Articulo Mano Artificial Controlada Mioelectricamente.pdf

8/11/2019 Articulo Mano Artificial Controlada Mioelectricamente.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/articulo-mano-artificial-controlada-mioelectricamentepdf 1/6

MANO ARTIFICIAL CONTROLADA MIOELÉCTRICAMENTE

Resumen

La mano artificial está diseñada para ser utilizada por

personas que hayan sufrido discapacidad por

amputación traumática o congénita por debajo del codo

y que aún conserven actividad eléctrica-muscular. La

prótesis cuenta con veinte grados de libertad (GDL) y

sensores electromiográficos, que capturan los

potenciales mioeléctricos del músculo residual del

paciente, siendo amplificados y filtrados en un circuito

electrónico, encargado de adecuar dicha señal

electromiográfica (EMG). Se emplea un

microcontrolador PIC para gobernar la rotación y

velocidad de un servomotor alojado en el elemento

terminal (mano), el cual controla los movimientos deapertura y cierre de la misma, permitiéndole al paciente

desempeñar algunas funciones similares a la mano

humana perdida. Se emplean herramientas de Diseño

Asistido por Computador (CAD) para el diseño y

construcción de los componentes de la mano, tomando

en consideración la antropometría del paciente. El

prototipo de mano artificial fue probado en un paciente,

arrojando resultados satisfactorios en cuanto a la

destreza, adaptación en el agarre y tiempo de

entrenamiento.

Palabras Claves —Prótesis mioeléctrica,Electromiografía, Microcontrolador PIC, DiseñoAsistido por Computadora.

I.

INTRODUCCIÓN

Con el crecimiento del número de personas condeficiencia física de los miembros superiores, el área dediseño y mejora de los equipos de rehabilitación escuestión de máxima importancia en el ámbito de la bioingeniería.

En el caso de pacientes con algún tipo de dicapacidadcongénita o amputación de los miembros superiores, se puede hacer la recuperación utilizando prótesis,sustituyendo así los miembros dañados o perdidos. Sin

embargo, dicha sustitución no es satisfactoria en lamayoría de los casos. Uno de los principales problemasmencionados por los usuarios de prótesis de miembrossuperiores, es la poca similitud de éstas en relación con elmiembro natural.

Conforme aumenta la severidad de la amputación, elmiembro pierde más funciones y al mismo tiempo se pierden músculos de los cuales se podrían extraer señalesmioeléctricas. Considerando este aspecto, el trabajo tienecomo principal objetivo desarrollar una prótesis demiembro superior dotada de sensores electromiográficos,sensor de presión, con amplio número de grados delibertad, permitiendo así mejorar la capacidad funcional

de la prótesis.

La prótesis utiliza un servo motor como elementoactuador electrónico y un microcontrolador PIC para procesar la información sensorial y controlar tanto elsentido de giro del servo motor como su velocidad. Eneste trabajo se contempla la antropometría de la mano para la construcción del sistema mecánico de la prótesis afin de lograr mayor similitud con la mano humananatural.

Mano Artificial Controlada Mioeléctricamente(Junio 2010)

José O. Ramírez V. BIO INGENIERÍA & ROBÓTICA C.A.

Edo. Táchira, c.p. 5001, Venezuela.

[email protected] Rafael O. Mendoza

Instituto Universitario de Tecnología Agro Industrial (IUT)Dpto. de Electrónica Industrial.

Región Los Andes, Edo. Táchira, c.p. 5001, Venezuela. [email protected]

Miguel A. Márquez R.Universidad Nacional Experimental del Táchira. (UNET)

Lab. de Prototipos, Decanato de Investigación.Edo. Táchira, c.p. 5001, Venezuela.

