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I N S T I T U T O P O L I T É C N I C O N A C I O N A L
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
Unidad Profesional Adolfo López Mateos Zacatenco
“Implementación de señales mioeléctricas en un
sistema de control para generar movimientos en una
prótesis personalizada de mano”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA
MECÁNICA
PRESENTA:
Ing. Armando Josué Piña Díaz
ASESORES:
Dr. Guillermo Manuel Urriolagoitia Calderón
Dr. Christopher René Torres San Miguel
México, D.F., Agosto de 2015
IV
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
AGRADECIMIENTOS
A mi madre Lourdes.
Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la
motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por
su amor.
A mi padre Armando.
Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha
infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor.
A mi hermana Lucia
Por estar conmigo y apoyarme siempre.
A mis maestros.
Por su gran apoyo y motivación, además de compartir sus conocimientos y experiencias
para la elaboración y culminación de esta tesis.
A todos mis amigos, por compartir los buenos y malos momentos.
Y a todos aquellos familiares y amigos que no recordé al momento de escribir esto. Ustedes
saben quiénes son.
Por último pero no menos importante, quiero agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnología CONACyT, y a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica ESIME
plantel Zacatenco, del Instituto Politécnico Nacional.
V
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
RESUMEN
Un humano es un ser principalmente funcional y su cuerpo e inteligencia es la esencia de lo
que hace. El órgano principal para la manipulación física del medio son las manos, en
donde la punta de los dedos contiene algunas de las zonas con más terminaciones nerviosas
del cuerpo humano, son la principal fuente de información táctil sobre el entorno, por eso el
sentido del tacto se asocia inmediatamente con las manos. Dicha extremidad superior ha
sido socio clave del cerebro para convertir el pensamiento en acción, en ella, las ideas se
traducen mecánicamente en acciones, creando representaciones jerárquicas para configurar
los procesos necesarios en el control de movimientos.
Las investigaciones relacionadas con la adquisición de estas señales mioeléctricas, han sido
utilizadas, principalmente con la finalidad de hacer funcionar diversos dispositivos tipo
prótesis para diferentes extremidades. Logrando que dichas prótesis puedan ser
manipuladas gracias a la respuesta que se genera por medio de estas señales para emular el
movimiento natural de la extremidad reemplazada.
En este trabajo de investigación se presenta el diseño de un sistema de control capaz de
recibir y procesar las señales mioeléctricas generadas por el antebrazo de una persona, con
la finalidad de controlar una prótesis personalizada de mano. Desarrollando todo el
algoritmo necesario para la adquisición y el procesamiento de las señales para generar el
movimiento de la prótesis de manera voluntaria por parte del paciente. Siendo así no solo
por cubrir la parte estética de la falta de dicho miembro en el paciente, sino también por
cubrir sus necesidades de poder volver a tener movilidad en el miembro amputado, siendo
en este caso de estudio la prótesis de mano.
VI
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
ABSTRACT
A human is mainly a functional entity and his body and intelligence is the essence of what
it does. The main body for physical manipulation of the medium are the hands, where the
fingertips contain some of the densest areas of nerve endings of the human body, are the
main source of tactile information on the environment, so the sense of touch it is intimately
associated with hands. Said upper end has been a key partner of the brain to turn thought
into action, in her, the ideas mechanically translate into action, creating hierarchical
representations to configure the necessary processes in the control of movement.
Research related to the acquisition of these myoelectric signals have been used mainly for
the purpose of operating different types of prosthetic devices for many limbs. Achieving
such prostheses can be handled thanks to the response that is generated by these signals to
emulate the natural movement of the limb replaced.
In this research the design of a control system capable of receiving and processing the
myoelectric signals generated by the forearm of a person, in order to control a prosthetic
hand personalized presents. Developing all the algorithms needed for the acquisition and
processing of signals to generate the movement of the prosthesis voluntarily by the patient.
Making it not only the aesthetic cover for the lack of that member in the patient, but also to
meet their needs to regain mobility in the amputated limb, which in this case study the
prosthetic hand.
VII
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
CONTENIDO
RESUMEN.………………………………………………………………………… V
ABSTRACT………………………………………………………………………... VI
ÍNDICE.…………………………………………………………………………….. VII
ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………….. XI
ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………………….. XVI
OBJETIVO GENERAL…………………………………………………..…....... XVII
OBJETIVOS ESPECIFICOS……………………………………………………. XVII
JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………….. XVIII
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….. XIX
CAPÍTULO I
I.1.- Introducción…………………………………………………………………… 2
I.2.- Antecedentes específicos……………………………………………………… 2
I.3.- Señales electromiográficas …………………………………………………… 3
I.3.1.- Uso generalizado de las señales EMG…………………………………… 4
I.3.2.- Los beneficios de las señales EMG………………………………………. 5
I.4.- Ingeniería de control…………………………………………………………... 6
I.4.1.- Sistemas de control moderno…………………………………………….. 8
I.4.2.- Estudios previos sobre el control de las señales EMG...…………………. 9
I.4.3.- Aplicaciones del control neurodifuso en las señales EMG………………… 10
I.5.- Planteamiento del problema…………………………………………………… 11
I.6.- Sumario………………………………………………………………………... 12
I.7.- Referencias…………………………………………………………………….. 13
CAPÍTULO II
II.1.- Fundamentos teóricos………………………………………………………… 18
II.2.- Características generales de los músculos……………………………………. 18
II.2.1.- Funcionamiento de los músculos………………………………………... 21
II.2.2.- Mecanismo molecular de la contracción muscular……………………… 24
VIII
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
II.3.- Señales mioeléctricas (EMG)………………………………………………… 24
II.3.1.- Adquisición de señales mioeléctricas…………………………………… 25
II.3.1.1.- Captura……………………………………………………………... 26
II.3.1.2.- Amplificación……………………………………………………… 27
II.3.1.3.- Filtrado……………………………………………………………… 28
II.3.2.- Electrodos……………………………………………………………….. 30
II.4.- Control inteligente……………………………………………………………. 31
II.5.- Prótesis electromecánicas de mano…………………………….……………... 33
II.5.- Sumario……………………………………………………………………….. 39
II.6.- Referencias…………………………………………………………………… 40
CAPÍTULO III
III.1.- Diseño a detalle de la prótesis de mano………..…………………………….. 45
III.2.- Requisitos de diseño…………………………………………………………. 45
III.3.- Proceso de diseño de la parte mecánica del prototipo de la prótesis………… 47
III.3.1.- Modelado del prototipo por computadora……………………………… 48
III.4.- Modelado de los dedos índice, medio, anular y meñique de la prótesis de
mano………………………………………………………………………………... 49
III.4.1.- Diagrama geométrico del ensamble de dedo índice, medio, anular y
meñique para la prótesis de mano…………………………………………………... 51
III.4.2.- Síntesis del mecanismo para los dedos índice, medio, anular y meñique 53
III.4.3.- Solución al modelo cinemático directo mediante el uso del sistema
matricial de Denavit & Hartenberg para los dedos índice, medio, anular y meñique
del modelo protésico………………………………………………………………... 54
III.4.4.- Solución al modelo de cinemática inversa para los dedos índice, medio,
anular y meñique del modelo protésico…………………………………………… 57
III.4.5.- Esquema del espacio de trabajo para el mecanismo de los dedos índice,
medio, anular y meñique……………………………………………………………. 59
III.5.- Diseño del modelo del dedo pulgar para la prótesis de mano……………….. 61
III.6.- Diseño del dorso y sistemas para la transición de movimiento y colocación
IX
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
de los servomotores………………………………………………………………… 63
III.6.1.- Sistema de transmisión de movimiento………………………………… 64
III.6.- Modelo tridimensional del prototipo de prótesis de mano………….……….. 68
III.7.- Sumario……………………………………………………………………… 74
III.8.- Referencias…………………………………………………………………... 76
CAPÍTULO IV
IV.1.- Impresión tridimensional y ensamblaje de la prótesis de mano…………….. 79
IV.2.- Impresión tridimensional del prototipo de prótesis de mano……………….. 79
IV.2.1.- Creación de los archivos STL………………………………………….. 83
IV.2.2.- Exportación de los archivos STL………………………………………. 83
IV.2.3.- Importación de los archivos STL………………………………………. 85
IV.2.4.- Obtención de las piezas impresas………………………………………. 88
IV.2.5.- Propiedades del material utilizado en la impresión………………….…. 89
IV.3.- Ensamble del modelo de la prótesis de mano……………………………….. 90
IV.3.1.- Acoplamiento de los servomotores…………………………………….. 92
IV.3.2.- Ensamblaje final del prototipo de prótesis de mano……………………. 93
IV.4.- Sumario……………………………………………………………………… 96
IV.5.- Referencias…………………………………………………………………... 97
CAPÍTULO V
V.1.- Diseño del sistema de adquisición y procesamiento de las señales
mioeléctricas ……………………………………………………………………….. 99
V.2.- Etapa de adquisición de las señales mioeléctricas…………………………… 99
V.2.1.- Selección de los electrodos……………………………………………… 99
V.2.2.- Identificación de los músculos que generan los diversos movimientos
de la mano…………………………………………………………………………... 103
V.2.3.- Posicionamiento de los electrodos para la captación de las señales EMG 110
V.2.4.- Lectura de las señales EMG del grupo de músculos del paciente………. 111
V.3.- Etapa de acondicionamiento de las señales mioeléctricas……………………. 113
X
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
V.3.1.- Amplificador de instrumentación……………………………………….. 114
V.3.2.- Etapa de filtrado de las señales electromiográficas……………………... 116
V.3.2.1.- Filtro pasa altas…………………………………………………….. 118
V.3.2.2.- Filtro pasa bajas……………………………………………………. 118
V.3.3.- Etapa de amplificación de las señales mioeléctricas……………………. 120
V.4.- Sistema de control……………………………………………………………. 122
V.5.- Sumario………………………………………………………………………. 123
V.6.- Referencias…………………………………………………………………… 124
CAPÍTULO VI
VI.1.- Análisis de Resultados y Conclusiones……………………………………… 126
VI.2.- Señales EMG obtenidas……………………………………………………... 126
VI.3.- Comparación de las lecturas del músculo, con la simulación del circuito de
adquisición de las señales EMG……………………………………………………. 130
VI.4.- Activación de los servomotores……………………………………………... 133
VI.5.- Análisis de costos……………………………………………………………. 134
VI.6.- Conclusiones………………………………………………………………… 135
TRABAJOS FUTUROS……………………………………………………………. 137
ANEXOS
Anexo A…………………………………………………………………………….. 140
Anexo B…………………………………………………………………………….. 142
Anexo C…………………………………………………………………………….. 146
Anexo D…………………………………………………………………………….. 150
Anexo E…………………………………………………………………………….. 156
ARTÍCULO PUBLICADO……..………………………………………………….. 166
XI
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura I.1.- Señales mioeléctricas generadas al contraer o distensionar los
músculos.…………………………………………………………………………… 4
Figura I.2.- Aplicación de las señales EMG……………….…………………...….. 5
Figura I.3.- Vista directa a la función corporal/muscular por el uso de programa
computacional………………………………………………………………………. 6
Figura I.4.- Máquina de vapor con regulador de Watt………………………………… 7
Figura I.5.- Mano DIST, manipulador de alta destreza con 16 grados de libertad… 8
Figura II.1.- Músculo estriado…………………………………………………… 18
Figura II.2.- Partes que integran un músculo estriado....………………………… 19
Figura II.3.- Corte transversal de las fibras musculares…………………………… 20
Figura II.4.- Funcionamiento de la bomba Ca++- ATP, la cual se encarga de
mantener en niveles bajos de Ca al sarcómero para evitar su saturación…………... 21
Figura II.5.- Fijación de un músculo esquelético involucrado en la flexión del
antebrazo……………………………………………………………………………. 22
Figura II.6.- Contracción del codo. a) Contracción isométrica. b) Contracción
concéntrica. c) Contracción excéntrica……………………………………………... 23
Figura II.7.- Detección de señales mioeléctricas …………………………………. 25
Figura II.8.- Sistema básico de adquisición de señales EMG……………………... 26
Figura II.9.- Localización de electrodos…………………………………………... 27
Figura II.10.- Señal bioeléctrica censada, a) sensor, b) adecuación de la señal, y c)
procesador……...…………………………………………………………………… 29
Figura II.11.- Electrodos superficiales…………………………………………..… 31
Figura II.12.- Prótesis UTAH-MIT…..…………..………………………………… 34
Figura II.13.- Prótesis DLL-HAND II……...……………………………………... 34
Figura II.14.- Prótesis de Canterbury……….………………...…………………... 35
Figura II.15.- Prótesis desarrollada por Pylatiuk y colaboradores…….…………... 35
Figura II.16.- Prótesis NAIST……………………………………………………... 36
Figura II.17.- Prótesis I-Limb……………………………………………………... 36
XII
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura II.18.- Prótesis I-Limb Ultra………...……………………………………... 37
Figura II.19.- Prótesis desarrollada por Probionics………………...……………... 38
Figura II.20.- Prótesis diseñada en la UNAM……………………………………... 39
Figura III.1.- Tipos de agarre de la mano………………………………………………. 46
Figura III.2.- Ejemplo de prótesis de mano elaboradas con impresoras 3D………. 47
Figura III.3.- Planos de la prótesis de la mano 3D………………………………… 49
Figura III.4.- Diseño de la falange distal y medial para el dedo índice, medio,
anular y meñique……………………………………………………………………. 50
Figura III.5.- Sistema de sujeción y movimiento de las falanges…………………. 50
Figura III.6.- Ejemplo de estructura junto con sus articulaciones y sus ejes de
rotación……………………………………………………………………………... 51
Figura III.7.- Sistema de referencias de los eslabones en el modelo del dedo
diseñado…………………………………………………………………………….. 52
Figura III.8.- Representación geométrica para el dedo índice, medio, anular y
meñique…………………………………………………………………………….. 53
Figura III.9.- Representación espacial de las restricciones naturales en el
movimiento del dedo índice………………………………………………………… 60
Figura III.10.- Comparación de la representación del espacio de trabajo
alcanzable por el modelo con una articulación fija (color rojo), con respecto a la
configuración espacial ideal (color verde) ………………………………………… 60
Figura III.11.- Vista explosionada del modelo del dedo…………………………... 61
Figura III.12.- Prototipo de ensamble del dedo pulgar……………………………. 62
Figura III.13.- Vista explosionada del dedo pulgar……………………………….. 62
Figura III.14.- Sistema para movimiento de las falanges dedo pulgar……………. 62
Figura III.15.- Sistema para movimiento de oposición del dedo pulgar…………... 63
Figura III.16.- Esquema del compartimento para ensamble del actuador y
servomotores………………………………………………………………………... 64
Figura III.17.- Esquema del ensamblaje de actuadores y servomotores…………... 64
Figura III.18.- Servomotor HD-1900A de la marca Power HD®…………………… 65
XIII
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura III.19.- Plano acotado del servomotor HD-1900A……………..………….. 66
Figura III.20.- Motoreductor utilizado 1000:1…………………………………….. 67
Figura III.21.- Modelo tridimensional del ensamble de la prótesis de mano……... 68
Figura III.22.- Modelo tridimensional de la prótesis de mano comparado con
mano real. ………………………………………………………………………….. 68
Figura III.23.- Emulación de agarre tipo gancho, utilizado para cargar cosas con
asa. …………………………………………………………………………………. 69
Figura III.24.- Emulación de agarre tipo lateral, utilizado al escribir……………... 69
Figura III.25.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar…... 70
Figura III.26.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar…... 70
Figura III.27.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener
un vaso……………………………………………………………………………… 70
Figura III.28.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano
diseñada…………………………………………………………………………….. 71
Figura III.29.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano
diseñada…………………………………………………………………………….. 72
Figura IV.1.- Impresión tridimensional por deposición de hilo fundido…………... 79
Figura IV.2.- Comparativa de menor número de triángulos por superficie, a
mayor número de triángulos por superficie y su afectación en la geometría real de
la pieza. …………………………………………………………………………….. 83
Figura IV.3.- Ventada de opción de guardar archivo STL en Solid Works®………. 84
Figura IV.4.- Valores modificables para generar la malla de triangulación de la
pieza………………………………………………………………………………… 84
Figura IV.5.- Ventana de diálogo que indica el número de triángulos en la malla
de la pieza…………………………………………………………………………... 85
Figura IV.6.- Impresora 3D Dimension SST 1200-es…………………………………. 86
Figura IV.7.- Pieza importada en el programa CatalystEX®………………………… 87
Figura IV.8.- Mapa del espaciado de piezas en el programa CatalystEX® para la
impresión……………………………………………………………………………
87
XIV
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura IV.9.- Proceso en el programa CatalystEX® para la impresión…………… 88
Figura IV.10.- Piezas impresas del prototipo en la Dimension SST 1200-es………. 88
Figura IV.11.- Piezas impresas aun con material de soporte removible…………... 89
Figura IV.12.- Piezas impresas ya sin material de soporte ………………………. 89
Figura IV.13.- Articulaciones tipo horquilla en el ensamble de la prótesis ………. 91
Figura IV.13.- Pasador cilíndrico a) de sujeción y b) de posición ………………... 91
Figura IV.14.- Compartimiento para los servomotores que generan el movimiento
de los dedos…….…………………………………………………………………… 92
Figura IV.15.- Ensamblaje de los sistemas que generan movimiento en el dedo
pulgar, a) flexión y extensión b) oposición………………………………………… 93
Figura IV.16.- Ensamblaje final de la prótesis de mano…………………………... 93
Figura IV.17.- Ensamblaje final de la prótesis de mano comparado con mano real. 94
Figura IV.18.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar…... 94
Figura IV.19.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar…... 95
Figura IV.20.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener
un vaso.. ……………………………………………………………………………. 95
Figura V.1.- Diagrama de electrodo superficial flotante…………………………... 100
Figura V.2.- Modelo eléctrico para electrodos conductores……………………….. 101
Figura V.3.- Modelo eléctrico para dos electrodos…………………………............ 102
Figura V.4.- Electrodo superficial utilizado en la etapa de adquisición de las
señales a) vista superior, y b) vista inferior…………………………........................ 103
Figura V.5.- Visión general de los flexores superficiales………………………... 106
Figura V.6.- Vista general de los flexores profundos…………………………........ 107
Figura V.7.- Visión general de la musculatura radial…………………………........ 107
Figura V.8.- Vista general de los extensores superficiales………………………… 108
Figura V.9.- Visión general de los extensores profundos………………………….. 109
Figura V.10.- Posicionamiento de los electrodos.…………………………………. 111
Figura V.11.- Lectura de las señales EMG del antebrazo, con el músculo en
reposo. …………………………...…………………………...……………………. 112
XV
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura V.12.- Lectura de las señales EMG, esfuerzo gradual y el esfuerzo máximo
músculo…………………………...………………………….................................... 112
Figura V.13.- Diagrama eléctrico del circuito de adecuación de las señales EMG... 113
Figura V.14.- Diagrama eléctrico del amplificador instrumental………………….. 114
Figura V.15.- Diagrama del amplificador de instrumentación…………………….. 115
Figura V.16.- Diagrama de la etapa de pre-amplificación………………………… 116
Figura V.17.- Señal obtenida a la salida de la etapa de pre-amplificador de
instrumentación (azul), comparada con la señal de entrada (roja)…………………. 117
Figura V.18.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas… 119
Figura V.19.- Señal obtenida a la salida de la etapa de filtrado (azul), comparada
con la señal de entrada (roja) …………………………...………………………….. 119
Figura V.20.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas… 120
Figura V.21.- Señal obtenida a la salida del circuito final de procesamiento de
señales (azul), comparada con la señal de entrada (roja) …………………………... 121
Figura V.22.- Circuito eléctrico del sistema de adecuación de las señales………... 122
Figura V.23- Tarjeta utilizada para el control de las señales………………………. 123
Figura VI.1.- Señal EMG del músculo a esfuerzo medio………………………….. 126
Figura VI.2.- Señal EMG de un pulso del músculo.………………………….......... 127
Figura VI.3- Señal EMG del músculo con un incremento gradual del esfuerzo…... 128
Figura VI.4.- Diagrama del Schmitt Trigger…………………………...………….. 129
Figura V1.5.- Simulación del sistema Schmitt Trigger…………………………..... 130
Figura V1.6.- Simulación de la señal del esfuerzo medio…………………………. 131
Figura V1.7.- Simulación de la señal a un pulso del músculo…………………….. 132
Figura V1.8.- Simulación de la señal en un esfuerzo gradual del músculo………... 133
XVI
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla III.1.- Parámetros de Denavit & Hartenberg…………………………………… 54
Tabla III.2.- Fuerza promedio ejercida por los dedos en diferentes tipos de agarres 65
Tabla III.3.- Comparativa entre servomotores disponibles en el mercado nacional. 65
Tabla III.4.- Datos técnicos del servo-motor HD-1900A…………………………. 66
Tabla III.5.- Comparativa entre micro-motoreductores disponibles en el mercado
nacional…………………………………………………………………………...… 66
Tabla III.6.- Datos técnicos del micro-motoreductor 1000:1……………………… 67
Tabla III.7.- Listado de las piezas que comprenden el modelo diseñado………….. 72
Tabla IV.1.- Comparativa de las especificaciones geométricas entre diferentes
tecnologías de impresión 3D……………………………………………………….. 81
Tabla IV.2.- Comparación de las capacidades de impresión por formas de piezas,
de las tecnologías de impresión 3D……………………………………………………….. 82
Tabla V.1- Musculatura del antebrazo……………………………………………... 104
Tabla V.2- Musculatura de la mano………………………………………………... 105
Tabla V.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del
paciente………………………………………………............................................... 112
Tabla V.4- Datos para la simulación de las señales EMG del paciente……………. 122
Tabla VI.1- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del
paciente………………………………………………............................................... 127
Tabla V1.2- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del
paciente………………………………………………............................................... 128
Tabla VI.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del
paciente………………………………………………............................................... 129
Tabla VI.4- Análisis de costos del proyecto……………………………………… 134
XVII
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un sistema de control, de bajo consumo de energía capaz de
adquirir, adecuar y procesar las señales mioeléctricas generadas en el miembro superior,
para controlar el movimiento de una prótesis personalizada de mano.
Objetivos particulares:
Conocer las bases teóricas sobre procesamiento y análisis de señales
electromiográficas.
Identificar los datos y las características relacionados a la prótesis de la mano ya
manufacturada previamente.
Presentar los métodos de adquisición y procesamiento de señales mioeléctricas.
Optimizar el diseño de la prótesis de mano.
Construir el prototipo de prótesis de mano.
Garantizar la funcionalidad del dispositivo de procesamiento de las señales de
control.
XVIII
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
JUSTIFICACIÓN
Las señales electromiográficas (EMG), también conocidas como mioeléctricas son señales
eléctricas que se producen con el movimiento de contracción y distensión de los músculos.
Estas pueden ser generadas de manera voluntaria, son muy utilizadas por su funcionalidad
para controlar interfaces hombre – máquina.
Las investigaciones relacionadas con la adquisición de estas señales mioeléctricas, han sido
utilizadas, principalmente con la finalidad de hacer funcionar diversos dispositivos tipo
prótesis para diferentes extremidades. Dichas prótesis pueden ser manipuladas gracias a la
respuesta que se genera por medio de estas señales para emular el movimiento natural de la
extremidad reemplazada.
Con esta tesis se busca diseñar un sistema de control capaz de recibir y procesar las señales
mioeléctricas generadas por el brazo de una persona para poder controlar una prótesis
personalizada de mano desarrollada en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación,
de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica; necesario para la adquisición y
el procesamiento de las señales para generar el movimiento de la prótesis de manera
voluntaria por parte del paciente.
XIX
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
INTRODUCCIÓN
En la actualidad existen muchos estudios enfocados al análisis de señales mioeléctricas
(EMG), los cuales toman mucho tiempo entre la adquisición de la señal y la clasificación
del movimiento a realizar, por lo cual su implementación para el control de dispositivos
reales se hace inaceptable; otros estudios, aunque clasifican más rápido las señales, con
estos métodos requieren de largas jornadas de entrenamiento por parte del paciente para
aprender a manejarlas, pues éste debe aprender a generar contracciones musculares nunca
antes utilizadas para el manejo de su miembro natural.
