PROTESIS DE BRAZO BIOMEDICO

PROYECTO

INTEGRANTES

• -Carlos Andrés Ramires  G

• -David Steven Orozco

• -Jorge Eduardo Giraldo V

• -Cesar Augusto Merchán V

• -Sebastián Alirio naranjo

• La prótesis de brazo biomédica se ideo con el propósito de reducir la discapacidad que adquieren las personas que han sido victimas de las minas antipersonal u otros desastres.

• El problema de las minas antipersonal existe en Colombia desde hace más de

• veinte años, sin embargo en los últimos 4 años, en vez de disminuir, ha• aumentado de manera desproporcionada. De hecho, Colombia es el

único país• En América Latina y uno de los pocos en el mundo donde cada día se

siembran• Más minas antipersonal. Así, en el cuatrienio comprendido entre los

años 1998• y 2001 ocurrieron en el país 274 accidentes con minas antipersonal, y en

el• siguiente cuatrienio comprendido entre los años 2002 y 2005 la cifra se

elevó a• 1.829 accidentes, lo que significa un aumento de 568% en el número de• accidentes en los últimos 8 años.• Como podemos observar las minas antipersonal son un problema muy

notorio en nuestro pais y no hay razon mas justificante para darse cuenta del por que elegimos esta idea, pues, es muy gratificante para nosotros como patriotas ayudar a esta poblacion tan vulnerable y tan marginada.

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INDUCCION

• Recientemente se han desarrollado estudios en la Universidad Militar Nueva Granada en el laboratorio de Robótica e Inteligencia artificial (LRIA) en donde se desarrolló una mano antropomórfica que imita los modelos prensiles humanos pero

• cuyo inconveniente sigue siendo el elevado número de actuadotes utilizados y el costo para su implementación

LA MANO HUMANA • Como se observa, el dedo

pulgar esta fijo por debajo de los otros dedos y puede realizar los movimientos de cierre y rotación, debido a la gran movilidad de su metacarpo.Esto permite variar la orientación del plano en que se desarrolla el movimiento de doblado y extensión del dedo pulgar, propiedad a través de la cual es posible oponer el dedo pulgar a los otros dedos. Con el término abducción se en tiende el movimiento de salida del dedo del eje del brazo.

• El movimiento de Extensión/Abducción es la capacidad de

• extensión del pulgar hacia la parte exterior y flexión hacia el

• interior de la palma. El término • Oposición se define como la• capacidad de unión de las

puntas del pulgar y el meñique.• La Aducción/Abducción es la

capacidad de acercamiento y• alejamiento del pulgar de la

palma, cuando ambos se• encuentran en un mismo plano.

DISEÑO DEDO ARTICULADO

• Con base en estudios de la biomecánica de la mano y de sus medidas antropométricas, ver tabla 3.1, para definir la cinemática este mecanismo articulado, cuyo tamaño y

• movimientos de cierre son los más similares a los de un dedo humano. Para este estudio se ha utilizado las características

• del dedo índice

• Simulaciones en SolidWorks® y Visual Nastran, hansido desarrolladas para comprobar que el movimiento decierre sea apropiado y para comprobar que no hayinterferencia mecánica, se muestra el prototipo construido enel laboratorio de procesos de mecanizado de la UniversidadTecnológica de Pereira con la característica de que elmecanismo es un mecanismo de barras y esta dentro de loseslabones como muestra la figura

• Para entender como funciona el mecanismo, se hace acontinuación la clasificación de este en grupos de Assur com. se ve a continuación

• El actuado utilizado es de tipo rotacional, y se encuentraacoplado a un tornillo sin fin, permitiendo así la realización deun movimiento de tipo lineal, y por otro lado el movimientogeneral del dedo, como se puede observar en la fig. 5, esrealizado a través de un mecanismo de barras que esta inseridodentro de las falanges.

SISTEMA BIOLOGICO DEDO MECANICO

• Huesos Resina , compuestos plásticos• Articulaciones Revolución• Tendones Sistema palancas en acero• Músculos Micro motor de CC

PRUEBAS Y RESULTADOS

• Se realizó el análisis cinetostático de mecanismo del dedorobot. Para ello se recurre al análisis y síntesis de mecanismospor grupos de Assur. El análisis se inicia con la solucióngráfica de las posiciones obtenidas con el mecanismo en un software CAD, se calcula manualmente las fuerzas yreacciones que se generan en cada junta y

• posteriormente seimplementa un programa de computador sobre la plataformade Matlab V7.0 para la solución de las ecuaciones, luego secomparan los resultados obtenidos en forma gráfica y enforma manual, se obtuvo que error es mínimo (en torno de0.006%) lo que implica que las soluciones fueron aceptables

