CREACION DE UNA PRÓTESIS DE BRAZO.
1. METODOLOGÍA
En este capítulo se
analiza los procedimientos y prototipos que se realizaron para conseguir el
modelo final, tomando en cuenta las características de cada elemento tanto
electrónico como mecánico sin olvidar cuales son las limitaciones de cada uno.
En este caso la
impresión de cada eslabón de la prótesis es realizada en 3D a través de una
impresa Anet A6, lo cual es necesario un análisis del material a utilizar.
Para la adquisición de
señales se lo ha realizado con el sensor MYO ya que tiene mejores
características de captación y amplificación de la señal captada, por medio de
un micro controlador se emplea dicha señal y se obtiene el movimiento de cada
uno de los actuadores lineales y el micro motor de la muñeca.
También se realiza el
diseño y construcción de la placa donde se alojará cada uno de los elementos
electrónicos tanto para la adquisición de señal, sistema de control, y el
cargador de batería.
1.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN
Bibliográfica:
Siendo la
investigación bibliográfica la primera etapa del proceso investigativo que
proporciona el conocimiento de las investigaciones ya existentes, de un modo
sistemático, a través de una amplia búsqueda de: información, conocimientos y
técnicas sobre una cuestión determinada.
Sobre la base
del párrafo anterior en esta propuesta tecnológica se aplica la investigación
bibliográfica ya que se partió de la búsqueda de antecedentes e investigaciones
de relevancia en textos impresos y digitales con respecto al diseño y
construcción de prótesis para seres humanos, las variables de investigación y
la mejor propuesta que permita optimizar el prototipo y aplicar las mejores
tendencias tecnológicas para este tipo de proyectos, la investigación
bibliográfica permitió establecer el correspondiente marco teórico y una
correcta fundamentación científica.
De Campo:
La
investigación de campo se puede definirla como un proceso utilizado por el
método científico que permite obtener nuevos conocimientos en el campo de la realidad
social o bien estudiar una situación para diagnosticar necesidades y problemas
a efectos de aplicar los conocimientos con fines prácticos en la investigación
aplicada, el investigador toma datos in situ y se apoya en diseños
experimentales creando condiciones de control sobre las variables de
investigación.
En la
propuesta tecnológica planteada se aplica la investigación de campo ya que se
trabaja sobre la toma de datos de las variables de investigación las mismas que
serán manejadas mediante diferentes técnicas de control y diseño electrónico
las mismas que controlan cada uno de los movimientos de la prótesis, también se
toman datos de las magnitudes electrónicas como voltajes y corrientes y
finalmente se realizarán diferentes códigos de programación en busca de un
prototipo óptimo que permita cumplir satisfactoriamente el objetivos de la
propuesta tecnológica.
Experimental:
La
investigación experimental se presenta mediante la manipulación de una variable
experimental no comprobada, en condiciones controladas, con el fin de describir
de qué modo o por qué causa se produce una situación o acontecimiento
particular.
En la
propuesta tecnológica planteada se aplica la investigación experimental ya que
se realizarán varias pruebas de control de las variables de investigación;
siendo las más importantes la captación de señales mioeléctricas que
controlarán la prótesis, mecanismos de control de cada uno de los tendones y
articulaciones, magnitudes eléctricas y electrónicas y resultados de salida de
la programación utilizada, de todos estos procesos se recopilarán datos y se
establecerán tablas comparativas para establecer experimentalmente las mejores
condiciones de control. En la presente investigación se va utilizar algunos de
los tipos de investigación, una de las más utilizadas es la bibliográfica ya
que se utilizará la información de diversas fuentes como en los libros,
archivos digitales, sitios webs y video de tutoría. El objetivo de utilizar
este tipo es la de tener claro los conceptos en relación a la matriz de
operacionalización de variables, ya que antes de la ejecución del proyecto es
necesario tener los suficientes conocimientos sobre electrónica y robótica.
