Mecatrónica

pj─123─m Prótesis robótica con actuadores de nitinol

  • Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
  • Área de participación: Mecatrónica
  • Asesor: MARISA CALLE MONROY
  • Equipo [ ]: Emmanuel Martínez Rivera() , Santiago Gómez Salgado() , Romina Morales Vázquez(1o Tulum)

Resumen

Las aleaciones Ni-ti o Nitinol (niquel titanium naval ordence laboratory) tienen propiedades de memoria de forma, además de elasticidad y gran resistencia. La memoria de forma es una de las más utilizadas propiedades del nitinol, también es una muy buena fuente de movimiento. La memoria de forma funciona por medio de diferentes fases cristalográficas que dependiendo de la temperatura (ambiente o calor), la estructura de la aleación tomará distintas formas a escala molecular y, por lo tanto, al calentarse las moléculas se reacomodan y la aleación Ni-ti regresa a su forma original. Cuando la memoria de forma es aplicada en la robótica se pueden reemplazar los motores, ya que, al regresar a la forma original del alambre, se puede hacer que, por ejemplo, que un objeto articulado se abra y al deformarse con resortes se cierre, Con este movimiento se pueden sustituir a los motores que son pesados y a veces incómodos. A pesar de ser ligero el Ni-ti es fuerte. Las prótesis robóticas comerciales normalmente son muy pesadas porque tienen motores para poder realizar los movimientos, los cuales son poco naturales, las prótesis articuladas con alamabres de  nitinol realizan movimientos lentos pero lucen más naturales. La aleación no es fuerte debido a que la mano es de madera, es pesada. El costo de nuestro prototipo ronda por los $401.50 MXN. A comparación de las prótesis normales esta es mas barata y aunque tiene movimientos un poco lentos son naturales y no requieren demasiado mantenimiento como las prótesis robóticas comerciales.

 

Pregunta de Investigación

¿Cómo diseñar y construir una prótesis roboótica con actuadores de nitinol?

Planteamiento del Problema

Las prótesis robóticas son pesadas y demandan mucha energía, lo cual puede ser molesto para algunas personas además de no tener tantas propiedades como la aleación Ni-Ti. Una prótesis de nitinol no utiliza motores como base de movimiento, sino utiliza la memoria de forma, al igual que tiene transformación termoelástica, es compatible con la materia orgánica, es más ligera y no utiliza motores. Las prótesis robóticas de aleación Ni-Ti consta de 5 alambres que son sujetados a las falanges de los dedos y al aplicarle una corriente eléctrica cambiará su forma y los dedos se abrirán o se cerrarán.

Antecedentes

Las aleaciones de NiTi en proporciones casi equimolares tienen propiedades de memoria de forma excelentes y encuentran múltiples aplicaciones en la industria y la medicina, en gran medida por su gran compatibilidad con los tejidos humanos, se han usado en microbombas que reemplazan funciones del corazón o los riñones, en “stents” para liberar arterias obstruidas y también son muy usadas en ortodoncia.

De define como aleaciones con memoria o SMA por sus siglas en inglés (Shape memory alloys) como aquellas que tienen la capacidad de retornar a su forma predeterminada cuando se calienta debido a cambios en su estructura cristalina. Esta propiedad permite aprovechar las grandes fuerzas que se generan.

Una de las aleaciones más común es la de níquel y titanio, nitinol, misma que posee muy buenas propiedades eléctricas y mecánicas, resiste la corrosión y la fatiga. Al usarla como actuador puede tener 5% de recuperación de tensión y su estrés de restauración alcanzar las 50,000 lb/pulg2 con muchos ciclos. Un alambre de 0.02 pulgadas de diámetro puede levantar hasta 16 libras. Otra importante característica es la posibilidad de accionarlo eléctricamente por calentamiento, esto es, cuando una corriente pasa a través del material se puede generar suficiente calor para causar la transformación. De esta manera el Nitinol es un actuador, sensor y calentador en un solo material.

Las primeras aleaciones fueron desarrolladas en 1962 por William Buehler y Frederick Wang y lo llamaron Nitinol, Niquel Titanium Naval Ordnance Laboratory (Níquel Titanio Laboratorio de Artillería Naval).

Los primeros descubrimientos de esta característica de memoria de forma tuvo lugar en 1932, donde el sueco Arne Ölander, descubrió este comportamiento con una aleación de Oro-Cadmio, después en 1938 A. b: Greninger y V.G, Mooradian observaron la fase martensítica aparecer y desaparecer con los cambios de temperatura en una aleación de Cobre-Zinc, dichas investigaciones se ampliaron por Kurdjumov y Khandros en 1949 y posteriormente por Chang y Read en 1951.

Fue en la década de los 60´s cuando surgieron los mayores avances en el tema, W. Buehler y sus compañeros del laboratorio naval de artillería de los Estados Unidos descubrieron la característica de memoria de forma de una aleación equiatómica de níquel y titanio a la que llamaron “Nitinol”. Las aplicaciones médicas surgieron en los años 70´s y específicamente las aplicaciones en ortodoncia y ortopedia en los 80’s.

No obstante fue hasta la década de los años 1990 que las aplicaciones comerciales en medicina estuvieron disponibles.

Además de las aleaciones NiTi existen otras con características similares, como la superelasticida, que se diferencia de la memoria de forma en que en este último caso no es necesario aplicar temperatura, por ejemplo:

  • Níquel-Niobio
  • Hierro-Cromo-Níquel-Manganeso
  • Cobre-Zinc
  • Cobre-Aluminio
  • Cobre-Zinc-Alumnio

MEMORIA DE FORMA
La aleación equiatómica de NiTi (50% atómico de Ni y Ti) posee propiedades de memoria de forma y superelasticidad, en un rango del 49% hasta el 52% de níquel, debido a la transformación martensítica termoelástica entre una fase austenítica y una fase martensítica, de tal manera que el material pueda recuperar su forma predeterminada después de haber sufrido una deformación macroscópica e incluso al sufrir una deformación elástica hasta un 8-10%, a diferencia de un metal normal que llegaría a deformarse plásticamente a partir de un 0.2% de elongación.

El nitinol puede detectar un cambio a temperatura ambiente y es cpaz de regresar a su forma a una estructura pre-programada. Es suave y fácilmente deformable en su forma de más baja temperatura (martensita) y recupera su forma y rigidez original cuando s ecalienta hasta su forma de más alta temperatura (austenita), lo cual se conoce como memoria de forma en un solo sentido. Hay aleaciones que pueden calentarse por arriba de sus temperaturas de transformación y pueden volver a una forma alternativa al enfriarse, en estos casos se trata de memoria de forma de dos vías.

En la mayoría de los casos, la memoria de forma sucede en una vía y después de enfriarse, la aleación no sufre ningún cambio en su forma, aunque la estructura cambie a martensita.

El efecto de memoria de forma en las aleaciones metálicas se debe a la transición entre dos fases sólidas, una de baja temperatura o martensítica y otra de alta temperatura o austenítica. Esto ocurre sin que exista difusión atómica, es decir, solamente se desplazan los átomos de manera organizada, de modo que la estructura cristalina se modifica.

En el caso de las aleaciones NiTi, se someten a cambios de fase en su estructura cristalina al enfriarse desde una fase más fuerte, la forma de alta temperatura (austenita) a una más débil, la forma de baja temperatura (martensita).

PROPIEDADES DE LAS ALAEACIONES CON MEMORIA DE FORMA (SMA) PRESENTES EN LA ALEACIÓN NiTi

  • Transformación martensítica termoelástica
  • Memoria de forma simple
  • Memoria de forma doble
  • Superelasticidad
  • Pseudoelasticidad
  • Capacidad de amortiguamiento

CORROSIÓN
El Ti y sus aleaciones ha gado gran importancia debido a su gran cantidad de aplicaciones en la industria aeroespacial, química y médica. Tiene una gran resistencia a la corrosión que se relaciona con una película pasivante de oxido en la superficie que las hace muy estables.

BIOCOMPATIBILIDAD
Si entendemos la biocompatibilidad como la interacción de un material introducido en un sistema bilógico vivo, podemos decir que la aleación NiTi posee una muy buena biocompatibilidad y citotoxidad que la hacen excelente opción para aplicaciones biomédicas.