• Pruebas experimentales han sido desarrolladas con elprototipo. Para estas experiencias se han utilizado uninstrumento virtual desarrollado sobre LabView para lageneración de una señal de PWM2 para control de velocidad ysentido de giro del actuados, además del instrumento virtualpara la medición de fuerzas las cuales son registradas en lossensores (tipo Flexiforce3) durante una prueba de contacto

• Una secuencia de movimiento del dedo es mostrada en laFigura 7, donde son presentadas tres posiciones, superior,intermedia e inferior. En la Figura 8 son presentadosresultados de simulación

• Los resultados obtenidos a través del software Matlabconfirman la suposición de que las fuerzas son pequeñascomparadas con los cálculos estáticos realizados en formamanual para las diferentes posiciones del mecanismo. Parauna rosca ACME se calcula la fuerza compensadora y a partirde esta fuerza son calculadas las otras fuerzas para cada unode los pontos de la trayectoria

• En la tabla 3.3 son presentados los principales resultados obtenidos con ayuda de Matlab®, donde se puede verificar que la trayectoria de un determinado punto P, en el extremo del mecanismo, describe unas posiciones aceptables en relación al movimiento de un dedo humano, como porejemplo, la velocidad que se obtuvo en forma experimental fue de 5 mm/s, y el resultado obtenido en simulación es de4,95 mm/

• Otra técnica para la simulación de mecanismo utilizada espor medio del toolbox de Matlab Simmechanics, la figura 9muestra la referencia tenida en cuenta para el montaje. En lafigura 10 se presenta la respectiva implementación

• Referencia para el montaje en Simmechanics

CONCLUSIONES • A través del curso de este

trabajo se plantearon lasestrategias para la implementación de un dedo robótico para eldesarrollo de grippers para aplicaciones industriales o para fines protésicos. La mayoría de los desafíos de la fabricacióndel dedo robot se presentaron debido a su forma decaracterísticas antropomórficas. Esto hace difícil la manufactura de ciertas piezas, por ejemplo las

• las barras detransmisión y los eslabones que conforman las falanges, puesestos deben cumplir con unas dimensiones particulares.Otro hecho importante es lograr que el dedo robot tengaotro grado de libertad en su base para lograr mayor destrezaen la manipulación de objetos de geometrías complejas, y a lavez calcular las fuerzas que se generan en la nuevaconfiguración

• El hecho de que el robot fue construido en forma manualsignificó demoras en la construcción final debido a los erroreshumanos inherentes en este tipo de trabajos. Pero también hayque resaltar que las formas logradas satisfacen lascaracterísticas antropométricas (forma, tamaño), variables atener en cuenta. Ahora bien, es claro que las técnicasmodernas para el maquinado de piezas complejas puedefacilitar y minimizar muchos errores, por ejemplo empleandotécnicas de CAD/CAM/CAE o estereolitografía

• El material utilizado (Teflón) para la fabricación de lasfalanges, tiene características mecánicas aceptables, ademásde ser de bajo costo, lo que hace que sea tenido en cuenta enfuturos diseños de bioingeniería.Este dedo robot facilitara la implementación de una manocompleta la cual puede ser usada en aplicaciones deInteligencia artificial con robots humano idees, obviamenteincorporando algunas mejoras para dotar de sensores para laadquisición de diferentes sensaciones como

• por ejemplotemperatura, para control dinámico del sistema en lazocerrado.Un sensor, en detalle, se podría aplicar a todos loselementos constitutivos del dedo robot, por ejemplo una uñapodría ser utilizada, como sus contrapartes biológicas, estauña seria un transductor importante de la información con elcual es dedo robot podría raspar, cavar, y golpear ligeramenteobjetos, una propuesta se muestra en la figura

• Este tipo de trabajos requieren del uso de las diferentesteorías para el análisis y síntesis de mecanismos, y demuestraque la ingeniería puede tomar como fuente de inspiración labiomecánica para el desarrollo de nuevos sistemas que emulenel movimiento humano

Científicos piensan en brazos robot controlables

mediante nervios reconectados • Correcto, la idea no es nueva en su

concepto básico, pero cuantos más ejemplos veamos, mejor. Un médico especialista del Instituto de Rehabilitación de Chicago y un profesor de la Universidad Northwestern han desarrollado una técnica que permite el uso de brazos artificiales únicamente con el pensamiento, igual que harías con uno de carne y hueso. 