Además, el
método experimental consiste en la manipulación de las variables eléctricas y
mecánicas del sistema de control, ya que se va poner a prueba el prototipo
antes de la entrega al beneficiario.
1.2. MÉTODOS
En esta
propuesta tecnológica se va a utilizar el método científico y el cuantitativo,
partiendo del científico es uno de los mas utilizados en la mayoría de los proyectos,
como en el caso de las variables eléctricas se aplica la ley de Ohm, las leyes de Kirchhoff
y las leyes de Faraday.
Mientras que
en las variables mecánicas se aplican los criterios de Gruebler y las leyes de
Newton que son la explicación de la ocurrencia de estos fenómenos.
En esta
implementación de la prótesis de brazo también se va a utilizar el método
cuantitativo ya que influyen principalmente las variables eléctricas como el
voltaje y corriente, ya que los cálculos necesarios son el acondicionamiento de
las señales EMG, ya que estas señales necesitan de una ganancia para aumentar
la amplitud de voltaje y de corriente. También es necesario los cálculos de los
valores de voltaje y corriente para las entradas digitales y analógicas del
Arduino ya que su voltaje que soporta es de 5v y la corriente máxima es de
40mA.
TÉCNICAS:
Las técnicas que se utilizan en esta propuesta
tecnológica se detallan a continuación:
Medición
Se realizaron mediciones de voltajes y
corrientes en las entradas y salidas de la tarjeta electrónica Arduino, para lo
cual se utilizó como instrumento el voltímetro y amperímetro.
También se realizaron mediciones del diámetro
de la muñeca, socket, dedos y articulaciones de la mano basados en la Norma
DIN33402, para las mediciones se utilizó como instrumento el calibrador.
Cálculos
Otra de las técnicas utilizadas fueron los
cálculos para grados de libertad, diámetros de muñeca, amplificadores, …………, y
como instrumentos las respectivas ecuaciones:
Escribir las ecuaciones correspondientes………
Software
La propuesta tecnológica utiliza para el diseño el software “eagle”, para la simulación matemática y eléctrica se utilizó “MatLab” y para el control de los actuadores y la trajeta se utilizó “Arduino” con lenguaje tipo “C”.
1.3. ALCANCE DE LA PRÓTESIS DE BRAZO
El prototipo
permite a la persona discapacitada realizar sus actividades mediante los
movimientos de las falanges del mano ya que son desplazadas mediante
servomotores lineales donde su eje este acoplado a un sistema de varios
eslabones. Estos actuadores son controlados mediante un voltaje PWM que consta
de varios pulsos que son del ancho y su frecuencia es constante, dependiendo
del ancho de pulso, el actuador se posiciona a un cierto ángulo.
La
manipulación de esta variable de voltaje depende de las señales EMG obtenidas, pero
para que sea como una señal de entrada del Arduino se necesita acondicionar, ya
que su voltaje es relativamente bajo da en nano voltios.
Ya que
posteriormente se hará mención al calculo del acondicionamiento de las señales EMG,
mediante las formulas de los amplificadores operacionales, pero existen
sensores que ya incluyen el acondicionamiento, contiene más electrodos,
convertidores analógico-digital y sus datos son enviados por una comunicación
Bluetooth de bajo consumo. En nuestro proyecto se hará uso del sensor MYO
Armand ya que la idea principal es la de reducir el espacio del circuito de
control y elaborar un producto para la venta.
1.4. CÁLCULO PARA EL DISEÑO DE LA PRÓTESIS DE BRAZO
1.4.1. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES EMG
Para lograr amplificar
las señales es necesario comprender las etapas donde consiste de la
amplificación, filtros pasa alto, rectificación, filtro pasa bajo y la de un
amplificador variable.
Figura 4.1. Bloques de Acondicionamiento de señales EMG
Para la medición
de la señal EMG se coloca tres electrodos, dos que son las entradas del
amplificador de instrumentación y uno que es una referencia que es muy aparte
de la tierra del circuito para que no afecte al paciente, esta tierra se la
denomina aislada.
