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PROTESIS DE MANO PRACTICA DE INGENIERIA III Resumen — Este documento tiene como objetivo explicar la actividad del PIM III, el objetivo de la materia es desarr oll ar una pró tes is de man o par a un usu ari o ya ide ntif icando. La pró tes is tie ne 2 estructuras prin cipal es: una estructu ra mecánic a y una estruc tura automá tica, estas con el objetivo de suplir una necesidad para un usuario, para finalme nte desarrollar el proceso de diseño y manufactura aplicando el conocimiento que se está adquiriendo en esta materia. 1 Introducción 1.1 ¿Qué se va a hacer y con qué objetivo? En PIM III se desarrollara una prótesis de mano para un hombre adulto promed io que des ea suj eta r un objeto con poco espesor, donde realizaremos desde la id en tif ic aci ón de l pr ob le ma, el dis eño y la construcción de un prototipo. En el desarrollo de la prótesis se tendrán en cuenta 2 ámbi tos ci entí fi cos como ba se so li da pa ra la co nst rucc ió n de la pró te sis y est os so n: la bi oingen ier ía y la automa tiz ac ión de proce sos y maquinas. 1.2 Estado del arte En esta secc ión pr es entamos la re spue st a a la pregunta ¿Qué prótesis de mano existen? Mano Pasiva o Estética Fabricada en poliuretano que garantiza estabilidad y ligereza de peso, este componente servirá como base de un guante cosmético de silicona , PVC o látex , el cambio del mismo se realiza sin problemas por que es de adaptación universal. Fig. 1 Ejemplo de mano estética Mano Mecánica Este tipo de mano mecánica tiene la característica de abrir y cerrar a voluntad del paciente, y a través de un sistema de cables y arneses que serán colocados de una manera func iona l permit ir á al pa ci ente la movilización de la mi sma , También se puede considerar la parte estética ya que esta mano , será recubierta con un guante estético el cual presenta las características de la mano contra l ateral. Fig. 2 Ejemplo de mano mecánica Mio eléctrica Es el tipo de prótesis con el más alto grado rehabilitador. Sintetiza el mejor aspecto estético con gran fuerza y velocidad de prensión, así como muchas posibilidades de combinación o ampliación. Este tipo de componentes mio eléctricos pueden ser utilizados en prótesis para amputados por debajo del codo, arriba del codo y amputaciones de hombro. Este tipo de mano es apta para todos los niveles de amputaciones, tiene la función de apertura y de cierre, mediante un sistema de accionamiento miniaturizado, el pequeño motor de alto desarrollo mueve los dedos medio, índice así como el pulgar abriendo y cerrando la mano. El control de esta mano es a través de estímulos eléctricos que encontraremos en el músculo del miembro residual, este será captado por los electrodos y serán convertidos en una señal que será transmitida hacia la mano para obtener la función de apertura y cierre.
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PROTESIS DE MANO PRACTICA DE INGENIERIA III
Resumen — Este documento tiene como objetivo explicar la actividad del PIM III, el objetivo de la materia es
desarrollar una prótesis de mano para un usuario ya identificando. La prótesis tiene 2 estructuras principales: una estructura mecánica y una estructura automática, estas con el objetivo de suplir una
necesidad para un usuario, para finalmente desarrollar el proceso de diseño y manufactura aplicando el conocimiento que se está adquiriendo en esta materia.
1 Introducción
1.1 ¿Qué se va a hacer y con qué objetivo?
En PIM III se desarrollara una prótesis de mano para
un hombre adulto promedio que desea sujetar un
objeto con poco espesor, donde realizaremos desde la
identificación del problema, el diseño y la
construcción de un prototipo.
En el desarrollo de la prótesis se tendrán en cuenta 2
ámbitos científicos como base solida para la
construcción de la prótesis y estos son: la
bioingeniería y la automatización de procesos y
maquinas.
1.2 Estado del arte
En esta sección presentamos la respuesta a la
pregunta ¿Qué prótesis de mano existen?
Mano Pasiva o Estética
Fabricada en poliuretano que garantiza estabilidad y
ligereza de peso, este componente servirá como base
de un guante cosmético de silicona , PVC o látex , el
cambio del mismo se realiza sin problemas por que es
de adaptación universal.