APLICACIONES
Las aplicaciones son cada vez más extensas, por señalar algunos ejemplo exitosos:

  • Hilos de ortodoncia
  • Grapas de osteosíntesis
  • Stents cardivasculares
  • Robótica
  • Sensores para seguridad industrial

ESTRUCTURA CRISITALOGRÁFICA

La estructura cristalina de la fase austenítica en las aleaciones de NiTi se designa estructura B2, que corresponde a una estructura cúbica, donde los átomos de Ni ocupan el centro de la red (en blanco en la figura 3), y los átomos de Ti se representan en color negro en la misma figura.

POROPIEDADES MECÁNICAS

Las aleaciones con memoria de forma NiTi tienen un comportamiento mecánico distinto en función de la fase.

Objetivo

Diseñar y construir una prótesis robótica de una mano con actuadores de nitinol (Niquel-titanium naval ordence laboratory)

Justificación

Diseñaremos y construiremos una prótesis robótica de aleación níquel- titanio que no utilice motores y por lo tanto su peso disminuya a su vez que no demanda la misma cantidad de energía.

Las propiedades de nitinol son: transformación termoelástica, esto conlleva a la memoria de forma, simple y de doble vía, superelasticidad, capacidad de amortiguamiento, biocompatibilidad, lo que la hace un buen sustituto a las prótesis comerciales.

Hipótesis

Si diseñamos y construimos una prótesis robótica con actuadores de nitinol entonces obtendremos una prótesis que gasta menos energía y tiene movimientos más naturales

Método (materiales y procedimiento)

  • Silicón
  • 2 m de alambre de nitinol 0.5mm activación a 70 +- 10º C
  • Baterías de diferentes voltajes y amperajes.
  • Compartimentos para pilas
  • Cables de cobre
  • Mano de madera
  • Botones
  • Cinta de aislar
  • Conectores
  • Cautín
  • Multímetro

-Procedimiento-
1.- Colocar 2 cables de Nitinol por cada dedo de la mano
2.- Conectar 5 alambres de cobre
3.- Conectar los alambres de cobre al interruptor
4.- medir la variable de resistencia con el multímetro
5.- Hacer pruebas

Galería Método

Resultados

Obtuvimos un prototipo de una prótesis robótica de una mano de madera, a cada dedo se le fueron instalados 2 alambres de nitinol en la parte dorsal, el pulgar tiene movimiento independiente y están articulados. La mano mide 25cm y pesa 1 kilogramo aproximadamente. La resistencia total del circuito es de 0.5 ohms, por lo tanto, se seleccionó una batería con voltaje nominal de 6v e intensidad de corriente nominal de 7ª la cual puede vencer una resistencia de 0.85ohms de acuerdo con el calculo que arroja la ley de ohm. El prototipo funciona adecuadamente para mostrar la operatividad de los alambres de nitinol como actuadores mecánicos en una mano robótica y que simulan las fibras de los tendones en los seres vivos.

 

Galería Resultados

Discusión

Las aleaciones de nitinol no eran utilizadas para mover objetos; con nuestro prototipo comprobamos que los alambres de nitinol son capaces de ejecutar el movimiento natural de los dedos de una mano.

Conclusiones

Las aleaciones ni-ti, permiten crear prototipos de una prótesis de una mano de madera articulada con actuadores de nitinol que reaccionan al calor producido por las baterías; la mano tiene movimientos naturales, pero son lentos, no utiliza motores por lo que pesa poco, aunque necesita una fuente de energía alterna.

Bibliografía

  1. Gómez L., Algo; Díaz del Castillo R., Felipe “Nitinol, un biomaterial con memoria de forma”. Lab. Tecnología de Materiales, Departamento de Ingeniería. FES- Cuautitlán. UNAM, México. 2011 pp. 91
  2. Quinayás B. Cesar A. “Diseño y construcción de una prótesis robótica de mano funcional adaptada a varios agarres”. Tesis de Maestría en Automática. Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones. Universidad de Cauca. Popayán, Colombia. 2010. Pág. 42
  3. “Nitinol ́s Crystaline Structure”.
    www.imagesco.com/articles/nitinol/03.ht ml
  4. “Nitinol ́s technical data sheet”
    www.matweb.com
  5. “Prototype instructive”
    www.kelloggsresearchlabs.com


