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AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL, 1-7, 2018

CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DEL HUILA

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PRÓTESIS MIOELÉCTRICA PARA MANO Jesús Esteban López Charry1 y Natalia Guzmán Quintero2 RESUMEN En el artículo se presenta un proyecto que consiste en el diseño de una prótesis de mano, la cual se moverá por señales electromiográficas que provienen del brazo del usuario. El modelo cuenta con cinco dedos cada uno con dos grados de libertad y en cooperación con el Software SolidWorks se realiza una simulación que permita detallar su funcionamiento ya que este aporta bases sólidas para la elaboración de la mano artificial en el futuro. El sistema en general consta de tres módulos que son la mano humana, análisis de propiedades de los materiales y el diseño de la estructura mecánica. Por otro lado, la prótesis robótica está constituida por cinco servomotores que facilitan lograr cuatro posiciones diferentes que van desde el agarre de fuerza, agarre de gancho, agarre selectivo y hasta la posición natural de la mano. También se resalta que la necesidad principal del proyecto es beneficiar a las personas que por alguna razón tienen una discapacidad, como es en este caso la perdida de la mano, por ello se ofrece una propuesta para que puedan adquirirla a un precio justo y asequible en el mercado. Palabras claves: SolidWorks, electromiográficas, prótesis, robótica, mano, servomotores ABSTRACT The article presents a project that consists in the design of a hand prosthesis, which will be moved by electromyographic signals that come from the user's arm. The model has five fingers each with two degrees of freedom and in cooperation with the SolidWorks Software, a simulation is carried out to detail its operation as it provides solid foundations for the development of the artificial hand in the future. The system in general consists of three modules that are the human hand, analysis of properties of the materials and the design of the mechanical structure. On the other hand, the robotic prosthesis is constituted by five servomotors that facilitate achieving four different positions that go from the force grip, hook grip, selective grip and even the natural position of the hand. It is also highlighted that the main need of the project is to benefit people who for some reason have a disability, as in this case the loss of the hand, therefore a proposal is offered so that they can acquire it at a fair and affordable price. the market. Keywords: SolidWorks, electromyography, prosthesis, robotics, hand, servomotors

INTRODUCCION Las manos son órganos y/o extremidades del cuerpo humano más importantes que se sitúan en los extremos de los antebrazos. Nos permite la realización de muchos trabajos que se efectúan en nuestra vida diaria tales como las de tomar y/o agarrar algún objeto, sostener cosas, realizar movimientos o practicar algunas destrezas o habilidades[1] que en realidad serían muy difíciles de ejecutar si careciéramos de ellas. Por otro lado, las manos nos contribuyen una gran proporción de información como lo es el tacto a la hora de hacer contacto de los dedos con distintos objetos. La comunicación por medio de gestos es otro medio por el cual se hacen uso de las manos, también para las personas con discapacidad visual, pues sin ellas no podrían hacer uso del sistema Braille (sistema de lectura y escritura táctil pensado para personas ciegas. Se conoce también como cecografía) [2] debido a que para esto se requieren de las manos.

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Son muchos los casos donde se habla que las personas pierden sus manos debido a que no están exentos a mutilaciones ya sea por causas laborales, también a malformaciones genéticas o algún tipo de conflicto bélico, generando una gran secuela como lo es la perdida de la mano trayendo una reducción en las habilidades para realizar distintas actividades debido a que una gran parte de su destreza disminuye al momento de maniobrar y/o agarrar objetos específicos [3] . Una prótesis de mano tiene como finalidad ayudar a proporcionar algunas funciones, pero jamás remplazar un miembro faltante del cuerpo del ser humano que se perdió por diferentes situaciones Siendo la prótesis como la “solución” [4]. El desarrollo de una prótesis se hace especulando en el objetivo de optimizar o sustituir una función, parte o miembro completo del cuerpo humano afectados por diferentes razones médicas, accidentes laborales y/o conflictos bélicos. Para un paciente con amputación de mano, otro objetivo es el mejoramiento de la aceptación psicológica de la prótesis[5].

Estudiante Ingeniería Industrial, Corporación Universitaria del Huila. [email protected] Estudiante Ingeniería Industrial, Corporación Universitaria del Huila. [email protected]

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Las evoluciones de las prótesis datan desde la antigüedad con diversos mecanismos los cuales fueron progresando hasta llegar a dificultosos sistemas híbridos donde se combinan elementos mecánicos y electrónicos para un mejor resultado en cuanto a su uso[3].pero estas prótesis están fuera del alcance de la población de escasos recursos debido a su alto costo a la hora de adquirirlo; esto es uno de los factores que se deben tener en cuenta a la hora de la fabricación de una prótesis, también como el nivel de amputación, el tipo de displasia de la que se trate, la funcionalidad de la misma. Existen varios tipos de prótesis de mano que se han desarrollado utilizando diferente tecnología y conocimiento.

