INFORME TÉCNICO

Soluciones propuestas

Realizado por:

David Alberto Ojeda, PhD

1.- Tarjeta de electromiografía del tobillo.

DISEÑO DEL SISTEMA

El sistema SEMG posee todas las etapas que garantizan la adquisición de la señal eléctrica

muscular y la calidad de la señal de salida con todas las protecciones requeridas para el uso en

una persona. El mismo se subdivide en dos etapas principales: la etapa de adquisición de la

señal y la etapa de acondicionamiento de la señal. Al adquirir señales de voltaje en el rango

típico de amplitud pico-pico está entre 0.01 a 5mv y la frecuencia está entre 1 - 300 Hz, se

debe realizar una elevada amplificación de la señal; esta amplificación se realiza en varios

puntos específicos del circuito del sistema con ganancias específicas, todas estas ganancias se

multiplican obteniendo un coeficiente que representa la amplificación total y por ende el

número de veces que la señal es amplificada.

ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL EMG

Esta etapa inicial está formada por tres sub etapas: electrodos, amplificador de

instrumentación y pre amplificación. Esta etapa es la encargada de captar la señal EMG pura

de baja calidad que proviene de los músculos de una persona y amplificarlas; sin embargo, esta

señal captada es funcional y de ser necesario puede ser filtrada

DISEÑO DE CIRCUITOS UTILIZADOS EN LA ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL EMG

Para el diseño de cada uno de los circuitos en la etapa de adquisición de la señal

electromiográfica se define los valores de ciertos componentes en base a los cuales se calcula

los demás componentes que cada circuito requiera.

El circuito equivalente para el amplificador de instrumentación está compuesto por tres

amplificadores operacionales OP07D con la configuración mostrada en la FIGURA ; para

determinar la función de transferencia de este circuito primero se analiza la etapa

preamplificadora y luego la etapa diferencial del circuito. Este análisis permite determinar las

ecuaciones, que rigen al funcionamiento del amplificador operacional de instrumentación

AD620.

FIGURA 1.Configuración interna del amplificador de instrumentación AD620.

Para la adquisición de señales bioeléctricas el fabricante recomienda un circuito para

monitoreo médico de señales de electrocardiografía (véase FIGURA ); este circuito es adaptado

para el uso en EMG, para lo cual se cambia la ubicación de los electrodos de la siguiente

manera: el electrodo ubicado en la pierna derecha (electrodo de referencia) es colocado en

una articulación debido a la mínima presencia de musculatura en dicha área, mientras los dos

electrodos restantes ubicados en los brazos del paciente son colocados en el músculo en

estudio. El objetivo de este circuito de retroalimentación es brindar estabilidad al sistema

evitando corriente de desbalance y compensar problemas de ruido atenuando los voltajes de

modo común en la entrada diferencial del amplificador de instrumentación, además de añadir

una protección adecuada creando una tierra activa aislada de la tierra eléctrica del circuito

para proteger al paciente de posible daño.

FIGURA 2. Circuito para monitoreo médico de ECG (driver de pierna derecha).

Todos los cambios realizados en el circuito de pierna derecha utilizado en ECG para su

aplicación en la EMG se muestran en la figura (véase FIGURA ). El valor del condensador C1 es

seleccionado para mantener la estabilidad del driver de pierna derecha.

FIGURA 3.Circuito de pierna derecha utilizado en EMG.

En la etapa de adquisición de la señal se incluye además un circuito para eliminar la

interferencia causada por dispositivos que generan y transmiten radio frecuencias RF. Todo

amplificador de instrumentación rectifica en su salida una pequeña banda de señales que

generan un mínimo desplazamiento de voltaje DC (Kitchin & Counts, 2006). Señales de altas

frecuencias pueden ser filtradas con una red pasa bajas RC colocada en las entradas del

amplificador de instrumentación (véase FIGURA ).

FIGURA 4. Filtro atenuador de radio frecuencias.

La FIGURA presenta el diagrama esquemático de la etapa de adquisición de la señal EMG

conjuntamente con los circuitos de protección, acoplamiento AC y atenuación de radio

frecuencias:

Con todos los valores calculados se obtiene el filtro Butterworth pasa bajas de sexto orden con

ganancia unitaria mostrado en la FIGURA 6.

FIGURA 6. Filtro Butterworth pasa bajas de sexto orden con ganancia unitaria.