Fig. 1 Ejemplo de mano estética
Mano Mecánica
Este tipo de mano mecánica tiene la característica de
abrir y cerrar a voluntad del paciente, y a través de un
sistema de cables y arneses que serán colocados de
una manera funcional permitirá al paciente la
movilización de la misma , También se puede
considerar la parte estética ya que esta mano , será
recubierta con un guante estético el cual presenta lascaracterísticas de la mano contra lateral.
Fig. 2 Ejemplo de mano mecánica
Mio eléctrica
Es el tipo de prótesis con el más alto grado
rehabilitador. Sintetiza el mejor aspecto estético con
gran fuerza y velocidad de prensión, así como
muchas posibilidades de combinación o ampliación.
Este tipo de componentes mio eléctricos pueden ser utilizados en prótesis para amputados por debajo del
codo, arriba del codo y amputaciones de hombro.
Este tipo de mano es apta para todos los niveles de
amputaciones, tiene la función de apertura y de
cierre, mediante un sistema de accionamiento
miniaturizado, el pequeño motor de alto desarrollo
mueve los dedos medio, índice así como el pulgar
abriendo y cerrando la mano.
El control de esta mano es a través de estímulos
eléctricos que encontraremos en el músculo del
miembro residual, este será captado por loselectrodos y serán convertidos en una señal que será
transmitida hacia la mano para obtener la función de
apertura y cierre.
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Fig. 3 Ejemplo de mano Mio eléctrica
Garfios
Son empleados para el desempeño de las actividades
diarias. La apertura y cierre son a voluntad del
paciente a través de la tracción ejercida por un arnés
estratégicamente colocado.
Fig. 4 Ejemplo de garfio
2 Metodología
2.1 Normativa
Para el diseño de la prótesis se tiene en cuenta el
decreto 4725 de 2005 en el artículo 1 que regula el
régimen de registros sanitarios, permisos de
comercialización y vigilancia sanitaria en lo
relacionado con la producción, procesamiento,
envase, empaque, almacenamiento, expendio, uso,
importación, exportación, comercialización ymantenimiento de los dispositivos médicos para uso
humano.
2.2 Diseño
El diseño inicia desde la observación y traducción
de necesidades establecidas por el usuario, en
nuestro caso las condiciones que debe cumplir el
prototipo será: poder coger o “agarrar” objetos
delgados (hojas de papel) y estará dirigido a un
hombre promedio. El cual implica definir unas
prioridades o puntos clave que se tendrán en
cuenta a la hora del diseño, esto se muestra en el
QFD (ver anexo 1) teniendo en cuenta las
necesidades del cliente como se menciono
anteriormente que dichas en este lenguaje entran
a ser las variables de ingeniería que definen y
encaminan el diseño de la prótesis.
Dentro de las posibilidades de diseño que se tienen
para esta prótesis esta una desarrollada por Otto
bock la cual la nombran o definen como Greifer
Eléctrico de Sistema de Otto Bock con controlDigital Twin® (fig. 5), en donde su parte
mecánica va acorde con las cualidades que se
buscan para este diseño de la prótesis.
Fig. 5 Grefier Eléctrico de Sistema de Otto Bock con control
Digital Twin®
La construcción de la prótesis se realizará mediante
un prototipo semi-funcional, que se representara por
medio de un ensamble mecánico funcional (mecano)
y un prototipo digital por medio de software y
hardware de simulación que representara la
funcionalidad de la prótesis.
2.3 Estructura mecánica
Las estructuras mecánicas que se construyeron como
guía para la construcción del diseño son:
Gripper de 4 barras:
Consiste en un sistema de agarre tipo pinza de un (1)
grado de libertad que funciona con 2 pares de
eslabones dobles (uno por cada extremidad) que
están en paralelo y 2 eslabones extremos que
producen el agarre y se encuentran perpendicular a
cada par de eslabones dobles. Tiene un sistema de
movimiento formado por poleas y una banda elástica
estirada alrededor en forma de 8 en donde una de las
poleas está atada a un servomotor (ver fig.6).
Fig. 6 Gripper de 4 barras.
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Gripper subactuado:
Consiste en un mecanismo de agarre ( Ver fig.7) de
(3) grados de libertad que como característica
principal funciona con solo un actuador (motor DC),
tiene 4 eslabones sujetos uno del otro con 3 tres
articulaciones en donde el primer eslabón es estáticoo anclado a una superficie, tres (3) resortes que
permiten extender los eslabones cuando están
contraídos y una cuerda que actúa como tendón que
permite la contracción de los eslabones en el que la
tensión mínima para romper la inercia de un dedo es
(1,5N) , (1,9N) para mover cuarto eslabón, (2,5N)
para mover segundo eslabón, (3,2N) para mover
tercer eslabón y (4.0N) para mantenerlo flexionado,
esto quiere decir que el motor necesita una fuerza
mínima de 8N para poder generar en movimiento de
cierre del gripper completo.