Figura 4.2. Colocación de los electrodos al paciente.
Estas señales
de voltaje son muy bajas, entonces se utiliza un amplificador AD620, consta de
tres amplificadores operacionales, donde la ganancia dependerá de la
resistencia Rg.
Figura 4.3. Circuito
equivalente del AD620.
La ganancia
por medio de la resistencia Rg esta dado por la siguiente ecuación:
El voltaje de
salida del amplificador esta dado por:
El voltaje de diferencia está por la resta entre voltaje del electrodo positivo y negativo. Suponiendo que el voltaje del electrodo positivo es de 8.55mV y el voltaje del electrodo negativo es de 6.33mV y que la que Resistencia de la ganancia es de 5k. Para los cálculos emplearemos las ecuaciones (1) y (2).
Figura 4.4. Esquema del amplificador de instrumentación.
La señal del
amplificador AD620 por lo tanto sigue siendo relativamente baja, entonces se
amplifica 100 veces más, para ello se emplea un amplificador inversor donde su
ecuación esta dado por:
Para amplificar 100
veces, se usará resistencias de 100kΩ y1Ω.
Figura 4.5. Esquema
del amplificador Inversor.
Las señales
EMG se encuentran en un rango de 10-500Hz, de igual manera señales provenientes
de los cables y de los cables y de las fuentes se encuentran entre 0 y 15Hz.
Para eliminar las señales innecesarias de baja frecuencia se añade un filtro
activo pasa alto.
La frecuencia
de corte esta definida por la siguiente ecuación:
Figura 4.6. Esquema
de un filtro activo pasa alto.
Con este
filtro activo pasa alto, solo permitirá señales que tengan una frecuencia mayor
a 20 Hz, ya que eliminará señales innecesarias para el acondicionamiento. En el
microcontrolador solo permite señales con semiciclos positivos ya que es
necesario una rectificación de la onda completa por medio de un circuito
amplificador.
Figura 4.7. Esquema
de un rectificador de onda completo con amplificadores.
Después se
aplicará un filtro pasa bajos para eliminar señales mayores a 500Hz, los
valores de resistencia y capacitor son de 3.3kΩ y 0.1uF, mediante la ecuación
(4).
Figura 4.8. Esquema
de un filtro activo pasa bajo.
Finalmente se
utiliza un amplificador variable para variar los niveles de tensión de 0 a 2.45v,
ya que su ganancia es de 0 a 1, cambiara debido al potenciómetro de 1KΩ. Ya que
en la visualización
Figura 4.9. Esquema de un amplificador variable.
1.5. DISEÑO DEL CIRCUITO DE CONTROL ELECTRÓNICO.
Para el diseño
del circuito de control, se empleará un sensor de señales EMG, con más
tecnología, ya que incluyen 8 electrodos, además contiene un giroscopio y un
acelerómetro, ya que nos permite realizar un control estable. Tiene el
acondicionamiento de señales y la conversión de los valores de voltaje de
tiempo-continuo a tiempo-discreto, ya que se trata de un conversor
analógico-digital. Estos valores son enviados por medio de una comunicación serial,
en este caso tiene un bluetooth transmisor de bajo consumo. Para lo cual se
empleará un módulo bluetooth receptor de bajo consumo para el Arduino, estos
valores que son manipulados por medio de los movimientos del musculo detectados
serán capaces de controlar a los actuadores que en este caso son los servomotores.
Se puede detallar el algoritmo de programación mediante el siguiente diagrama
de flujo.