Por tal motivo, el capítulo 1 define las características principales de las señales EMG y su
incursión dentro de la ingeniería y la medicina, así como los fundamentos de la ingeniería
de control, que puede ser aplicable y compatible con el uso de señales mioeléctricas que
permita generar movimientos en la prótesis de mano.
El capítulo 2 presenta los fundamentos del proceso biológico en los músculos que generan
los pulsos eléctricos necesarios para el movimiento del músculo. Así como, las etapas de
captura y procesamiento de dichas señales, para su posterior utilización. También, se
enlistan los principales aportes en cuestión de prótesis de mano electromecánicas.
Dentro del capítulo 3 se describe el concepto de creación de prototipos mediante la
impresión de modelos tridimensionales a través de manufactura asistida por computadora.
Mostrando el desarrollo en diseño asistido por computadora a detalle de cada una de las
partes que comprenden a la prótesis de mano, y los dispositivos que generan y transmiten el
movimiento de la prótesis. Así como los cálculos de la cinemática directa e inversa para
este modelo de ensamble.
En el capítulo 4 se muestra el proceso de ensamble del prototipo de la prótesis de mano. La
manufactura por medio de impresoras 3D, las principales técnicas y la forma en que estos
procesos se relacionan para generar en conjunto un ensamble útil para la realización de este
XX
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
trabajo. Haciendo mención de los tipos de piezas utilizadas en el modelo protésico y su
unión para formar el mecanismo completo que da vida a la prótesis mioeléctrica.
El capítulo 5 da una descripción de los dispositivos a utilizar en el sistema de adquisición y
procesamiento de las señales mioeléctricas. Determina la metodología a utilizar en el
proyecto, desde la ubicación de los músculos a detectar, hasta el procesamiento de las
señales EMG captadas de dicho músculo, para generar los movimientos de la mano.
Para el capítulo 6 se abordan las lecturas de las señales electromiográficas y su simulación
en el equipo de cómputo. Así mismo, se explica el funcionamiento y la importancia del uso
de un recortador de la señal de salida del circuito de filtrado. Y por último, se hace un
análisis de costos del diseño del proyecto.
Los resultados aquí presentados, pueden servir de base para el desarrollo de dispositivos
controlados a voluntad por el ser humano, o bien para desarrollar una tecnología que ayude
a personas que han perdido alguna parte de su cuerpo o en procesos de rehabilitación.
En este capítulo se
definen las
características
principales de las señales
electromiográficas y su
incursión dentro de la
ingeniería y medicina,
que puede ser aplicables
y compatibles con el uso
de señales mioeléctricas
para la realización del
sistema de control que
permita generar
movimientos en una
prótesis de mano.
CAPÍTULO I
Antecedentes Específicos
Capítulo I 2
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
I.1.- Introducción
En el presente capítulo se proporcionan las bases teóricas iniciales acerca de conceptos generales
sobre las señales mioeléctricas. Así como, su historia y aplicaciones previas en el área de la
investigación, vinculadas con el miembro superior de humano.
Desde muchos años atrás, la tecnología en el mundo ha buscado nuevos horizontes, los cuales
tienen tendencias hacia la fusión entre la Ingeniería y la Medicina. Lo anterior con el fin de
contribuir al avance general de la ciencia. Es por esto, que nace la inquietud por las señales
mioeléctricas. Sin embargo, debido a la complejidad de las señales mioeléctricas, países como
Estados Unidos, Japón, Gran Bretaña, Alemania y Francia, son los que van a la vanguardia y han
realizado la gran mayoría de estudios para su identificación y análisis, a diferencia de los países
subdesarrollados, que no cuenta con los recursos necesarios para estas investigaciones.
I.2.- Antecedentes específicos
En el cuerpo humano se generan diferentes señales bioeléctricas, las cuales se encuentran
presentes en tejidos, células, nervios, glándulas, entre otros. Este tipo de señales permiten el
funcionamiento de órganos tales como; el cerebro, el corazón, los ojos, los músculos, etc. Las
señales bioeléctricas reciben nombres característicos dependiendo del órgano en el que se
originan. Como ejemplo, para los órganos mencionados anteriormente se denominan como;
electroencefalográficas, electrocardiográficas, electrooculográficas y electromiográficas,
respectivamente [I.1 a I.4].
Las señales bioeléctricas son utilizadas principalmente en diagnóstico médico para detectar
patologías en los órganos que las producen. Sin embargo, también pueden ser utilizadas
particularmente aquellas que son generadas de manera voluntaria como en este caso, el bíceps.
Las señales electromiográficas (EMG) o también conocidas como mioeléctricas son señales
eléctricas que se producen en los músculos cuando estos se contraen o distensionan y son
producidas por el intercambio de iones a través de las membranas musculares [I.5]. Estas señales,
a pesar de presentar niveles de voltaje pequeños, pueden determinarse y medirse con equipo
adecuado y especializado. Para de esta forma, la información recopilada puede ser empleada para
orientarla hacía el área de la Robótica. Otra aplicación a las que se le ha otorgado a este tipo de
Capítulo I 3
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
señales, es en el manejo de potenciales, donde las señales EMG medidas en músculos activados
voluntariamente por un usuario, se procesan y se emplean.
I.3.- Señales electromiográficas (EMG)
Se encuentra documentado que el primer material en el que se aplicó las señales EMG fue en el
de trabajo de Redi en 1666 [I.6]. Redi descubrió un músculo altamente especializado en la Raya
Eléctrica que generaba electricidad. En 1773, Walsh pudo demostrar que el tejido muscular de la
Raya Eléctrica tenía la capacidad de generar una chispa de electricidad [I.7]. En 1792, en una
publicación titulada De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius escrita por
Galvani, el autor demostró que la electricidad podía iniciar contracciones musculares [I.8]. Seis
décadas después, en 1849, Dubois-Raymond descubrió que era posible llevar un registro de la
actividad eléctrica durante la actividad de la contracción muscular [I.9]. Sin embargo, el primer
registro real fue hecho por Marey en 1890, quien introdujo el término de electromiografía [I.10].
Para 1922, Gasser y Erlanger utilizaron un osciloscopio para mostrar las señales eléctricas de los
músculos [I.11].
Entre 1930 y 1950 los científicos comenzaron a utilizar electrodos mejorados y más sofisticados
para los estudios musculares [I.12 a I.15]. El uso clínico de señales EMG para el tratamiento de
desórdenes más específicos comenzó en la década de los 60’. Hardyck y sus colaboradores fueron
los primeros, practicante, en aplicar el EMG [I.16]. En los comienzos de los 80’s Cram y Steger
introdujeron un método clínico para escanear una variedad de músculos utilizando dispositivo
EMG sensible [I.17].
No fue hasta mediados de los 80’s, cuando se integraron las técnicas de los electrodos, las cuales
tenían un nivel tecnológico suficiente para la producción de instrumentación pequeña y de bajo
peso. Asimismo, amplificadores que permitían avances en campos como los de la Medicina o la
Biomecánica. En el presente, existe un gran número de amplificadores que se comercializan. La
electromiografía se ha venido utilizando ampliamente para el registro de músculos superficiales
en protocolos clínicos o kinesiólogos. Donde los electrodos intramusculares son utilizados para
investigar músculos profundos o localizar la actividad muscular [I.18].
Capítulo I 4
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Actualmente existen un sin número de aplicaciones para el uso de la señales EMG. Por ejemplo,
es utilizada clínicamente para el diagnóstico de problemas neuronales o neuromusculares. Es
utilizada en muchos tipos laboratorios, incluyendo los que están en el campo de la Biomecánica
para el análisis del control motriz, fisiología neuromuscular, desordenes de movimiento, control
postural, terapia física [I.19].
Una electromiografía se emplea con mayor frecuencia cuando las personas tienen síntomas de
debilidad y la evaluación muestra deterioro de la fuerza muscular. Este examen puede ayudar a
diferenciar entre debilidad muscular causada por lesión de un nervio que se encuentra fijo a un
músculo y debilidad debido a trastornos neurológicos [I.20].
Figura I.1.- Señales mioeléctricas generadas al contraer o distensionar los músculos
I.3.1.- Uso generalizado de las señales EMG
Además de los estudios básicos fisiológicos y biomecánicos, las señales EMG se constituyen
como una herramienta de evaluación de la investigación aplicada, la fisioterapia / rehabilitación,
entrenamiento deportivo y la interacción del cuerpo humano a los productos industriales y las
condiciones de trabajo [I.21]:
Investigación médica.
1. Ortopedia.
2. Cirugía.
Capítulo I 5
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
3. Neurología funcional.
4. Análisis de marcha y postura.
Rehabilitación.
1. Post cirugía/accidente.
2. Rehabilitación neurológica.
3. Terapia física.
4. Terapia de entrenamiento activo.
Ergonomía.
1. Análisis de la demanda.
2. Prevención de riesgos.
3. Diseño ergonómico.
4. Certificación de productos.
Ciencias del deporte.
1. Biomecánica.
2. Análisis de movimiento.
3. Entrenamiento de fuerza del atleta.
4. Rehabilitación deportiva
Figura I.2.- Aplicación de las señales EMG
I.3.2.- Los beneficios de las señales EMG
En general los beneficios de las señales EMG se pueden enumerar como [I.22]:
Capítulo I 6
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
• Permiten la medición del rendimiento muscular.
• Ayudan en la toma de decisiones, tanto antes como después de la cirugía.
• Tratamiento y regímenes de entrenamiento.
• Ayuda a los pacientes a encontrar y entrenar a sus músculos.
• Permite el análisis para mejorar las actividades deportivas.
• Detecta la respuesta muscular en estudios ergonómicos.
Figura I.3.- Vista directa a la función corporal/muscular por el uso de programa computacional
I.4.- Ingeniería de control
Desde tiempos inmemorables, el ser humano ha tratado de mejorar su estándar de vida. Así
como, que ciertas rutinas se realicen de forma automática o por lo menos que sean llevadas a
cabo sin la necesidad de vigilar su desempeño. En esta automatización, el uso del control
retroalimentado ha sido una historia fascinante. Este tipo de control, al cual se le denomina
Ingeniería de Control, no solamente realiza acciones en lugar del ser humano, sino que también a
partir de parámetros establecidos, vigila que se ejecuten de cierta forma y bajo ciertas
condiciones [I.23]. Además de documentos, existen objetos rudimentarios que demuestran todo
lo anterior, entre ellos se tienen, por ejemplo; las estatuas animadas del templo de Dédalo [I.24],
los juguetes mecánicos de los griegos [I.25], así como los construidos en la Edad Media por San
Capítulo I 7
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Alberto Magno [I.26]. Aun cuando estos ejemplos se consideran ya automatismos, se toma como
origen de la Ingeniería de control a la Revolución Industrial. Cabe mencionar que los acueductos
(transportar agua en lugar de acarrearla), los molinos de viento (usar la fuerza del viento para
encauzar el agua o para obtener fuerza motriz) son mecanismos de control bastante sofisticados y
anteriores a la Revolución Industrial [I.27]. Los chinos, conocidos por sus grandes avances
tecnológicos, diseñaron un dispositivo que se colocaba en los carros y debido a que siempre
señalaban hacia el sur, el viajero siempre sabía en qué dirección viajaba, sin la necesidad de saber
cuál era la estrella polar o de tener conocimientos de astronomía [I.28]. Estos dispositivos y
muchos otros eran parte de la automatización.
El año en que James Watt inventó la máquina de vapor (Figura I.4) y su dispositivo de control, se
considera en forma general como la fecha de origen de la Ingeniería de Control. Así como, el
punto de arranque de la Revolución Industrial [I.29]. Aunque, en ese sentido los rusos reclaman
que antes de esa fecha en 1765, Polzunov [I.30] inventó el primer regulador por flotación que
detecta el nivel del agua y con ese parámetro controla una válvula que regula la entrada de agua a
un calentador, por lo que señala un avance en la Ingeniería de Control cuatro años antes que Watt.
Figura I.4.- Máquina de vapor con regulador de Watt
Ya para esta época la Ingeniería de Control no sólo se encargaba de automatizar, sino que
también de estudiar ciertos conceptos y características de los sistemas. Para 1952, el desarrollo de
Capítulo I 8
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
controladores numéricos se realizó en el MIT (Massachussets Institute of Tecnology) para el
control de los ejes de máquinas [I.31].
Para 1970, el control de espacio de estados y el control óptimo fueron un paso claro para el
desarrollo de la Ingeniería de Control. Las aplicaciones en la industria automotriz, la industria
química, la electricidad, procesos biológicos e incluso para la economía, para la educación y las
ciencias sociales eran de uso común. En 1980, conceptos como el control robusto eran
ampliamente estudiados. En 1994, la mecatrónica se volvió de uso común en los automóviles
[I.32]. Actualmente, conceptos como control estocástico, control inteligente (difuso y neuronal),
control por modos deslizantes y control adaptivo son ampliamente usados en el campo de la
ingeniería de control [I.33].
I.4.1.- Sistemas de control moderno
Dentro de esta sección, la mano DIST (Figura I.5) es el resultado de un proyecto de investigación
europeo, que tiene un pulgar y tres dedos, con 16 grados de libertad. El sistema de control de los
dedos tiene una retroalimentación de posición (position feedback), el que mide el ángulo
(posición) de cada articulación, comparándola con la posición de referencia. La diferencia entre
ambas (error) es comunicada a un microprocesador, el cual a través de una función u(t) ordena a
un actuador (servomotor) llevar a cabo un proceso (movimiento articular), lo que da lugar a una
salida (nueva posición del dedo) [I.34].
Figura I.5.- Mano DIST, manipulador de alta destreza con 16 grados de libertad
Capítulo I 9
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
I.4.2.- Estudios previos sobre el control de las señales EMG
El crecimiento en la investigación de las señales bioeléctricas para su uso en la robótica, ha
tenido un gran auge en los últimos años, teniendo proyectos especializados a el análisis de las
señales EMG, como el realizado en el año 2003, por la Universidad CES en Medellín, Colombia,
donde se realizó un sistema de adquisición y procesamiento de variables electrofisiológicas
basado en el uso de microprocesadores y comunicación con una computadora personal [I.35].
Dentro de las investigaciones sobre el procesamiento de señales EMG, en 2009 Guarín-Rueda y
Ruíz-Ardila, implementaron una tarjeta de adquisición capaz de obtener las señales
electromiográficas provenientes del miembro superior de una persona, para luego procesar la
información y visualizarla en una computadora [I.36].
No todos los estudios relacionados a las señales mioeléctricas se enfocan a su uso en prótesis,
algunos de ellos se dedican a hacer uso de los parámetros censados por medio de los dispositivos
de adquisición de dichas señales y mediante un monitoreo y parametrización lograr detectar
ciertos tipos de enfermedades como el desarrollado en 2009, por Jaramillo-Montalvo, el cual
logra detectar el deterioro muscular en pacientes que padecen EPOC (Enfermedad Pulmonar
Obstructiva Cronica) [I.37].
En el año 2012, Urbina-Rojas y Martínez-Santa implementaron un electromiógrafo con una
interfaz USB (Universal Serial Bus), capaz de capturar y procesar señales eléctricas de los
músculos tomadas en la superficie de la piel [I.38]. Para ese año, en la Universidad de Autónoma
de Yucatán, se diseñó y construyó un sistema para detectar las señales electromiográficas,
pudiéndolo adaptar a diferentes músculos y posterior a el estudio en particular de uno de ellos
enfocarlo a el desarrollo de una prótesis motorizada y controlada por medio de esta señales EMG
[I.39].
Un año más tarde, en la Pontificia Universidad Católica del Perú, se desarrolló un sistema de
adquisición de las señales EMG generadas durante la actividad muscular mediante electrodos de
superficie, haciendo pruebas en extremidades superiores (bíceps, tríceps, flexor del antebrazo) e
inferiores (gemelos). Dejando como aportación el hacer notar la diferencia en el comportamiento
Capítulo I 10
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
de las señales EMG debido a los parámetros como el tipo de contracción, tipo de músculo, peso
con el que se realiza el ejercicio y el individuo al cual se le practican los ensayos [I.40].
A raíz del incremento, sobre todo en América Latina, en los estudios sobre las señales EMG en
México también se han desarrollado diversos estudios de investigación, siendo el Instituto
Politécnico Nacional uno de los principales instituciones que han dedicado recursos a la
implementación de proyectos que utilizan señales mioeléctricas principalmente para su uso en la
robótica. Como la realizada en 2013 por Ávila- Morales y colaboradores la cual diseña y
construye una prótesis electromecánica de una mano humana contralada por medio de las señales
EMG [I.a41]. La cual deja un panorama abierto sobre las posibilidades de desarrollo en la
implementación de las señales electromiográficas.
I.4.3.- Aplicaciones del control neurodifuso en las señales EMG
Una aplicación del control neurodifuso en las señales mioelectricas es la que se realizó por Kelly,
Parker y Scott [I.50]. En donde mediante el análisis de una señal mioeléctrica de un solo canal
(MES), se extrajó la información que se utilizó para identificar diferentes patrones de contracción
en la parte superior del brazo. Estos patrones de contracción son generados por sujetos sin
entrenamiento previo y se encuentran naturalmente asociados con funciones específicas.
Mediante un conjunto de características normalizadas MES espectrales, se puede identificar
patrones de contracción durante cuatro funciones del brazo. Específicamente de extensión y
flexión del codo y la pronación y supinación del antebrazo. Una implementación de redes
neuronales artificiales se aplicó en la tarea de clasificación. Ensayos realizados en cinco sujetos
con extremidades normales dio lugar a un nivel de clasificación de rendimiento promedio de 85%
para las cuatro funciones.
En el trabajo de Gallant y colaboradores [I.51] fue empleado un sistema de clasificación de
patrones, diseñado para separar los registros de señales mioeléctricas basado en tareas de
contracción. La amplitud de la señal mioeléctrica durante los primeros 200 ms, después del inicio
de la contracción tiene una estructura no aleatoria que es específica de la tarea a ejecutar. Esto
permite la aplicación de técnicas avanzadas de reconocimiento de patrones para separar estas
señales. El sistema de clasificación descrito consta de un preprocesador espectrográfico. Una
Capítulo I 11
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
etapa de extracción de características y una etapa clasificadora. El preprocesador desarrolla un
espectrograma mediante la generación de una serie de densidades espectrales de potencia a través
de segmentos de tiempo adyacentes de la señal de entrada. La etapa de extracción reduce la
dimensionalidad del espectrograma mediante la identificación de características que
corresponden a las sutiles estructuras subyacentes en los datos de señal de entrada. Esto se realiza
mediante una red neuronal artificial que realiza un procedimiento avanzado de análisis
estadístico. Las características extraídas se clasifican en una red neuronal artificial con
supervisión y aprendizaje.
En la investigación de Asghari y Hu [I.52] se revisa el desarrollo de reconocimiento y no
reconocimiento de patrones basada en el control mioeléctrico. Se presenta el estado de la técnica
de logros en términos de su tipo, la estructura y la aplicación potencial. Estas señales se
clasificaron utilizando sistemas neurodifusos, los resultados experimentales verifican la validez
del método propuesto. La señal mioeléctrica es una señal de control del cuerpo humano que
contiene la información de la intención del usuario para contraer un músculo y, por lo tanto,
hacer un movimiento. En el trabajo de Favieiro y Balbinot [I.53] se muestra que los amputados
son capaces de generar señales mioeléctricas estandarizadas repetidamente antes de la intención
de realizar un determinado movimiento. Este trabajo presenta un estudio que investiga las
diversas funciones del antebrazo para la clasificación de cinco señales que distinguen los
movimientos del brazo utilizando sólo tres pares de electrodos de superficie situados en lugares
estratégicos. La clasificación se realiza mediante un sistema de inferencia adaptativo neurodifuso
para procesar las características de la señal para reconocer los movimientos realizados. La
precisión promedio alcanzado para la clasificación de las cinco clases de movimiento fue 86-98%
para tres sujetos.
I.5.- Planteamiento del problema
Pensando en poder apoyar a quien por destino de la vida ha nacido o perdido una mano, se
plantea desarrollar una prótesis mioeléctrica, que pueda ser controlada, por el paciente por medio
de los impulsos generados en la piel. Buscando con esto llenar el vacío de funcionalidad que se
presenta con la falta de este miembro.
Capítulo I 12
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
De lo establecido en el estado del arte puede apreciarse la necesidad de un correcto análisis de las
señales mioeléctricas mediante sistemas de control capaces de dar la mayor precisión posible para
que estas a su vez sean utilizadas en la generación del movimiento de la prótesis.
Las señales mioeléctricas son señales, producidas por la contracción y relajación de cualquier
músculo, de acuerdo con esta característica se desarrolla un análisis de las señales mioeléctricas
para una orientación a la robótica. La fase de clasificación, dentro del proceso de análisis de
dichas señales o reconocimiento de patrones, es un componente muy importante y puede
considerarse como la tarea final del proceso, pues una vez definido el experimento, obtenidas las
señales y pre-procesadas convenientemente, el último paso es la implementación de un
clasificador que pueda decidir a qué clase corresponde cada una de ellas. Y con estas señales
poder simular los movimientos de los dedos de la prótesis de la mano, y con ello suplir la falta
del miembro con un mecanismo útil.
I.6.- Sumario
En este capítulo se definen las características principales de las señales electromiográficas y su
incursión dentro de la ingeniería y medicina, que pueden ser aplicables y compatibles con el uso
de señales mioeléctricas para la realización del sistema de control que permita generar
movimientos en una prótesis de mano.
Capítulo I 13
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
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signals for multifunction prosthesis control, Annual International Conference of the IEEE
Engineering in Medicine and Biology Society, pp 7888-7891, 2011.
En este capítulo se
abordan los fundamentos
del proceso biológico en
los músculos que genera
los pulsos eléctricos
necesarios para el
movimiento del músculo.
Así como, las etapas de
captura, y procesamiento
de dichas señales
electromiográficas para
su posterior utilización.
CAPÍTULO II
Fundamentos Teóricos
Capítulo II 18
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
II.1.- Fundamentos teóricos
En el presente capítulo se muestran conceptos y fundamentos teóricos, los cuáles permitirán
comprender los procedimientos a realizar en cada una de las etapas de dicho proyecto. Enfocando
la mayor parte del capítulo a el funcionamiento general de los músculos al verse involucrados en
el proceso de movimiento del cuerpo humano. Desglosando el proceso de adquisición y
tratamiento de las señales mioeléctricas, parte fundamental para el funcionamiento y obtención
del proyecto.
II.2.- Características generales de los músculos
Un músculo es un tejido contraíble que forma parte del cuerpo humano y de otros animales. Está
conformado por tejido muscular. Los músculos se relacionan con el esqueleto o bien forman parte
de la estructura de diversos órganos y aparatos [II.1].
Figura I.1.- Músculo estriado
Los músculos están envueltos por una membrana de tejido conjuntivo llamada fascia. La unidad
funcional y estructural del músculo es la fibra muscular. El cuerpo humano contiene
aproximadamente 650 músculos. Si se cuentan además los músculos erectores presentes en cada
uno de los pelos del cuerpo, entonces se puede considerar que existen más de cinco millones de
músculos. Según su naturaleza, existen tres tipos de músculo; estriado o esquelético, liso o
visceral y cardíaco [II.2].
Capítulo II 19
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura I.2.- Partes que integran un músculo estriado
El cuerpo humano está formado aproximadamente de un 40% de músculo estriado y de un 10%
de músculo cardíaco y músculo liso. El funcionamiento de la contracción se debe a un estímulo
de una fibra nerviosa, se libera acetilcolina (ACh). La cual, va a posarse sobre los receptores
nicotínicos haciendo que estos se abran para permitir el paso de iones sodio a nivel intracelular.
Estos viajan por los túbulos hasta llegar a activar a los receptores de dihidropiridina que son
sensibles al voltaje; provocando a la vez la apertura de los canales de riaonodina que van a liberar
Calcio. El Calcio que sale de éste retículo sarcoplasmático va directo al complejo de actina,
específicamente a la troponina C.
La troponina cuenta con tres complejos, este Calcio unido a la troponina C hace que produzca un
cambio conformacional a la troponina T, permitiendo que las cabezas de miosina se puedan pegar
y así producir la contracción. Este paso del acoplamiento de la cabeza de miosina con la actina se
Músculos en el brazo
Núcleo Fibra muscular
Músculo estriado
Fibra muscular
Miofibrillas
Actina Miosina
Capítulo II 20
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
debe a un catalizador en la cabeza de miosina, el magnesio, a la vez hay un gasto de energía,
donde el ATP pasa a ser dividido en ADP y Fósforo inorgánico. El Calcio que se unió a la
troponina C, vuelve al retículo por medio de la bomba de Calcio, donde gran parte del Calcio se
une a la calcicuestrina [II.3].
Figura II.3.- Corte transversal de las fibras musculares donde, a) Contracción y relajación del
músculo debido al Ca++ liberado por las cisternas, b) División de las fibras musculares en
sarcómeros y c) Funcionamiento de la bomba de Calcio donde 2 iones de Ca son ingresados al
retículo sarcoplasmático por cada ión hidrolizado.
Sarcómero
Nervio Mielina
Axón
Placa motora
Mitocondrias
Miofibrillas
Retículo
sarcoplásmico
Túbulos T
Túbulos T
Líneas Z Líneas I Líneas H Músculo
contraído
Músculo
relajado
Líneas
…A
c)
Endomisio
Endoneuro
Ca+
Ca+
Ca+
Líneas Z
Filamento de Actina
Filamento de
Miosina
b) a)
Capítulo II 21
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movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura II.4.- Funcionamiento de la bomba Ca++- ATP, la cual se encarga de mantener en niveles
bajos de Ca al sarcómero para evitar su saturación
II.2.1.- Funcionamiento de los músculos
El músculo liso se encuentra en órganos, que también están formados por otros tejidos, como el
corazón e intestino, que contienen capas de tejido conjuntivo. El músculo esquelético suele
formar haces que componen estructuras musculares cuya función recuerda a un órgano. Con
frecuencia, durante su acción retraen la piel de modo visible. Tales estructuras musculares tienen
nombres que aluden a su forma, función e inserciones. Por ejemplo, el músculo trapecio del dorso
se llama de este modo porque se parece a la figura geométrica de este nombre y el músculo
masetero de la cara debe su nombre a su función masticatoria. Las fibras musculares se han
clasificado, por su función, en fibras de contracción lenta y de contracción rápida. La mayoría de
los músculos esqueléticos están formados por ambos tipos de fibras, aunque uno de ellos
predomine. Las fibras de contracción rápida, de color oscuro, se contraen con más velocidad y
generan mucha potencia. Las fibras de contracción lenta, más pálidas, están dotadas de gran
Sarcómetro
Potencial de acción
Sarcolema
Bomba de Calcio
Ca
+ Ca
+
Ca+ Ca+
ATP
Filamentos de Actina Filamentos de Miosina
Capítulo II 22
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
resistencia. La contracción de una célula muscular se activa por la liberación de Calcio del
interior de la célula, en respuesta probablemente a los cambios eléctricos originados en la
superficie celular.
Los músculos que realizan un ejercicio adecuado reaccionan a los estímulos con potencia y
rapidez, y se dice que están dotados de tono. Como resultado de un uso excesivo pueden
aumentar su tamaño (hipertrofia), consecuencia del aumento individual de cada una de las células
musculares. Y debido a una inactividad prolongada los músculos pueden disminuir su tamaño
(atrofia) y debilitarse. En ciertas enfermedades, como ciertas formas de parálisis, el grado de
atrofia puede ser tal que los músculos quedan reducidos a una parte de su tamaño normal [II.4].
Figura II.5.- Fijación de un músculo esquelético involucrado en la flexión del antebrazo
Los principales movimientos de los músculos son [I.4]:
Flexión.- Flexiona alguna articulación aproximando los segmentos que se unen a la
articulación.
Extensión.- Extiende alguna articulación alejando los segmentos que la forman.
Aducción.- Acercan una extremidad hacia el eje del cuerpo.
Abducción.- Alejan una extremidad del eje del cuerpo.
Origen
Tendones
Vientre muscular
Tendón
Inserción
Capítulo II 23
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movimiento en una prótesis personalizada de mano
Supinación.- La palma de la mano o del pie giran hacia arriba
Pronación.- La palma de la mano o del pie giran hacia abajo
Circunducción.- Movimiento que engloba varios de los anteriores y que se realiza
buscando la máxima amplitud.
Rotación.- Puede ser interna o externa. Es un giro sobre el eje longitudinal de
cualquiera de las articulaciones.
Figura II.6.- Contracción del codo.
a) Contracción isométrica. b) Contracción concéntrica. c) Contracción excéntrica.
Los músculos esqueléticos realizan dos acciones: contracción y relajación. Al ser estimulado el
músculo por un impulso motor, éste se contrae; cuando el impulso se interrumpe, el músculo se
relaja. Durante la actividad deportiva, los músculos realizan tres tipos de contracciones:
Contracción isométrica
Contracción muscular sin
movimiento
Contracción Concéntrica
El músculo se acorta
Contracción Excéntrica
El músculo se alarga
a)
b)
c)
Movimiento
Movimiento
Capítulo II 24
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movimiento en una prótesis personalizada de mano
isotónicas, isométricas, e isokinéticas. Las primeras contracciones (isotónica, isométrica) se
realizan con tres variaciones: concéntricas, excéntricas y pliométricas.
II.2.2.- Mecanismo molecular de la contracción muscular
En estado relajado, los extremos de los filamentos de actina que derivan de dos discos sucesivos
apenas se solapan entre sí, mientras que sí se superponen completamente a los de miosina. Por
otra parte, cuando están en contracción, los filamentos de actina se han desplazado entre los de
miosina, de forma que ahora se solapan entre sí en mayor grado. Además, los filamentos de
actina han tirado de los discos Z hacia los extremos de la miosina. De hecho, los filamentos de
actina pueden ser atraídos juntos tan intensamente que los extremos de los filamentos de miosina
llegan a arquearse durante una contracción muy intensa. Así pues, la contracción muscular tiene
lugar por un mecanismo de deslizamiento de filamentos.
Las fuerzas mecánicas generadas por la interacción de los puentes cruzados entre los 38
filamentos de actina y miosina. En condiciones de reposo, estas fuerzas se hallan inhibidas, pero
cuando un potencial de acción viaja por la fibra muscular se produce la liberación de gran
cantidad de iones Calcio hacia el sarcoplasma que baña las miofibrillas. A su vez, los iones
Calcio activan las fuerzas entre los filamentos y la contracción comienza. También es preciso que
exista energía para el proceso contráctil: se obtiene de los enlaces de alta energía del ATP, que se
degrada a adenosina difosfato (ADP) para liberar la energía necesaria [II.4].
II.3.- Señales mioeléctricas (EMG)
Las señales EMG superficiales (EMG´S), son esencialmente un patrón unidimensional. Por lo que
cualquier técnica de procesamiento de señales para extracción de características y reconocimiento
de patrones se puede aplicar a este tipo de señales. La información extraída de las señales
EMG´S, es seleccionada de tal manera que se minimice el error en el control de los sistemas
robóticos. La necesidad de una rápida respuesta limita la longitud de las muestras de la señal
sobre las cuales se extraen las características.
Capítulo II 25
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura II.7.- Detección de señales mioeléctricas
II.3.1.- Adquisición de señales mioeléctricas
Las señales EMGS, son colectadas típicamente mediante electrodos bipolares de superficie,
ubicados sobre la piel, como se observa en la figura II.7. Estas han sido utilizadas para el control
de prótesis de miembros superiores desde 1948 [II.5]. Estas señales proveen información sobre la
actividad neuromuscular que las origina, siendo esencial esta información en: diagnóstico clínico,
rehabilitación y como fuente de control para dispositivos activos y esquemas de estimulación
eléctrica funcional [II.6]. En [II.7], realizaron un trabajo comparativo de clasificación con señales
EMG superficiales e intramusculares, concluyendo que la información extraída en las dos clases
de señales es igualmente valiosa, sin encontrar diferencias significativas en su capacidad de
clasificación. Este resultado es importante, ya que brinda la seguridad de continuar utilizando las
señales EMG´S en futuros trabajos de investigación aplicada.
Las señales EMG´S son generadas por la contracción muscular, por lo que su adquisición requiere
de una correcta identificación de las regiones musculares comprometidas en la ejecución de los
movimientos a clasificar. Debido a la elevada resistencia eléctrica natural de la piel, se
recomienda la aplicación de un gel que mejore la conductividad además de lograrse una buena
superficie de contacto y adherencia con los electrodos. A pesar de estas disposiciones, las señales
recogidas serán demasiado débiles, por lo que se hace necesario un procesamiento previo de
filtraje y amplificación antes de su análisis. Estos aspectos se detallan a continuación.
Positivo
Negativo
Amplificador
Tierra
Capítulo II 26
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movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura II.8.- Sistema básico de adquisición de señales EMG
II.3.1.1.- Captura
Las señales mioeléctricas son capturadas típicamente mediante electrodos bipolares de superficie,
ubicados sobre la piel [II.8]. Aunque en algunas prótesis se utilizan electrodos implantados
cuando se tiene el prototipo final. En ésta etapa se debe identificar el músculo generador de la
señal mioeléctrica. Para lo cual, se recomienda la asistencia de personal médico especializado,
quienes pueden identificar con mayor precisión las regiones musculares con mayor compromiso
en la ejecución de los movimientos de interés y debe realizarse particularmente con cada paciente
[II.9] debido a que las señales mioeléctricas son propias de cada quien; también identificar el
número de electrodos a utilizar, analizar la posición de los electrodos e identificar la distancia
entre éstos.
Según Sarmiento en [II.10] se identifica el músculo activador con los electrodos artificiales y su
respectiva referencia hasta lograr un umbral que sea superado durante la contracción muscular;
ubicados en el flexor común de los dedos, aunque Dorador en [II.11] identificó que la ubicación
de los electrodos superficiales para la captura de las señales mioeléctrica es en la zona de los
bíceps.
Paciente Electrodos Pre-
Amplificación Filtrado
Amplificación Filtrado
Rechaza
Conversor
Análogo
Capítulo II 27
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Alfaro y asociados [II.12] para el momento de la captura de la señal mioeléctrica utilizaron
electrodo superficial de tipo seco. Esto quiere decir de contacto directo con la piel del paciente y
en configuración bipolar, cada uno de ellos tiene las dos superficies de contacto que proveen la
señal en forma diferencial y una tercer superficie que constituye la referencia o masa.
Es importante tener en cuenta que el número de electrodos corresponde al número de canales a
procesar y éste es un parámetro esencial en el desempeño del clasificador y en el número de
movimientos a identificar [II.9]. Mista en [II.13] describe que para el desarrollo de su
investigación utiliza tres electrodos activos, hechos con barra de plata 1000 de 2 mm de ancho y
10 mm de largo y una separación de 10 mm; por lo contrario, Aguilar en [II.14] utilizó dos
electrodos para tomar la señal y otro de referencia.
Figura II.9.- Localización de electrodos. a) Electrodos colocados en el músculo flexor radial del
carpo, b) electrodo de referencia en la muñeca
II.3.1.2.- Amplificación
Según Sarmiento en [II.10] se identifica el músculo activador con los electrodos artificiales y su
respectiva referencia hasta lograr un umbral que sea superado durante la contracción muscular;
ubicados en el flexor común de los dedos, aunque Dorador en [II.11] identificó que la ubicación
de los electrodos superficiales para la captura de las señales mioeléctrica es en la zona de los
bíceps.
Las señales producidas por fenómenos mioeléctricos son potenciales eléctricos relativamente
pequeños de (1mV-10mV) y requieren sofisticados amplificadores para facilitar su cuantificación.
a) b)
Capítulo II 28
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
El propósito principal del amplificador es incrementar el nivel de la señal que se obtiene con los
electrodos excluyendo cualquier tipo de interferencia [II.8]. En esta etapa se aplica el proceso de
amplificación a las señales mioeléctricas capturadas, para producir niveles adecuados de las señal
para análisis futuros. Según Vidal-Silva y Pavesi-Farriol [II.8] por lo menos una amplificación de
1000 y según Romo y asociados [II.9] unas 500 veces. Se utilizan amplificadores operacionales o
sistemas de amplificación que permitan aumentar la magnitud de éstas.
Vélez en [II.15] utilizan una etapa de amplificación de señales mioeléctricas a partir de un
circuito no-inverso, aplicado a un amplificador operacional, igualmente en [II.16] utilizó un
amplificador de instrumentación con una ganancia de 130 y de respuesta lineal en el rango desde
0,05 Hz hasta 1000 Hz. Así como, Orosco y colaboradores [II.17] se basaron en un amplificador
de instrumentación de entrada diferencial AD624AN. Barreda y asociados [II.18] por medio de
un amplificador de unidad de procesamiento como lo es el INA114, que a su vez permite variar el
factor de amplificación con la modificación de un juego de resistencias. Mientras que, Aparicio y
colaboradores [II.19] por medio de un amplificador de instrumentación AD620 diseñaron un
circuito de amplificación con una ganancia de 1000.
El control de potenciales mioeléctricos en un codo se da a partir de un acondicionamiento de
amplificación a la señal análogamente por medio de un circuito amplificador de
bioinstrumentación, de manera que pueda ser procesada posteriormente en un computador
después de transmitirla a través de una tarjeta de adquisición de datos [II.20].
II.3.1.3.- Filtrado
En esta etapa las señales biológicas del cuerpo humano se somete a un proceso de depuración o
filtro de información por medio de diferentes métodos que permitan seleccionar las mejores
frecuencias de un espectro a partir de la etapa de amplificación. Los orígenes de ruido que más
interfieren en la señal mioeléctrica son: la interferencia capacitiva debido al cuerpo del paciente,
la interferencia capacitiva debido al equipo de medición, que se produce por la fuente de
alimentación del equipo al cual llegan las señales electrocardiográficas y la interferencia
Capítulo II 29
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inductiva, que es causada por la red eléctrica, la cual produce campos magnéticos que varían con
el tiempo. Que a su vez inducen voltajes en la red formada por los electrodos del paciente [II.8].
Según Cifuentes [II.21] durante su etapa de filtrado para señales mioeléctricas construyó filtros
analógicos para obtener los mejores registros posibles. Estas señales se presentan en el rango de
frecuencia de 10 a 500Hz.
Una técnica para evitar el ruido de la toma de corriente y del ambiente es anexar un filtro rechaza
bandas de muesca de 50 o 60Hz [II.22] y Muñoz-Burbano y asociados [II.16] por medio de filtro
Notch se bloquea la señal de 50/60Hz de una red eléctrica. Un manipulador robótico industrial en
2D, utiliza un filtrado pasa banda activo de cuarto orden entre 10 y 500Hz para la depuración de
señales mioeléctricas [II.23]. Vélez [II.15] utilizó un filtro rechaza banda, el cual se encarga de
rechazar exclusivamente el ruido de 60Hz para entregar a la salida una señal completamente pura
de distorsiones, además de este aplica un filtro pasa bajos el cual limita las entradas de frecuencia
mayor a 1,3Hz y un filtro pasa altos el cual las señales de entrada con valores de continua. Vidal-
Silva y Pavesi-Farriol [II.8] implementaron filtros digitales utilizando un filtro pasa alto sencillo,
la mayor parte de estos filtros se denominan Filtros de Lynn y son descritos en [II.24]. Aplicados
al procesamiento de señales electrocardiográficas los Filtros de Lynn tienen una versión Pasa
Alto y Pasa Bajo [II.25 y II.26]. Por lo contrario Escudero y colaboradores [II.27] dejaron a un
lado la etapa de filtro ya que los electrodos utilizados, entregan señales definidas que no
necesitan de este proceso, en la figura II.10 se ejemplifica de manera general, el cambio
respectivo en la etapa de filtrado de la señal censada.
Figura II.10.- Señal bioeléctrica censada, a) sensor, b) adecucaión de la señal, y c) procesador
V
t
0
V
-
V
+
t
V
0
V
t 0
V
-
V
+
a) b) c)
Capítulo II 30
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
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II.3.2.- Electrodos
Al observar la medida de un electrocardiograma (ECG) o el resultado de alguna otra forma de
potencial bioeléctrico, se puede determinar fácilmente la conclusión de que los electrodos de
medida son sencillamente puntos de contacto o terminales con los que se obtienen tensiones
eléctricas en la superficie del cuerpo, además, la pasta electrolítica o gel empleado
frecuentemente en tales medidas podría considerarse que se aplica solo con la finalidad de reducir
la impedancia de la piel para disminuir la impedancia total de entrada del sistema. Sin embargo,
esta conclusión es incorrecta y no satisface la teoría que explica el origen de esos potenciales
bioeléctricos.
Hay que tener en cuenta, que los potenciales bioeléctricos generados en el organismo son
potenciales iónicos producidos por flujos de corrientes iónicas. La medida eficiente de esos
potenciales iónicos requiere que sean convertidos en potenciales electrónicos antes de que se
puedan medir con métodos convencionales.
Fue la realización de este hecho lo que llevo al desarrollo de los instrumentos de medidas
modernas, estables, libres de ruido, de que se dispone actualmente.
Los dispositivos que convierten los potenciales iónicos en potenciales electrónicos se denominan
electrodos. La teoría de electrodos y los principios que rigen en su diseño son inherentes a una
compresión de la medida de potenciales bioeléctricos. Esta misma teoría también se aplica a los
electrodos utilizados en transductores químicos, como los empleados para medir el pH, Po2 y Pco2
de la sangre. Para medir fenómenos bioeléctricos se pueden utilizar una amplia variedad de
electrodos pero casi todos se pueden clasificar como pertenecientes a uno de tres tipos básicos:
Micro electrodos.- Electrodos utilizados para medir potenciales bioeléctricos cerca o
dentro de una célula.
Electrodos superficiales.- Electrodos utilizados para medir potenciales ECG, EEG y
EMG en la superficie de la piel.
Capítulo II 31
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Electrodos de aguja.- Electrodos utilizados para atravesar la piel y registrar
potenciales EEG en una región local del cerebro o potenciales EMG en un grupo de
músculos específicos.
Figura II.11.- Electrodos superficiales
II.4.- Control inteligente
El incremento de las demandas tecnológicas en la actualidad, ha generado sistemas muy
complejos que requieren controladores altamente sofisticados para asegurar alto desempeño
dentro de condiciones adversas. Estas y otras condiciones de control no se pueden cumplir con
controladores convencionales, debido principalmente a la falta de conocimiento preciso acerca
del proceso que desea controlar. La adquisición de conocimiento adecuado del sistema en
ocasiones es problemática o impráctica debido a la complejidad del sistema y al hecho de que la
estructura y los parámetros en muchos sistemas cambian de manera significativa e impredecible
con el tiempo. Es bajo estas condiciones en donde se utilizan las técnicas del control inteligente.
El control inteligente es una generalización del concepto de control y se puede ver como un
campo dentro de la disciplina de control. El control inteligente [II.28] es la disciplina donde los
métodos de control se desarrollan para emular algunas características importantes del ser
humano. Estas características incluyen adaptación y aprendizaje, planeación bajo gran
incertidumbre y el trabajo con gran cantidad de datos.
Las metodologías de control inteligente están siendo aplicadas a la robótica, las comunicaciones,
la manufactura, el control de tráfico, por mencionar algunas pocas. Las áreas donde se está
Capítulo II 32
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movimiento en una prótesis personalizada de mano
realizando trabajo alrededor del control inteligente son: redes neuronales, control difuso,
algoritmos genéticos, sistemas de planeación, sistemas expertos y sistemas híbridos.
Un sistema de control inteligente debe ser autónomo; esto significa que tiene el poder de
autogobernarse. Existen varios grados de autonomía: un controlador totalmente autónomo debería
tener la habilidad de aún reparar su propio hardware si uno de sus componentes falla. Un control
fijo convencional se considera con un bajo grado de autonomía; un control adaptivo convencional
tiene un alto grado de autonomía. La autonomía es el objetivo en los sistemas de control
complejos y los controladores inteligentes son una manera de lograrlo.
Los sistemas de control convencionales se diseñan usando los modelos matemáticos de sistemas
físicos. Se selecciona un modelo matemático que captura el comportamiento de la dinámica de
interés y entonces se aplican las técnicas de diseño. Tal vez ayudados por sistemas CAD, para
diseñar el modelo matemático apropiado del controlador. Luego se realiza el controlador ya sea
en hardware o en software en el sistema físico. Este procedimiento puede llevar varias iteraciones
hasta lograr el mejor comportamiento. El modelo matemático de la planta deberá ser “bastante
simple” para que pueda ser analizado con técnicas matemáticas disponibles y “bastante exacto”
tal que describe los aspectos importantes y relevantes del comportamiento de la planta se
aproxima en las vecindades de un punto de operación para hacer más sencillo el diseño del
controlador.
Esto significa que los controladores pueden diseñarse para cumplir las especificaciones alrededor
de un punto de operación, donde el modelo lineal es válido. En sistemas de control con alto grado
de autonomía se necesita incrementar significativamente el rango de operación.
La complejidad del modelo de un sistema dinámico y la demanda creciente de funcionamiento,
hacen necesario el uso de controladores más complejos y sofisticados. La forma en cómo se
incrementa la complejidad de un controlador se puede describir de la forma siguiente.
Capítulo II 33
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En el nivel más bajo, el control retroalimentado determinístico basado en la teoría de control
convencional se utiliza para las plantas que pueden ser representadas con modelos lineales más
simples que son esencialmente, buenas aproximaciones al comportamiento real. Si se incrementa
la complejidad de la planta, los controladores necesitarán estimadores de estado. Si se incrementa
la señal de ruido, se necesitan filtros Kalman u otros tipos de filtros. Si se requiere completar una
tarea de control en un tiempo mínimo, se utilizan técnicas de control óptimo. Cuando hay
características cuantificables estocásticas en la planta, se usa la técnica de control estocástico. Si
hay variaciones significativas en los parámetros de la planta, tal que la teoría del control robusto
sea inapropiada, se emplean técnicas de control adaptivo.
Para plantas aún más complejas es necesario usar control de aprendizaje o auto-organizado
[II.29]. En el nivel más alto de jerarquía, la complejidad de la planta es tal y las especificaciones
son tan demandantes que se usan técnicas de control inteligente. Se cambia a controladores más
sofisticados solamente si los simples no pueden lograr los objetivos buscados. La necesidad de
usar control autónomo inteligente se origina de la necesidad por incrementar la habilidad de
tomar decisiones autónomas para ejecutar tareas complejas de control.
Aunque el proceso donde se aplicarán estos controladores, en este trabajo de tesis, no es un
proceso muy complejo, tiene algunos elementos no lineales que pueden ser un buen ejercicio para
aplicar los esquemas de control inteligente.
II.5.- Prótesis Electromecánicas de Mano
Las primeras prótesis mioeléctricas que se fabricaron para pacientes amputados del antebrazo,
tienen origen en Rusia en el año de 1960, las cuales lograban una fuerza prensora de 2kg. Años
más tarde, fueron Jacobson, Wood y Biggers quienes en 1984, desarrollaron la mano robótica
UTAH-MIT, que contaba con un sistema de cilindros neumáticos para los movimientos del pulgar
y los tres dedos restantes que poseía, contando con cuatro grados de libertad para cado dedo
[II.30].
Capítulo II 34
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura II.12.- Prótesis UTAH-MIT
En el año 2001 el prototipo presentado por Butterfab, Hirzinger, Grebenstein y Liu, presentaba
una estructura de esqueleto abierto por lo que se disponía de mayor facilidad para acceder a los
circuitos electrónicos de la mano. La palma poseía actuadores, sensores y torque para cada dedo,
figura II.13 [II.31].
Figura II.13.- Prótesis DLL-HAND II
Capítulo II 35
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
En 2003, fue presentada la mano de Canterbury la cual cuenta con 2.25 grados de libertad en
cada dedo, utiliza motores de corriente directa; sin embargo el mecanismo extensor de los dedos
es común para los cuatro exceptuando el pulgar, de ellos que sus grados de libertad se expresen
con un 0.25 adicional [II.32].
Figura II.14.- Prótesis de Canterbury
En 2004 fue desarrollado por Pylatiuk y colaboradores el diseño de un sistema hidráulico con 8
actuadores en las articulaciones de los dedos, permitiendo la sujeción puntual, gancho lateral y la
operación de un teclado con el dedo índice extendido [II.33].