Fig. 7 Dedo de Gripper subactuado.
Los anteriores montajes o Gripper fueron
ensamblados mediante ayuda de un dispositivo
didáctico denominado “mecano” que consta de fichasde diferentes formas geométricas que se ensamblan
por medio de tornillos.
2.4 Estructura automatizada
Las estructuras automatizadas que se construyeron
como guía para la construcción del diseño son:
Semáforo:
Es un montaje electrónico básico que consiste en tresleds y 3 resistencias de 1Ω montados en una
protoboard unida a la placa del arduino que funciona
de la siguiente manera:
• Simulando un semáforo convencional en
horas del día: el led de color rojo se encendía por un
tiempo de 5 seg, después simultáneamente el led
amarillo y rojo se encendía por un periodo de 3seg
más, enseguida se apagaban los leds anteriores y se
encendía en led verde por 7 seg y por último se
encendía solo en led amarillo nuevamente por 4 seg.
Este ciclo por un tiempo de 1 minuto.
• El led amarillo se encendía
intermitentemente por un tiempo de 2 min
simulando un semáforo convencional en horas de la
madrugada.
Motor DC:
Consiste en un montaje electrónico de 2 pulsadores y
2 resistencias de 1 Ω y un motor DC montado en una
protoboard unida a la placa del arduino ymotorshield (Ver fig.8) que funciona de la siguiente
forma:
• Un pulsador cambia la velocidad de giro
del motor DC y el otro pulsador controla el sentido
de giro de del motor.
Fig. 8 montaje eléctrico de motor DC.
Servomotor:
Está compuesto de un montaje eléctrico simple que
controla un servomotor por medio de un
potenciómetro conectado a la placa del arduino
(Ver fig.9).
Fig. 9 montaje eléctrico del servomotor.
Montaje electrónico del Gripper de 4 barras:
Consiste en un montaje electrónico de 2 pulsadores, 2
resistencias de 1 Ω y un servomotor montado en una
protoboard unida a la placa del arduino (Ver fig.10 y
11) que funciona de la siguiente forma:
• Primero el gripper abre y cierra como
demostración de sus funciones, después al presionar
uno de los pulsadores el gripper se abre sus pinzas y
con el otro pulsador cierra las pinzas.
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Fig.10 montaje eléctrico del servomotor.
Fig. 11 montaje de servomotor.
Montaje electrónico del Gripper subactuado:
Consistía en un montaje electrónico de 2 pulsadores,
2 resistencias de 1 Ω montado en una protoboard
unida a la placa del arduino y motorshield con moto
reductor montado (Ver fig.11) que funciona de la
siguiente forma:
• Al mantener presionado uno de los
pulsadores este prende y hace girar el motor DC en
una dirección que jala un nylon con una fuerza
menor a 8N que es el mínimo de fuerza necesario
para poder generar el movimiento de cierre de los
dedos del Gripper subactuado y el otro pulsador hace
girar el motor DC en sentido inverso para poder
liberar la tensión de la cuerda y que los resortes
puedan estirar de nuevo el dedo.
Los anteriores montajes fueron montados mediante el
hardware de programación denominado Arduino (ver
anexo 4) que consiste en una placa programación,una placa de potencias (Motorshield) y una serie de
motores DC, motores de Paso y servomotores.
Se programa por medio del software propio de
Arduino que maneja el lenguaje de programación
Java.
3 Conclusiones
Las necesidades del cliente son traducidas como
variables de ingeniería las cuales son las que
dan la información para el desarrollo de la
prótesis.
• El QFD es una forma eficaz de recopilación
e interpretación de necesidades en un producto.
• La automatización en la prótesis son
requisitos casi indispensables en su
desarrollo porque logran satisfacer las
necesidades de un usuario de prótesis.
Referencias
[1] Types of hand prosthesis of ottobock
http://www.ottobock.com/cps/rde/xchg/ob_com_es/hs.xsl/32084.html
[2] Prótesis para miembros superiores e inferiores
http://www.ortopediamoderna.net/productos_ht
m/protesis.htm
[3] imagen del montaje de el servomotor
www.arduino.cc/en/tutorial/knob_BB.png
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Anexos
QFD:
