Modelo matemático de una articulación tipo rotoide accionada por músculos artificiales

Mathematical model of a rotoid-type joint driven by artificial muscles

En este estudio se presenta un modelo matemático detallado de un músculo-tendón, utilizado en el diseño de una articulación tipo rotoide impulsada por músculos artificiales. Se emplea un enfoque de Diseño Asistido por Computadora (CAD) para evaluar y validar los parámetros más adecuados para la construcción de la articulación. La integración del modelo CAD con MATLAB permitió obtener valores específicos, como un rango de movimiento de ±20° y un torque máximo de 6,0 kg-cm ejercido sobre el eje de rotación por el prototipo desarrollado. Estos resultados destacan la eficacia del modelo propuesto y su aplicación potencial en el diseño de articulaciones biomecánicas.

1. INTRODUCCIÓN

La investigación y desarrollo de los músculos artificiales ha ido aumentando a través de los años, debido al interés de los ingenieros y científicos en simular el comportamiento real de los músculos biológicos. Para lograr este objetivo se han desarrollado actuadores cuyo principio físico de funcionamiento puede ser neumático, hidráulico o electromagnético, esto genera que el actuador pueda doblarse, expandirse y contraerse gracias a la influencia de fuerzas extremas.

Los actuadoresSMA(Shape Memory alloy) o actuadores de aleación con memoria de forma, son utilizados comúnmente en robots biomimeticos debido a su alta relación potenciamasa, conformidad inherente, niveles bajos de ruido y peso ligero [1]. Los actudores SMA permiten al material recuperar su estado inicial mediante estímulos de calentamiento interno o externo. Sin embargo, este tipo de actuadores presenta una alta no linealidad y una incertidumbre paramétrica y es un reto para desarrollar una estrategia de control para este tipo de músculos con base en SMA [2].

El material más utilizado para la fabricación de los SMA es la aleación de Níquel y Titanio (NiTi) [3,4,5]. En la tabla 1 se pueden observar las propiedades que prestan los SMA activados térmicamente.

En la literatura se han desarrollado estrategias de control de los SMA, [6,1]. El modelo Tanaka [4], describe las variables termoplásticas de los SMA, [7] en donde realizan un control feedback para medir la intensidad de corriente inducida en el material y realizar su caracterización. Las estrategias de control sugeridos en la literatura son los siguientes:

• Feedforward control: Realizado para compensar las no linealidades del sistema o para realizar tareas simples.
• ON-OFF control: Para robots auto configurables y la locomoción de robots biomimeticos.
• Feedback control: Mejora el rendimiento de los actuadores, tener un mayor control de posición del SMA.