Figura II.15.- Prótesis desarrollada por Pylatiuk y colaboradores
Capítulo II 36
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Un año más tarde Ueda, Ishida, Kongo y Ogasawara desarrollaron la prótesis de mano NAIST
con sensores táctiles y un control de fuerza de agarre por margen de deslizamiento que era
controlada por tres motores [II.34].
Figura II.16.- Prótesis NAIST
Desde 2007, una mano biónica totalmente funcional, controlada con la mente y músculos del
paciente se encuentra en el mercado. La prótesis es capaz de mover el pulgar y los dedos de la
misma forma que una mano humana. Llamada I-Limb, su diseño y fabricación se atribuyen a
TouchBionics, y ha sido probada por diversos soldados estadounidenses que perdieron miembros
en la guerra de Irak. Las señales mioeléctricas son captadas mediante electrodos de superficie,
por lo que no requiere métodos invasivos para la ejecución de los movimientos.
Figura II.17.- Prótesis I-Limb
Capítulo II 37
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Posteriormente, se presentó la versión mejorada, llamada I-Limb Ultra, la cual, al igual que la
anterior, consta de un pulgar y muñeca que giran manualmente, dedos articulados activados de
manera individual que ejercen una fuerza proporcional a la señal de entrada. Las innovaciones en
este dispositivo son: una fuerza de agarre variable dígito a dígito, selección de gestos que permite
al paciente crear gestos personalizados, posee un modo de entrenamiento, modo automático de la
mano y evaluación de señales. Cuenta con cambio de posición automático a su posición natural,
después de un tiempo de inactividad, ahorro de energía que permite extender el uso diario de la
batería hasta en un 25% [II.35].
Figura II.18.- Prótesis I-Limb Ultra
Sin embargo en México, desde 1940 los llamados mecánicos ortopedistas se centraban en la
producción y adaptación de elementos protésicos que eran destinadas a la población nacional de
pacientes amputados, debido a la demanda, en 1959 se fundó el Instituto Mexicano de
Rehabilitación que ofrecía la carrera de Formación de Técnicos en el Diseño, Fabricación y
Adaptación de Prótesis y Aparatos Ortopédicos, posteriormente se fundó la Asociación de
Prótesis y Ortesistas de la República Mexicana A. C. que desde 1997 tomó el nombre de
Sociedad Mexicana de Ortesistas y Protesistas A. C. [II.36].
Capítulo II 38
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
La primera institución escolar que incluyó la carrera de Ingeniería Biónica, fue el Instituto
Politécnico Nacional en 1996, al fundar la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y
Tecnologías Avanzadas (UPIITA), permitiendo así el desarrollo de tecnología e investigación a
nivel nacional; prueba de ellos es la empresa mexicana Probionics cuyo director general es
egresado de dicha institución escolar y ha logrado desarrollar un brazo biónico con la ejecución
de los movimientos de pronación, supinación y agarre en forma de pinza [II.37].
Figura II.19.- Prótesis desarrollada por Probionics
Por su parte, en el Centro de Diseño Mecánico e Innovación Tecnológica de la Facultad de
Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, desarrolló en 2003 una prótesis que
se basa en los tres arcos que se forman en la extremidad cuando ésta se mueve y posee un
mecanismo para la oposición y flexión del pulgar. Todos los movimientos de la mano son
combinaciones básicas de cinco prensiones: en gancho, en punta fina, en bola, y en puño. En
todas las posiciones, el pulgar se queda fijo o se encuentra con los demás dedos [II.38].
Capítulo II 39
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura II.20.- Prótesis diseñada en la UNAM
Siendo estos casos los precursores del diseño de prótesis mioeléctricas en México y base para las
investigaciones posteriores. Se considera de suma importancia el conocimiento de las técnicas
actuales y tecnologías en desarrollo, para tener una visión clara de los alcances del proyecto, así
como para ofrecer al paciente una alternativa viable en su adaptación después de algún incidente
que lleve a la pérdida del miembro superior.
II.6.- Sumario
En este capítulo se abordan los fundamentos del proceso biológico en los músculos que genera
los pulsos eléctricos necesarios para el movimiento del músculo. Así como, las etapas de captura,
y procesamiento de dichas señales electromiográficas para su posterior utilización.
Capítulo II 40
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
II.7.- Referencias
1.- Rouviere, H., Compendio de Anatomía y Disección, 3ª Edición, Ed. Elsevier, pp 237-352,
2001.
2.- Latarjet, M. y Ruiz-Liard, A., Anatomía Humana; Volumen I, 4ª Edición, Ed. Médica
Panamericana, pp 11-23, 2004.
3.- Moore, K. L., Dalley, A. F. y Argur, A. M. R., Anatomía con Orientación Clínica, 6ª Edición,
Ed. Lippincott Williams & Wilkins, pp 30-37, 2007.
4.- Cardinali, D. P., Manual de Neurofisiología, 1ª Edición, Ed. Díaz de Santos S. A., pp 17-41,
1992.
5.- Zecca, M., Micera, S., Carroza, M. C. y Dario, P., Control of multifunctional prosthetic hands
by processing the electromyographic signal, Critical Reviews™ in Biomedical Engineering,
Vol. 30, pp 459-485, 2002.
6.- Englehart, K., Hudgins, B., Parker, P. A. y Stevenson, M., Classification of the myoelectric
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pp 431-438, 1999.
7.- Hargrove, L. J., Englehart, K. y Hudgins, B., A comparison of surface and intramuscular
myoelectric signal classification, IEEE Emgineering in Medicine and Biology Society, Vol. 54,
No. 5, pp 847-853, 2007.
8.- Vidal-Silva, C. y Pavesi-Farriol, L., Desarrollo de un sistema de adquisición y tratamiento de
señales electrocardiográficas; Revista de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de
Tarapacá, Vol. 13, No. 1, pp 39-46, 2005.
9.- Romo, H. A., Realpe, J. C. y Jojoa, P. E., Análisis de señales EMG superficiales y su
aplicación en control de prótesis de mano, Revista Avances en Sistemas e Informática, Vol. 4,
No. 1, pp 127-136, 2007.
10.- Sarmiento-Vela, L. C., Páez, J. J. y Sarmiento, J. F., Prótesis mecatrónica para personas
amputadas entre codo y muñeca, Tecné, Episteme y Didaxis, No. 25, pp 22-40, 2009.
11.- Dorador-González, J. M., Ríos-Murillo, P., Flores-Luna, I. y Juárez-Mendoza, A., Robótica
y prótesis inteligentes, Revista Digital Universitaria UNAM, Vol. 6, No. 1, pp 1-15, 2004.
12.- Alfaro, M., Joliat, L. y Vicario, S., Desarrollo de una prótesis mioeléctrica de miembro
superior, Bioparx ACE, pp 1-4, 2011.
Capítulo II 41
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
13.- Mista, C. A., del Rio, A. O. y Tabernig, C., Sistema microcontrolado para adquisición y
análisis de electromiografía superficial, Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus
Aplicaciones, pp 1-4, 2010.
14.- Aguilar-Zambrano, J. A., Aristizabal-Rivera, B. J. y Quiñones-Angulo, M. E., Detección de
Señales Mioeléctrica y su Análisis con Redes Neuronales, Ed. Pontificia Universidad
Javeriana, pp 1-4, 2007.
15.- Vélez, C. A., Diseño y construcción de un prototipo de equipo de biorretroalimentación para
miografía (MIOFEEDBACK), Proyecto-Control MIOFEEDBACK, No 2, pp 15-21, 2009.
16.- Muñoz-Burbano, E., Paruma, O. H. y Florez, J. F., Aplicaciones de las señales mioeléctricas
para el control de interfaces hombre-máquina, Congreso de Tecnologías Aplicadas a la
Enseñanza de la Electrónica, pp 1-11, 2004.
17.- Orosco, E., López, N., Soria, C. y Guzzo, M., Procesamiento de señales mioeléctricas
implementado en procesador digital de señales, V Congreso Iberoamericano de Tecnologías
de Apoyo a la Discapacidad, pp 1-4, 2008.
18.- Barreda, L. E., González, E. L. y Tulli, J. C., Electromiógrafo digital multifuncional, IV
Congreso Iberoamericano sobre Tecnologías de apoyo a la Discapacidad, pp 1-4, 2006.
19.- Aparicio, G. A., Caicedo, D. L. A. y Cuy, C. J. E., Prototipo de Prótesis para Mano
Utilizando Músculos de Alambre (Nitnol) para la Generación de Movimiento, Ed. Universidad
Santo Tomas de Aquino Bogotá, pp 1-8, 2004.
20.- Uribe-Londoño, M., Saldarriaga-Fernández, I. C., Berna-Restrepo, M., Reyes-Ramírez, S.,
Torres-Villa, R. y Torres-Velásquez, A., Diseño y construcción de una articulación de codo
controlada por potenciales mioeléctricos, Revista CES Medicina, Vol. 16, No. 2, pp 39-42,
2002.
21.- Cifuentes-González, I. A., Diseño y Construcción de un Sistema para la Detección de
Señales Electromiografías, Tesis Licenciatura, Universidad Autónoma de Yucatán, pp 1-110,
2010.
22.- Khandpur, R. S., Biomedical Instrumentations: Technology and Applications, 1a Edición,
Ed. MacGraw-Hill, pp 22-96, 2004.
Capítulo II 42
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
23.- López, N., Soria, C., Orosco, E., di Sciascio, F. y Valentinuzzi, M., Control mioeléctrico
para movimiento en 2D de un manipulador robótico industrial, XVI Congreso Argentino de
Bioingeniería, V Jornadas de Ingeniería Clínica, pp 595-598, 2007.
24.- Ahlstrom, M. L. y Tompkins, W. J., Digital filters for RealTimeECG signal processing using
microprocessors, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-32, No. 9, pp
708-713, 1985.
25.- Pan, J. y Tompkins, W., A Real-Time QRS detection algorithm, IEEE Transactions on
Biomedical Engineering; Vol. BME-32, No. 3, pp 230-236, 1985.
26.- Hamilton, P. S. y Tompkins, W., Quantitative investigation of QRS detection rules using the
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No. 12, 1986.
27.- Escudero, Z., Leija, L., Álvarez, J. y Muñoz, R., Prótesis para extremidad superior
controlada mediante la interpretación de la señal mioeléctrica en músculos remanentes,
Congreso de Instrumentación SOMI XIII, pp 1-4, 1998.
28.- Antsaklis, P. J., Intelligent control, Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering
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29.- Yong-Zai, L., Industrial intelligent control; Fundamental applications, International Journal
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30.- Sila-Castellanos, C., A., Muñoz-Riaños, J. R., Garzón-Alvarado, D., A., Landínez-Parra, N.,
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Cubana de Investigaciones Biomédicas, Vol. 30, No. 1, pp 15-41, 2011.
31.- Butterfass, J., Grebenstein, M., Liu, H. y Hirzinger, G., DLR-Hand II: next generation of a
dexterous robot hand, IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 1, pp
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32.- Dunlop, G. R., A distributed controller for the Canterbury hand, International Conference on
Mechatronics ICOM, pp 619-626, 2003
33.- Pylatiuk, C., Mounier, S., Kargov, A., Schulz, S. y Bretthauer, G., Progress in the
development of a multifunctional hand prosthesis, Conference Proceedings IEEE Engineering
in Medicine and Biology Society, Vol. 2, pp 4260-4263, 2004.
Capítulo II 43
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
34.- Ueda, J., Masahiro, K., y Ogasawara, T., The multifingered NAIST hand system for robot in-
hand manipulation, Mechanism and Machine Theory, Vol. 45, Issue 2, pp 224-238, 2010.
35.- TouchBionics, Catálogo de Productos, TouchBionics, pp 1-1, 2014.
36.- Caudillo-Sosa, G., La Educación en Ortesis y Prótesis en México, Ortroprótesis Caudillo
High Tech, pp 1-18, 2006.
37.- Pérez-Medina, Y., Intervención del Terapeuta Ocupacional sobre el Conocimiento del
Movimiento Funcional de un Exoesqueleto para Miembro Superior Diseñado por el Área de
Ingeniería de MicrobotiX, Tesis de Licenciatura, Universidad Autónoma del Estado de
México, Faculta de Medicina, pp 32-34, 2013.
38.- Dorador-González, J. M., Robótica y prótesis inteligentes, Revista Digital Universitaria, Vol.
6, No. 1, p 1-15, 2004.
El capítulo inicia
describiendo el concepto
de creación de prototipos
mediante la impresión de
modelos 3D por medio de
manufactura asistida por
computadora. Muestra la
forma de diseñar cada
una de las piezas que
darán en conjunto la
forma a la prótesis de la
mano.
CAPÍTULO III
Diseño a Detalle de la
Prótesis de Mano
Capítulo III 45
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
III.1.- Diseño a detalle de la prótesis de mano
El objetivo del presente capítulo es mostrar el diseño del prototipo a partir del uso de programas
computacionales especializados. El diseño asistido por computadora conocido por sus siglas en
inglés como CAD (Computer Aided Design) es utilizado recurrentemente en los distintos ramos
de la ingeniería. En la actualidad existe una gran variedad de opciones de programas de cómputo
al momento de realizar un diseño.
En el diseño de una prótesis se debe tomar en cuenta el aspecto funcional, eléctrico y mecánico,
así como la cuestión estética y económica, ya que se trata de un elemento que acompañará al
paciente en su vida cotidiana. Por lo que es de suma importancia que la prótesis sea cómoda y
útil, además de que permita su recuperación psicológica del paciente debido al traumatismo y su
reinserción a sus labores cotidianas de manera exitosa.
Dentro del diseño de modelos esquemáticos de manos multi-articuladas, la posición relativa que
representa la orientación de los dedos permite desarrollar con mayor eficiencia los diferentes
tipos de agarres, (tipo cilíndrico, puntual, de gancho, palmar, esférico y lateral).
III.2.- Requisitos de diseño
Posteriormente al traumatismo sufrido por la pérdida de un miembro, gran parte de la
recuperación del paciente se debe a la movilidad que aporte la prótesis, para ello, es necesario
considerar el número de grados de libertad con el que cuenta la prótesis, sin dejar de lado el peso
de la misma, ya que cuanto más ligera sea, el paciente requerirá menos fuerza para su
manipulación y así se evita cansancio y que la prótesis se vuelva un miembro más estorboso que
funcional.
De acuerdo al nivel de amputación se pueden encontrar distintos tipos de prótesis, para
amputaciones a nivel pulgar o cualquiera de los demás dedos, de la mano completa, por debajo o
por arriba del codo, en este caso de estudio se tomará una amputación de la mano completa a
nivel de la muñeca. La mano tiene 7 movimientos (abducción, aducción, flexión, extensión,
pronación, supinación y oposición). Y 6 configuraciones de agarres propuestas por Schlesinger
Capítulo III 46
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
en 1919, quien las clasificó como agarre cilíndrico (Cylindrical Grasp), de punta (Tip), de gancho
(Hook o Snap), de plama (Palmar), esférico (Spherical Grasp) y de lado (Lateral) [III.1].
Figura III.1.- Tipos de agarre de la mano
Al hablar de construcción de prótesis, se habla de una amplia gama de materiales para su
elaboración. En el mercado se encuentran prótesis de poliuretano, titanio, madera, aluminio,
Agarre
De precisión De fuerza
Prensil
Agarre lateral Circular
Oblicuo Puntual
Esférico
Palmar Gancho
Agarre de potencia
Prismático
Cilíndrico completo
Cilíndrico parcial
Capítulo III 47
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
silicona, polietileno, polipropileno, neopreno, entre otros materiales livianos y resistentes que
permiten ser moldeados y adaptados a las necesidades del paciente, esto con el fin de no causar
molestias, alergias o roces en la piel con el dispositivo que sea colocado.
Otro aspecto de suma importancia en la selección de materiales que se debe considerar son las
propiedades mecánicas, debido a que el sistema músculo-esquelético, junto con el movimiento,
promueven fuerzas considerables para la prótesis. Debido a que las superficies de la articulación
están en contacto, y tienen un movimiento relativo entre ellas. Una de las consecuencias del
desgaste en las superficies de los implantes es la generación de partículas de desecho. La
acumulación de estas partículas en los tejidos circundantes de la articulación puede causar
inflamación y dolor [III.2].
III.3.- Proceso de diseño de la parte mecánica del prototipo de la prótesis
Una forma de facilitar la fabricación de piezas complejas es por medio de impresión 3D, técnica
que emplea un grupo de tecnologías para la fabricación por medio de la sucesiva adición de capas
de material, la cual a diferencia de las técnicas comunes por arranque de viruta, utilizan la
aproximación de las superficies de los modelos previamente creados en computadora para su
exportación en los equipos de impresión.
Figura III.2.- Ejemplo de prótesis de mano elaboradas con impresoras 3D
Capítulo III 48
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
En los últimos tiempos, ha tenido un auge increíble la construcción de diferentes dispositivos
elaborados con impresoras 3D debido al su bajo costo de producción, y las prótesis no han sido la
excepción de incursionar en diseños elaborados en dichas impresoras tridimensionales,
principalmente las exoprótesis de alguna extremidad del cuerpo. Ya que estas no necesitan de una
gran compatibilidad biológica con el paciente ya que su colación es superficial. Esta
característica principal en cuanto al bajo costo es la razón por la que en este proyecto se tomará
como materia prima el uso de la impresora 3D, así como su ligereza, rigidez y facilidad de
moldear.
III.3.1.- Modelado del prototipo por computadora
Observando un modelo anatómico de la mano humana y tratando de imitar las medidas
antropomórficas de dicha extremidad, se generaron los diseños por separado de cada una de las
piezas necesarias para dar forma a la prótesis. Contando cada uno con las medidas deseadas,
tomando como consideración la mano de un paciente adulto. El modelado de la mano fue
realizado mediante el software Solid Works® 2014 versión estudiantil.
La creación de los planos de diseño para cada una de las piezas, permiten que cualquier persona
ajena al proceso de elaboración del prototipo logre entender el montaje y funcionamiento del
dispositivo completo. Este proceso involucra el plasmar a detalle cada una de las partes que
conforman el mecanismo, pieza por pieza y elemento por elemento, que conformaran el prototipo
final, especificando las dimensiones de cada una de ellas, para permitir definir completamente su
geometría. Así como también, se debe de tomar en cuenta el seleccionar el conjunto de vistas
necesarias para poder mostrar las características de cada pieza, logrando hacer uso de vistas
auxiliares de superficies no descritas en las vistas principales, que revelen una complicada
construcción interior.
Para la agilización de este trabajo, se tomó como base el modelo realizado por Aguilar en [III.3]
en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica unidad Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional (SEPI ESIMEZ IPN);
optimizando la geometría antropométrica para generar un mayor realismo y exactitud de los
agarres de mano, que la prótesis puede generar.
Capítulo III 49
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura III.3.- Planos de la prótesis de la mano 3D
III.4.- Modelado de los dedos índice, medio, anular y meñique de la prótesis de mano
Para la realización de manera simplificada el modelo total de la mano, se decidió tomar como
base un solo modelo correspondiente a cada falange de los dedos índice, medio, anular y
meñique. Así con una sola pieza y eslabones de unión solucionadas, se podría generar los de los
cuatro dedos en cuestión, únicamente repitiendo el mismo modelo. Para emular de manera un
poco más cercana a las dimensiones de la realidad y poder generar de manera más simétrica los
agarres realizados por los dedos de la mano, se buscó la diferencia de cada dedo en la altura a la
que están sujetos en la zona palmar, así aunque en dimensiones de piezas son similares, en el
espacio del ensamble final, cada dedo tendrá su propia referencia de altura.
Capítulo III 50
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Simplificando en el modelo de los dedos índice, medio, anular y meñique, se decidió tomar como
una sola pieza unida e inmóvil las falanges distal y medial entre sí, proporcionando únicamente
un ligero ángulo de contracción entre ellas de 20° con respecto al eje de la falange anterior.
Figura III.4.- Diseño de la falange distal y medial para el dedo índice, medio, anular y meñique
Para dar movimiento a los dedos se unieron las falanges mediante eslabones sujetos a las
articulaciones entre estas, simulando los tendones biológicos de los dedos, repitiendo este
elemento en cada uno de los demás dedos. En la falange proximal se utilizó el mismo sistema de
unión mediante eslabones para conectarlo con la estructura del dorso, y los actuadores que
generarán el movimiento de cada uno de los dedos de manera independiente, a excepción del
dedo pulgar, ya que este tiene un sistema de movimiento diferente al de los demás dedos.
Figura III.5.- Sistema de sujeción y movimiento de las falanges
Pasadores de
movimiento Pasadores de
sujeción
Capítulo III 51
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
III.4.1.- Diagrama geométrico del ensamble de dedo índice, medio, anular y meñique para
la prótesis de mano
Para poder determinar el espacio geométrico ideal que puede ser alcanzado por un conjunto de
eslabones que formarán las distintas dimensiones antropométricas de una mano y compararlas
con respecto al modelo geométrico computarizado que permitirá dimensionar cada uno de los
componentes dentro de la prótesis de la mano, fue empleado como base el procedimiento
sistemático para describir la estructura articulada constituida por articulaciones con un solo grado
de libertad, propuesta por Denavit & Hartenberg. Donde a cada articulación se le asigna un
sistema de referencia local con un origen en un punto Qi y ejes ortonormales Xi, Yi, Zi,
comenzando con un primer sistema de referencia fijo e inmóvil anclado en un pinto fijo de la
base sobre la que está montada toda la estructura de la cadena [III.4].
Figura III.6.- Ejemplo de estructura junto con sus articulaciones y sus ejes de rotación
La solución del problema cinemático directo consiste en encontrar las relaciones matemáticas que
permiten establecer la localización espacial del extremo de la cadena cinemática del robot a partir
de los valores de sus coordenadas articulares en cualquier momento [III.5]. En general, una
cadena cinemática de n grados de libertad se encuentra formada por n eslabones unidos entre sí
por n articulaciones, de manera que cada conjunto de articulación- eslabón constituye un grado
de libertad (GDL) [III.6].
Articulación 1
Articulación 6
Articulación 5
Articulación 3
Articulación 2
Articulación 4
Base
Z0
Z3
Z2
Z1
Z6
Z5
Capítulo III 52
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Las articulaciones se numeran desde 1 hasta n. A la articulación i-ésima se le asocia con su
propio eje de rotación como Eje Zi-1, de forma que el eje de giro de la primera articulación es Z0.
Es importante tomar en consideración que el conjunto de parámetros que determinan totalmente
el sistema de referencia de la articulación son:
ϴj: Es el ángulo que indica una rotación a lo largo del eje Z.
αj: Es el ángulo que indica una rotación a lo largo del eje X.
dj: Permite indicar una distancia a lo largo del eje Z.
aj: Permite indicar una distancia a lo largo del eje X.
Donde j representa el número de la articulación o cuerpo.
Además de que este método indica si la articulación es activa (tiene movimiento independiente de
las demás articulaciones) o pasiva (si su movimiento es limitado por el movimiento de alguna
otra articulación), con el símbolo µj.
Tomando en cuenta el modelo simplificado le prótesis de la mano el cual se basa del dedo índice
al meñique en igualdad de medidas en sus mecanismos y la fijación entre la falange distal y
medial, se tiene que los cálculos de la síntesis del mecanismo será similar para los dedos índice,
medio, anular y meñique, teniendo una rotación nula en la falange distal y medial con ángulo fijo
despreciable, ya que se evaluará como un solo eslabón completo a estas dos falanges.
Figura III.7.- Sistema de referencias de los eslabones en el modelo del dedo diseñado
L1
L3 L2
Capítulo III 53
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
III.4.2.- Síntesis del mecanismo para los dedos índice, medio, anular y meñique
Un mecanismo se define como un conjunto de elementos rígidos llamados eslabones,
ensamblados entre ellos por medio de uniones que les permiten generar movimientos relativos
entre sí, denominados pares cinemáticos. [III.7]. La síntesis de mecanismos, por tanto, consiste en
la correcta elección de los eslabones y los pares de unión entre ellos para que en conjunto realicen
el trabajo previsto.
Existen diversos tipos de síntesis de mecanismos como la síntesis de tipo, de número o
dimensional, la cual tiene otras sub-clasificaciones como síntesis de generación de funciones, de
generación de trayectorias, de puntos de precisión, y síntesis de guiado de cuerpo rígido. Debido
a que el dedo es ya en si un mecanismo natural sintetizado no es necesario realizar un proceso
complejo para la síntesis de algún modelo protésico de dedo, únicamente dimensionar
debidamente, localizar y señalar correctamente las articulaciones y sus ejes y rotaciones. Por lo
que para el modelo tridimensional del mecanismo del dedo en este trabajo, el sistema de
referencias quedaría ejemplificado en la siguiente figura.