[email protected]




Todo el diseño de la prótesis se ha realizado en CAD bajolos principios del Diseño para Manufactura (DPM), y sehan designado espacios específicos en la prótesis para lossensores, los circuitos electrónicos y el elemento de potencia de la misma. Dada las características de dicha prótesis se pretende que este estudio contribuya en primer

lugar a mejorar las capacidades físicas y de interaccióndel individuo con el medio que le rodea; y en segundolugar, a disminuir el nivel de rechazo de las prótesismioeléctricas, principalmente aquel relacionado con la poca interacción que el paciente tiene con el ambiente y ala poca similitud de las prótesis con la mano natural.

II. CONTENIDO

A. Punto de Referencia: La Mano humana

La relevancia de la mano humana como referencia dediseño se basa en que el ser humano utiliza su manocomo primer contacto con el mundo para conocerlo ydesenvolverse en él. La mano es el elemento más comúnen el que se piensa para realizar la manipulación oaprehensión de objetos. La Figura 1 muestra una manohumana y su complejo sistema estructural [1].

Fig. 1. La mano humana.

La mano humana tiene un número alto de grados delibertad, alta relación fuerza / peso (incluida la fuente deenergía), bajo factor de forma (compacta) y un sistemasensorial complejo [2]. La mano humana cuenta con másde 25 GDL, que permiten múltiples configuraciones deaprehensión y manipulación con los dedos y la palma.

Cada dedo cuenta con dos articulaciones tipo bisagra(rotación en un solo plano) y una articulación en la basecon dos GDL, donde uno de los ejes de rotación es paralelo a los ejes de rotación de las articulaciones tipo bisagra y el segundo es perpendicular a este y normal a la palma.

B. Sensores Electromiográficos

Son utilizados para la detección de la contracción ydistensión muscular [3]. Se han utilizado electrodossuperficiales, comerciales y desechables, sobre losmúsculos del antebrazo y conectados directamente a dosentradas del circuito amplificador- acondicionador EMG,(ver Fig. 2).

Fig. 2. Electrodos superficiales desechables sobre elmúsculo residual del paciente.

C. Circuito Electrónico EMG, para la

adecuación de la señal mioeléctrica.

Se ha diseñado y desarrollado un circuito electrónico que permite la captura y adecuación de la señal mioeléctrica proveniente de los músculos residuales del miembro

superior del paciente. El tamaño del circuitofue considerado de vital importancia procurando en todomomento la reducción de las dimensiones de dichocircuito, puesto que éste aspecto es de vital importanciaasí como el consumo de energía, la cual tiene graninfluencia en la autonomía de la prótesis (ver Fig. 3).




Fig. 3. Circuito electrónico EMG

D.

Microcontrolador PIC

Considerando las diversas señales a controlar, tales como,las procedentes de los canales musculares, señales de

sensores, y cualquier otra que permita informaciónsensorial, se ha elegido un microcontrolador programablePIC de la familia 16F8X (Fig.4), el cual posee 8 entradasy 5 salidas digitales, el cual es adecuado para el númerode sensores presentes en la prótesis (mioeléctrico, presión, nivel de batería, interruptores de final decarrera). Además dicho microcontrolador dispone desalida PWM (Pulse Wide Module).

Fig. 4. Microcontrolador PIC 16F8XX

Para posibilitar la apertura y cierre de la prótesis, se hadesarrollado un circuito electrónico capaz de accionar elservo motor de pequeñas dimensiones, el cual está

acoplado a la palma de la mano artificial. Dicho circuitoes comandado por señales PWM enviadas por elmicrocontrolador PIC, lo que permite girar el motor enlos dos sentidos y controlar su velocidad. En La Figura 3se muestra la tarjeta EMG incluyendo el circuito decontrol mioeléctrico desarrollado como parte de este proyecto.

E. Sensor de presión

Para la detección de la acción de apriete del objeto siendoagarrado, se empleará un sensor de presión adosado a lamano artificial cuya salida se conecta directamente a unaentrada del PIC. (ver Fig. 5).

Fig. 5. Sensor de Presión.