|
Inicio |
|
Librería MYOarmhand |
|
Led_estado1=movimiento1 Led_estado2=movimiento2 Led_estado3=movimiento3 Led_estado4=movimiento4 Led_estado5=movimiento5 |
|
Iniciar
comunicación HM11 Bluetooth |
|
Recibir
datos del MYOarmhand |
|
Valor=Recibir
dato |
|
Dato1=Valor1 |
|
Dato2=Valor2 |
|
Dato3=Valor3 |
|
Dato4=Valor4 |
|
Dato5=Valor5 |
|
Servo1=30° Servo2=30° Servo3=30° Servo4=30° Servo5=30° |
|
Servo1=60° Servo2=60° Servo3=60° Servo4=60° Servo5=60° |
|
Servo1=80° Servo2=80° Servo3=80° Servo4=80° Servo5=80° |
|
Servo1=20° Servo2=0° Servo3=70° Servo4=90° Servo5=100° |
|
Servo1=30° Servo2=50° Servo3=10° Servo4=30° Servo5=90° |
|
Fin |
Figura 4.10. Diagrama de flujo del algoritmo del control
de la prótesis de brazo.
El diagrama de
flujo anterior esta esquematizado la secuencia de funcionamiento de la prótesis
de brazo, para la programación en Arduino es necesario contar con la librería <MyoController.h>.
ya que contiene funciones acerca del sensor y también es necesario contar con
un HM11 ya que es de bajo consumo, pero es necesario cargar un firmware que
permite enlazar con el Myo Armand.
Figura 4.11. Conexión
del Arduino con HM-11.
El circuito de
control quedaría conformado de 5 salidas digitales PWM, para el control de los
servomotores y la conexión de un HMI-11 que es obtenido de un modulo Bluetooth
HC-05, que esta soldado, ya que para que sea de bajo consumo es necesario
extraer del módulo.
Figura 4.12. Modulo
HC-05 con su modulo HM-11.
El módulo HM11
desoldado quedaría de la siguiente manera, ya que para grabar el firmware es
necesario mas pines de los que tiene el HC-05, ya que los pines necesarios son
los D_CLOCK, D_DATA, RESET, TX, RX, VCC y GND.
Figura 4.13. Modulo
HM-11 con sus pines correspondientes.
Finalmente, el
diseño del circuito se lo realizara en un software que permite diseñar
circuitos PCB, ya que contiene las librerías de todos los Arduino para hacer
shields que son para proyectos de robótica.
Figura 4.15. Diseño
PCB del circuito de control de la prótesis de brazo.
La
programación del Arduino ira cambiando debido a que es necesario realizar
ensayos con los movimientos del brazo y de los agarres de los objetos.
Figura 4.16. Código de programación del MYO Armand en el
software Arduino
1.6.
DISEÑO DE LA MANO IZQUIERDA
1.6.1.
ANÁLISIS DE LAS DIMENSIONES DE LA MANO IZQUIERDA
Para realizar el diseño
del prototipo será la obtención de dimensiones reales, para obtener los datos
se lo realizará con la mano derecha e ir comparando con la norma DIN, de esa
manera se logrará una simetría entre las dos manos.
Para obtener las
dimensiones de la mano consideraremos tres métodos de medida.
- Proceso de escaneo
de la antropometría de la mano.
- Medición manual con
calibre de alturas.
- Medición manual con
calibrador pie de rey.
- Comparar los
valores medidos con la norma DIN 33402
Una vez realizado estos
procedimientos se obtiene las dimensiones reales de la mano derecha, aplicando
un software CAD se aplica el modo espejo para obtener las dimensiones de la
mano izquierda para su posterior fabricación, mediante la impresora 3D,
haciendo el uso del filamento PLA.
Figura 4.17. Dimensiones de la mano derecha antes de aplicar el modo espejo.
1.6.2.
DISEÑO DEL PRIMER PROTOTIPO
Para el diseño de cada
elemento del antebrazo se tomará en cuenta las medidas que dictan la Norma DIN
33402 e ir comprando con las medidas que realiza manualmente.
El diseño
mecánico del antebrazo es diseñado en un formato con extensión “STL”, ya que es
un formato utilizado en la impresión 3D, ya después es necesario transformar a
un lenguaje máquina que en este caso es un “g-code”, que se lo realiza por
medio de un software como el “Cura” o el “Repetier Host”.
El diseño mecánico de los dedos consiste en varios eslabones como se puede apreciar en la siguiente figura, que consta de varias juntas y de un tendón artificial, ya que será un medio de transmisión para el movimiento de los dedos, que a continuación se puede observar en la fig. 4.18.