Figura III.8.- Representación geométrica para el dedo índice, medio, anular y meñique
Donde Li representa la longitud del eslabón i, y ϴi el ángulo de la articulación i.
ϴ3
ϴ4
ϴ2
X3
X0, X1
Z3
Z1
Z2
Z4
X2
X4
L4
L3
L2
ϴ0
Z0
Capítulo III 54
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
III.4.3.- Solución al modelo cinemático directo mediante el uso del sistema matricial de
Denavit & Hartenberg para los dedos índice, medio, anular y meñique del modelo protésico
Con la representación geométrica de los eslabones del mecanismo del dedo, es posible completar
la tabla de los valores necesarios para la resolución del método matricial.
Tabla III.1.- Parámetros de Denavit & Hartenberg
Articulación
j µj θj αj dj aj
1 1 θ0 90° 0 0
2 1 θ1 0 0 L1
3 0 θ2 0 0 L2
4 0 θ3 0 0 L3
Utilizando la representación de Denavit-Hartenberg, la matriz de transformación homogénea
para un mecanismo de 4 GDL mostrado en el sistema geográfico [III.8], se define como:
𝑇40 = 𝐴1
0𝐴21𝐴3
2𝐴43 III.1
Donde 𝐴𝑗𝑗−1
representa la matriz de transformación del eslabón i-1 a 1, por lo que siguiendo el
procedimiento descrito por Denavit-Hartenberg, se realiza la transformación de acuerdo a:
𝐴𝑗𝑗−1
= T(Z, θj)T(0,0, dj)T(aj, 0,0)T(x, αj) III.2
Estas transformaciones básicas consisten en una sucesión de rotaciones y traslaciones que
permitan relacionar el sistema de referencia del elemento i con el sistema del elemento i-1. Las
transformaciones en cuestión son las siguientes:
Rotación alrededor del eje Zi-1 con un ángulo θ1.
Traslación a lo largo de Zi-1 una distancia di; vector di (0, 0, di).
Traslación a lo largo de Xi una distancia ai; vector ai (ai, 0, 0).
Capítulo III 55
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Rotación alrededor del eje Xi con un ángulo α1.
De esta manera la representación de las matrices 𝐴𝑗𝑗−1
, serán las siguientes:
𝐴𝑗𝑗−1
= [
cos θ −cos α sin θsin θ cos α cos θ
sin α sin θ ai cos θ−sin α cos θ ai sin θ
0 sin α0 0
cos α di
0 1
] III.3
Finalmente las matrices para cada eslabón son:
Eslabón 0 𝐴10 = [
C0 0S0 0
𝑆0 0−𝐶0 0
0 10 0
0 00 1
] III.4
Eslabón 1 𝐴10 = [
C1 −S1
S1 C1
0 L1C1
0 L1S1
0 00 0
1 00 1
] III.5
Eslabón 2 𝐴21 = [
C2 −S2
S2 C2
0 L2C2
0 L2S2
0 00 0
1 00 1
] III.6
Eslabón 3 𝐴32 = [
C3 −S3
S3 C3
0 L3C3
0 L3S3
0 00 0
1 00 1
] III.7
Donde Cn = cos θn, Sn = sin θn, con n = 0,1,2,3
Lo que finalmente permite obtener la representación del modelo cinemático directo, definido por
la matriz de transformación 𝐴40.
Capítulo III 56
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Abreviando los términos de la matriz 𝐴40 para una visualización y resolución más cómoda, se
tiene que:
𝐶12 = cos(θ1 + θ2) III.8
𝐶123 = cos(θ1 + θ2 + θ3) III.9
𝑆12 = sin (θ1 + θ2) III.10
𝑆123 = sin (θ1 + θ2 + θ3) III.11
𝐴30 = 𝐴1
0𝐴21𝐴3
2𝐴43 = [
C0C123 −C0S123
S0C123 −S0S123
S0 C0(𝐿1𝐶1 + 𝐿2𝐶12 + 𝐿3𝐶123)
−C0 S0(𝐿1𝐶1 + 𝐿2𝐶12 + 𝐿3𝐶123)S123 C123
0 00 𝐿1𝑆1 + 𝐿2𝑆12 + 𝐿3𝑆123
0 1
] III.12
De esta manera la matriz de transformación está representada como:
𝑇30 = 𝐴1
0𝐴21𝐴3
2 = [𝑛 𝑜 𝑎 𝑝] = [
𝑛𝑥 𝑜𝑥
𝑛𝑦 𝑜𝑦
𝑎𝑥 𝑝𝑥
𝑎𝑦 𝑝𝑦
𝑛𝑧 𝑜𝑧
0 0𝑎𝑧 𝑝𝑧
0 1
] III.13
Donde el vector de posición está definido por los elementos de p, la matriz de rotación la
constituyen los componentes o y a. Teniendo que:
𝑛𝑥 = cos θ0 cos(θ1 + θ2 + θ3) III.14
𝑛𝑦 = sin θ0 cos(θ1 + θ2 + θ3) III.15
𝑛𝑧 = sin(θ1 + θ2 + θ3) III.16
𝑜𝑥 = − cos θ0 sin(θ1 + θ2 + θ3) III.17
𝑜𝑦 = − sin θ0 sin(θ1 + θ2 + θ3) III.18
𝑜𝑧 = cos(θ1 + θ2 + θ3) III.19
𝑎𝑥 = sin θ0 III.20
𝑎𝑦 = −cos θ0 III.21
Capítulo III 57
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
𝑎𝑧 = 0 III.22
𝑝𝑥 = cos θ0 [𝐿1 cos θ1 + 𝐿2 cos(θ1 + θ2) + 𝐿3cos(θ1 + θ2 + θ3)] III.23
𝑝𝑦 = sin θ0 [𝐿1 cos θ1 + 𝐿2 cos(θ1 + θ2) + 𝐿3cos(θ1 + θ2 + θ3)] III.24
𝑝𝑧 = 𝐿1 sin θ1 + 𝐿2 sin(θ1 + θ2) + 𝐿3sin(θ1 + θ2 + θ3) III.25
Esta ecuación final III.13, se representa la cinemática directa del conjunto de eslabones que
componen a los dedos meñique al índice, será utilizada como base de estudio para el ensamble
del dedo adaptando a los valores del modelo de la prótesis de mano, recordando que para este
modelo protésico únicamente se maneja un eje rotacional equivalente al movimiento de
contracción y flexión de los dedos con respecto a la palma de la mamo, el modelo diseñado en
este trabajo, no cuenta aún con el sistema móvil que permita el movimiento de abducción y
aducción entre los dedos de la mano.
III.4.4.- Solución al modelo de cinemática inversa para los dedos índice, medio, anular y
meñique del modelo protésico
El objetivo del problema cinemático inverso consiste en encontrar los valores que deben de
adoptar las coordenadas articuladas del mecanismo 𝑞 = [𝑞1, 𝑞2, 𝑞3, … , 𝑞𝑛]𝑇 para que su extremo
se posicione y oriente según una determinada localización espacial [III.9].
Para obtener el modelo cinemático inverso se usa de un enfoque algebraico utilizando el método
de las matrices de transformación homogénea. Partiendo de una matriz de transformación de toda
la cadena cinemática T, que expresa las coordenadas articuladas del sistema, comúnmente deben
ser invertidas para obtener la solución al problema, frecuentemente las soluciones no son únicas.
Se desacoplan sus términos por medio de la siguiente operación:
(𝐴10)−1𝑇4
0 III.26
Se tiene como inicio la matriz de rotación del eslabón unido a la base, es designada como su
matriz de transformación inversa, tomando el ángulo θ0 como el ángulo fijo con respecto a la
base del dedo
Capítulo III 58
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
(𝐴10)−1 = [
C0 S0
0 00 01 0
𝑆0 −𝐶0
0 00 00 1
] III.26
Abreviando los términos de la matriz 𝑇40 para una visualización y recordando que Cn =
cos θn, Sn = sin θn, con n = 0,1,2,3, se tiene que:
(𝐴10)−1𝑇3
0 = [
C123 −S123
𝑆123 𝐶123
0 𝐿1𝐶1 + 𝐿2𝐶12 + 𝐿3𝐶123
0 𝐿1𝑆1 + 𝐿2𝑆12 + 𝐿3𝑆123
0 00 0
1 00 1
] III.27
De la matriz anterior se obtienen los ángulos θ0, θ1, θ2, θ3, mediante las ecuaciones de la cuarta
columna, ya que θ0 es fijo, se despreciara el cálculo de este ángulo para este caso de estudio. A
partir de la resolución de las siguientes ecuaciones:
𝐶0𝑝𝑋 + 𝑆0𝑝𝑦 = 𝐿1𝐶1 + 𝐿2𝐶12 + 𝐿3𝐶123 III.28
𝑝𝑧 = 𝐿1𝑆1 + 𝐿2𝑆12 + 𝐿3𝑆123 III.29
A partir de la resolución de estas ecuaciones y haciendo uso de las identidades trigonométricas se
senos y cosenos, obtenida la siguiente consideración:
[𝑝𝑍 − 𝐿3𝑆123]2 + [𝐶0𝑝𝑋 + 𝑆0𝑝𝑦 − 𝐿3𝐶123]2
= 𝐿32 + 2𝐿2𝐿3𝐶2 + 𝐿2
2 III.30
Despejando y deduciendo que:
𝑆2 = √1 − 𝐶22 III.31
Se puede expresar que:
Capítulo III 59
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
𝜃2 = tan−1 (𝑆2
𝐶2) III.31
Para calcular 𝜃1. Se aplicará las mismas ecuaciones solo que se reordenan para poder obtener la
ecuación deseada, lo cual al finalizar la resolución y despeje de la ecuación, se obtiene que:
𝐶1 =[𝐿2𝐶2+𝐿1][𝐶0𝑝𝑋+𝑆0𝑝𝑦−𝐿3𝐶123]+[𝑝𝑍−𝐿3𝑆123][𝐿2𝐶2]
[𝐿2𝐶2+𝐿1]2+[𝐿22𝑆2
2] III.32
Por lo que 𝜃1 se expresa como:
𝜃1 = tan−1 (𝑆1
𝐶1) III.33
Por último, para obtener el ángulo 𝜃3 se despeja de la siguiente formula 𝜃123 = 𝜃1 + 𝜃2 + 𝜃3 y
el valor de 𝜃3se representa con la ecuación:
𝜃3 = 𝜃123 − 𝜃2 − 𝜃1 III.34
Como ya se mencionó, se observa que 𝜃123 puede tomar diferentes valores para una misma
posición. Lo que representa que no existe una solución única para el problema de la cinemática
inversa, por lo tanto, para una posición dad es posible obtener múltiples soluciones para los
ángulos de articulación.
III.4.5.- Esquema del espacio de trabajo para el mecanismo de los dedos índice, medio,
anular y meñique
El espacio de trabajo de un sistema de eslabones móvil es considerado como el volumen
resultante del giro de cada una de las uniones del ensamble, limitado únicamente por su
geometría y el tipo de uniones que lo componen. Dentro de la definición de espacio de trabajo
existen algunos puntos importantes a tomar en consideración, tales como son:
Capítulo III 60
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Espacio de trabajo permisible: Es el conjunto de posibles configuraciones que puede
adoptar el ensamblaje para alcanzar un punto en el espacio. Éste existe únicamente para
geometrías idealizadas, ya que los manipuladores reales tienen limitaciones de
movimiento debidas a diversos factores como el tamaño de los componentes, el espaciado
real y bordes de construcción o ensamblaje.
Máximo espacio de trabajo: Integrado por las posiciones límite que puede alcanzar la
estructura en análisis debido a sus limitaciones geométricas o mecánicas.
Espacio de trabajo general: Dentro de este espacio de trabajo se encuentra el conjunto
de orientaciones que son alcanzadas normalmente.
Utilizando las ecuaciones obtenidas mediante el cálculo de la cinemática directa para el ensamble
del dedo y tomando en consideración las restricciones de movimiento naturales de los ángulos de
los dedos de la mano, ejemplificados en la imagen, se obtuvo el diagrama del espacio de trabajo
para el ensamble protésico de dedo.
Figura III.9.- Representación espacial de las restricciones naturales en el movimiento del dedo
índice
Figura III.10.- Comparación de la representación del espacio de trabajo alcanzable por el
modelo con una articulación fija (color rojo), con respecto a la configuración espacial ideal
(color verde) [III.3]
90° 110° 45°
Capítulo III 61
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Como se aprecia en la comparativa de espacio de trabajo, la diferencia entre el modelo con la
falange distal y medial unida, su margen de error con respecto al ideal es aceptable para este
proyecto y su simplificación, además considera que el ángulo es de 20 grados proporcionado
entre estas dos falanges es el que proporciona un sistema espacial más cercano al ideal.
Figura III.11.- Vista explosionada del modelo del dedo
III.5.- Diseño del modelo del dedo pulgar para la prótesis de mano
Para el dedo pulgar se dieron forma a las dos falanges, las cuales se controlan igualmente por un
servomotor para el proceso de contracción y retracción, y el hueso metacarpo que tiene como
diferencia que no utiliza el sistema de movimiento mediante arrastre de eslabones, sino un
sistema de dos engranes cónicos, previamente calculados en otros trabajos [III.10], los cuales
proporcionan el giro necesario para el cierre y apertura del dedo pulgar. Dentro de la pieza que
representa al hueso metacarpo, se encuentra un motoreductor 1000:1, que será el generador de
movimiento de contracción entre las falanges del pulgar. El uso del sistema de engranes utilizado
en las prótesis de dedo pulgar, hace necesario el uso de este motoredcutor para transformar el giro
horizontal a su posición, en un torque vertical y se logre el movimiento deseado de la prótesis.
Capítulo III 62
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura III.12.- Prototipo de ensamble del dedo pulgar
Figura III.13.- Vista explosionada del dedo pulgar
La colocación de este dedo es muy importante, ya que proporciona el 40% de funcionalidad de la
mano. Para la unión con el dorso de la palma, es importante considerar su eje rotacional propio,
el cual tendrá su propio sistema de movimiento mediante un servomotor, lo cual emulara el
movimiento de la oposición natural del pulgar, necesario para los diferentes tipos de agarres
básicos de la mano.
Figura III.14.- Sistema para movimiento de las falanges dedo pulgar
Motoreductor Sistema de
engranaje
Capítulo III 63
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura III.15.- Sistema para movimiento de oposición del dedo pulgar
III.6.- Diseño del dorso y sistemas para la transición de movimiento y colocación de los
servomotores
El dorso de la mano tiene además de la función de dar soporte y estabilidad a los dedos de la
mano, servir como almacén de los servomotores y actuadores que darán el movimiento a los
dedos índice, medio, anular y meñique de la prótesis.
Los servomotores utilizados para generar el movimiento de los dedos, fueron dispuestos de
acuerdo al giro del motor, es decir, se colocaron en posición tal que se opusiera la menor
resistencia por parte de los actuadores y los mecanismos para obtener movimientos firmes sin
forzar al motor, realizándose diversas pruebas para observar la posición adecuada y precisar el
mejor funcionamiento en la simulación de los movimientos naturales de la mano.
Cada sistema de actuador y servomotor fue dibujado, también en el modelo CAD, para
especificar dimensiones y así diseñar el compartimiento que los sostendría, especificar su
ubicación y generar el dorso de la mano a razón de contener dichos elementos vitales para el
movimiento de la prótesis.
Flecha que transmite el
movimiento de
oposición del pulgar
Capítulo III 64
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura III.16.- Esquema del compartimento para ensamble del actuador y servomotores
Figura III.17.- Esquema del ensamblaje de actuadores y servomotores
III.6.1.- Sistema de transmisión de movimiento
El dedo índice y medio de una mano humana ejercen una fuerza promedio de 50 a 60 N, mientras
que los dedos anular y meñique ejercerían una fuerza promedio de 25 a 35 N tal como se reporta
en [III.11]. Por otra parte, otro estudio realizado por Alcalde en General Motors® en España
demuestra que el dedo pulgar puede llegar a ejercer una fuerza promedio de 91 a 101.6 N [III.12].
La fuerza máxima ejercida por un dedo de manera individual por tanto disminuye en proporción
directa a los otros dedos participantes durante el agarre (Tabla III.2) [III.13].
Eslabones que
transmiten el
movimiento Eslabón conectado al
servomotor que genera
el movimiento
Capítulo III 65
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Tabla III.2.- Fuerza promedio ejercida por los dedos en diferentes tipos de agarres
Tipo de agarre Fuerza ejercida (N)
Agarre puntual 23-73 N
Agarre lateral 37-106 N
Agarre cilíndrico
Con 1 dedo 30-109 N
Con 2 dedos 7-38 N
Con 3 dedos 23-73 N
Recurriendo al catálogo de servomotores de la compañía Hitech®, se reproducen a continuación
las características de los equipos accesibles al momento de realizar el presente trabajo.
Tabla III.3.- Comparativa entre servomotores disponibles en el mercado nacional
Modelo de
servomotor
Torque máximo
(kg*cm) Peso (g) Dimensiones (mm)
6 V 4.8 V Largo Ancho Espesor
HD-1711MG 3.5 3.0 19.5 29.5 11.6 30.2
HD-1160A 2.7 2.0 17 28 13.2 29.6
HD-1900A 1.5 1.2 9 22.9 12 27.3
HD-1440A 1.0 0.8 4.3 20.2 22.2 8.5
Tomando como datos de referencia los mostrados en la Tabla III.3, para el diseño de la prótesis
se utilizó el micro-servomotor análogo de propósito general, marca Power HD®, modelo HD-
1900A, principalmente por sus características de tamaño y fuerza, ver anexo A.
Figura III.18.- Servomotor HD-1900A de la marca Power HD®
Capítulo III 66
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura III.19.- Plano acotado del servomotor HD-1900A
Tabla III.4.- Datos técnicos del servo-motor HD-1900A
Características Voltaje de trabajo
4.8 V 6.0 V
Corriente máxima sin carga 130 mA 140 mA
Corriente máxima con carga 670 mA 830 mA
Velocidad de operación 0.11 s/60° 0.08 s/60°
Torque máximo 1.2 kg-cm 1.5 kg-cm
Ángulo máximo de operación 180°±10°
Peso 9 gr
Rango del ancho de pulso 800->2000 µsec
De manera similar se recurrió al catálogo de micro-motoreductores de la marca Polulu® el cual
ofrece los siguientes modelos:
Tabla III.5.- Comparativa entre micro-motoreductores disponibles en el mercado nacional
Relación de
reducción
Velocidad
(R.P.M.)
Peso (g) Torque
(kg*cm)
Dimensiones (mm)
Largo Ancho Espesor
10:1 3000 10 0.28 24 10 12
30:1 1000 10 0.6 24 10 12
Capítulo III 67
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
50:1 625 10 1 24 10 12
100:1 320 10 1.8 24 10 12
150:1 200 10 3.2 24 10 12
250:1 120 10 4.3 24 10 12
298:1 45 10 2.9 24 10 12
1000:1 14 10.48 5 27.5 10 12
Fue utilizado un micro-motoreductor con una relación de engranes 1000:1 debido a que es el
motoreductor con mayor torque ofrecido comercialmente y cuyas especificaciones técnicas se
reproducen a continuación:
Tabla III.6.- Datos técnicos del micro-motoreductor 1000:1
Características Voltaje de trabajo
6.0 V
Velocidad de giro 14 rpm
Corriente máxima de operación
sin carga 40 mA
Corriente máxima de operación
con carga 360 mA
Torque máximo 5 kg-cm
Peso aproximado 11 g
El micro-motoreductor se escogió debido a las dimensiones geométricas que posee sin cercanas a
las dimensiones antropomórficas del pulgar, y a las dimensiones sintetizadas para el mecanismo.
Figura III.20.- Motoreductor utilizado 1000:1
Capítulo III 68
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
III.6.- Modelo tridimensional del prototipo de prótesis de mano
Una vez que fue determinado el número de piezas necesarias, así como el diseño individual de
cada una de ellas, fue necesario realizar el ensamble tridimensional, esto con el fin de detectar
posibles fallas en los ensambles, desfases de perforaciones o tolerancias erróneas entre las piezas.
Figura III.21.- Modelo tridimensional del ensamble de la prótesis de mano
Figura III.22.- Modelo tridimensional de la prótesis de mano comparado con mano real
Capítulo III 69
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
A continuación se ejemplifican diferentes tipos de agarres de la vida cotidiana con el prototipo
diseñado.
Figura III.23.- Emulación de agarre tipo gancho, utilizado para cargar cosas con asa
Figura III.24.- Emulación de agarre tipo lateral, utilizado al escribir
Capítulo III 70
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura III.25.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar
Figura III.26.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar
Figura III.27.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener un vaso
Capítulo III 71
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
En la tabla III.7 y las figuras III.28 y III.29 se relacionan y describen las piezas necesarias para la
fabricación de modelo diseñado de la prótesis de mano.
Figura III.28.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano diseñada
1
2
4
3
5 8
9
11
18
12
19
21
17
20
22
23
28
30 29
35 33
34
42
45
49
48
Capítulo III 72
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura III.29.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano diseñada
Tabla III.7.- Listado de las piezas que comprenden el modelo diseñado
Número de señalización en el
esquema
Nombre de la pieza Número de piezas requeridas
1 Soporte Vertical 1
6
7
10
31
14
13
15
16
26
27
25
24
32
32
37
38
40
39 41
43
44
46
50
47
Capítulo III 73
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
2 Remache Servo 4
3 Servomotores 4
4 Círculo 4
5 Flecha Med 4
6 Perno A 2
7 Perno B 2
8 Tapa A 2
9 Tapa C 2
10 Deslizadera A 2
11 Deslizadera B 1
12 Deslizadera C 1
13 Conector Índice 1
14 Conector Medio 1
15 Conector Anular 1
16 Conector Meñique 1
17 Palma Modificada 1
18 Base Dedo 4
19 Nudillo 4
20 Remache C1 8
21 Remache C2 8
22 Tornillo A 10
23 Barra Conector 4
24 Remache A 4
25 Remache B 4
26 Remache D 4
27 Remache E 4
28 Proximal 4
29 Medio 4
30 Distal 4
31 Tapa Derecha 1
Capítulo III 74
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
32 Remache F 12
33 Soporte Carpo 1
34 Soporte Carpo Abajo 1
35 Servomotor HS 55 1
36 Círculo Carpo 1
37 FlechaCruzHS55 1
38 Pulgar Base 1
39 Tubo Carpo 1
40 Remache Pulgar Carpo 1
41 Pulgar Soporte MR 1
42 MR1000_1 1
43 Pulgar Engrane Proximal 1
44 Pulgar Eje 1
45 Pulgar Centro 1
46 Pulgar Proximal 1
47 Pulgar Union 1
48 Remache P1 1
49 Remache P2 1
50 Pulgar Distal 1
En el modelado tridimensional es importante considerar la creación de los remaches que servirán
de sujeción y posicionamiento del ensamble, pero en el modelo real estos remaches no pueden ser
impresos por las características de la impresora que no permite la impresión de piezas demasiado
pequeñas, por lo que se sustituyeron por pasadores de dimensiones similares a las de los
diseñados.
III.7.- Sumario
El capítulo inicia describiendo el concepto de creación de prototipos por medio de la impresión
de modelos 3D por medio de manufactura asistida por computadora. Muestra la forma de diseñar
cada una de las piezas que darán en conjunto la forma a la prótesis de la mano. Asimismo, se
Capítulo III 75
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
describe el porque de la simplificación de las falanges y del modelado de los dedos para índice,
medio, anular y meñique, así como los cálculos de la cinemática directa e inversa para este
modelo de ensamble. Se hace mención de los procesos de selección de los elementos de
transmisión de movimiento como motoreductores y servomotores a utilizar, y se describe el
diseño de los sistemas de eslabones que transmitirán el torque generado por los dispositivos
eléctricos. Por último, se ejemplifica algunos agarres disponibles con el modelo de la prótesis de
la mano.
Capítulo III 76
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
III.8.- Referencias
1.- Taylor, C. L. y Schwartz, R. J., The anatomy and mechanics of the human hand, National
Library of Medicine National Institutes of Health, Vol. 2 No. 2, pp 22-35, 1955.