Fuente: Autor

Es importante mencionar que en el diseño se obtienen valores de elementos no comerciales

por lo que es necesario la conexión en serie de los mismos hasta obtener los valores deseados;

estos valores aseguran que la respuesta del filtro simulado (véaseError! Reference source not

found.) es la respuesta del filtro real ya implementado.

FIGURA 5.Etapa de adquisición de la señal SEMG.

2.- Rehabilitador de rodilla isocinético.

DISEÑO DEL SISTEMA

Se lleva a cabo el diseño mecánico del prototipo rehabilitador isocinético pasivo de rodilla que

comprende la estructura y el mecanismo de barras. Dicho diseño debe soportar las cargas que

actúan sobre éste, por ende, garantizar la estabilidad y buen funcionamiento de la máquina.

La selección del sistema de posicionamiento lineal es un aspecto importante en el diseño del

proyecto, por ello, se realiza un análisis comparativo tomando en cuenta diferentes factores

como el costo, robustez, espacio de montaje, precisión y disponibilidad en el mercado

nacional. Luego de realizar el análisis de cargas y del sistema de posicionamiento lineal es

posible seleccionar un determinado actuador que satisfaga las necesidades del diseño.

DISEÑO 3D DEL MODELO

El software Solidworks 2015 se utiliza para el diseño del modelo 3D, ya que la herramienta

computacional cubre la totalidad del proceso de productividad desde el diseño preliminar

hasta la validación del modelo. Las soluciones de diseño 3D de Solidworks se implementan de

manera rápida, brindando una mayor eficiencia; además la tecnología Simulation acelera los

ciclos de prototipado y verifica el diseño.

En la figura 2.1 se muestra la solución de diseño seleccionada para el prototipo rehabilitador

isocinético pasivo de rodilla, desarrollado con el software computacional Solidworks 2015.

Figura Error! No text of specified style in document..1 Prototipo rehabilitador usando

Solidworks 2015

La vista explosionada que se ilustra en la figura 2.2 muestra los componentes que conforman

el diseño. El anexo 16 ilustra de manera detallada cada una de las partes del modelo

incluyendo dimensiones.

Figura Error! No text of specified style in document..2 Vista explosionada rehabilitador

usando Solidworks 2015

SELECCIÓN DE MATERIALES ADECUADOS

Tomando en cuenta los requerimientos en cuanto a las condiciones de operación del

dispositivo, se selecciona los siguientes materiales:

Acero de bajo carbono ASTM A36

Acero de bajo carbono ASTM A500

Acero al carbono AISI 1020

CARGAS EN EL SISTEMA

Para obtener la carga que existe en las barras y que es transmitido al tornillo de potencia se

realiza un análisis estático del sistema cuando el mecanismo se encuentra totalmente

extendido, como se observa en la figura 2.3, ya que en este instante el tornillo necesita el

mayor torque del motor para poner en marcha el rehabilitador.

Figura 2.3. Vista lateral rehabilitador de rodilla usando Solidworks 2015

El ángulo de recorrido del dispositivo varía entre 0° hasta 120° realizando de esta manera

movimientos de flexión y extensión. La pierna del paciente puede tener un peso máximo de

10 Kg; 40% correspondiente a la tibia y 60% al fémur, además para efectos de análisis se toma

en cuenta el peso del mecanismo de soporte de la pierna, asumiendo un valor de 2Kg,

teniendo así un peso total de 12 Kg. Entonces la fuerza externa ejercida sobre el rehabilitador

en el Sistema Internacional es de 49N y 68,6N respectivamente como muestra la figura 2.4.

Figura Error! No text of specified style in document..4 Cargas en el sistema

3.- Prótesis robótica de rodilla.

DISEÑO DEL SISTEMA

Se proponen 3 diseños CAD de prótesis de rodilla monocéntrica de acuerdo a las dimensiones

para un actuador lineal y se muestran a continuación en la figura 3.1:

a) Modelo 1 b) Modelo 2 c) Modelo 3

Figura 3.1: Modelos propuestos

El modelo más adecuado es el 1. Es importante mencionar que el mecanismo del modelo 1 es

más adaptable a diferentes tipos de actuadores ya que proporcionan el espacio necesario. Es

más fácil ubicar otros actuadores o partes en relación a los modelos 2 y 3 que limitan el

espacio el espacio por sus lados como se observa en la figura 4.1.

El espacio para el actuador es de 18.5 cm a lo largo (a) sin extender su vástago y 52 mm a lo

ancho (b) como se muestra en la figura 3.2.

