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INFORME TÉCNICO
Soluciones propuestas
Realizado por:
David Alberto Ojeda, PhD
1.- Tarjeta de electromiografía del tobillo.
DISEÑO DEL SISTEMA
El sistema SEMG posee todas las etapas que garantizan la adquisición de la señal eléctrica
muscular y la calidad de la señal de salida con todas las protecciones requeridas para el uso en
una persona. El mismo se subdivide en dos etapas principales: la etapa de adquisición de la
señal y la etapa de acondicionamiento de la señal. Al adquirir señales de voltaje en el rango
típico de amplitud pico-pico está entre 0.01 a 5mv y la frecuencia está entre 1 - 300 Hz, se
debe realizar una elevada amplificación de la señal; esta amplificación se realiza en varios
puntos específicos del circuito del sistema con ganancias específicas, todas estas ganancias se
multiplican obteniendo un coeficiente que representa la amplificación total y por ende el
número de veces que la señal es amplificada.
ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL EMG
Esta etapa inicial está formada por tres sub etapas: electrodos, amplificador de
instrumentación y pre amplificación. Esta etapa es la encargada de captar la señal EMG pura
de baja calidad que proviene de los músculos de una persona y amplificarlas; sin embargo, esta
señal captada es funcional y de ser necesario puede ser filtrada
DISEÑO DE CIRCUITOS UTILIZADOS EN LA ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL EMG
Para el diseño de cada uno de los circuitos en la etapa de adquisición de la señal
electromiográfica se define los valores de ciertos componentes en base a los cuales se calcula
los demás componentes que cada circuito requiera.
El circuito equivalente para el amplificador de instrumentación está compuesto por tres
amplificadores operacionales OP07D con la configuración mostrada en la FIGURA ; para
determinar la función de transferencia de este circuito primero se analiza la etapa
preamplificadora y luego la etapa diferencial del circuito. Este análisis permite determinar las
ecuaciones, que rigen al funcionamiento del amplificador operacional de instrumentación
AD620.
FIGURA 1.Configuración interna del amplificador de instrumentación AD620.
Para la adquisición de señales bioeléctricas el fabricante recomienda un circuito para
monitoreo médico de señales de electrocardiografía (véase FIGURA ); este circuito es adaptado
para el uso en EMG, para lo cual se cambia la ubicación de los electrodos de la siguiente
manera: el electrodo ubicado en la pierna derecha (electrodo de referencia) es colocado en
una articulación debido a la mínima presencia de musculatura en dicha área, mientras los dos
electrodos restantes ubicados en los brazos del paciente son colocados en el músculo en
estudio. El objetivo de este circuito de retroalimentación es brindar estabilidad al sistema
evitando corriente de desbalance y compensar problemas de ruido atenuando los voltajes de
modo común en la entrada diferencial del amplificador de instrumentación, además de añadir
una protección adecuada creando una tierra activa aislada de la tierra eléctrica del circuito
para proteger al paciente de posible daño.
FIGURA 2. Circuito para monitoreo médico de ECG (driver de pierna derecha).
Todos los cambios realizados en el circuito de pierna derecha utilizado en ECG para su
aplicación en la EMG se muestran en la figura (véase FIGURA ). El valor del condensador C1 es
seleccionado para mantener la estabilidad del driver de pierna derecha.
FIGURA 3.Circuito de pierna derecha utilizado en EMG.
En la etapa de adquisición de la señal se incluye además un circuito para eliminar la
interferencia causada por dispositivos que generan y transmiten radio frecuencias RF. Todo
amplificador de instrumentación rectifica en su salida una pequeña banda de señales que
generan un mínimo desplazamiento de voltaje DC (Kitchin & Counts, 2006). Señales de altas
frecuencias pueden ser filtradas con una red pasa bajas RC colocada en las entradas del
amplificador de instrumentación (véase FIGURA ).
FIGURA 4. Filtro atenuador de radio frecuencias.
La FIGURA presenta el diagrama esquemático de la etapa de adquisición de la señal EMG
conjuntamente con los circuitos de protección, acoplamiento AC y atenuación de radio
frecuencias:
Con todos los valores calculados se obtiene el filtro Butterworth pasa bajas de sexto orden con
ganancia unitaria mostrado en la FIGURA 6.
FIGURA 6. Filtro Butterworth pasa bajas de sexto orden con ganancia unitaria.