2.- Ortega-Saenz, J. A., Álvarez-Vera, M. y Hernández-Rodríguez, M. A. L., Biotribological
study of multilayer coated metal-on-metal hip prostheses in a hip joint simulator, Wear of
materials, Vol. 301, Issues 1-2, pp 234-242, 2013.
3.- Aguilar-Pérez, L. A., Optimización de la Geometría de una Prótesis de Miembro Superior,
Tesis de Licenciatura, Instituto Politécnico Nacional, pp 56-57, 2011.
4.- Craig, J. J., Robótica, 3ª Edición, Ed. Prentice Hall, pp 10-43, 2006.
5.- Chang, L. Y. y Yoky, M., A kinematic thumb model for the ACT hand, IEEE International
Conference on Roboticts and Autmation, pp 1000-1005, 2006.
6.- Gongliano, G., Gruver, W. A. y Qian, X., A robot hand mechanism with rotating fingertips
and motor-tendon actuation, IEEE International Conference on Systems, Man and
Cybernetics, Vol. 2, pp 1023-1028, 1991.
7.- Aguilar-Pérez, L. A., Torres-San Miguel, C. R., Urriolagoitia-Sosa, G., Salcedo-Fernández, L.
F., y Morales-Chavarría, J. A., Influencia del ángulo kappa en un simulador experimental de
dedo índice, XIII Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, pp 1-7,
2012.
8.- Lewis, F. L., Dawson, D. M. y Abdallah, C. T., Robotic Manipulator Control Theory and
Practice, 2ª Edición, Marcel Dekker Inc, pp 21-100, 2004.
9.- Barrientos, A., Peñin, L. F., Balaguer, C. y Aracil, R., Fundamentos de Robótica, 1ª Edición,
McGraw Hill, pp 10-129, 1997.
10.- Aguilar-Pérez, L. A., Diseño de una Prótesis para Dedo Pulgar, , Tesis de Maestría,
Instituto Politécnico Nacional, pp 65-74, 2013.
11.- Gregory, R. W., Biomechanics and Control of Torque Production During Prehension, Tesis
Doctoral, College of Health and Human Development, The Pensnsylvania State University, pp
31-38, 2002.
12.- Alcalde-Lapiedra, V., Álvarez-Zárate. J. M., Bascuas-Hernández, J., García-Felipe, A.,
Germán-Armijo. A. y Rubio-Calvo. E., La carga física de trabajo en extremidades superiores,
los límites del sistema mano-brazo, Mapfre Seguridad, No. 101, pp 30-39, 2006.
Capítulo III 77
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimientos en una prótesis personalizada de mano
13.- Li, Z. M, Latash, M. L. y Zatsiorsky, V. M., Force sharing among fingers as a model of the
redundancy problem, Experimental Brain Research, No. 119, pp 276-286, 1998.
En este capítulo se
describe el proceso de
ensamble del prototipo de
la prótesis de mano. La
manufactura por medio
de impresoras
tridimensionales, así
como las principales
técnicas de impresión
tridimensional y la forma
en como estos procesos se
relacionan para generar
en conjunto un ensamble
útil para la realización de
este trabajo. Se hace
mención de los tipos de
piezas utilizadas en el
modelo protésico y su
unión para formar el
mecanismo completo que
da vida a la prótesis
mioeléctrica.
CAPÍTULO IV
Impresión
Tridimensional y
Ensamblaje de la
Prótesis de Mano
Capítulo IV 79
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
IV.1.- Impresión tridimensional y ensamblaje de la prótesis de mano
La manufactura de piezas, tecnológicamente hablando es la aplicación de procesos químicos y
fiscos mediante los cuales se altera la geometría, las propiedades físico-químicas, o el aspecto de
un determinado material, con la finalidad de elaborar partes o productos finales. Dichos procesos
llegan a involucrar una combinación de máquinas y herramientas, así como consumo de energía
eléctrica y trabajo manual. [IV.1]. La correcta elección de los procesos involucrados durante la
creación de las piezas, se determinan con base a las características y propiedades del material, la
forma y el tamaño de la pieza; así como los requerimientos en la tolerancia dimensional y el
acabado superficial, los requerimientos de funcionamiento, el volumen de producción y la
rapidez en terminar proceso. [IV.2].
Habiendo terminando los modelos debidamente acotados, se procedió a elaborarlas en la
impresora tridimensional, pieza por pieza, para su posterior ensamblaje, tratando de darle
estructura y vista a la mano, haciendo que los dedos queden en una posición lo más natural y
parecida a la de una mano humana.
IV.2.- Impresión tridimensional del prototipo de prótesis de mano
Los actuales sistemas de impresión 3D permiten obtener modelos conceptuales sin importar el
grado de complejidad, a partir de los datos previamente generados por programas de cómputo
especializados en el diseño, permitiendo obtener las piezas físicas en solo cuestión de horas.
Estos sistemas basan su funcionamiento en los procesos de adición de material o MIM del inglés
Meterial Incress Manufacturing.
Figura IV.1.- Impresión tridimensional por deposición de hilo fundido
Capítulo IV 80
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Existen diversas técnicas para la manufactura en impresoras tridimensionales, pero todas tienen la
característica en común de agregar material en capas para generar el modelo en 3D, esta
característica permite que las restricciones geométricas de las piezas diseñadas no ocasionen
complicaciones en su construcción. La única limitante en este proceso es el requerimiento final
del uso de la pieza y de los materiales a utilizar. A continuación se describen los principales tipos
de técnicas de impresión 3D:
Aparatos de Estereolitografía (StereoLithography Apparatus SLA): Por medio de esta
técnica la pieza CAD es creada a partir de un fotopolímero líquido, el cual reacciona
frente a la aplicación de rayos UV, solidificando las superficies creadas por medio de un
rayo láser que incide sobre este, y por medio del cual se crea el objeto 3D [IV.3].
Proceso de fraguado en sólido (Solid Ground Curing SGC): Es una técnica que permite
obtener piezas de mayor tamaño a partir de la sucesiva solidificación de capas de
fotopolímeros expuestos a luz ultravioleta. Las mayores desventajas de esta técnica son
las dimensiones y el peso de la máquina de impresión, así como el complejo proceso de
manufactura.
Deposición de hilo fundido (Fused Deposition Modeling FDM): Por medio de esta
técnica las piezas son construidas a partir de la extrusión del material fundido en capas.
Las principales ventajas que involucra su uso son: la ausencia de materiales tóxicos para
su fabricación, por lo que pueden ser utilizados en entornos no especializados como
laboratorios. Por otro lado, la principal desventaja de esta técnica es el uso necesario de
un material de soporte para el modelo cuando este tiene vacíos internos, esto aumenta el
uso de consumibles por medio de esta técnica [IV.4].
Sinterización selectiva láser (Selective Laser Sintering SLS): Desarrollada por el
departamento de ingeniería mecánica de la universidad de Texas, utilizando como materia
prima polvos de diversos materiales esparcidos sobre una plataforma por un rodillo,
siendo sinterizadas áreas por medio de un rayo láser, lo cual ocasiona que las partículas de
polvo sean solidificadas. La principal diferencia entre esta técnica y la estereolitografía es
que este proceso atraviesa por dos fases de transición de sólido a fluido y de fluido a
sólido.
Capítulo IV 81
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Fabricación de objeto laminado (Laminated Object Manufacturing LOM): Las partes
laminadas se producen a partir de plástico, papel, papel de aluminio o compuestos de
hojas, todos recubierta con un adhesivo activado térmicamente. El material se suministra
en un rollo que se coloca sobre un eje de entrega, desenrollado a través de la parte
superior de la superficie de trabajo y se recoge en el otro lado de la impresora, con un
proceso intermedio de cortado por medio de un láser [IV.5].
Tabla IV.1.- Comparativa de las especificaciones geométricas entre diferentes tecnologías de
impresión 3D
Tecnología Área máxima
(pulgadas)
Mínimo tamaño de
las características
Extensión de
archivos
SLA 0.008” .STL, .SLC
SLA-190/20 7.5×7.5×10
SLA-250/30 10×10×10
SLA-500/30 20×20×23
SGC 0.006” horizontal,
0.024” vertical
.STL
Soldier 5600 20×14×20
Soldier 4600 14×14×14
3D Printing 0.007” .STL
DSPC (Soligen) 10×8×8
FDM .STL
FDM-1600 9.5×9.5×10 0.01-0.1”
3D Modeler 12×12×12 0.01-0.125”
SLS .STL
Sinteristation 2000 12” cilíndricas * 14 0.015” PC, nylon
0..03” cera
LOM 0.01” .STL
LOM-1015 14.5×10×14
LOM-2030 32×22×20
Capítulo IV 82
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Tabla IV.2.- Comparación de las capacidades de impresión por formas de piezas, de las
tecnologías de impresión 3D
Proceso
Esfera hueca
Esfera hueca
con
respiradero y
desagüe
Dos anidados,
Esferas
perforadas
Tubo de
Hilbert
Mecanismo
octo-engranaje
pre-
ensamblado
SLA F B C B C
SGC F A A A A
3D P F B A A B
FDM B B C B C
SLS F B A A B
LOM F F C B C
Una calificación de “A” indica que la tecnología dada no debería tener problemas con esta
geometría. Una calificación de "B" indica que los soportes posiblemente necesarios para esta
geometría, podrían ser difíciles de eliminar, o que la eliminación del exceso de polvo podría ser
difícil. Una calificación de "C" indica que los soportes interiores obligatorios para esta geometría
pueden ser difíciles o imposibles de eliminar. Una calificación de "F" indica que la tecnología
dada no sería capaz de fabricar esta geometría.
Con base en la tabla IV.2 y tomando en cuenta la maquinaría de impresión 3D disponible en la
SEPI ESIMEZ IPN, el método de impresión utilizado es por medio de la deposición de hilo
fundido (FDM), de manera que el prototipo generado es construido por medio de alambres de
distintos materiales. Como se hace mención en la tabla IV.1, la extensión de los archivos de
cómputo compatibles con este método de impresión tridimensional, son los .STL (Standard
Triangulation Language to Layer).
Capítulo IV 83
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
IV.2.1.- Creación de los archivos STL
Los archivos Standard Triangulation Language to Layer permiten describir objetos 3D mediante
la descomposición de los objetos en superficies en forma de malla de triangulación o facetas,
introduciendo inevitablemente un error entre la superficie deseada y la superficie generada. Para
reducir este error y hacer una aproximación más real de la superficie, se deberá aumentar el
número de triángulos en las superficies curvas de la pieza.
Figura IV.2.- Comparativa de menor número de triángulos por superficie, a mayor número de
triángulos por superficie y su afectación en la geometría real de la pieza
Dependiendo del origen de las piezas a transformar en un archivo STL, se puede generar de dos
maneras, ya se creando el modelo 3D a partir de funciones geométricas definidas y permitiendo
que el programa genere un mallado no controlado de la superficie de triangulación. O mediante el
uso de técnicas de ingeniería inversa mediante la exploración de la superficie del objeto deseado
a través de herramientas especiales que permitan interpretar la nube de puntos que definen una
superficie del área de escaneo e interpretarlas como superficies 3D, siendo comúnmente
utilizados este proceso en el escaneo de objetos reales.
IV.2.2.- Exportación de los archivos STL
Independientemente de la tecnología utilizada para generar los prototipos de las piezas físicas,
todas ellas utilizan como principales archivos de adquisición de datos el formato .STL. Este tipo
de archivo se puede generar en dos tipos de formato: binario y ASCII, donde la calidad del
archivo resultante está definida por el número de facetas y es independiente del formato. La
principal diferencia entre ambos tipos de formatos es el tamaño del archivo, logrando llegar a ser
entre 10 a 15 veces más pesado un formato ASCII que un formato en binario.
10mm 10mm 10mm 10mm
Capítulo IV 84
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
En el programa Solid Works® 2014 versión estudiantil se pueden exportar las piezas diseñadas
simplemente guardando el archivo con una extensión .STL.
Figura IV.3.- Ventada de opción de guardar archivo STL en Solid Works®
En la figura IV.4 se muestran los valores modificables en las opciones de guardado del archivo
.STL, tales como el formato binario o ASCII, la resolución de malla de triangulación, el control de
la desviación y del ángulo entre facetas, logrando con estos valores modificar la tolerancia del
error entre la superficie teórica de la geometría y las caras de las facetas, así como determinar el
ángulo máximo de barrido entre los triángulos al momento de adaptarse a una superficie curva
respectivamente.
Figura IV.4.- Valores modificables para generar la malla de triangulación de la pieza
Capítulo IV 85
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Al finalizar el proceso de guardar el archivo del programa computacional de diseño, se genera un
cuadro de dialogo, informando al usuario el número de triángulos que se utilizaron en la
discretización de la pieza, el tamaño en bytes del archivo, el formato y la dirección donde quedo
almacenado el archivo .STL para su utilización en la impresora tridimensional.
Figura IV.5.- Ventana de diálogo que indica el número de triángulos en la malla de la pieza
IV.2.3.- Importación de los archivos STL
En esta fase del proceso previo a la impresión tridimensional, se tiene el archivo en el formato
deseado y con la mejor calidad posible para el prototipo final, se debe recurrir al apoyo
nuevamente de otra herramienta computacional. El cual permite definir diversas características
acerca de la impresión de la pieza, entre ellas, la resolución entre las capas de material, además
de definir si la pieza a imprimir será completamente sólida o si las dimensiones generales de la
pieza le permiten sea hueca. Otra característica importante a definir es el tipo de recubrimiento
que tendrá la pieza al momento de construirla con respecto al material de soporte, ofreciendo el
programa 3 tipos de recubrimiento:
Capítulo IV 86
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Recubrimiento sencillo, donde únicamente se imprimirá una capa de material de soporte
que permita despegar la pieza generada de manera sencilla dejando la pieza
completamente libre de material de soporte.
Recubrimiento completo, donde la pieza es recubierta en su totalidad por el material de
soporte.
Recubrimiento Smart, donde el material de soporte será colocado únicamente en
aquellas partes que sean consideradas por medio de la programación interna como débiles.
La última característica modificable en la fase previa a la impresión que se debe de considerar, es
la interpretación de las unidades del archivo STL, siendo posible modificar de manera manual la
escala a la que se encuentra el archivo, ya sea pulgadas o milímetros.
Dependiendo del modelo de la impresora 3D el proceso para importar el archivo varía. En el
presente trabajo se utilizó la impresora modelo Dimension SST 1200-es, que utiliza el método de
la deposición de hilo fundido, de manera que el prototipo es generado por medio de alambres de
dos distintos materiales, por lo que para la correcta importación de modelos .STL se utilizó el
programa CatalystEX©,.
Figura IV.6.- Impresora 3D Dimension SST 1200-es
Capítulo IV 87
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Dentro de la herramienta computacional de importación para los archivos STL, se puede
especificar la posición de la pieza con respecto a la orientación general de la máquina, es posible
especificar la rotación sobre el eje X, Y o Z. Lo cual permite determinar la cantidad de material
que será utilizado durante la impresión a partir de la interpretación de la malla importada desde el
archivo STL, como se muestra en la figura IV.7.
Figura IV.7.- Pieza importada en el programa CatalystEX®
También es importante a considerar el acomodo de las piezas a imprimir no solo de manera
individual, sino en su conjunto para evitar amontonamiento, errores de impresión y facilitar el
desmolde al finalizar el proceso de impresión. El recurso computacional apoya en esta tarea,
mostrando un mapa ilustrativo del acomodo modificable de las piezas a imprimir por etapa.
Figura IV.8.
Figura IV.8.- Mapa del espaciado de piezas en el programa CatalystEX® para la impresión
Capítulo IV 88
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura IV.9.- Proceso en el programa CatalystEX® para la impresión
IV.2.4.- Obtención de las piezas impresas
En función del tamaño del objeto y de la altura con la base de la bandeja de la impresora, la fase
de impresión puede durar varias horas, por eso es que la organización y la orientación de las
piezas debe de ser elegidas de manera cuidadosa para agilizar el proceso y gastar el menor
material posible.
Figura IV.10.- Piezas impresas del prototipo en la Dimension SST 1200-es
Durante el proceso de impresión, se genera un material de soporte de las piezas que ayudara a la
impresora a dar forma a las piezas, este material deberá ser removido al finalizar la impresión
según recomendaciones del propio distribuidor de suministros, de manera manual la mayor
cantidad de material de soporte evitando dañar o forzar demasiado las piezas, para posteriormente
sumergir la pieza completa en una solución de hidróxido de sodio en una proporción de una
botella por cada 6.8 litros de agua. Para acelerar la reacción química entre la solución de
STL CatalystEX® Pieza
Impresa
Capítulo IV 89
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
hidróxido de sodio y agua con el material de soporte, el tanque recircula la solución y eleva la
temperatura de la misma, hasta alcanzar cerca de los 60°±10°.
Figura IV.11.- Piezas impresas aun con material de soporte removible
Figura IV.12.- Piezas impresas ya sin material de soporte
IV.2.5.- Propiedades del material utilizado en la impresión
El método de impresión por medio de la deposición de hilo fundido se realiza utilizando material
de polímeros termoplásticos de tipo Acrilonitrilo, Butadieno y Estireno (ABS), los cuales tienen
importantes propiedades útiles en la ingeniería de diseño, como buena resistencia mecánica y al
impacto combinado con facilidad para el procesado. El amplio rango de propiedades que exhibe
el ABS es debido a las propiedades que presentan cada uno de sus componentes [IV.6].
El Acrilonitrilo proporciona:
Resistencia térmica
Resistencia química
Resistencia a la fatiga
Material de soporte
Capítulo IV 90
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Dureza y rigidez
El Butadieno proporciona:
Ductilidad a baja temperatura
Resistencia al impacto
Resistencia a la fusión
El Estireno proporciona:
Facilidad de procesado (fluidez)
Brillo
Dureza y rigidez
El proceso de la impresión consiste en fundir el material ABS para con él dar forma a las piezas
modeladas, para fines específicos del proyecto de la prótesis de mano, no es necesario hacer
énfasis en el conocimiento detallado de las propiedades mecánicas, térmicas, y eléctricas del
material, ya que la prótesis de mano no estará bajo condiciones que pongan a prueba las
propiedades. Para conocer más a detalle de la mecánica del material, ver anexo B.
IV.3.- Ensamble del modelo de la prótesis de mano
Una vez obtenidas todas las piezas del modelo de la prótesis, es importante identificar cada una
de ellas para comenzar el ensamblaje. Ya que algunas de las piezas son de dimensiones
milimétricas, es necesario cuidar que el área de trabajo se encuentre limpia para evitar el extravío
de alguna de las piezas.
Las articulaciones de la mano protésica, fueron fabricadas como articulaciones de tipo cilíndrica,
las cuales son mecanismos de enlace que dejan ciertas libertades de movimiento a las piezas
ensambladas. Las articulaciones de tipo cilíndrica, permiten un giro con respecto a su eje
transversal, las cuales pueden ser de tipo voladizo, o de horquilla [IV.7], como las utilizadas en el
modelo de la prótesis de mano.
Capítulo IV 91
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura IV.13.- Articulaciones tipo horquilla en el ensamble de la prótesis
Para la sujeción de estas articulaciones se hizo uso de pasadores cilíndricos no normalizados, los
cuales son varillas metálicas que sirven para inmovilizar la pieza en relación con otra, pasador de
sujeción, en algunos casos del ensamble y en otros de ellos como pasador de posición, que
asegura la pieza a una posición relativa de dos piezas pero permitiendo un movimiento de
articulación entre las piezas.
Figura IV.13.- Pasador cilíndrico a) de sujeción y b) de posición
Básicamente el ensamblado de las piezas es muy sencillo ya que se compara con el armado de un
rompecabezas, debido a que la mayor parte de los errores de tolerancia e intersecciones de las
piezas fueron resueltos durante el proceso de dibujo asistido por computadora, gracias a la ayuda
de los programas especializados para estas tareas; únicamente se deben de seguir los modelos
tridimensionales computarizados como si se estuviera leyendo un instructivo de armado. La única
a) b)
Pasadores de sujeción
Pasador de posición
Capítulo IV 92
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
dificultad encontrada en el ensamblaje es que los orificios diseñados para los pasadores ya sea de
sujeción o de posición, debido a las escalas milimétricas pueden llegar a tener tanto discrepancias
con los diámetros del modelo en CAD, y los diámetros reales de la pieza, lo cual se puede
resolver al realizar las perforaciones en el material de la pieza para aproximar el diámetro al
deseado.
IV.3.1.- Acoplamiento de los servomotores
El acoplamiento de los servomotores al ensamblaje de la prótesis, resulta bastante sencillo,
tomando en cuenta que el diseño del modelo tridimensional se generó con el espacio necesario
para crear un compartimiento que resguardara los servomotores y mantuviera los giros necesarios
de manera controlada, por lo que únicamente se concentró en la correcta colocación de las piezas
que comprenden el ensamblaje para generar el movimiento por medio de los servomotores.
Figura IV.14.- Compartimiento para los servomotores que generan el movimiento de los dedos
En el caso del motoreductor y el servomotor que dan vida a los movimientos de flexión y
deflexión del pulgar y de oposición, respectivamente, ocurre la misma situación ya que el modelo
diseñado en la computadora tomó en cuenta estas incorporaciones de los dispositivos que
generarán el movimiento y se diseñaron con el espacio suficiente y adecuado para insertarlos u
complementar el ensamblaje.
Capítulo IV 93
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura IV.15.- Ensamblaje de los sistemas que generan movimiento en el dedo pulgar, a) flexión
y extensión b) oposición
IV.3.2.- Ensamblaje final del prototipo de prótesis de mano
Una vez finalizado el ensamblaje de todas las piezas necesarias para la prótesis de la mano, con
los debidos pasadores de sujeción y de posición, se debe de verificar el libre movimiento de las
articulaciones que así lo necesiten y la correcta sujeción de las piezas fijas. Con el ensamblaje ya
terminado se puede configurar de manera manual los agarres de la mano previamente simulados
en el modelo tridimensional, esto con la finalidad de verificar que el ensamblaje real tenga
disponible los grados de libertad necesarios para generar los diferentes agarres de la mano
previamente estudiados.
Figura IV.16.- Ensamblaje final de la prótesis de mano
a) b)
Capítulo IV 94
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura IV.17.- Ensamblaje final de la prótesis de mano comparado con mano real
Figura IV.18.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar
Capítulo IV 95
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
Figura IV.19.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar
Figura IV.20.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener un vaso
Capítulo IV 96
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
IV.4.- Sumario
En este capítulo se describe el proceso de ensamble del prototipo de la prótesis de mano. La
manufactura por medio de impresoras tridimensionales, así como las principales técnicas de
impresión tridimensional y la forma en como estos procesos se relacionan para generar en
conjunto un ensamble útil para la realización de este trabajo. Se hace mención de los tipos de
piezas utilizadas en el modelo protésico y su unión para formar el mecanismo completo que da
vida a la prótesis mioeléctrica.
Capítulo IV 97
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano
IV.5.- Referencias
1.- Goover, M. P, Fundamentos de la Manufactura Moderna: Materiales, Procesos y Sistemas,
1ª Edición, Ed. Prentice Hall, pp 3-42, 1997.
2.- Torres S.-M.C.R., Diseño y Manufactura de Endoprótesis Personalizadas, Tesis Doctoral,
Sección de Estudios de Posgrado, ESIME Zacatenco, Instituto Politécnico Nacional, pp 100-
195, 2010.
3.- McMains, S. A., Rapid Prototyping of Solid Three-Dimensional Parts, Tesis de Maestría,
Computer Science Division, University of California, pp. 2-38, 1995.
4.- Garay-del Avellanal, F. J, Análisis Técnico-Económico del Proceso de Prototipado Rápido de
Modelos Geométricos de Gran Tamaño, Tesis de Licenciatura, Universidad Pontificia Colillas
Madrid, pp 18-76, 2012.
5.- Zhang, X., Quality enhancement and model layout optimization of rapid prototyping, Tesis de
Maestría, Department of Mechanical Engineering, University of Calgary, pp 26-51, 1991.
6.- Stratasys® Inc, ABS-M30 Production-Grade Thermoplastic for Fortus 3D Production
Systems, Manual de especificaciones, Stratasys® Production Series, pp 1-2, 2015.
7.- Chevalier, A., Dibujo Industrial, Editorial Limusa, pp 143-168, 2005.
En este apartado se dio
una descripción de los
dispositivos a utilizar en
el sistema de adquisición
y procesamiento de las
señales EMG que se
implementan, así como
una descripción de sus
principales
características y etapas
que la conforman. Se
determinó la metodología
a utilizar en el proyecto,
desde la ubicación de los
músculos para detectar
dichas diferencias de
potencial, hasta el
procesamiento de las
señales
electromiográficas
captadas de dicho
músculo, para generar
los movimientos de la
mano.
CAPÍTULO V
Diseño del Sistema de
Adquisición y
Procesamiento de las
Señales Mioeléctricas
Capítulo V 99
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
V.1.- Diseño del sistema de adquisición y procesamiento de las señales mioeléctricas
En este apartado se describirá la metodología utilizada para la adquisición y procesamiento de las
señales mioeléctricas y los diversos equipos electrónicos de apoyo así como los materiales
empleados. Detallando los procesos de adaptación de las señales mioeléctricas obtenidas del
músculo del antebrazo, haciendo énfasis en la parte de la captación de las señales, esto con la
finalidad de que el éxito de una prótesis mioeléctrica radica en obtener una buena señal
electromiográfica.
Otro aspecto importante en el procesamiento de las señales EMG, es considerar las diversas
etapas de filtrado y amplificación, para obtener la señal más pura y exacta, y tener una señal de
fácil lectura para los dispositivos de control.
V.2.- Etapa de adquisición de las señales mioeléctricas
El bloque de adquisición, está integrado por transductores y en específico por electrodos que
convierten la señal mioeléctrica que se genera en el músculo del brazo, en una señal eléctrica que
se procesará. Para medir los potenciales mioeléctricos se necesita de un transductor capaz de
convertir potenciales y corrientes iónicas, en potenciales y corrientes eléctricas.
Aunque en algunos tipos de células se pueden hacer medidas de los potenciales de acción
individuales, dichas medias son difíciles por cuanto exigen una precisa colocación de un
electrodo dentro de la célula. La forma más común de medir los biopotenciales es el con el efecto
combinado de una gran cantidad de potenciales de acción tal y como aparecen en la superficie del
cuerpo humano, o en uno o más electrodos insertados en el músculo, nervio o alguna zona del
cuerpo que se esté estudiando [V.1].
V.2.1.- Selección de los electrodos
De acuerdo a los tipos de captación de señales EMG, se puede utilizar el método intrusivo y no
intrusivo, utilizando para este caso de estudio el método no intrusivo, debido a que así no se
requerirá de cirugía ni conocimientos médicos especializados, aunque es necesario tener un
conocimiento de la ubicación de los músculos que generan el movimiento de la mano y la
biomecánica del miembro superior.
Capítulo V 100
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Disco de Plata-Cloruro de Plata
Soporte y separador de
plástico o goma
Cable de conexión
Superficie de la piel Espacio para el gel del electrodo
Existen variedades de electrodos de superficie como son: planos, de succión, multipuntuales,
suspendidos, miniatura, entre otros. Los cuales pueden ser fabricados en diferentes tipos de
metales con la capacidad de conducir los potenciales eléctricos producidos por el cuerpo, como
Plata, siendo el más utilizado, Oro, Platino y Acero inoxidable, Tantalio Aluminio, etc. Los
electrodos de Plata-Cloruro de Plata (Ag/AgCl), son los mejores para disminuir las fluctuaciones
en las mediciones, ya que al estar inmerso en una solución salina, presentan un potencial de
contacto mucho más estable que lo observado con los demás electrodos, por lo que este tipo de
electrodos Ag/AgCl son utilizados con mucha frecuencia en el registro de señales mioeléctricas en
la superficie corporal [V.2].
En los electrodos dispuestos en la superficie del cuerpo, para facilitar el contacto eléctrico, es
decir la conducción de corriente entre el metal del electrodo y el interior del cuerpo, es habitual
utilizar un gel conductor que penetre la epidermis. Sin embargo, si este gel se desparrama se
pueden cortocircuitar con electrodos que estén cercanos, y dado que el gel se va secando, no son
adecuados para monitorizaciones prolongadas [V.3].
Figura V.1.- Diagrama de electrodo superficial flotante
El electrodo actúa propiamente como transductor porque las corrientes dentro del cuerpo son
iónicas mientras que las corrientes de entrada del amplificador de tensión, y las corrientes de
salida del generador de señales empleado para inyectar una corriente en el cuerpo para medir
bioimpedancia, son electrónicas. Para que la diferencia de potencial entre las dos terminales de
entrada del amplificador sea la misma que hay entre los dos puntos del cuerpo donde están
aplicados los electrodos, es necesario que la corriente a través de éstos sea tan pequeña que la
Capítulo V 101
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
caída de tensión en ellos sea inapreciable. La diferencia de potencial medida entre dos electrodos
tiene entonces sólo dos componentes: la señal bioeléctrica deseada y la diferencia de potenciales
de semipila entre electrodos (tensión de offset). Según el metal del electrodo, este offset puede
ser de centenares de milivoltios, es decir, mucho mayor que la señal deseada, cuyo valor de pico
a pico en el caso de biopotenciales suele ser inferior a 1 mV. Éste es el caso de los electrodos
Ag/AgCl, que fueron los primeros de amplio uso debido a su baja impedancia y alta estabilidad
del potencial de semipila.
El valor de los componentes que modelan la impedancia no es constante sino que depende de la
frecuencia, pero en cualquier caso la impedancia prácticamente constante a frecuencias bajas,
incluida la de 50/60 Hz de la red eléctrica, y decrece conforme aumenta la frecuencia, hasta que
se estabiliza a partir de cierta frecuencia, que depende mucho del tipo de electrodo. Los
electrodos secos tienen una impedancia mucho mayor que los electrodos con gel.
Figura V.2.- Modelo eléctrico para electrodos conductores
Los electrodos que no establecen un contacto galvánico con la piel consisten en una superficie
metálica que se coloca cerca del cuerpo para formar un condensador con el medio interno, que
también es conductor, y por esto se denominan electrodos capacitivos. Si no hay corriente a
través del electrodo, su potencial será el de la zona del cuerpo donde esté colocado. Entonces no
hay potencial de semipila, ni resistencia en serie, pero según haya o no contacto mecánico con el
cuerpo, y según el material entre el electrodo y la piel cuando hay contacto, las pérdidas de dicho
Electrodo
Epidermis
Dermis y capa
subcutánea
RP
Enc
RS
CP
Electrodo
Electrolitos orgánicos
Capítulo V 102
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
condensador pueden ser considerables. Por lo tanto, el modelo más adecuado consiste
simplemente en la red RP||CP mostrada en la Figura V.2 [V.4].
Dado que la medida de los potenciales bioeléctricos requiere de dos electrodos, ya que la tensión
medida en realidad es la diferencia de potenciales instantáneos de los dos electrodos, a
continuación se muestra en la figura V.3 el circuito equivalente a la medida de los biopotenciales
con dos electrodos [V.5].
Figura V.3.- Modelo eléctrico para dos electrodos
Si los dos electrodos son del mismo tipo, la diferencia de potenciales es por lo general pequeña y
depende esencialmente de la diferencia real del potencial iónico entre los dos puntos del cuerpo
en los que se esté realizando las medias.
Las redes de resistencia y capacitancia mostradas en las figuras V.2 y V.3, representan la
impedancia de los electrodos, unas de las características más importantes. Lamentablemente, la
impedancia no es constante., depende de la frecuencia debido al efecto de la capacidad. Además,
tanto el potencial del electrodo como la impedancia varían por un efecto denominado
polarización [V.6].
Electrolitos orgánicos
RP2
Enc2
RS2
CP2
Electrodo2
RP1
Enc1
RS1
CP1
Electrodo1
Capítulo V 103
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Para minimizar el efecto de la impedancia de la piel sobre los electrodos, se han desarrollado
diversas pastas y geles que reciben el nombre de electrolitos. Tomando en consideración todos
estos conocimientos sobre los electrodos de tipo superficiales, se seleccionó la mejor opción
dentro del mercado disponible que son los 3MTM
Red DotTM
2239 [V.7]. Anexo C.
Figura V.4.- Electrodo superficial utilizado en la etapa de adquisición de las señales a) vista
superior, y b) vista inferior
V.2.2.- Identificación de los músculos que generan los diversos movimientos de la mano
La manera en que los electrodos son colocados en la piel para detectar los potenciales de acción
de un músculo es el papel más importante y más complicado. Al colocar los electrodos en la piel
se tiene que tener bien definido cuál será el músculo que proporcionará el potencial de acción. Se
debe estudiar el músculo y conocer exactamente donde se encuentra ya que si se coloca un
electrodo en un músculo y el otro cerca de otro músculo, cabe la posibilidad de obtener un
potencial muy débil o solamente ruido. Es por esta razón, que es importante seleccionar el
tamaño de los electrodos ya que se puede confundir las señales de un músculo u otro. Para poder
obtener un PUM (Pulso de Unidad Muscular) de alto voltaje, los electrodos deben de estar
colocados exactamente en el músculo deseado, la superficie de la piel debe de estar limpia, y los
electrodos totalmente adheridos a la piel del paciente.
Los músculos de miembro superior se pueden clasificar en base a distintos criterios. La
clasificación debería ser lógica y garantizar una visualización general lo más amplia posible. Los
criterios de clasificación son:
Metal de Plata-
Cloruro de Plata
Gel Superficie adhesiva
Capítulo V 104
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Origen
Topografía
Función
Inervación muscular
En la tabla V.1 y V.2 se muestra una combinación entre los puntos de vista topográficos y
funcionales, así como su inervación de los músculos del antebrazo y la mano, involucrados en el
movimiento de los dedos.
Tabla V.1- Musculatura del antebrazo
Nervio al que se encuentra inervado
Músculos dorsales del antebrazo
--Extensores superficiales
Músculo extensor de los dedos Nervio radial
Músculo extensor del meñique Nervio radial
Músculo extensor cubital del carpo Nervio radial
--Extensores profundos
Músculo supinador Nervio radial
Músculo abductor largo del pulgar Nervio radial
Músculo extensor corto del pulgar Nervio radial
Músculo extensor largo del pulgar Nervio radial
Músculo extensor del índice Nervio radial
Músculos ventrales del antebrazo
--Flexores superficiales
Músculo pronador redondo Nervio radial
Músculo flexor superficial de los dedos Nervio radial
Músculo flexor radial del carpo Nervio radial
Capítulo V 105
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Músculo flexor cubital del carpo Nervio cubital
Músculo palmar del carpo Nervio radial
--Flexores profundos
Músculo flexor profundo de los dedos Nervio mediano y cubital
Músculo flexor largo del pulgar Nervio mediano
Músculo pronador cuadrado Nervio mediano
Músculos radiales del antebrazo
--Grupo radial
Músculo braquiorradial Nervio radial
Músculo extensor largo del carpo Nervio cubital
Músculo extensor corto del carpo Nervio cubital
Tabla V.2- Musculatura de la mano
Nervio al que se encuentra inervado
Musculatura del metacarpo
--Músculos lumbricales I-IV Nervio cubital
--Músculos interóseos dorsales I-IV Nervio cubital
--Músculos interóseos palmares I-III Nervio cubital
Musculatura tenar
--Músculo abductor corto del pulgar Nervio mediano
--Músculo abductor del pulgar Nervio cubital
--Músculo flexor corto del pulgar Nervio mediano
--Músculo oponente del pulgar Nervio mediano
Musculatura hipotenar
--Músculo abductor del meñique Nervio cubital
--Músculo flexor del meñique Nervio cubital
Capítulo V 106
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
--Músculo oponente del meñique Nervio cubital
--Músculo palmar corto Nervio cubital
En las figuras VI.5 a la figura VI.9 se muestra la composición biológica de los músculos que
generan los movimientos de los dedos de la mano. Esto para tener comprensión necesaria sobre la
anatomía del antebrazo, necesarios para la correcta localización de los electrodos [VI.8].
Figura V.5.- Visión general de los flexores superficiales
Músculo flexor superficial de los dedos
Origen: Cabeza humeral
Cabeza cubital
Cabeza radial
Inserción: A los lados de la falange media de los dedos 2°-
5°
Función: Articulación del codo: Ligera flexión
Articulaciones de la muñeca,
metacarpofalángicas e interfalángicas
proximales de los dedos 2°-5°: Flexión
Capítulo V 107
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V.6.- Vista general de los flexores profundos
Músculo extensor radial largo del carpo
Origen: Cara lateral y distal del húmero, tabique intermuscular lateral
Inserción: Cara dorsal de base de hueso metacarpiano II
Función: Articulación del codo: Ligera flexión
Articulaciones de la muñeca: Extensión (colaboración
con el cierre del puño), abducción radial
Músculo extensor radial corto del carpo
Origen: Epicóndilo lateral del húmero
Inserción: Cara dorsal de base de hueso metacarpiano III
Función: Articulación del codo: Ligera flexión
Articulaciones de la muñeca: Extensión (colaboración
con el cierre del puño), abducción radial
Figura V.7.- Visión general de la musculatura radial
Músculo flexor profundo de los dedos
Origen: 2/3 proximales de la cara flexora del cúbito y regiones
adyacentes de la membrana interósea
Inserción: Cara palmar de las falanges distales de los dedos 2°-5°
Función: Articulaciones de la muñeca, metacarpofalángicas e
interfalángicas proximales de los dedos 2°-5°: Flexión
Músculo flexor largo del pulgar
Origen: Cara anteromeidal del radio, regiones adyacentes de la
membrana interósea
Inserción: Cara palmar de la falange distal del pulgar
Función: Articulación de la muñeca: Flexión y abducción radial
Articulaciones sellar del pulgar: Oposición
Articulaciones metacarpofalángica e interfalángica
del pulgar: Flexión
Capítulo V 108
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V.8.- Vista general de los extensores superficiales
Músculo extensor de los dedos
Origen: Cabeza común (epicóndilo lateral del húmero)
Inserción: Aponeurosis dorsal de los dedos 2°-5°
Función: Articulación de la muñeca: Extensión
Articulaciones metacarpofalángicas,
interfalángicas distal y proximal de los
dedps 2°-5°: Extensión y abducción de los
dedos
Inervación: Nervio radial
Músculo extensor del meñique
Origen: Cabeza común (epicóndilo lateral del húmero)
Inserción: Aponeurosis dorsal del 5° dedo
Función: Articulación de la muñeca: Extensión y
abducción cubital
Articulaciones metacarpofalángicas,
interfalángicas distal y proximal del 5° dedo:
Extensión y abducción del 5° dedo
Inervación: Nervio radial
Capítulo V 109
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V.9.- Visión general de los extensores profundos
Músculo abductor largo del pulgar
Origen: Superficies dorsales del radio y cúbito, membrana
interósea
Función: Articulación de la muñeca: Abducción radial
Articulación sellar del pulgar: Abducción
Músculo extensor corto del pulgar
Origen: Superficies dorsales del radio y membrana interósea
Inserción: Base de la falange proximal del pulgar
Función: Articulación de la muñeca: Abducción cubital
Articulaciones sellar del pulgar y metacarpofalángica:
Extensión
Músculo extensor largo del pulgar
Origen: Superficies dorsales del cúbito y membrana interósea
Inserción: Base de la falange distal del pulgar
Función: Articulación de la muñeca: Extensión y abducción
radial
Articulación sellar del pulgar: Aducción
Articulaciones metacarpofalángica e interfalángica:
Extensión
Músculo extensor del índice
Origen: Superficies dorsales del cúbito y membrana interósea
Inserción: Aponeurosis dorsal del 2° dedo
Función: Articulación de la muñeca: Extensión
Articulaciones del índice: Extensión y abducción
Capítulo V 110
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Una vez localizado la zona donde se colocarán los electrodos, para disminuir los posibles factores
que afecten a la hora de captar las señales EMG, tales como el sudor, el bello y la variación de la
impedancia de la piel del paciente; se debe de limpiar la zona, ya sea con alcohol o con pastas
especiales e inmediatamente después colocar el gel para electromiografías, el cual ayuda a la
conducción de las señales captadas en la superficie de la piel hacia el circuito implementado.
V.2.3.- Posicionamiento de los electrodos para la captación de las señales EMG
La posición de los electrodos es muy importante en la recolección de registros con propósitos de
control mioeléctrico. Por ello, se recomienda la asistencia de personal médico especializado,
quienes pueden identificar con mayor precisión las regiones musculares con mayor compromiso
en la ejecución de los movimientos de interés. En [V.9], Hargrove, demostró que unas regiones
son mejores que otras para la ubicación de los electrodos aunque, la generalización de dichas
posiciones no es recomendable para todos los pacientes, así que el procedimiento de
identificación de las regiones musculares deben realizarse particularmente con cada paciente.
El número de electrodos corresponde al número de canales a procesar y este es un parámetro
esencial en el desempeño del clasificador y en el número de movimientos diferentes a identificar.
Para desarrollar una prótesis mioeléctrica multifuncional, es necesario extraer la mayor cantidad
de información de cada canal, o asignar una función de control a una combinación específica de
señales del sistema multicanal [V.10]. De esta forma, es posible aumentar el número de
movimientos diferentes a ejecutar en un sistema de prótesis a partir de la disposición de un mayor
número de canales.
Sin embargo, entre mayor sea el número de canales mayor será el retardo en la respuesta de la
prótesis, debido a la gran cantidad de información a procesar y mayor será también la
interferencia entre canales por la cantidad significativa de diafonía (crosstalk), entre los músculos
debido a factores como: el arreglo geométrico de los músculos y la propagación dispersiva de la
señal en el volumen conductor entre otros [V.11]. Estos podrían ser fenómenos que en lugar de
mejorar la clasificación podrían empeorarla, obligando a buscar un adecuado compromiso entre
precisión, multifuncionalidad y velocidad de respuesta.
Capítulo V 111
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Debido a lo anterior, se ha decidido utilizar sólo 2 canales, un canal por músculo elegido, los
cuales regirán una señal independiente, una para cada activación de los servomotores a
implementar en el proyecto de forma demostrativa.
Otro aspecto importante que se debe de tomar en cuenta como se hizo mención en el capítulo 2,
es el de tener un tercer electrodo, que sirva como referencia en el sistema. El problema de no
utilizar el tercer electrodo, implica la eliminación del circuito que permite cerrar las corrientes de
polarización. Los amplificadores de tres electrodos son el sistema utilizado más habitual porque
presenta poca interferencia. El tercer electrodo permite reducir la señal en modo común a la que
está sometido el paciente. Esto será posible si la impedancia del tercer electrodo es pequeña, así
la tensión en modo común también será menor y, por lo tanto, las interferencias derivadas de ella
también serán menores.
Figura V.10.- Posicionamiento de los electrodos
V.2.4.- Lectura de las señales EMG del grupo de músculos del paciente
Para simplificar la obtención de las señales mioeléctricas, una vez seleccionado la correcta
posición de los electrodos dentro del antebrazo del paciente, se tomaron lectura de las señales
EMG, para la flexión de todos los dedos en conjunto, agarres de tipo prensil esféricos, haciendo
al paciente cerrar el puño al grado máximo y obteniendo la medición del pulso EMG generado.
Además de medir las señales en la etapa de relajación del músculo, con un pulso del músculo y el
incremento gradual de la fuerza en el cierre de la mano.
La parametrización se obtuvo con la ayuda de un osciloscopio digital TDS 1002 de la marca
Tektronix®. En la siguiente tabla se pueden observar los valores obtenidos para cada medición
realizada.
Electrodo 1
Electrodo 2
Electrodo de referencia
Capítulo V 112
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Tabla V.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del paciente
Medición Músculo a medio
esfuerzo
Músculo a esfuerzo
máximo
Esfuerzo gradual del
músculo
Vpp 2.16 V 8.40 V 6.00 V
Vmax 1.04 V 3.60 V 3.00 V
Vmin -1.12 V -4.80 V -3.00 V
Periodo 15.00 ms 26.00 ms 24.00 ms
Frecuencia 66.66 Hz 38.46 Hz 41.66 Hz
Ancho Positivo 1.67 s 17.00 ms 628.00 ms
Ancho Negativo 560.00 ms 8.00 ms 80.00 ms
Tiempo de Subida 6.00 ms 17.00 ms 80.00 ms
Tiempo de Bajada 268.00 ms 5.00 ms 54.00 ms
Ancho 3.77 s 42.00 ms 815.00 ms
En las siguientes imágenes se muestra el procedimiento de la obtención de las señales
mioeléctricas mediante el osciloscopio.
Figura V.11.- Lectura de las señales EMG del antebrazo, con el músculo en reposo
Figura V.12.- Lectura de las señales EMG, esfuerzo gradual y el esfuerzo máximo músculo
Capítulo V 113
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
V.3.- Etapa de acondicionamiento de las señales mioeléctricas
El bloque que sirve para la adecuación de las señales, está integrado por tres distintas etapas, en
la primera etapa de pre-amplificación, donde se utiliza un amplificador de instrumentación
AD620, el cual tiene la tarea de adquirir la señal de forma diferencial de los electrodos
conectados al cuerpo del paciente. Posteriormente, esta señal se filtra por medio de diferentes
filtros, siendo un filtro pasa bandas Butterworth de orden uno, así como un filtro pasa altas y un
filtro pasa bajas. Para finalmente, amplificar la señal por la relación que hay a través de la
resistencia de ganancia.
Figura V.13.- Diagrama eléctrico del circuito de adecuación de las señales EMG, a) amplificador
de instrumentación, b) etapa de pre-amplificación, c) etapa de filtrado, y c) etapa de
amplificación
El circuito de acondicionamiento de las señales EMG completo, así como todos los demás
circuitos de las etapas individuales, se simularon en el programa NI MultisimTM
13.0 de National
Electrodo 1
Electrodo 2
Electrodo 3
(Referencia)
+Vcc
-Vcc
R1
R2
R4
R5 R3 R8 R7
R6
R9
C1
C2
+Vcc
-Vcc
a)
b) c) d)
Salida
Capítulo V 114
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
InstrumentsTM
, para verificar el correcto funcionamiento del dispositivo electrónico diseñado,
previo a su fabricación.
V.3.1.- Amplificador de instrumentación
Este amplificador de instrumentación se utilizó debido a que los potenciales biológicos
extracelulares son de baja amplitud, y para elimina el ruido electromagnético que existe en todos
los dispositivos electrónicos.
El amplificador de instrumentación AD620, obtiene la señal en sus entradas con una alta
impedancia en forma diferencial, cuando se obtienen estas señales se hace una operación de suma
entre ellas, ya que la señal que se encuentra en la terminal no inversora, es muy similar a la señal
que se encuentra en la señal inversora, para este caso se dice que tiene una referencia en modo
común. Se hace una suma de señales, donde cada una tiene un signo opuesto a la otra, con esto se
obtiene un valor sin ruido.
Posteriormente, esta señal se amplifica por la relación que hay a través de la resistencia de
ganancia RG, como se puede detallar en el diagrama eléctrico del amplificador utilizado, (Ver
anexo D).
Figura V.14.- Diagrama eléctrico del amplificador instrumental
Es necesario que el amplificador instrumental de la señal contengan las siguientes características:
Ser un amplificador de instrumentación
Debe poseer un elevado rechazo al modo común preferentemente mayor a 80 decibeles
para disminuir la interferencia diferencial debida a la red y para evitar la distorsión del
biopotencial.
RG -
+
Capítulo V 115
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Poseer impedancias de entrada muy elevadas mayores a 1 MΩ y así poder captar señales
de bajo nivel.
Baja corriente de polarización a la entrada.
La exigencia de impedancias de entrada elevadas requiere de un tercer electrodo que
permita el cierre a un punto de referencia de las corrientes de polarización a través del
sujeto en observación.
Para eliminar los potenciales comunes en los tres electrodos, como ruido ambiental y la alta
impedancia proveniente de la piel, se aplicó la amplificación diferencial. Para obtener la
ganancia deseada que es para este caso de estudio de 500, la cual permitirá una mejor
visualización de las señales mioeléctricas, elevando su valor de miliVolts o microVolts a valores
comunes en unidades base, Volts, son utilizadas las fórmulas preestablecidas para dicho
componente:
𝑅𝐺 =49.4 𝐾Ω
𝐺−1 V.1
Así, sustituyendo la ganancia deseada equivalente a 500, resulta conveniente utilizar una
resistencia comercial de 100Ω.