pj─123─m Prótesis robótica con actuadores de nitinol

Summary

The Ni-ti or Nitinol alloys (nickel titanium naval order laboratory) have shape memory properties, in addition to elasticity and great strength. Shape memory is one of the most used properties of nitinol, it is also a very good source of movement. The shape memory works by means of different crystallographic phases that depending on the temperature (environment or heat), the structure of the alloy will take different forms on a molecular scale and, therefore, when heated the molecules are rearranged and the Ni-ti alloy return to its original form. When the shape memory is applied in robotics, the motors can be replaced, since, when returning to the original shape of the wire, it can be caused, for example, that an articulated object opens and when deformed with springs is closed, With this movement, engines that are heavy and sometimes uncomfortable can be replaced. Despite being light Ni-ti is strong. Commercial robotic prostheses are usually very heavy because they have motors to perform the movements, which are unnatural, the prostheses articulated with nitinol jaws make slow movements but look more natural. The alloy is not strong because the hand is made of wood, it is heavy. The cost of our prototype is around $ 401.50 MXN. Compared to normal prostheses this is cheaper and although it has a little slow movements are natural and it do not require much maintenance as commercial robotic prostheses.

Research Question

How to design and build a robotic prosthesis with nitinol actuators?

Problem approach

Robotic prostheses are heavy and demand a lot of energy, which can be annoying for some people besides not having as many properties as the Ni-Ti alloy. A nitinol prosthesis does not use motors as the basis of movement, It uses shape memory, as it has a thermoelastic transformation, is compatible with organic matter, is lighter and does not use motors.

The robotic prosthesis of Ni-Ti alloy consists of 10 wires that are fastened to the phalanges of the fingers and by applying an electric current it will change its shape and the fingers will open or close.

Background

Objective

To design and build a robotic hand prosthesis with nitinol actuators (nickel-titanium naval ordnance laboratory).

Justification

We will design and build a robotic prosthesis of nickel-titanium alloy that does not use motors and therefore its weight decreases, in turn, which does not demand the same amount of energy.
The properties of nitinol are: thermoelastic transformation, this leads to shape memory, simple and double-way, superelasticity, buffer layering, biocompatibility, which makes it a good substitute for commercial prostheses.

Hypothesis

If we design and build a robotic prosthesis with nitinol actuators, then we will obtain a lighter prosthesis, which requires less energy and performs more natural movements.

Method (materials and procedure)

  • Silicone
  • 2 m of nitinol wire 0.5mm activation at 70 + – 10º C
  • Batteries of different voltages and amperages.
  • Batteries compartements
  • Copper wires
  • Jumper wires with crocodile clip
  • Wooden hand
  • Buttons
  • Insulating tape
  • Connectors
  • Soldering Iron
  • Multimeter

-Process-
1.- Place two ni-ti wires for each finger in the hand
2.-Conect 5 copper wires
3.-Connect the wires to the button
4.-Measure the resistance variable with the multimeter
5.-  Make tests

Results

Results We obtained a prototype of a robotic prosthesis with a wooden hand, to each finger were installed 2 nitinol wires in the dorsal part, the thumb has independent movement and all the fingers are articulated. The hand measures 25cm and weighs approximately 1 kilogram. The total resistance of the circuit is 0.5 ohms, therefore, a battery with a nominal voltage of 6v and a rated current of 7A was selected, which according to Ohm’s Law gives us a resistance of 0.85 ohms. The prototype works properly to show the operability of nitinol wires as mechanical actuators in a robotic hand and simulate the fibers of the tendons in living beings

 

Discussion

Conclusions

Ni-ti alloys allow the creation of prototypes of a wooden hand prosthesis articulated with nitinol actuators that react to the heat produced by their own resistance when circulating the electric current supplied by the batteries; the hand has natural movements, but they are slow, due to it does not use motor, it is light, although it needs an alternate source of energy.

Bibliography

  1. Gómez L., Algo; Díaz del Castillo R., Felipe “Nitinol, un biomaterial con memoria de forma”. Lab. Tecnología de Materiales, Departamento de Ingeniería. FES- Cuautitlán. UNAM, México. 2011 pp. 91
  2. Quinayás B. Cesar A. “Diseño y construcción de una prótesis robótica de mano funcional adaptada a varios agarres”. Tesis de Maestría en Automática. Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones. Universidad de Cauca. Popayán, Colombia. 2010. Pág. 42
  3. “Nitinol ́s Crystaline Structure”.
    www.imagesco.com/articles/nitinol/03.ht ml
  4. “Nitinol ́s technical data sheet”
    www.matweb.com
  5. “Prototype instructive”
    www.kelloggsresearchlabs.com