Fuente: Autor
Es importante mencionar que en el diseño se obtienen valores de elementos no comerciales
por lo que es necesario la conexión en serie de los mismos hasta obtener los valores deseados;
estos valores aseguran que la respuesta del filtro simulado (véaseError! Reference source not
found.) es la respuesta del filtro real ya implementado.
FIGURA 5.Etapa de adquisición de la señal SEMG.
2.- Rehabilitador de rodilla isocinético.
DISEÑO DEL SISTEMA
Se lleva a cabo el diseño mecánico del prototipo rehabilitador isocinético pasivo de rodilla que
comprende la estructura y el mecanismo de barras. Dicho diseño debe soportar las cargas que
actúan sobre éste, por ende, garantizar la estabilidad y buen funcionamiento de la máquina.
La selección del sistema de posicionamiento lineal es un aspecto importante en el diseño del
proyecto, por ello, se realiza un análisis comparativo tomando en cuenta diferentes factores
como el costo, robustez, espacio de montaje, precisión y disponibilidad en el mercado
nacional. Luego de realizar el análisis de cargas y del sistema de posicionamiento lineal es
posible seleccionar un determinado actuador que satisfaga las necesidades del diseño.
DISEÑO 3D DEL MODELO
El software Solidworks 2015 se utiliza para el diseño del modelo 3D, ya que la herramienta
computacional cubre la totalidad del proceso de productividad desde el diseño preliminar
hasta la validación del modelo. Las soluciones de diseño 3D de Solidworks se implementan de
manera rápida, brindando una mayor eficiencia; además la tecnología Simulation acelera los
ciclos de prototipado y verifica el diseño.
En la figura 2.1 se muestra la solución de diseño seleccionada para el prototipo rehabilitador
isocinético pasivo de rodilla, desarrollado con el software computacional Solidworks 2015.
Figura Error! No text of specified style in document..1 Prototipo rehabilitador usando
Solidworks 2015
La vista explosionada que se ilustra en la figura 2.2 muestra los componentes que conforman
el diseño. El anexo 16 ilustra de manera detallada cada una de las partes del modelo
incluyendo dimensiones.
Figura Error! No text of specified style in document..2 Vista explosionada rehabilitador
usando Solidworks 2015
SELECCIÓN DE MATERIALES ADECUADOS
Tomando en cuenta los requerimientos en cuanto a las condiciones de operación del
dispositivo, se selecciona los siguientes materiales:
Acero de bajo carbono ASTM A36
Acero de bajo carbono ASTM A500
Acero al carbono AISI 1020
CARGAS EN EL SISTEMA
Para obtener la carga que existe en las barras y que es transmitido al tornillo de potencia se
realiza un análisis estático del sistema cuando el mecanismo se encuentra totalmente
extendido, como se observa en la figura 2.3, ya que en este instante el tornillo necesita el
mayor torque del motor para poner en marcha el rehabilitador.
Figura 2.3. Vista lateral rehabilitador de rodilla usando Solidworks 2015
El ángulo de recorrido del dispositivo varía entre 0° hasta 120° realizando de esta manera
movimientos de flexión y extensión. La pierna del paciente puede tener un peso máximo de
10 Kg; 40% correspondiente a la tibia y 60% al fémur, además para efectos de análisis se toma
en cuenta el peso del mecanismo de soporte de la pierna, asumiendo un valor de 2Kg,
teniendo así un peso total de 12 Kg. Entonces la fuerza externa ejercida sobre el rehabilitador
en el Sistema Internacional es de 49N y 68,6N respectivamente como muestra la figura 2.4.
Figura Error! No text of specified style in document..4 Cargas en el sistema
3.- Prótesis robótica de rodilla.
DISEÑO DEL SISTEMA
Se proponen 3 diseños CAD de prótesis de rodilla monocéntrica de acuerdo a las dimensiones
para un actuador lineal y se muestran a continuación en la figura 3.1:
a) Modelo 1 b) Modelo 2 c) Modelo 3
Figura 3.1: Modelos propuestos
El modelo más adecuado es el 1. Es importante mencionar que el mecanismo del modelo 1 es
más adaptable a diferentes tipos de actuadores ya que proporcionan el espacio necesario. Es
más fácil ubicar otros actuadores o partes en relación a los modelos 2 y 3 que limitan el
espacio el espacio por sus lados como se observa en la figura 4.1.
El espacio para el actuador es de 18.5 cm a lo largo (a) sin extender su vástago y 52 mm a lo
ancho (b) como se muestra en la figura 3.2.