Figura V.15.- Diagrama del amplificador de instrumentación
Electrodo 1
Electrodo 2
Electrodo 3
(Referencia)
+Vcc
-Vcc
RG
AD620
Capítulo V 116
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
V.3.2.- Etapa de filtrado de las señales electromiográficas
Para el diseño de la etapa de filtrado fue necesario utilizar una etapa de pre-amplificación la cual
se logra con una CI TL074, para consultar más características de este circuito integrado vea
anexo E. A continuación se ejemplifica el circuito electrónico de la etapa de pre-amplificación y
una simulación de su función con una señal generada de 200 mV, a razón de una frecuencia de 5
Hz, mediante un generador de funciones con una onda senoidal, la cual simula el músculo al
máximo esfuerzo, según las mediciones tomadas en el ejercicio de captura de las señales
electromiográficas, con fines demostrativos del funcionamiento de la etapa de pre-amplificación.
Figura V.16.- Diagrama de la etapa de pre-amplificación
+Vcc
-Vcc
R2
Generador de funciones Osciloscopio
R3
Capítulo V 117
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V.17.- Señal obtenida a la salida de la etapa de pre-amplificador de instrumentación
(azul), comparada con la señal de entrada (roja)
En la gráfica, se observa que la señal de entrada con un pico de 200 mV, llega a un pico de 2.2 V,
después del proceso de amplificación, lo cual l hace más reconocible al proceso de filtrado y a los
dispositivos de control que se emplearán al final el proceso de procesamiento de las señales.
Debido a la interferencia posible producida en el medio ambiente, el rango óptimo de frecuencia
será de 20 a 500 Hz. Con la finalidad de limitar el rango de frecuencias entre 0 y 500 Hz, se
utilizó un filtro pasa bandas Butterworth de orden uno.
Como se explica en el capítulo II, el rango útil de medida se encuentra entre los 10 y 20 Hz, para
lo que se utiliza un filtro pasa altas, y hasta los 500 y por menos de 1500 Hz, filtro pasa bajos.
[V.12]. El filtro pasa alto es necesario para eliminar el ruido proveniente de músculos aledaños, y
otros movimientos musculares (artifacts), así como potenciales de repolarización de los músculos
Capítulo V 118
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
que tienen componentes de baja frecuencia, típicamente < 10 Hz. El filtro pasa bajo es necesario
para eliminar componentes de alta frecuencia y evitar la generación de falsas frecuencias
(aliasing).
V.3.2.1.- Filtro pasa altas
La frecuencia establecida para este filtro será de 20 Hz, y se utilizará un capacitor del valor
comercial más común (0.1µF), por lo que de la ecuación para calcularla frecuencia se despejara
la resistencia a utilizar y se buscara el valor comercial más cercano:
𝐹𝐻 =1
2𝜋𝑅𝐶 V.2
𝑅 =1
2𝜋∗20∗0.1µ𝐹= 79.58 𝐾Ω V.3
Por lo que para el diseño del filtro pasa altas se utilizara una resistencia 82KΩ.
V.3.2.2.- Filtro pasa bajas
La frecuencia deseada para este filtro es de 500 Hz, tomando un capacitor de mismo valor que el
filtro pasa altas, se tiene que calcular nuevamente la resistencia a utilizar en el circuito, la cual se
tiene debería de ser de 3.18KΩ, en el caso del cual se utilizará la de valor comercial más cercano,
3.3KΩ.
𝐹𝐻 =1
2𝜋𝑅𝐶 V.4
𝑅 =1
2𝜋∗500∗0.1µ𝐹= 3.18 𝐾Ω V.5
A continuación se muestra el diagrama de la etapa de filtrado, así como las simulación de la señal
obtenida en esta etapa, utilizando los valores obtenidos mediante los cálculos de las resistencias
necesarias para el diseño de los filtros.
Capítulo V 119
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V.18.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas
Figura V.19.- Señal obtenida a la salida de la etapa de filtrado (azul), comparada con la señal de
entrada (roja)
+Vcc +Vcc
-Vcc -Vcc
C2
C1
R4
R6
R5 R7
Capítulo V 120
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
V.3.3.- Etapa de amplificación de las señales mioeléctricas
Una vez obtenida la señal filtrada, se realizó una nueva etapa de amplificación, por medio de un
circuito TL074, del cual se realizó su simulación con la herramienta computacional, para verificar
su funcionamiento. Esta es la etapa final del proceso de adecuación de las señales EMG, por lo
que la simulación se realizó del diseño completo del circuito de adquisición y procesamiento de
las señales, obteniendo las siguientes gráficas demostrativas para el músculo en esfuerzo
máximo.
Figura V.20.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas
Generador de funciones
R2
R4
R5 R3
R8 R7
R6
R9
C1
C2 +Vcc
-Vcc
Capítulo V 121
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V.21.- Señal obtenida a la salida del circuito final de procesamiento de señales (azul),
comparada con la señal de entrada (roja)
De esta última gráfica se obtienen los valores finales que arroja el sistema de adquisición y
procesamiento de la señal, esta simulación se debe de repetir para cada uno de los movimientos
de la mano, y verificar con los valores obtenidos en la medición real, ya con el circuito armado y
comparar la cercanía entre ambas, se debe recordar que a pesar de contar las etapas de filtrado, la
captura de las señales puede llegar a tener pequeñas variaciones incontrolables por el sistema, las
cuales provienen por ejemplo del estado de ánimo del paciente.
Con las simulaciones para el músculo en un agarre de presión a medio y esfuerzo máximo, así
como en reposo, se obtuvieron los siguientes valores, demostrados en la tabla V.4.
Capítulo V 122
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Tabla V.4- Datos para la simulación de las señales EMG del paciente
Simulación Músculo a medio
esfuerzo
Músculo a esfuerzo
máximo
Esfuerzo gradual del
músculo
Vpp 2.48 V 6.86 V 5.858 V
Vmax 1.24 V 3.43 V 2.929 V
Vmin -1.24 V -3.43 V -2.929 V
Frecuencia de
simulación 5 Hz 5 Hz 5 Hz
Debido a que la lógica de control será por trenes de pulsos se tienen que obtener parámetros que
permitan establecer una lógica a la información que se programara en el sistema de control a
implementar.
Figura V.22.- Circuito eléctrico del sistema de adecuación de las señales
V.4.- Sistema de control
El sistema de control es el encargado de energizar los servomotores que generan el movimiento
de los dedos del prototipo de la prótesis de mano, el sistema de control activará dichos
servomotores mediante la contracción de los músculos extensores o flexores, según sea el caso.
Debido al límite de tiempo y las dificultades presentadas en la realización de este trabajo, para
simplificar el sistema de control, se complementa con una tarjeta MegaADK de ArduinoTM
,
específicamente diseñada para controlar servomotores mediante un script de programación.
Capítulo V 123
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
También tiene la posibilidad de configurar entradas para sensores, botones o utilizar los puertos
de comunicación serial con otros programadores externos.
Lo que se busca es realizar un sistema de control que tenga la posibilidad de ser modificado
mediante programación de mediano nivel. En este sistema se podrá realizar un cambio de
programación solamente retirando la tarjeta y mediante un cable USB-MiniUSB poder modificar
los parámetros tales como; velocidad, aceleración, libertad de movimiento de los servos, y hasta
la lógica misma de los pulsos electromiográficos.
Figura V.23- Tarjeta utilizada para el control de las señales
V.5.- Sumario
En este apartado se dio una descripción de los dispositivos a utilizar en el sistema de adquisición
y procesamiento de las señales EMG que se implementan, así como una descripción de sus
principales características y etapas que la conforman. Se determinó la metodología a utilizar en el
proyecto, desde la ubicación de los músculos para detectar dichas diferencias de potencial, hasta
el procesamiento de las señales electromiográficas captadas de dicho músculo, para generar los
movimientos de la mano.
Capítulo V 124
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
V.6.- Referencias
1.- Muñoz-Moner, A. F, Díaz, J. L. R. y Gómez, J. A. C, Nuevos modelos nanotecnológicos en el
diseño de piel artificial con nanopartículas para el recubrimiento de prótesis de mano y perna
en discapacitados, Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada, Vol. 2, No. 20, pp 136-
143, 2012.
2.- Ferrero-Corral, J. M., Ferrero y de Loma-Osorio, J. M., Saiz-Rodríguez, F. J., y Vives, A. A.,
Bioelectronica: Señales Bioelectricas, 1ª Edición, Editorial de la Univsersidad Politecnica de
Valencia, pp 496-618, 1994.
3.- Bergey, G. E, Squires, R.D., y Sipple, W. C., Electrocardiogram recording with pasteless
electrodes, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol 18, Issue 3, pp 205-211, 1971.
4.- Betts R. P., y Brown, B. H., Method for recording electrocardiograms with dry electrodes
applied to unprepared skin, Medical and Biological Engineering, Vol 14, Issue 3, pp 313-315,
1976.
5.- Hernández-Colín, S. y Olmedo-Flores, Diseño y Construcción de un Dispositivo Electrónico
para Adquisición de Señales Bioeléctricas, Tesis de Licenciatura, Instituto Politécnico
Nacional, pp 52-87, 2014.
6.- Lim, Y. G., Kim K. K., y Park S., ECG measurement on a chair without conductive contact,
IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 53, Issue 5, pp 956-959, 2006.
7.- 3MTM
, Catálogo de Electrodos, 3M Salud, pp 1-3, 2014.
8.- Gilroy, A. M., MacPherson, B. R., y Ross, L. M., Atlas de Anatomía, 2a Edición, Editorial
Panamericana, pp 211-250, 2011.
9.- Hargrove L. J., Fredericton, N. B., Englehart, K., y Hudgins, B., A Comparison of surface and
intramuscular myoelectric signal classification, Biomedical Engineering IEEE, Vol. 54, Issue
5, pp 847-853, 2005.
10.- Hudgins B., Parker., P y Scott, R. N., new strategy for multifunction myoelectric control,
IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 40, No. 1, pp 82 94, 1993.
11.- Lowery, M. M., Stoykov, N. S., Taflove, A. y Kuiken T. A., A multiplelayer finiteelement
model of the surface EMG signal, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 49, No.
5, pp.446454, 202
12.- Merletti, R., Standards for reporting EMG data, Journal of Electromyography and
Kinesiology, Vol 9, No. 1, pp 3-4.
En este capítulo se
abordan las lecturas de
las señales
electromiográficas y su
simulación en el equipo
de cómputo. Así mismo,
se explica el
funcionamiento y la
importancia del uso de un
recortador de la señal de
salida del circuito de
filtrado. Y por último, se
hace un análisis de costos
del diseño del proyecto.
CAPÍTULO VI
Análisis de Resultados y
Conclusiones
Capítulo VI 126
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
VI.1.- Análisis de Resultados y Conclusiones
En este capítulo se analizan las señales obtenidas del músculo y se propone un protocolo de
activación para servomotores.
Se analizarán también las señales obtenidas para distintos movimiento naturales del brazo que
podrían interferir en la medición final de la señal, ya que, como se conoce, los músculos aledaños
también generan un impulso eléctrico, éste podrían filtrarse hacia el circuito y accionar el motor
sin que el usuario haya querido accionarlo. El protocolo de bloqueo de estas señales aledañas se
simulara al circuito del sistema de procesamiento de las señales EMG, descrito en el capítulo V,
para verificar su funcionamiento de manera ideal.
Por otra parte, se hará un análisis de costos, el precio unitario de los componentes, las horas de
ingeniería, se mostrará también el costo del material del prototipo. Y se concluirá si es
conveniente continuar con futuras investigaciones o si sólo se queda como un proyecto de
investigación.
VI.2.- Señales EMG obtenidas
A continuación en la figura VI.1 se muestra la parametrización de las señales EMG obtenidas,
para el esfuerzo medio del músculo, donde la sección por división es de la misma forma 250ms
en el eje X y 2 V por división en el eje Y, y en la tabla VI.1 se describen los principales
parámetros que comprenden a esta señal.
Figura VI.1.- Señal EMG del músculo a esfuerzo medio
Capítulo VI 127
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Tabla VI.1- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del paciente
Medición Magnitud
Vpp 2.16 V
Vmax 1.04 V
Vmin -1.12 V
Periodo aprox. 15 ms
Frecuencia aprox. 66.66 Hz
Tiempo de Subida 6 ms
Tiempo de Bajada 268 ms
En la figura VI.2 se muestra la señal de un pulso normal del músculo, donde la sección por
división es de la misma forma 250ms y 2 V por división, en la tabla VI.2 se ejemplifican los
parámetros de esta señal.
Figura VI.2.- Señal EMG de un pulso del músculo
Capítulo VI 128
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Tabla V1.2- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del paciente
Medición Magnitud
Vpp 8.4 V
Vmax 3.60 V
Vmin -4.80 V
Periodo aprox. 26 ms
Frecuencia aprox. 38.46 Hz
Tiempo de Subida 17 ms
Tiempo de Bajada 5 ms
Ahora en la figura VI.3 se muestra una señal donde el esfuerzo del músculo es gradual, es decir,
que el músculo empieza a ejercer presión sobre algún objeto hasta apretarlo con fuerza y después
empezar a des energizar al músculo poco a poco hasta su reposo. En la tabla VI.3 se muestran los
parámetros obtenidos donde la sección por división es de 500 ms y 2 volts por división.
Figura VI.3- Señal EMG del músculo con un incremento gradual del esfuerzo
Capítulo VI 129
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Tabla VI.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del paciente
Medición Magnitud
Vpp 6 V
Vmax 3 V
Vmin -3 V
Periodo aprox. 24 ms
Frecuencia aprox. 41.66 Hz
Tiempo de Subida 80 ms
Tiempo de Bajada 54 ms
Ahora, debido a que el protocolo de activación será a través de pulsos, se tiene que hacer, de la
señal antes analizada y simulada un pulso uniforme que permita identificarlo como un botón de
activación para el sistema de control propuesto, y además este podrá servir como protección
contra picos de voltaje que se pueden generar cuando exista un máximo esfuerzo en el músculo.
Para esto se implementó un circuito integrado 74HC14, mejor conocido como Schmitt Trigger,
así, este circuito mandará una señal analógica cuando reciba una excitación mayor a 1.38 V y la
mantendrá en 5 V hasta que dicha excitación esté por debajo de 1.38 V. De esta manera, poder
manipular de buena manera la señal para la activación de la tarjeta y al mismo tiempo protegerla
de altos pulsos provenientes de mucho esfuerzo en el músculo.
Figura VI.4.- Diagrama del Schmitt Trigger
El uso de este sistema de recorte de la señal se debe a como se puede observar en las gráficas de
las lecturas de las señales EMG obtenidas del músculo, en las figuras VI.1, VI2 y VI.3; existen
algunos picos de voltaje, los cuales pueden crear interferencias en la conversión de la señal
eléctrica en movimiento, e incluso llegar a dañar al circuito de control, a continuación se muestra
la gráfica de la señal EMG utilizando el Schmitt Trigger.
Capítulo VI 130
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V1.5.- Simulación del sistema Schmitt Trigger
En la figura VI.5 se muestra la gráfica en color rojo es la señal EMG y la señal en color azul, es la
señal del Schmitt Trigger en positivo, la cual limitará la salida del circuito a únicamente lo que se
encuentre dentro de su rango de trabajo.
VI.3.- Comparación de las lecturas del músculo, con la simulación del circuito de
adquisición de las señales EMG
A raíz de los datos obtenidos del músculo se realizó la simulación del circuito para determinar el
rango de valores necesarios para la activación de los servomotores.
Para el caso del músculo sometido a un esfuerzo medio se tiene un voltaje medido en el músculo
de 1.04 V en la zona positiva para lo que se necesita un rango de 10 mV ± 2 mV en la señal
simulada, para obtener esa ganancia final, necesaria para la activación de los servomotores. En la
figura VI.6 se muestra la gráfica de la simulación del músculo a medio esfuerzo.
Capítulo VI 131
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V1.6.- Simulación de la señal del esfuerzo medio
Para el caso de un pulso en el músculo, se tiene un voltaje medido en el músculo de 3.6 V en la
zona positiva para lo que se necesita un rango de 30 mV ± 2 mV en la señal simulada, para
obtener esa ganancia final, necesaria para la activación de los servomotores. En la figura VI.7 se
muestra la gráfica de la simulación de un impulso en el músculo.
Capítulo VI 132
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V1.7.- Simulación de la señal a un pulso del músculo
Por último, para el músculo sometido a un esfuerzo gradual se tiene un voltaje promedio medido
en el músculo de 3 V en la zona positiva para lo que se necesita un rango de menor a 26 mV en la
señal simulada, para obtener esa ganancia final, necesaria para la activación de los servomotores.
En la figura VI.8 se muestra la gráfica de la simulación del músculo con incremento gradual en
el esfuerzo, comparada con la de la lectura del músculo.
Capítulo VI 133
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Figura V1.8.- Simulación de la señal en un esfuerzo gradual del músculo
Las señales de la simulación se presentan como una onda completa de tipo senoidal, esto ya que
no presentan una interferencia externa, como en la lectura de las señales de manera directa en el
músculo.
VI.4.- Activación de los servomotores
Como ya se ha mencionado, los servomotores se activan por medio de un pulso a la entrada de
estos, es decir, que cuando se excite al músculo, es sistema de control generará una señal en
Volts, la cual activará la tarjeta utilizada en el desarrollo del proyecto. La tarjeta activará a los
Capítulo VI 134
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
servomotores para realizar el movimiento de cierre de los dedos. Los servos se desactivarán
cuando la tarjeta deje de detectar al pulso de activación.
Debido al límite de tiempo y las dificultades presentadas en la realización de este trabajo, para
simplificar el sistema de control, se complementa con una tarjeta MegaADK de Arduino. La cual
tiene la función de detectar el pulso generado en el circuito de adquisición de señales y si este
pulso es mayor al valor establecido de activación, es decir, que el músculo se encuentre en
actividad, la tarjeta activará servomotores que se encuentren en sus salidas 0, 1, 2, 3, 4 con la
instrucción pre-instalada de la tarjeta (servo), antecedida de la dirección de la salida de la tarjeta.
Pero, si se detecta la señal y no es mayor al valor establecido de activación, los servos se
quedarán en la posición inicial de Home.
VI.5.- Análisis de costos
En el siguiente tema, se analizarán los costos del proyecto, se mencionarán precios de materiales
y de instrumentación que se consideran convenientes para el prototipo.
Tabla VI.4- Análisis de costos del proyecto
Cantidad Precio Unitario Precio Total
Gastos electrónicos
Hardware Osciloscopio
Tektronix ®
1 7,000.00 7,000.00
Computadora Intel®
CORETM
i7
1 22,000.00 22,000.00
Software NI MultisimTM
13.0 1 año de
licencia
54,380.00 54,380.00
Dispositivos
Electrónicos
Resistencias SMD 8 5.00 40.00
Capacitores SMD 2 7.00 14.00
TL074 SMD 1 15.00 15.00
74HC14 SMD 1 25.00 25.00
Capítulo VI 135
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
AD620 SMD 1 200.00 200.00
Tablilla doble cara 1 20.00 20.00
Soldadura 1 35.00 35.00
Servomotores
HD-1900A
4 200.00 800.00
Servomotor HS 55 1 150.00 150.00
Motoreductor 1000:1 1 290.00 290.00
Tarjeta Arduino
Mega ADK
1 600.00 600.00
Hora de Ingeniería 360 hrs 200 c/hr 72,000.00
Diseño de la prótesis
Software SolidWorks 1 año de
licencia
88,000.00 88,000.00
Hardware Computadora Intel®
CORETM
i7
1
Impresora 3D
Dimension SST 1200-
es
1 30,000.00 30,000.00
Hora de Ingeniería 620 hrs 150 c/hr 93,000.00
Termoplásticos ABS 1 rollo 850.00 850.00
Costo Total del Prototipo $369,419.00
VI.6.- Conclusiones
Mediante el trabajo presentado, se muestra una metodología que permite estudiar las señales
mioeléctricas generados en el antebrazo de una persona, recurriendo para ello a la descripción de
los procesos que comprenden las etapas de procesamiento de las señales EMG, desde su lectura
en el músculo, hasta la etapa final del proceso de adecuación de la señal para su posterior
utilización.
Capítulo VI 136
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
Se abordan las lecturas de las señales electromiográficas y su simulación en el equipo de
cómputo. Así mismo, se explica el funcionamiento y la importancia del uso de un recortador de la
señal de salida del circuito de filtrado.
Durante el desarrollo del trabajo, se expuso la teoría necesaria acerca de la síntesis y análisis de
las señales electromiográficas y su uso para generar movimientos en la prótesis personalizada de
mano. Dicho prototipo de prótesis también se encuentra desarrollado en este trabajo, pariendo de
la simplificación de mecanismos y análisis para la cinemática directa e inversa de cada uno de los
dedos involucrados en los agarres generados por la mano humana.
La unión de estas dos partes, la mecánica con el diseño de la prótesis y la eléctrica con el diseño
del dispositivo de adquisición y procesamiento de las señales EMG, generan un modelo de una
prótesis no convencional que permite al paciente, portar un artefacto con mayor utilidad a los
convencionales existentes en el mercado nacional. Es importante mencionar que la etapa de
adquisición y el procesamiento de las señales es la parte más compleja del trabajo, ya que se
requieren de conocimientos de otras áreas como anatomía y medicina.
Se deben de realizar diversos y repetitivos análisis de las señales generadas en el músculo,
teniendo en cuenta que nunca se obtendrá un resultado igual, ni si quiera en el mismo paciente de
prueba, esto a los agentes externos que se ven involucrados en el proceso y que en su mayoría son
incontrolables, por lo que se necesitan de estudios más a detalle del análisis de estas señales y
lograr adecuarlas de manera más precisa y encontrar la correlación entre la fuerza o torque, con la
señal electromiográfica relativo a los valores de contracción máxima voluntaria, para con ellas
generar un algoritmo de control más complejo, que pueda reducir los errores y completar las
deficiencias presentadas en este trabajo.
Los estudios realizados en este trabajo sobre las señales mioeléctricas, sirvieron como base para
la realización del artículo Use of Myoelectric Signals in Hand Prosthesis, publicado en
Noviembre de 2014 en la revista internacional Journal of Chemical, Biological and Physical
Sciences, en la sección Development of Biotechnological Process.
138
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar
movimiento en una prótesis personalizada de mano
VI.1.- Trabajos Futuros
Acoplar los movimientos de abducción y aducción para los dedos de la prótesis
Se propone que a partir de lo analizado en el diseño de la prótesis de mano, se rediseñe el
mecanismo de la base de los dedos índice, medio, anular y meñique con su inserción en la palma
de la mano para generar el movimiento de abducción y aducción de los mismos. Así como,
generar una mejora en el diseño protésico que genere el movimiento de abducción y aducción en
el pulgar, para poder con ello generar otro tipo de agarres con la prótesis de la mano.
Estandarizar las señales mioeléctricas del paciente
En el aspecto de las señales mioeléctricas es conveniente diseñar el sistema de control inteligente
que sirva como generador de movimiento para la prótesis de la mano. Para lo que se propone,
generar una tabulación con los valores de voltajes en la señal electromiográfica interrelacionada
con el posicionamiento de los mecanismos de la prótesis de repetidas iteraciones del proceso de
lectura de las señales mioeléctricas, y con ellas poder posteriormente generar una tabla de verdad
y un algoritmo de matrices para tomar decisiones por medio de un sistema de control inteligente.
Ya que dentro de este trabajo se usó un control únicamente mediante pulsos eléctricos a los
servomotores, producidos por una tarjeta controladora, por lo que se recomienda sustituir esta
tarjeta por un sistema de control más avanzado.
Tratando de estandarizar las señales EMG y el proceso de adquisición mediante las normas
descritas por la American National Standard / Association for the Advancement of Medical
Instrumentation (ANSI/AAMI).
Diseñar el socket para adaptar la prótesis al paciente
Otro aspecto importante a considerar es el diseño del socket, que es el vínculo entre el miembro
del paciente y la prótesis, donde deberá tomarse en cuenta un compartimiento para almacenar los
circuitos, sensores y fuentes de alimentación necesarios para el procesamiento de las señales
electromiográficas.