F. Programación del Microcontrolador PIC

Se ha desarrollado un programa para el microcontroladorcapaz de procesar la información procedente de lossensores y controlar los elementos de potencia presentesen la prótesis. Por ejemplo, para que el usuario puedacerrar la mano artificial es necesario que se cumplan doscondiciones: Primero, se debe ejecutar una determinadacontracción o distensión muscular (captada por lossensores electromiográficos y procesada por el

microcontrolador como indicativo de necesidad de cerrarla mano); la segunda condición establece que la presiónejercida por la mano no haya llegado a su límite(detectado a través del sensor de presión). En casocontrario acepta únicamente comandos para abrir lamano.

G. Guante Cosmético

Un factor importante para reducir el impacto psicológicoal paciente con el uso de una prótesis de miembro

superior, es el aspecto exterior que la misma ofrezca, esdecir que la mano artificial debe presentar un aspecto lomas parecido a la mano real, y esto se logra empleandoun guante cosmético de látex, con característicassimilares a la piel humana. La Fig. 6 muestra un guantede látex desarrollado y fabricado para este proyecto.




Fig. 6. Guante Cosmético desarrollado.

H. Diseño de la Prótesis utilizando CAD

Se han utilizado programas CAD para la realización deldiseño de la prótesis de mano, considerando que estadebe ser lo más parecida posible a una mano humana, basada en la antropometría del paciente, esta debe tenersuficiente espacio interno para alojar todo el hardwarecompuesto de sensores, microcontrolador, placas decircuitos electrónicos, servo motor, y baterías. El diseñode una falange proximal de dedo, empleando Solid Edgese muestra en la Fig. 7.

Fig. 7. Falange proximal realizado enSolid Edge.

En la Fig. 8 puede observarse no solo los diversoscomponentes que constituyen el proyecto, sino además, la parte estructural del brazo. Este componente es de vitalimportancia porque es allí en donde se deben alojar todoslos componentes del hardware de la mano artificial.

Fig. 8. Diseño Conceptual del proyecto

I.

Especificaciones de diseño

El proyecto se ha desarrollado considerando diversosfactores que permiten brindar una alternativa funcional al paciente en el uso de una prótesis de miembro superior. Afin de determinar las especificaciones de diseño se utilizóla técnica conocida como “La Voz del Cliente”, mediantela cual fue posible establecer las prioridades de los potenciales usuarios [5].

Las especificaciones de diseño más relevantes son:• 20 grados de libertad en la mano.• Mano completamente funcional.•

Exterior con apariencia natural.•

Forma estructural humana.• Mínimo impacto psicológico en el paciente

discapacitado.•

Controlada a voluntad por la actividad eléctricamuscular.

•

Uso del espacio de trabajo físico similar al brazohumano.

• Auto adaptación en el agarre.• Basada en la Antropometría del paciente

J. Diseño Mecánico de los dedos de la mano

La estructura que conforma cada uno de los dedos se basadirectamente en la existencia de las falanges yarticulaciones de los dedos de la mano humana, las cuales permite cuatro (4) GDL en las acciones de flexión yextensión así como movimientos de aducción –abducción de los dedos [4], tal como se muestra en la Fig.9.




Fig. 9. Diseño mecánico de los dedos.

K. Dedo Pulgar de la mano artificial

El diseño desarrollado permite que el dedo pulgar realiceun movimiento de flexión – extensión así como laaducción – abducción con oposición del mismo frente alos dedos índice y medio, lo que permite la acciónfuncional de la mano y su apariencia más natural, talcomo se observa en la Fig. 10.

Fig. 10. Pulgar en flexión.

L. Elemento de potencia y Sistema de

Accionamiento Mecánico

Se emplea un servo motor de última generación,específico para el uso en proyectos de robótica, que lohacen adecuado al proyecto y cuyas principalescaracterísticas son: elevado momento de torsión,reducidas dimensiones, y bajo consumo de potencia (verFig. 11).

Fig. 11. Servomotor actuador electrónico.

El sistema de accionamiento mecánico emplea el principio natural de la mano humana, basándose en la presencia de “tendones artificiales” los cuales permiten laflexión y extensión de los dedos de la mano artificial conun movimiento similar a los dedos humanos.