Diseño de partes.
El mecanismo consta de varias partes, una parte móvil que emulará el movimiento de flexión y
una parte fijada a la extremidad del pie a través de un pilón (pilar de metal que unirá la rodilla
al pie protésico) y acoples respectivamente, además cuenta con pasadores que permiten el
movimiento rotacional de la articulación y la transmisión de fuerza del actuador al mecanismo
como se muestra en la figura 3.3.
Figura 3.2: Espacio del actuador Figura 3.3: Partes constitutivas del mecanismo de rodilla monocéntrica
A continuación se detallan las partes constitutivas individualmente del mecanismo de rodilla
monocéntrica mostrada en la figura 3.4
Parte móvil, Estructura base, Actuador Lineal, Acople superior de pirámide, Pasadores,
Rodamientos, Mecanismo ensamblado.
Figura 3.4: Mecanismo de rodilla ensamblado Figura 3.5. Modelo de la parte móvil
Las longitud máxima del mecanismo es 24 cm medidas desde la articulación hasta la base
plana inferior por ende cumple con las dimensiones de la pierna establecida en 42 cm; La
distancia restante de la pierna será completada con el pilón y el pie respectivamente.
Estática del movimiento.
Para el cálculo de la fuerza en nuestro modelo de prótesis se toma en cuenta la distancia
perpendicular a la fuerza aplicada en la parte móvil del dispositivo como se muestra en la
figura 3.5.
4.- Tarjeta de electromiografía para el accionamiento de una prótesis de rodilla.
DISEÑO DEL SISTEMA
La adquisición de la señales mioeléctricas que emiten los músculos y adquirida a través de los
electrodos necesitan ser transmitidas a un amplificador de instrumentación, el cual permitirá
amplificar dichas señales hasta niveles de voltaje apropiados para realizar el
acondicionamiento de las mismas. Es por ello que la transmisión se realiza por medio de cables
apropiados.
CABLES PARA ELECTRODOS.
Los cables para electrodos son cables especiales que se adhieren a los electrodos. Estos cables
son delgados y tienen en una de sus partes un conector Snap que es el que se sujeta al
electrodo, y por otra parte tienen un conector Jack macho de 3.5 [ mm ], que es el que se
acopla a un conector Jack hembra de 3.5 [ mm ] conectado a las entradas del amplificador de
instrumentación.
Los cables transmiten la señal eléctrica a un amplificador de instrumentación, es decir,
son el medio de transmisión de la señal. Los cables se colocan uno por cada electrodo. La
figura 4.2 muestra la composición de los electrodos y cables usados en este proyecto.
Figura 4.2 Conectores de cables y electrodos.
Una vez que se ha realizado la adquisición adecuada de la señal mioeléctrica, es necesario
acondicionar dicha señal, para ello se realizará el diseño e implementación de varias etapas de
circuitos electrónicos.
DISEÑO DE ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN.
En la etapa de pre amplificación se usó un amplificador de instrumentación, para lo cual
antes de la selección del dispositivo se realizó una comparación entre varios amplificadores de
instrumentación más comunes a través de una tabla (ver figura 4.3) que muestra las
características principales.
Figura 4.2 Esquema simplificado del AD620.
Las características técnicas como: alta impedancia de entrada, alto CMRR (120 [dB]), corriente
de polarización baja, bajo ruido y un amplio rango de alimentación; el AD620 cumple con los
requerimientos necesarios para tener un buen rendimiento en la adquisición de señales
biológicas. Además el AD620 (ver figura 4.3) es uno de los amplificadores de instrumentación
más utilizados en instrumentación médica y otras aplicaciones.
Figura 4.3 Circuito de pierna derecha recomendado por el fabricante.
En el caso de EMG se modificó la posición de los electrodos de brazo derecho y brazo
izquierdo, ubicándolos en el músculo de interés y el electrodo de pierna derecha se colocó en
el tobillo (debido a que las pruebas se realizaron con una persona sin amputación). Este
circuito de retroalimentación, además de evitar las corrientes de desbalance y compensar
problemas de ruido de modo común en la entrada diferencial del amplificador de
instrumentación, protege al paciente de posibles daños.
El valor del condensador C1 se elige para mantener la estabilidad del circuito de pierna
derecha. El diseño del circuito de pierna derecha se muestra en la figura 4.4.
Figura 4.4 Circuito de pierna derecha.