Por otra parte, también se emplearon artículos encontrados en la plataforma de Google Scholar y demás sitios web. Con la selección y lectura del objeto a tratar, se procedió a la redacción del artículo de revisión con el objetivo de profundizar cada uno de los temas de una forma sencilla, concreta y bien organizada. Por último, se realizó una discusión donde se presenta un análisis y punto de vista del autor respecto al material consultado, con la finalidad de dar a conocer los avances tecnológicos que han ido evolucionando en el campo de la biomédica y las ventajas que conlleva para aquellas personas que perdieron alguna extremidad a lo largo de su vida, contribuyendo a la ejecución de las tareas que solían desarrollar.

En la literatura se identifican trabajos relacionados con los distintos tipos de prótesis como lo son: las prótesis estéticas, prótesis mecánicas, prótesis eléctricas, prótesis neumáticas, prótesis mioléctricas y las prótesis hibridas.

DESARROLLO DEL TEMA

Para este proyecto se hará uso de un prototipo mecánico el cual pueda cumplir las funciones básicas como lo es la apertura y cerrado de la mano por medio de una prótesis mioléctrica la cual genera un mayor grado de estética y obtiene señales musculares, las mismas que son obtenidas mediante el uso de electrodos que permiten la extracción de la señal que es amplificada, procesada y filtrada al control para el manejo de la prótesis [4].y esta a su vez sea práctica, de bajo costo y de fácil adaptabilidad para lograr una mejor calidad de vida en personas que cuentan con una mutilación en el miembro superior y que carecen de recursos económicos suficientes para la adquisición de prótesis [6].

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La Mano Humana

como los quehaceres domésticos, trabajar, practicar algún deporte y demás. Alguna lesión, inmovilidad parcial o pérdida total del órgano trae consecuencias desastrosas en el día a día. Además, es la principal fuente del sentido del tacto en todo el cuerpo ya que en la punta de los dedos se encuentran muchas terminaciones nerviosas [7]. La estructura ósea de la mano se compone de 8 huesos carpianos divididos en dos filas, la primera es la fila proximal que es la articulada con partes alejadas del radio y el cubito con excepción del pisiforme que se halla en el palmar y triquetrum; los otros huesos carpales están acoplados con cinco metacarpios (Figura 1) [8].

METODOLOGIA En la elaboración del presente artículo de revisión se partió en la identificación del enfoque el cual es descriptivo, que consiste en la compilación de información expuesta por diferentes autores sobre el tema escogido, facilitando a los lectores para que puedan obtener un contenido de forma clara y concisa. Para tener buenas bases que soporten el trabajo, se optó por buscar el tema a tratar en artículos científicos, bases de datos, sitios web y libros.

Figura 1. Huesos de la mano. 1. Radio; 2, Cúbito (Ulna); 3. Escafoides; 4. Semilunar (Lunate); 5. Pramidal (Triquetrum); 6. Pisiforme; 7. Trapecio; 8. Trapezoide; 9. Grande (Capitate); 10. Ganchoso (Hamate). I. Pulgar; II. Índice; III. Dedo medio; IV. Anular; V. Meñique.

El desarrollo del procedimiento se inició con la búsqueda de un artículo científico de cualquier tema sobre Automatización y Control, teniendo en cuenta su impacto e importancia en la actualidad. Luego de escoger y leer el escrito seleccionado, se identificó la temática principal del proyecto a tratar para así buscar y consultar las diferentes referencias bibliográficas por medio de palabras claves. Después fue esencial reconocer las bases de datos y demás fuentes a utilizar teniendo en cuenta que la calidad del material proporcionado, esto se llevó a cabo la cuarta semana del mes de abril del presente año donde se hizo uso de uno de los servicios que presta la biblioteca de la Universidad Corhuila, que son las bases de datos tales como: EBSCO HOST, ProQuest, IET the institution of Engineering and technology, Knovel, entre otras.

Por otra parte su esqueleto favorece la realización de distintas acciones como el agarre de fuerza, el gancho de agarre y la pinza de precisión a través de las destrezas especiales de los dedos comprometidos en la acción (Figura 2), para ello cada uno cuenta con 2° de libertad con exclusión del pulgar que tiene 5° más 2 articulaciones tipo bisagra que ejecutan los movimientos de flexión y extensión [9].

