ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
PROTESIS DE MANO CONTROLADA POR MIOPOTENCIALES José Luis Dueñas Villalobos, Federico Aronni Nanni Zepeda, Ángel E. Narváez Reyes & Josué Ernesto Castillo Aranda* FACULTAD DE INGENIERÍA ARQUITECTURA Y DISEÑO CARRETERA TRANSPENINSULAR ENSENADA-TIJUANA NUMERO 3917, COLONIA PLAYITAS. Ensenada, B.C., C.P. 22860. *Correo Electrónico: lduenas@uabc.edu.mx, fnanni@uanc.edu.mx, a330556@uabc.edu.mxjcastilloaranda@uabc.edu.mx Resumen. Este proyecto consiste en la elaboración de una mioprótesis, la cual tiene la peculiar característica de brindar al paciente funcionalidad, es decir intenta emular las características de un miembro faltante, para esta prótesis fue necesaria la elaboración de un miógrafo, para reconocer los potenciales de disparo de los músculos (Flexores y extensores de los dedos), y con ello diferenciarlos de los distintos músculos del antebrazo, para posteriormente activar un mando de control que a su vez acciona la prótesis.
Palabras claves: Mioprótesis, electromiografía, Electrodo, Frecuencia de corte
trabajó para que sea el mismo paciente el que controle su prótesis mediante el impulso eléctrico que producen sus propios músculos [2,3]. Por eso el presente trabajo se realiza con la finalidad de ofrecer a los pacientes con una amputación, una alternativa para mejorar su calidad de vida, ofreciéndoles una prótesis de vanguardia, que permite emular las capacidades de un miembro no amputado.Este tipo de prótesis funciona a partir del potencial eléctrico que producen los mismos músculos adyacentes del paciente, ya que a partir del censado de los miopotenciales, se procesa la señal para controlar los motores de la prótesis [3].
Introducción Actualmente las prótesis se clasifican en funcionales o pasivas, estas últimas son de carácter estético, es decir no ofrecen funcionalidad. Por otra parte las funcionales se clasifican en dos tipos, las mecánicas y las mioélectricas, estas últimas son las que ofrecen mejoras en cuanto agarre y funcionalidad [1]. Este tipo de prótesis mioélectricas empezaron a elaborarse en Rusia en 1960, el diseño y la técnica de fabricación ha ido perfeccionándose hasta nuestros días. Actualmente las mejores prótesis de este tipo se comercializan en Alemania, país que se ha distinguido por prótesis de alta tecnología y funcionalidad sumadas a una gran calidad [2]. Con esto en mente trabajamos con el objetivo de elaborar una prótesis de vanguardia con la finalidad de brindar al paciente una mejor calidad de vida. Una de las características de las prótesis mioélectricas es ofrecerle al paciente la oportunidad de mejorar su calidad de vida, con esto en mente se
Materiales y Método Experimental Señal Mioeléctrica
Elemento Sensor Primario
Elemento de Conversion Variable
Diseño de la Mano
Señal Finalizada
Procesamiento de la Señal
Selección de Materiales
Figura 1. Diagrama de bloques del proceso de fabricación. 21
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Como se puede ver en el diagrama, para la realización de este trabajo fue necesario captar las señales producidas por los músculos, específicamente de los músculos flexores y extensores de los dedos. Para esta propósito se elaboró un electro miógrafo el cual cuenta con cinco electrodos, dos para el músculo flexor y dos para el extensor, más el de tierra o de referencia. El electro miógrafo se compone de las siguientes etapas las cuales se describen a continuación.
buen rendimiento en la adquisición de señales biológicas. El amplificador de instrumentación utilizado fue el AD620 con un CMRR de 100 db esto nos asegura que tendremos un buen inicio en la obtención de la señal biológica, obteniendo así la mayor información en la primera etapa.
Figura 3. Diagrama esquemático de la parte de amplificación del amplificador de instrumentación.
Figura 2. Diagrama de fabricación del Circuito del EMG y etapa de control.
Etapa de Filtrado. Una vez que se amplifico la señal hasta alcanzar un rango de 5v, el siguiente paso es la etapa de filtrado, las señales que manejan los músculos generalmente producen un rango de frecuencia que va de los 10 a los 500Hz [2], por lo que una etapa de filtrado es fundamental, ya que se necesita aislar la señal del ruido producido por elementos externos como el movimiento de los cables y de los artefactos que se encuentran entre los 0 y 15 hz, porlo que se implementó un filtro pasa bandas cuyas frecuencias de corte son de 20 y 500 hz. Se utilizaron amplificadores operacionales con los cuales se construyeron los filtros necesarios para obtener una señal lo más limpia posible. Una vez obtenida la señal, fue procesada de modo que se obtuvieran dos señales cuadradas proporcionadas
Etapa de amplificación. La señal típica que producen los músculos tiene una amplitud que va desde 0.1 a 5mv [2], esta señal es muy pequeña para poderse utilizar por lo que se amplifica para alcanzar un rango dinámico de 5v, es decir una ganancia de 1000. En esta etapa es recomendable ubicar el amplificador bastante cerca de los electrodos y del sujeto, de esta forma se evitan capacitancias externas al sistema y problemas producidos por el movimiento de los artefactos y del cable. En la etapa de amplificación se utilizó un amplificador de instrumentación debido a que cumple con ciertas características necesarias para tener un 22
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por los músculos.La señal del músculo flexor es de 0 a 5v y la del músculo extensor es de 0 a -5v.
