{"id":13827,"date":"2024-08-30T11:46:13","date_gmt":"2024-08-30T17:46:13","guid":{"rendered":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=13827"},"modified":"2024-11-01T09:31:49","modified_gmt":"2024-11-01T15:31:49","slug":"monitoreo-y-control-en-labview-de-un-exoesqueleto-de-aumento-de-fuerza-en-la-articulacion-del-codo","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=13827","title":{"rendered":"Monitoreo y control en LabView de un exoesqueleto de aumento de fuerza en la articulaci\u00f3n del codo"},"content":{"rendered":"
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Fermi\u0301n Castillo-Anaya*\u00a0ORCID: 000-0001-8893-5086
\n<\/span>Manuel Jimenez-Lizarraga*\u00a0<\/span>ORCID: 000-0002-1071-220X
\n<\/span>Antonio Osorio-Cordero**\u00a0<\/span>ORCID: 000-0001-8803-945X<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 27, No.127, septiembre-octubre 2024<\/p>\n

DOI: https:\/\/doi.org\/10.29105\/cienciauanl27.127-7<\/a><\/p>\n<\/div>\n

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Descargar PDF<\/a><\/p>\n

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RESUMEN<\/h4>\n
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El objetivo principal de este arti\u0301culo es el monitoreo y control en tiempo real de las articulaciones de un exoesqueleto desarrollado mediante la programacio\u0301n por flujo de datos utilizando LabView. Se construyo\u0301 un panel de monitoreo y control, el cual consiste en la interconexio\u0301n de bloques de control y visualizacio\u0301n gra\u0301fica. De esta manera, la interaccio\u0301n humano-ma\u0301quina se torna ma\u0301s intuitiva y segura. Se emplea una tarjeta MyRIO, destacada por su alta capacidad de procesamiento de ca\u0301lculos y gra\u0301ficos, permitiendo el procesamiento y filtrado eficiente de sen\u0303ales analo\u0301gicas y digitales. Se incluye una ley de control subo\u0301ptima programada en LabView.<\/p>\n

Palabras clave: LabView, control, panel de monitoreo, exoesqueleto, procesamiento.<\/p>\n

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ABSTRACT<\/h4>\n
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The main goal of this article is to present the real-time monitoring and control of an exos- keleton\u2019s joints, developed through data flow programming using LabView. A monitoring and control panel consisting of the interconnection of control blocks and graphical visualization was de- veloped. In this way, human-machine interaction becomesmore intuitive and safer. A MyRIO card is employed, renowned for its high processing capacity for calculations and graphics, allowing for the efficient processing and filtering of analog and digital signals. A suboptimal control law is also programmed in LabView.<\/em><\/p>\n

Keywords: LabView, exoskeleton, monitoring panel, processing, control.<\/em><\/p>\n

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Los sistemas de control industriales seguidos en tiempo real presentan caracteri\u0301sticas de alto riesgo, por lo que al vigilarlos a distancia y con la interpretacio\u0301n constante del operario, se determinan las condiciones meca\u0301nicas, hidra\u0301ulicas, ele\u0301ctricas, presio\u0301n y temperatura, previniendo riesgos y fallas. Este tipo de monitoreo se denomina sistema SCADA, el cual consiste en supervisar, regular y adquirir datos en tiempo real. Es una herramienta indispensable en la automatizacio\u0301n y vigilancia de procesos industriales modernos. La incorporacio\u0301n del software LabView en la creacio\u0301n de estas\u00a0redes es muy compleja pero eficaz. Nos permite manipular y disen\u0303ar el panel de observacio\u0301n dependiendo de nuestras necesidades. Castillo et al<\/em>. (2019) presentan el modelo matema\u0301tico, disen\u0303o y el ana\u0301lisis del control subo\u0301ptimo del exoesqueleto, el cual garantiza la optimizacio\u0301n del consumo energe\u0301tico. Cabe mencionar que puede ser supervisado desde un punto remoto.<\/span><\/p>\n