• El proceso, llamado TMR (de targeted muscle reinnervation) funciona básicamente reconectando al pecho nervios residuales que en tiempos llevaban información en dirección a la extremidad amputada; cuando el usuario piensa en mover su brazo el músculo se contrae, y con la ayuda de un electromiograma (EMG) la señal es 'dirigida a un microprocesador en el brazo artificial que decodifica los datos y le dice al brazo qué hacer'. Actualmente solo es posible realizar cuatro movimientos con la tecnología disponible, aunque ya se están efectuando estudios para ver si se puede ampliar el dinamismo de las prótesis.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA MANO ROBÓTICA Y

GUANTE SENSORIZADO • Una vez entendidos los

conceptos básicos necesarios para la realización deeste proyecto, en este capítulo se describe la construcción tanto del guantesensorizado como de la mano robótica, así como todo el hardware necesariopara realizar las tareas de control.En un inicio se trató de construir sensores fotoeléctricos basados en lapercepción de una fuente luminosa n.

• constante a través de un ducto elástico, conun LED en un extremo y una foto resistencia en el otro, pero, la implementaciónfísica en el guante era muy difícil e incómoda debido principalmente al espacioreducido que se tiene. Por lo tanto, se procedió a utilizar otro método mediantesensores infrarrojos de reflexión utilizados comúnmente en robots seguidoresde línea. Su reducido tamaño y sencillez de acondicionamiento fueron factoresclaves para su selección

• Se utilizó conceptos muy generales en cuanto al diseño de la parte mecánicade la mano robótica, debido a que este proyecto está enfocado principalmente a las tareas y algoritmos de control de la misma.Para el diseño de la mano robótica se tomó como punto de referencia a la mano humana tomando en cuenta los siguientes conceptos.Debe ser auto-contenida; esto es, que la mano sea una pieza independiente.Debido a ello no posee tendones o elementos de transmisión externos a la propia mano. Además debe ser antropomorfa; esto es, debe tener la apariencia de una mano humana, se buscó un diseño con características antropomorfas. Por último las dimensiones deben ser lo más cercanas posibles a las de una mano humana. 26 Tomando en cuenta todos estos aspectos se procede a describir el diseño y laconstrucción de todo el hardware utilizado.

ARQUITECTURA DEL SISTEMA

• El guante sensorizado es un elemento provisto con sensores fotoeléctricos, loscuales determinan la posición de las articulaciones de cada dedo de una manodiestra. Las señales de los sensores son acondicionadas, procesadas ytransmitidas a través de una interface RS-232 cuando la etapa de control lorequiera.El hardware está formado por un guante diestro flexible, sobre el cual sonmontados estratégicamente los sensores fotoeléctricos. Son en total 15sensores fotoeléctricos cuya salida acondicionada es un valor analógico y elelemento de control, del cual se tratará posteriormente, posee 5 entradas parala conversión A/D (analógica-digital); por ello fue necesario incluir una etapa deselección de datos, con ello, mediante un barrido de lectura de los sensores,una de las 15 entradas es conectada a una única entrada analógica delelemento de control para su conversión A/D.Una

• Una vez digitalizados los datos estos son procesados, almacenados yactualizados continuamente para ser transmitidos a través de una Interfase RS-232 cuando la etapa de control de la mano robótica los requiera.En la Figura 2.1 se muestra un diagrama con la arquitectura del guantesensorizado.

GUANTE

• Para el desarrollo del guante sensorizado se utilizó un guante diestro de la marca MerchPro modelo Wells Lamont #7707M, el cual está confeccionado con 60% de nylon y 40% de poliuretano en la palma; y, 96% de poliéster y 4% deSpandex en el dorso. Se eligió este tipo de guante debido a la flexibilidad que se requiere. Este guante se lo puede observar en la Figura

DISEÑO DEL DISPOSITIVO FOTOELÉCTRICO SENSOR

• El dispositivo fotoeléctrico sensor consta de un emisor-receptor de luz y un ducto elástico.

EMISOR-RECEPTOR DE LUZ

• Se utilizó como dispositivo fotoeléctrico emisor-receptor de luz al circuitointegrado SG2BC, el cual es un sensor óptico reflectivo; es decir, presenta unavariación en su señal de salida por la menor o mayor reflexión de luz infrarrojaemitida por una fuente de luz infrarroja constante. Su salida es de tipotransistor.

• Para este proyecto se utilizan 15 sensores ópticos los cuales son ubicadosestratégicamente en el guante sensor con el fin se sensar la flexión de cadauna de las articulaciones. Cada uno de los sensores son conectados a unaetapa de acondicionamiento

DUCTO ELÁSTICO

• Para el presente proyecto se utilizo un ducto elástico de color negro debido a que se requiere evitar cualquier interferencia externa hacia el dispositivo sensor, así como cualquier fuga de luz hacia el exterior. Debido a que la fuenteluminosa es constante, las paredes del ducto incrementan o decrementan el numero de rayos reflejados por las paredes hacia el receptor según el ángulode flexión del ducto. Analizando las articulaciones de los dedos se llegó a la conclusión que la medida ideal del ducto es de 1 a 1.5 cm. Siendo un total de15 unidades.