captado de este tipo de señales, en este primer prototipo tuvieron que cumplir ciertas características para poder realizar las diversas pruebas de una manera sencilla y practica; estas características son: • Los electrodos deben poder ser montados y desmontados de una manera limpia y fácil. • Los electrodos deben ser capaces de captar la señal de EMG con un nivel de ruido adecuado. Tomando en cuenta estas características, se optó por trabajar con electrodos de metal.
Figura 4. Circuito armado en protoboard.
Resultados y Discusión. Etapa de Control.
En términos generales, el proyecto salió como se esperaba, pudimos captar las señales producidas por los músculos flexores y extensores de los dedos, y amplificarla correctamente. Gracias a estas primeras etapas fue posible controlar el motor de manera eficiente, haciendo que la prótesis funcionara adecuadamente con las características esperadas. El objetivo a futuro es mejorar la mano implementando motores independientes a cada dedo,ya que en esta ocasión se utilizó un solo motor para controlar los 5 dedos, Posteriormente se utilizarán herramientas de procesamiento de señales para tener una mejor resolución para así poder controlar los dedos de manera independiente. Será necesario aislar las señales de cada músculo, con la finalidad de que la mano tenga una mayor autonomía y funcionalidad.
Una vez terminado con el captado y filtrado de la señal, seguimos con la etapa de control. Esta etapa consistió en un sistema de control on-off, el cual se compone de comparadores de voltaje. Estos comparadores proporcionan las señales que controlan el sentido del giro del motor.
Figura 5. Prótesis de mano en acción.
Conclusiones Electrodos Una vez concluido el presente trabajo, se pudo cumplir con el objetivo inicial que era el de controlar una prótesis mecánica por medio de la captar la señal y traducirla a partir de la
Para la adquisición de las señales de este EMG,el tipo de electrodos que se utilizaron cumplieron con las características de sensibilidad y conductividad necesarias para el 23
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[3].- Ferrero C. “Bioelectrónica, señales bioeléctricas”. Tesis de doctorado de Bioingeniería.Universidad Politécnica de Valencia, pp. 198206. (2001). [4].- Roberto Merletti, Philip Parker. “Electromyography: Physiology, Engineering, and Noninvasive Applications”ISBN 0-471-67580-6, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, (2004). [5].Khandpur R.S. “Biomedicalinstrumentations. Technology and aplications”, MacGraw-Hill, (2003). [6].Roberto Merletti, Philip A.Parker. Electromyography: physiology, engineering, and noninvasive applications, IEEE/John Wiley & Sons, 494 pages, (2004). [7].- Cameron John R. “Medical physics”.John R. Cameron, James G. Skofronick, Roderick M. GrantMedical physics: physics of the body, 343 pages, (1992). [8].- B. Hudgins, P. Parker, R. N. Scott. “A New Strategy for Multifunction Myoelectric Control”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering,Vol. 40, No. 1, January (1993). [9].- E.A. Clancy, N. Hogan. “Single Site Electromyograph Amplitude Estimation”, IEEE Transactions. on Biomedical Engineering, Vol. 44, No. 2,Feb. (1994). [10].- A. Dupont, E. L. Morin. “A Myoelectric Control Evaluation System”, IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, Vol. 2, No. 2, June (1994).
diferencia de potencial eléctrico producido por los propios músculos. Se puede demostrar que es posible la activación de las prótesis por medio de los mismos impulsos eléctricos de los músculos del paciente, esto es de vital importancia ya que abre el panorama en la implantación de prótesis funcionales que le permiten al paciente llevar a cabo actividades que no se podrían realizar con prótesis de características más estéticas. En cuanto a las etapas de captado de la señal como en el caso de la etapa de control, se obtuvieron los resultados que se esperaban, siendo estos los óptimos. El movimiento de la prótesis resultó exitoso, se pudo controlar la función de abrir y cerrar la mano de la prótesis, esto se lograba al extender nuestro brazo y flexionar la mano obteniendo un reflejo de la prótesis. A partir de esta investigación y como trabajo a desarrollar en un futuro, se tiene pensado mejorar el diseño de la mano, aislando la señal de los músculos que controlan cada dedo de la prótesis, para controlar los 5 motores que corresponden a cada dedo, esto permitirá una mayor funcionalidad al paciente ya que no sólo le permitirá abrir y cerrar la mano, si no que se podrán realizar con esta mano artificial tareas más complejas.
Bibliografía. [1].- Douglas G. Smith “Prótesis de extremidad superior”. Volumen 17, Número 2 · Marzo/Abril (2007). [2].- González J. Robótica y Prótesis inteligentes. Revista digital Universitaria, UNAM 6: 8-15.(2005).
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