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LabView permite el uso de varios instrumentos visuales y de programacio\u0301n, los cuales pueden ser utilizados como un laboratorio virtual. De esta manera se\u00a0realiza una comunicacio\u0301n para la inspeccio\u0301n a distancia mediante una herramienta de WebPager, asi\u0301 como los instrumentos ba\u0301sicos que esta plataforma proporciona a sus desarrolladores (Titov et al<\/em>., 2013). Una aplicacio\u0301n, por ejemplo, en el campo de las energi\u0301as renovables, es el continuo monitoreo de paneles solares. Mediante la interfaz en tiempo real se visualiza el suministro de la energi\u0301a obtenida por la radiacio\u0301n solar y el consumo energe\u0301tico del usuario. Esto ayuda a aumentar el rendimiento o\u0301ptimo en el sistema, regula\u0301ndolo de forma local o remota (Khuwaja et al.<\/em>, 2015).<\/span><\/p>\n

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Las aplicaciones de LabView pueden expandirse de manera tal que no so\u0301lo se vigila el sistema, sino que tambie\u0301n se controla. Una aplicacio\u0301n ti\u0301pica de e\u0301ste se enfoca en controlar la velocidad de un motor de corriente continua, aplicando un controlador proporcional integral y derivativo (PID). La velocidad del motor es obtenida por un decodificador o\u0301ptico y es transformada proporcionalmente al voltaje mediante sen\u0303ales PWM. Este sistema es analizado por varios experimentos que validan la interfaz gra\u0301fica y el control (Gasparesc, 2016). Este u\u0301ltimo tambie\u0301n es utilizado en diferentes entornos industriales para controlar la velocidad, posicio\u0301n, temperatura, vibraciones de un motor de alta potencia de manera remota, donde se deben observar continuamente su funcionamiento o\u0301ptimo y las condiciones del a\u0301rea de trabajo. Por lo tanto, la plataforma LabView, mediante el monitoreo a distancia, disminuye accidentes en lugares de alto riesgo (Magdum et al<\/em>., 2016).<\/p>\n

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En el a\u0301rea acade\u0301mica, LabView se ha utilizado en la creacio\u0301n de varias interfaces de comunicacio\u0301n con otros programas, incorporando ana\u0301lisis de datos, procesamiento de sen\u0303ales, visio\u0301n artificial y control. Por lo que la interfaz de comunicacio\u0301n con el software Matlab ofrece ca\u0301lculos matema\u0301ticos, simulaciones de distintos controladores basados en el modelo matema\u0301tico y programacio\u0301n dina\u0301mica, dando como resultado una interpretacio\u0301n gra\u0301fica e intuitiva de los modelos robo\u0301ticos analizados (Cansalar et al<\/em>., 2015).<\/p>\n

En el campo de la medicina tambie\u0301n se ha implementado a un nivel cerebral, donde la deteccio\u0301n del estre\u0301s mental mediante la adquisicio\u0301n y procesamiento de sen\u0303ales EEG y EOG son analizadas con el objetivo de disminuir el estre\u0301s y la fatiga en el paciente (Roy et\u00a0<\/em>al<\/em>., 2014). La unio\u0301n entre la robo\u0301tica y la medicina se aplica en la rehabilitacio\u0301n de articulaciones o mu\u0301sculos del cuerpo humano. Por lo que obliga a la robo\u0301tica a disen\u0303ar y controlar pro\u0301tesis ma\u0301s sofisticadas, de tal manera que el monitoreo en tiempo real es esencial. Estas interfaces se realizan mediante una tarjeta de adquisicio\u0301n de datos y la plataforma LabView.<\/span><\/p>\n