Figura 4.18.
Mecanismo de los dedos
Para el soporte de los dedos será por medio de una palma artificial diseñado en 3D, ya que se consideraría como la bancada.
Figura 4.19. Palma de
la mano y la tapa
Adicionalmente en la parte inferior tiene un
eje para que pueda rotar y cumpla su función como el de la muñeca, pero estaría
limitado para ciertos grados.
El encargado
de producir la fuerza motriz es un micro motor para generar los diferentes
movimientos como se puede observar en la siguiente fig. 4.20.
Figura 4.20 Mecanismo
de la mano izquierda
1.6.3.
CONSIDERACIONES A TOMAR EN CUENTA PARA LA IMPRESIÓN 3D
Durante el tiempo que
tarde en imprimir las piezas la impresora sufre vibraciones, motivo por el cual
los ejes tienden a sufrir una des calibración, para ello es importante calibrar
la impresora después de imprimir cada pieza, de esa manera se evitara que
imprima mal.
Figura 4.21. Impresora Anet A6
1.6.3.1
TOLERANCIAS DIMENSIONALES
Una de las principales
consideraciones a tomar en cuenta es la tolerancia dimensional que presenta la
impresora; en nuestro equipo es de ±0.1mm, sin embargo, al realizar las
primeras impresiones constatamos que esta tolerancia no se cumple, dando como
resultado las siguientes tolerancias dimensionales:
1mm en el eje X y Y.
(Cavidades para motores y tarjeta electrónica)
0.5 mm para los
diámetros de los agujeros. (Pasadores)
En el eje Z no se
presenta una variación de medidas considerable.
Tomando en cuenta estas
tolerancias se decide ampliar la escala en el software de diseño Cura, que nos
genera el mismo error dimensional, presentando una variación de 0.8 mm en las
cavidades donde van ubicados los motores y 0,2mm en los diámetros, tanto
cavidades como agujeros son de dimensiones menores a las necesarias; en las
dimensiones exteriores la variación es mínima, teniendo en cuenta estos errores
se decide aumentar las medidas de cavidades y agujeros en el diseño original.
1.6.3.2
CALIBRADO DE LAS BOQUILLAS DE EXTRUSIÓN
Para realizar el
calibrado de las boquillas de extrusión se realiza en referencia a la altura de
la mesa de impresión (Fig. 4.22), la distancia entre estos dos componentes debe
ser 0.5mm, este proceso debe ser realizado una sola vez instalada la máquina,
sin embargo la boquilla choca con la mesa al realizar una calibración, se
efectúan varias pruebas y se concluye que la mesa deberá ser
calibrada por dos ocasiones para su correcto funcionamiento, y se la realizara
antes de cada impresión.
Figura 4.22. Calibrado de la boquilla de extrusión
1.6.3.3
NIVELADO DE LA CAMA DE IMPRESIÓN
Cuando se va a iniciar
el proceso de impresión la mesa debe estar correctamente nivelada en sus cuatro
extremos para evitar el choque de las boquillas de extrusión con la mesa, para
ayudar al proceso se puede utilizar un pedazo de hoja de papel bond, hasta el
momento se han dado buenos resultados en el proceso de nivelación, se puede
observar en la (fig. 4.23).
Figura 4.23. Nivelado de la cama de
impresión
1.6.3.4
POSICIÓN DE LAS PIEZAS SOBRE LA CAMA DE IMPRESIÓN
Después de varias piezas
impresas se nota que la mejor forma para imprimir es a lo largo del eje Y, esto
permite crear una malla de soporte con excelentes características, que nos
ayuda a fijar y crear apoyos en la pieza impresa (Fig. 4.24).
a)
Figura 4.24. Ubicación de las piezas sobre la cama.