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debido a que posteriormente, ese vacío será reemplazado por unos actuadores generando peso y volumen a la palma. Con dos piezas con una articulación y con dos grados de libertad se elaboran los dedos. La pieza que se muestra en la siguiente figura representa una pieza la cual es la falange próxima y la otra la unión de la falange distal y media. Los dedos realizan una traslación mediante la implementación de cables de acero son fortalecidos con tornillos en forma de poleas dentro de los mismos para acceder al cierre y a la apertura de estos.

Figura 2 Acciones de la mano 2.

Análisis de las Propiedades de los Materiales

Al momento de ejecutar la prótesis se tienen en cuenta ciertas características como la resistencia del material, peso y costo. En general una prótesis Transhumeral posee tres partes fundamentales que son el encaje, el polímero que es el encargado de soportar el mecanismo y la parte robótica que tiene un acabado estético [10]. El encaje protésico es la unión entre el muñón del paciente y la prótesis, es el encargado de que esta se fije al cuerpo determinando si el ajuste es bueno o no, su fabricación se realiza de forma personalizada según la anatomía del muñón y datos ergonómicos que determinan las características de cada paciente, teniendo en cuenta los grados de movilidad y controles dinámicos, estos pueden ser de materiales diversos es decir con diferentes durezas, pesos y resistencias (Figura 3) [11].

Figura 4. Falange distal

Figura 3 Encaje de prótesis de mano En la elaboración de cualquier pieza robótica es primordial el tipo de material que se usa, porque de él depende su durabilidad, resistencia y peso. Algunos de ellos son:

Figura 5. Falange medial Para ejecutar un movimiento de rotación se dispone para el pulgar una pieza sin articulaciones y una inclinación de 15° con un grado de libertad en la unión del pulgar con la palma con respecto a la horizontal como se ve en la figura.

El aluminio es más liviano que el acero y es el más utilizado por su gran resistencia a la hora de cumplir los requisitos de diseño y superar las pruebas necesarias. Por otra parte, el acero posee gran rigidez, pero es considero pesado, por lo que se emplea para la elaboración de pequeñas piezas y por ultimo está el titanio que posee una excelente resistencia y liviano, una de sus desventajas es que su costo es muy elevado por lo que no es muy rentable [12]. 3.

Diseño de la Estructura Mecánica

La estructura mecánica es elaborada por medio de un software llamado Solidworks de su edición 2012, debido a las herramientas que facilitan el diseño el cual es tridimensional. Lo que se quiere lograr hacer, es elaborar una palma que sea ligera con una aleación de aluminio, teniendo en cuenta el planteamiento de una palma vacía que tiene solo los bordes

Fig.6 pieza pulgar 3

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La base de la mano queda organizada con pueden generar agarres básicos debido a que permiten la movilidad de los dedos. Movimientos básicos de una mano que se usa como una herramienta para el día a día en la vida de las personas ver figura

El diseño una vez que ya ha sido ejecutado, se elabora un estudio al cual se le conoce como estudio del movimiento, y es el encargado de predecir las secuencias de activación básicas de la mano a la hora de la realización de una tarea cotidiana. En la plataforma LabView se realiza un control on/ off para comprobar el funcionamiento, tiene una conexión serial a un PIC1F887 el cual es un microcontrolador que posee un programa en lenguaje c y que gracias a esto admite activar o desactivar servomotores que están en el interior de la mano para ejecutar las distintas posiciones que se denominan como básicas: Agarre fuerza, agarre de gancho, selección específica de objetos y movimientos independientes. Ver figuras

Figura 7. Estructura de la mano en Aluminio 6061 El diseño es verificado mediante unas pruebas que se le aplican virtualmente respecto a las propiedades, que para este caso es la aleación de aluminio 6061. Todo esto se hace antes de obtener un resultado final para constatar los resultados obtenidos por los estudios y comprobar si el diseño presente es apto o no para las necesidades de las personas. La reacción del diseño se estudia por medio de un programa llamado Solid Works, a fuerzas de pandeo de 1N y exposición de temperaturas de 36°CPara aumentar la calidad del objeto a realizar, dando, así como resultado una mejora en el producto, reduciendo variedad de pruebas físicas lo cual es sinónimo de gastos tiempo y dinero. Ver figura Figura 10. Pruebas finales, interfaz Labview

Figura 8. Estudio de simulación de pandeo Figura11. Implementación física de la mano