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La pro\u0301tesis de rehabilitacio\u0301n realizada por Shuxiang et al<\/em>. (2017) tiene un panel de control y monitoreo, el cual permite observar que\u0301 movimiento del brazo o antebrazo se esta\u0301 realizando, los grados de flexio\u0301n y extensio\u0301n de la articulacio\u0301n del codo y su velocidad de movimiento. Un exoesqueleto para la articulacio\u0301n del codo controlado por sen\u0303ales EMG utiliza una interfaz de vigilancia y programacio\u0301n por flujo de datos en el entorno de LabView. Aunque la plataforma experimental es de bajo costo, es eficiente, dando resultados gra\u0301ficos en tiempo real sobre el comportamiento del bi\u0301ceps y tri\u0301ceps del cuerpo humano (Krasin et al<\/em>., 2015).<\/p>\n

En este arti\u0301culo se presenta un sistema de monitoreo local y a distancia en tiempo real, con un exoesqueleto de aumento de fuerza en la articulacio\u0301n del codo. Esto con el objetivo de observar el comportamiento de los sensores y actuadores del mismo. La adquisicio\u0301n de datos es a trave\u0301s de la tarjeta MyRIO, la cual tiene un procesador A4, mu\u0301ltiples entradas y salidas analo\u0301gicas y digitales. La programacio\u0301n es por flujo de datos en LabView. Esto nos permite observar cada li\u0301nea de programacio\u0301n y rendimiento. Tambie\u0301n se presentan pruebas experimentales del sistema hi\u0301brido y de cada actuador que lo compone.<\/p>\n

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FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA<\/h4>\n
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Control del exoesqueleto<\/h4>\n
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La plataforma del exoesqueleto consiste en un sistema hi\u0301brido que es ba\u0301sicamente la combinacio\u0301n de dos tipos de actuadores: los mu\u0301sculos artificiales y los motores ele\u0301ctricos funcionando de manera si\u0301ncrona, de esta manera se aumenta la fuerza en\u00a0la articulacio\u0301n del codo. El objetivo es optimizar el consumo energe\u0301tico del sistema ele\u0301ctrico y neuma\u0301tico para proporcionar ma\u0301s tiempo de autonomi\u0301a, asi\u0301 como regular la posicio\u0301n. Tambie\u0301n tiene va\u0301lvulas neuma\u0301ticas de alta frecuencia que permiten regular el caudal de aire ingresado en cada actuador. En la retroalimentacio\u0301n de la posicio\u0301n se utilizan encoders<\/em> incrementales, los cuales generan pulsos digitales que generan la posicio\u0301n angular en la articulacio\u0301n del codo. En la figura 1 se observa la instrumentacio\u0301n, asi\u0301 como el diagrama de cuerpo libre que pertenece a la estructura meca\u0301nica del exoesqueleto.<\/span><\/p>\n

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Figura 1. Instrumentaci\u00f3n y diagrama de cuerpo libre del exoesqueleto para aumento de fuerza en la articulaci\u00f3n del codo.<\/p><\/div>\n

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El exoesqueleto tiene tres leyes de control, dos para los mu\u0301sculos artificiales y una para el motor ele\u0301ctrico. Los actuadores neuma\u0301ticos funcionan de manera antagonista, como el bi\u0301ceps y el tri\u0301ceps del cuerpo humano, mientras que el motor funciona sin interrupciones, es decir, en el movimiento de flexio\u0301n\u00a0y extensio\u0301n en la articulacio\u0301n del codo. Con el fin de validar el funcionamiento del sistema hi\u0301brido se realizaron pruebas experimentales con cada actuador de forma individual. Las gra\u0301ficas del comportamien- to de cada actuador se observan en la figura 2.<\/span><\/p>\n