Diseño de partes.

El mecanismo consta de varias partes, una parte móvil que emulará el movimiento de flexión y

una parte fijada a la extremidad del pie a través de un pilón (pilar de metal que unirá la rodilla

al pie protésico) y acoples respectivamente, además cuenta con pasadores que permiten el

movimiento rotacional de la articulación y la transmisión de fuerza del actuador al mecanismo

como se muestra en la figura 3.3.

Figura 3.2: Espacio del actuador Figura 3.3: Partes constitutivas del mecanismo de rodilla monocéntrica

A continuación se detallan las partes constitutivas individualmente del mecanismo de rodilla

monocéntrica mostrada en la figura 3.4

Parte móvil, Estructura base, Actuador Lineal, Acople superior de pirámide, Pasadores,

Rodamientos, Mecanismo ensamblado.

Figura 3.4: Mecanismo de rodilla ensamblado Figura 3.5. Modelo de la parte móvil

Las longitud máxima del mecanismo es 24 cm medidas desde la articulación hasta la base

plana inferior por ende cumple con las dimensiones de la pierna establecida en 42 cm; La

distancia restante de la pierna será completada con el pilón y el pie respectivamente.

Estática del movimiento.

Para el cálculo de la fuerza en nuestro modelo de prótesis se toma en cuenta la distancia

perpendicular a la fuerza aplicada en la parte móvil del dispositivo como se muestra en la

figura 3.5.

4.- Tarjeta de electromiografía para el accionamiento de una prótesis de rodilla.

DISEÑO DEL SISTEMA

La adquisición de la señales mioeléctricas que emiten los músculos y adquirida a través de los

electrodos necesitan ser transmitidas a un amplificador de instrumentación, el cual permitirá

amplificar dichas señales hasta niveles de voltaje apropiados para realizar el

acondicionamiento de las mismas. Es por ello que la transmisión se realiza por medio de cables

apropiados.

CABLES PARA ELECTRODOS.

Los cables para electrodos son cables especiales que se adhieren a los electrodos. Estos cables

son delgados y tienen en una de sus partes un conector Snap que es el que se sujeta al

electrodo, y por otra parte tienen un conector Jack macho de 3.5 [ mm ], que es el que se

acopla a un conector Jack hembra de 3.5 [ mm ] conectado a las entradas del amplificador de

instrumentación.

Los cables transmiten la señal eléctrica a un amplificador de instrumentación, es decir,

son el medio de transmisión de la señal. Los cables se colocan uno por cada electrodo. La

figura 4.2 muestra la composición de los electrodos y cables usados en este proyecto.

Figura 4.2 Conectores de cables y electrodos.

Una vez que se ha realizado la adquisición adecuada de la señal mioeléctrica, es necesario

acondicionar dicha señal, para ello se realizará el diseño e implementación de varias etapas de

circuitos electrónicos.

DISEÑO DE ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN.

En la etapa de pre amplificación se usó un amplificador de instrumentación, para lo cual

antes de la selección del dispositivo se realizó una comparación entre varios amplificadores de

instrumentación más comunes a través de una tabla (ver figura 4.3) que muestra las

características principales.

Figura 4.2 Esquema simplificado del AD620.

Las características técnicas como: alta impedancia de entrada, alto CMRR (120 [dB]), corriente

de polarización baja, bajo ruido y un amplio rango de alimentación; el AD620 cumple con los

requerimientos necesarios para tener un buen rendimiento en la adquisición de señales

biológicas. Además el AD620 (ver figura 4.3) es uno de los amplificadores de instrumentación

más utilizados en instrumentación médica y otras aplicaciones.

Figura 4.3 Circuito de pierna derecha recomendado por el fabricante.

En el caso de EMG se modificó la posición de los electrodos de brazo derecho y brazo

izquierdo, ubicándolos en el músculo de interés y el electrodo de pierna derecha se colocó en

el tobillo (debido a que las pruebas se realizaron con una persona sin amputación). Este

circuito de retroalimentación, además de evitar las corrientes de desbalance y compensar

problemas de ruido de modo común en la entrada diferencial del amplificador de

instrumentación, protege al paciente de posibles daños.

El valor del condensador C1 se elige para mantener la estabilidad del circuito de pierna

derecha. El diseño del circuito de pierna derecha se muestra en la figura 4.4.

Figura 4.4 Circuito de pierna derecha.