenciómetro solidario al aje de modo  que  capturando  el valor  de la salida del potenciómetro podemos   conocer el angulo ,gracias  al  siguiente código:

float errorSum;
float Kp = 2;
float Ki = 0;

float computePID(int setpoint){    
angle = analogRead(2);
angle = map(angle, 0, 344, 0, 90); 

double time_elapsed = micros();
dtrate = (time_elapsed – last) / 1000.f;
last = time_elapsed;

float error = setpoint – angle;
errorSum += error * dtrate;
errorSum = constrain(errorSum, -255, 255);

return (Kp * error) + (Ki * errorSum);

}

Por ultimo,  en la función loop miramos continuamente  los valores binarios de los pines 8 y 9  ,y en función de su estado, llamaremos a alguna de las rutinas anteriores:

 

void loop()   //bucle principal de ejecución
{
int program_runtime = millis();

int readingUp = digitalRead(8);
int readingDown = digitalRead(9);

if(readingUp == 1 && readingDown == 0){
if(program_runtime – previousMillis > interval) {
previousMillis = program_runtime;
Step -= 5;
}

}
if(readingDown == 1 && readingUp == 0) {
if(program_runtime – previousMillis > interval) {
previousMillis = program_runtime;
Step += 5;
}

 

Código arduino

El procesamiento de control como decíamos se hace con un Arduino, por lo que el código es  bastante fácil de entender y modificar cuanto se quiera para mejorarlo o adaptarlo a cada necesidad:

 

#include <ArduinoTimer.h>
#include <CircularBuffer.h>
#include <CommandHandler.h>
#include <CommandProcessor.h>
#include <DataStore.h>
#include <DeviceAddress.h>
#include <EEPROMStore.h>
#include <Filter.h>
#include <MegunoLink.h>
#include <MessageHeaders.h>

#include “MegunoLink.h” // Funciones útiles para comunicarse con MegunoLink Pro.

#include “filter.h”
#include “Servo.h”

TimePlot plot;

int potVal;
int angle;
float dtrate;
double last;

ExponentialFilter FilteredMuscleValue(5, 20); //  peso de la derecha, valor de inicio izquierdo

void moveup(float writemotor){ //mover  arriba el motor
writemotor = map(writemotor, 0, -80, 255, 0);
digitalWrite(3, HIGH);
digitalWrite(4, LOW);
analogWrite(5, writemotor);

}

void stopmove(){ //parar el motor
digitalWrite(3, LOW);
digitalWrite(4, LOW);
analogWrite(5, 0);
}

void movedown(float writemotor){ //mover hacia  abajo

writemotor = map(writemotor, 0,-255, 0, 255);
digitalWrite(3, LOW);
digitalWrite(4, HIGH);
analogWrite(5, writemotor);
}

float errorSum;
float Kp = 2;
float Ki = 0;

float computePID(int setpoint){    //función de  calculo de la posición del encoder
angle = analogRead(2);
angle = map(angle, 0, 344, 0, 90); // dejanski kot
Serial.print(angle);

double time_elapsed = micros();
dtrate = (time_elapsed – last) / 1000.f;
last = time_elapsed;

float error = setpoint – angle;
errorSum += error * dtrate;
errorSum = constrain(errorSum, -255, 255);
//Serial.println(error);
return (Kp * error) + (Ki * errorSum);

// Serial.println(time_elapsed, 5);
}

int Step = 0;

void setup()     //inicializacion del brazo
{
pinMode(8, INPUT);
pinMode(9, INPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
Step = 0;
}

int k = 1;
int previousMillis = 0;
int interval = 50;

void loop()   //bucle principal de ejecución
{
int program_runtime = millis();

int readingUp = digitalRead(8);
int readingDown = digitalRead(9);

if(readingUp == 1 && readingDown == 0){
if(program_runtime – previousMillis > interval) {
previousMillis = program_runtime;
Step -= 5;
}

}
if(readingDown == 1 && readingUp == 0) {
if(program_runtime – previousMillis > interval) {
previousMillis = program_runtime;
Step += 5;
}

}
Step = constrain(Step, -150, 150);
if(readingDown == 0 && readingUp == 0) Step = 0;

//plot.SendData(“pid”, writemotor);
Serial.println(Step);
if(Step > 0) moveup(Step);
if(readingUp == 0 && readingDown == 0) stopmove();
if(Step < 0) movedown(Step);

}

Componentes necesarios

1 × calibrador de tensión con el amplificador de celda de carga
1 × Aluminio 4 x 30 x al menos 2000 mm
1 × Arduino Uno / Nano
1 × controlador de motor VNH2SP30
1 × Motor del limpiador del parabrisas del coche
1 × cables largos
1 × Potenciómetro
1 × Li-Po batería 3S 5500mAh
1 × Tornillos y tuercas. M4 y M6
1 × Cinta adhesiva
1 × Zipties
1 × Correas
1 × Placas de madera
1 × Tubo termorretráctil

 

 

En el siguiente vídeo el autor describe mas detalles de construcción   de este excelente  exo-brazo:

 

 

Mas información en https://hackaday.io/project/20663-assistive-exoskeleton-arm-exoarm#menu-description