Como se observa en la
(fig. 4.24 b) de la mesa presenta una malla de soporte incompleta, esto se debe
al poco espacio físico de desplazamiento que tiene el extrusor para crear la
malla, debido a que la pieza fue colocada a lo largo del eje X. Caso contrario
sucede en el lado derecho de la mesa que presenta una malla de soporte con
excelentes características.
1.6.3.5
MANEJO DEL CARRETE DE FILAMENTO PLA
El filamento PLA se
traba al ser halado por el extrusor, no es recomendable dejar el carrete del
filamento sin una base, posterior a eso
detiene la impresión, descalibra los ejes, impresión de pésima calidad, se
realiza una inspección visual constatando que el carrete produce este
inconveniente, en tal sentido el carrete es ubicado en una base en el cual
permite que se vaya desenrollando a medida que realza el trabajo de impresión,
como se puede observar en la (fig. 4.25).
Fig. 4.25. Carrete del filamento sin la base (izquierdo) y el carrete en la base (derecho).
1.6.3.6
COLOCACIÓN DE SPRAY ADHERENTE PARA LA PIEZA
Para un acabado de buena
calidad es necesario utilizar fijador de cabello ya que es un buen adherente
tanto para la pieza como a la cama de impresión, en la cual se debe colocar una
capa generosa de fijador de cabello sobre la cama y dejar un tiempo aproximado
de 4 minutos para posteriormente proceder a la impresión. Se puede utilizar
también cinta tipo maski para adherir a la cama, pero al momento de retirar el
objeto impreso no se puede retirar con facilidad, por ello es recomendable usar
el fijador de cabello.
1.6.3.7
DEFORMACIÓN POR CONTRACCIÓN (WARPING).
Figura 4.26. Malla de soporte despegado debido a la contracción del material.
1.7.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA GIRATORIO DE LA MUÑECA
Para el desarrollo del
sistema giratorio de la muñeca las dimensiones del sistema serán lo más
reducidas posibles y tendrán que cumplir con las siguientes características
para un óptimo funcionamiento.
- El sistema tendrá
como diámetro máximo el diámetro menor de la muñeca. La longitud del
sistema será lo más reducido posible.
- Permitirá la
rotación continua y alineada de la mano. Sera de fácil acople entre muñeca
y mano.
- Su material será
resistente y de bajo peso.
- Permitirá el fácil
montaje de sus elementos tanto mecánicos como electrónicos.
1.7.1
DESARROLLO DEL PROTOTIPO DE MUÑECA
Para realizar el diseño
se deberá tomar en cuenta tanto las dimensiones de la muñeca de una mano real
como las dimensiones y ubicación de los diferentes componentes electrónicos que
estarán situados dentro y fuera del sistema.
Primero se toman las
dimensiones de la muñeca de la mano izquierda del usuario (Fig. 3.11).
Fig.
4.27. Toma de medidas del muñón
Tabla 1.1 Dimensiones de
la muñeca izquierda del usuario
|
|
Ancho (mm) |
Perímetro (mm) |
|
Muñeca |
65.39 |
204 |
Con la dimensión del
perímetro (Tabla 4.1) se busca el radio, servirá para tener como referencia el
diámetro máximo que podrán tener los componentes.
Luego se analiza tanto
las dimensiones y ubicación de los componentes electrónicos para el movimiento
giratorio, toma de señales y alimentación de la prótesis, esta información nos
permitirá realizar un diseño adecuado y una optimización del espacio en el
sistema giratorio.
Figura
4.28. Dimensiones del micro-motor Pololu 1000:1 (unidades en mm).
1.8. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DEL SOCKET
El diseño es
realizado tomando en cuenta las medidas que fue tomado anteriormente,
conservando la similitud del elemento con el antebrazo y disminuyendo su peso,
la batería será reubicada en la parte dorsal de la mano en donde no causa
ningún inconveniente. El diseño constara de un solo elemento en el que estarán
integrados tanto el socket como el acople para el sistema giratorio de muñeca,
esto eliminara las líneas de soldadura mejorando la estética del elemento.
Figura 4.29. Diseño del socket.