DISCUSIÓN La investigación de este tipo de prótesis lo que se busca es proporcionar algunas funciones principales como lo es el del agarre, tomar y sostener objetos. Funciones que podrían dejar de hacer una persona la cual sufra perdida de su miembro superior o reduciendo habilidades. Para eso es la implementación y elaboración de una prótesis mioléctrica la cual sea practica y de fácil manejo para la persona que la

Figura 9. Estudio de simulación de temperatura 4

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requieran, de fácil acceso, es decir que sean económicas debido a que existen prótesis que son muy costosas como son las hibridas las cuales se combinan con elementos mecánicos y electrónicos para un mejor resultado en cuanto a su uso. por último, que su adaptabilidad sea la mejor para lograr una mejor calidad de vida en la persona. Por eso se dice que la mejor opción son las prótesis miolectricas debido a que cumplen con todas las características que se nombraron anteriormente y porque es un prototipo el cual cumple las funciones básicas como la apertura y cerrado de la mano.

Texto%20del%20art%C3%ADculo-1220-1-1020160118%20(1).pdf [5] Uellendahl, J. E. (Noviembre de 1998). amputee coalition . Obtenido de https://www.amputeecoalition.org/resources/spanish-materialsprosthetics-part-2/ [6] Aquino, V. A. (s.f.). EDEI Escuela de ingenieria . Obtenido de http://web.udlap.mx/ingenieria/departamentos/comp utacion-electronica-mecatronica/

CONCLUSIÓN

[7] Quiñonez, P. G. (2005). Fondo Documental electronico de Fundacite Aragua . Obtenido de www.fundacitearagua.gob.ve/pdf/cirugia_mano1.pdf

En el artículo se logró analizar la utilidad que tienen las prótesis, las cuales reemplazan el miembro superior carente debido a mutilaciones por cuestiones laborales, malformaciones congénitas o conflictos bélicos; generando a su vez una reducción en cualquiera actividad a realizar donde se haga implementación de las manos. La prótesis son instrumentos desarrollados que tiene como objetivo renovar o sustituir un miembro completo, una parte o una función.

[8] Lopez, L. A. (2012). Pdf. Obtenido de http://www.bdigital.unal.edu.co/32030/1/31373113677-1-PB.pdf [9] Scielo Revista Cubana de Investigaciones Biomédicas. (Marzo de 2011). Obtenido de http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid =S0864-03002011000100003

Se realizó la implementación de una prótesis mecánica Transhumeral controlada miolectricamente la cual genera señales musculares que ayudan a desempeñar las funciones principales del miembro carente, por otro lado, también se quiso implementar esta mano debido a que su costo es asequible para la persona que lo desee en comparación a las manos que poseen sistemas híbridos.

[10] Fernández, A. R. (Diciembre de 2007). Ingeniería Mecatrónica. Departamento de Computación, Electrónica y Mecatrónica, Escuela de Ingeniería y Ciencias, Universidad de las Américas Puebla. Recuperado el Enero de 2014, de catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lmt/de_l. ../capitulo4.pdf

Para la elaboración de esta prótesis, lo primero que se realizo fue una estructura en la cual se pudiera verificar los movimientos de la mano, una vez diseñada se decide llevar acabo las piezas mecánicas las cuales darán forma a la prótesis y por último se le da un control mioléctrico.

[11] Ortopedia san juan . (s.f.). Obtenido de http://www.ortopediasanjuan.com.ar/productos/prote sis/

En conclusión, Para la elaboración de este artículo fue necesario la investigación de los tipos de prótesis, tener idea de que materiales son utilizados para la elaboración de estas, que sistemas de control manejan dichas manos y el valor comercial de las mismas.

[12] Uellendahl, J. E. (Noviembre de 1998). amputee coalition . Obtenido de https://www.amputeecoalition.org/resources/spanish-materialsprosthetics-part-2/

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS [1] Definicion ABC. (s.f.). Obtenido de https://www.definicionabc.com/general/manos.php [2] Valenzuela, I. (s.f.). VIX. Obtenido de https://www.vix.com/es/btg/curiosidades/4659/como -funciona-el-sistema-braille [3] Nancy Chávez, J. M. (Agosto de 2014). ResearchGate. Obtenido de file:///C:/Users/USER/Desktop/ARTICULO%20DE %20REVISION/CongresoUniversitarioUTCJ.pdf [4] Jofre L. Brito, M. X. (s.f.). INGENIUS Revista de ciencia y tecnologia . Obtenido de file:///C:/Users/USER/Downloads/3785

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