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Figura 2. Actuadores del codo, validaci\u00f3n del sistema h\u00edbrido y modelo matem\u00e1tico del exoesqueleto para aumento de fuerza.<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Es notable co\u0301mo al unir dos actuadores diferentes el comportamiento del sistema cambia. Los mu\u0301sculos artificiales generan 70% de la fuerza al realizar los movimientos de flexio\u0301n y extensio\u0301n y el motor ele\u0301ctrico 30% restante. De esta forma se pueden levantar 24 kg entre las dos extremidades del exoesqueleto. Para validar el control subo\u0301ptimo se realizaron simulaciones basadas en ca\u0301lculos matema\u0301ticos. Esta ley propuesta por Santos et al<\/em>. (2016) garantiza por un i\u0301ndice de desempen\u0303o la optimizacio\u0301n de energi\u0301a. En la figura 3 se observa la posicio\u0301n en cada una de las articulaciones del exoesqueleto iniciando en 20\u00b0, alcanzando una posicio\u0301n de 70\u00b0 en\u00a0extensio\u0301n y regresando a su posicio\u0301n inicial de 20\u00b0, tambie\u0301n se visualiza la sen\u0303al del control, asi\u0301 como la ley de control subo\u0301ptimo.<\/span><\/p>\n

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Figura 3. Simulaci\u00f3n y ley de control sub\u00f3ptimo para posicionar la articulaci\u00f3n del codo a 70\u00b0.<\/p><\/div>\n

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APLICACIONES PRA\u0301CTICAS<\/h4>\n
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Monitoreo del exoesqueleto<\/h4>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n
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El exoesqueleto esta\u0301 vigilado en tiempo real, por lo que el disen\u0303o y la programacio\u0301n se realizaron en la plataforma LabView de NI National Instruments. El panel de control y monitoreo se divide en dos secciones: la primera se visualiza en la figura 4, donde se observa la posicio\u0301n mediante un taco\u0301metro digital llamado joystick, el boto\u0301n de emergencia, el sistema de energi\u0301a para las va\u0301lvulas neuma\u0301ticas, la energi\u0301a de los motores, el funcionamiento neuma\u0301tico, el sistema nume\u0301rico de control, el cual indica la posicio\u0301n angular, las matrices de penalizacio\u0301n del control\u00a0(Q-R) que garantizan la estabilidad y, finalmente, el sistema de vigilancia y adquisicio\u0301n a distancia del exoesqueleto.<\/span><\/p>\n

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Figura 4. Panel de mandos del sistema el\u00e9ctrico, neum\u00e1tico y almacenamiento de datos a distancia.<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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En la figura 5 se visualiza la segunda seccio\u0301n del panel de monitoreo, donde se indican las gra\u0301ficas de la posicio\u0301n angular correspondientes a la flexio\u0301n y extensio\u0301n del codo. E\u0301stas son de color rojo y azul indicando el seguimiento de trayectoria en la articulacio\u0301n del codo. Las gra\u0301ficas azules proporcionan informacio\u0301n sobre la velocidad angular de cada una de las articulaciones, mientras que las rojas son las tres sen\u0303ales de control subo\u0301ptimo de los mu\u0301sculos neuma\u0301ticos y el motor ele\u0301ctrico.<\/p>\n

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Figura 5. Panel de visualizaci\u00f3n para las se\u00f1ales de control, posici\u00f3n y velocidad angular.<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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La programacio\u0301n es por flujo de datos; la interconexio\u0301n, por medio de bloques y de instrumentos digitales (figura 6). En este tipo de programacio\u0301n, cada color indica un tipo de dato establecido por LabView. Las estructuras utilizadas son similares a las del co\u0301digo C++. Cabe mencionar que es posible visualizar el monitoreo desde un panel a distancia sin afectar los movimientos del exoesqueleto.<\/p>\n

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Figura 6. Programaci\u00f3n por flujo de datos en LabView para el monitoreo y mando de un exoesqueleto.<\/p><\/div>\n<\/div>\n