La integración de todos los elementos que componen lamano artificial puede ser observada de manera conceptualen la Fig. 12.

Fig. 12. Componentes de la prótesis mioeléctrica.

CANALES

MUSCULARES

SEÑALES

MIOELECTRICAS

SENSORES

ELECTROMIOGRAFICOS

ELECTRODOS

AMPLIFICADORES

FILTROS

RECTIFICADORES

DRIVER

CONMUTADOR

MOTOR

PASO A PASO

ACTUADORES

ACCIONAMIENTO

MECANICO

SENSOR DE FUERZA

SENSOR DE

TEMPERATURASISTEMA

ALIMENTACION

BATERIAS

RETROALIMENTACION

MICROCONTROLADOR

SOPORTE

CANALES

MUSCULARES

SEÑALES

MIOELECTRICAS

SENSORES

ELECTROMIOGRAFICOS

ELECTRODOS

AMPLIFICADORES

FILTROS

RECTIFICADORES

DRIVER

CONMUTADOR

MOTOR

PASO A PASO

ACTUADORES

ACCIONAMIENTO

MECANICO

SENSOR DE FUERZA

SENSOR DE

TEMPERATURASISTEMA

ALIMENTACION

BATERIAS

RETROALIMENTACION

MICROCONTROLADOR

SOPORTE




III. R ESULTADOS

El resultado obtenido es una prótesis de miembrosuperior, específicamente una mano artificial controladamioeléctricamente, con 20 grados de libertad, dotada desensores electromiográficos, completamente funcional, de

aspecto anatómico similar a la mano humana natural (verFig. 13), y se presenta como una alternativa de prótesismejorada en comparación a los modelos comercialesexistentes. Las características de diseño de esta prótesis brindan al paciente un mayor grado de adaptabilidad yuso de la prótesis (ver Fig. 14), reduciendo el rechazo psicológico que experimentan otros modelos.

Fig. 13. Mano Artificial ControladaMioelectricamente.

Fig. 14. Paciente empleando la prótesis y realizandomovimientos funcionales.

IV. CONCLUSIONES

A fin de satisfacer el principal objetivo de este proyecto,el cual es el desarrollo de un prototipo funcional de unamano artificial controlada mioeléctricamente, fuenecesario considerar tanto las características

antropométricas como las funcionales de la manohumana.

Se logró el diseño de una mano artificial concaracterísticas y especificaciones favorables, que hacende este proyecto una alternativa de prótesis para pacientesdiscapacitados de miembro superior.

El sistema mecánico desarrollado de los dedos de lamano artificial, permite su adaptación en el momento delagarre con el objeto.

En vista de la necesidad de cubrir la demanda de prótesis

de mano artificial existente en el mercado nacional ycompetir con los elevados costos de prótesis importadas,se justifica este proyecto a fin de desarrollar un diseñoalternativo de mano mioeléctrica que satisfaga de manerasatisfactoria las funciones básicas pérdidas de la manohumana.

R EFERENCIAS

[1]

R.M.H. McMinn. R.T. Hutchings. (1996). GranAtlas De Anatomía Humana. España.Interamericana.

[2]

C. M. Light, P. H. Chappell, B. Hudgins, K.Engelhart. (2002). Intelligent multifunctionmyoelectric control of hand prostheses. Journal ofEngineering & Technology, Volume 26, Number 4, pp. 139-146.

[3] Philipp Kampas. (2001). The optimal use ofmyoelectrodes. Otto Bock, Austria GmbH, Wien.

[4] F. Lotti, G. Vassura. (2002). A Novel Approach toMechanical Design of Articulated Fingers forRobotic Hands. DIEM, Mechanical Engineering

Dept. University of Bologna, Italy.

[5]

A. Page, R. Porcar. (S/F). Nuevas Técnicas para elDesarrollo de Productos Innovadores Orientadosal Usuario. Instituto de Biomecánica de Valencia,España.

Documents

Articulo Mano Artificial Controlada Mioelectricamente.pdf