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La programacio\u0301n del exoesqueleto consiste en un controlador subo\u0301ptimo. El primer y segundo mandos son para los mu\u0301sculos neuma\u0301ticos que funcionan de forma antagonista, y el tercero del motor ele\u0301ctrico que funciona continuamente. Por lo tanto, el ahorro energe\u0301tico se observa confrontando este controlador contra uno PD+g, que interviene simulta\u0301neamente los tres actuadores. En la figura 7 se observa una gra\u0301fica de cotejo del incremento de fuerza, asi\u0301 como las del control subo\u0301ptimo, las cuales tienen una energi\u0301a ma\u0301xima de 50 N, en comparacio\u0301n con el PD+g, que tiene 250 N. Esto concluye que el controlador propuesto disminuye el gasto energe\u0301tico, aumentando la autonomi\u0301a y fuerza del exoesqueleto.<\/p>\n

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Figura 7. Resultados experimentales del ahorro energ\u00e9tico en el exoesqueleto.<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Resultados del ahorro energe\u0301tico del exoesqueleto<\/h4>\n
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La programacio\u0301n realizada para el panel de monitoreo en tiempo real funciona perfectamente. Las sen\u0303ales de adquisicio\u0301n de datos son filtradas y analizadas en la tarjeta MyRIO. El acoplamiento de la etapa de potencia con la digital es preciso, asi\u0301 como la conexio\u0301n remota; aunque existe un retardo en la actualizacio\u0301n de datos, esto depende del servicio de Internet que se utiliza. El sistema hi\u0301brido, que consiste en la combinacio\u0301n del actuador neuma\u0301tico con el motor lineal, funciona correctamente auxiliando al mu\u0301sculo bi\u0301ceps y tri\u0301ceps del cuerpo humano. La ley de control\u00a0garantiza un ahorro energe\u0301tico y es estable ante las perturbaciones externas. Una de las a\u0301reas de investigacio\u0301n es la robo\u0301tica aplicada a sistemas auto\u0301nomos en exoesqueletos para la rehabilitacio\u0301n y aumento de carga, lo que extiende un amplio campo de aplicaciones en el a\u0301rea industrial y me\u0301dica.<\/span><\/p>\n

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AGRADECIMIENTOS<\/h4>\n
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Agradecemos a la Universidad Auto\u0301noma de Nuevo Leo\u0301n; gracias al Proyecto ProACTI, con clave 141-IDT-2023, se alcanzaron los objetivos y metas de este proyecto. Asi\u0301 como la colaboracio\u0301n de investigadores del Centro de Investigacio\u0301n y de Estudios Avanzados del Instituto Polite\u0301cnico Nacional del Laboratorio Franco Mexicano UMI-LAFMIA.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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* Universidad Auto\u0301noma de Nuevo Leo\u0301n, San Nicola\u0301s de los Garza, Me\u0301xico. ** CINVESTAV-Instituto Polite\u0301cnico Nacional, Ciudad de Me\u0301xico, Me\u0301xico.
\nContacto: fer_castillo3103@hotmail.com<\/p>\n

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REFERENCIAS<\/h4>\n
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Recibido: 12\/02\/2024<\/strong>
\nAceptado: 28\/06\/2024<\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Fermi\u0301n Castillo-Anaya*\u00a0ORCID: 000-0001-8893-5086 Manuel Jimenez-Lizarraga*\u00a0ORCID: 000-0002-1071-220X Antonio Osorio-Cordero**\u00a0ORCID: 000-0001-8803-945X CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 27, No.127, septiembre-octubre 2024 DOI: https:\/\/doi.org\/10.29105\/cienciauanl27.127-7 Descargar PDF RESUMEN El objetivo principal de este arti\u0301culo es el monitoreo y control en tiempo real de las articulaciones de un exoesqueleto desarrollado mediante la programacio\u0301n por flujo de datos utilizando LabView. Se construyo\u0301 un panel de monitoreo y control, […]<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":13830,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_monsterinsights_skip_tracking":false,"_monsterinsights_sitenote_active":false,"_monsterinsights_sitenote_note":"","_monsterinsights_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[27],"tags":[],"class_list":["post-13827","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-investigacion"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/13827","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/4"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=13827"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/13827\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":13874,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/13827\/revisions\/13874"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/13830"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=13827"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=13827"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=13827"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}