UNIVERSIDAD DISTRITAL, ESTADO DEL ARTE DEL DISEÑO Y DESARROLLO DE PROTESIS MIOELÉCTRICA DE PIE IZQUIERDO.

Metodología Diseño y desarrollo de prótesis para miembro inferior izquierdo controlado por señales mioeléctricas. William David Vargas Prieto, [email protected], [email protected]

Abstract---El presente documento describe la propuesta de trabajo de grado que consta del diseño y elaboración de una prótesis para una persona con amputación traumática de miembro inferior izquierdo la cuál será controlada mediante un circuito electrónicoque se encarga de registrar las señales eléctricas del cuerpo, esta propuesta está basada en trabajos de investigación previos y productos que se encuentran actualmente en el mercado, se formula con el fin de obtener un prototipo económico, de buena calidad y con tecnología al alcance de los colombianos para que favorezcan la calidad de vida de las personas con limitaciones físicas. Palabras clave:Señales mioeléctricas, prótesis policéntrica, amputación traumática, grados de libertad, análisis de la marcha, redes neuronales.

I.

INTRODUCCIÓN.

l número de personas discapacitadas en Colombia por la pérdida parcial o total de una o ambas extremidades inferiores es considerable y preocupante, debido a que va en un aumento excesivo en comparación al censo que se realizó en Colombia en el año de 1993, mientras que en ese año los problemas por parálisis o pérdida de miembros inferiores ascendía al 9.1% de la población por cada 100 discapacitados, hoy en día esta cifra asciende a 29.5% [6] , estos datos suponen la necesidad de explorar más a fondo el campo de diseño de prótesis en lo que se refiere a la discapacidad, para afrontar

lasconsecuencias de las amputaciones y evitar que los músculos residuales se atrofien debido a la falta de actividad motora. En Colombia el campo de diseño de prótesis está en desarrollo, actualmente existen entidades como la clínica universitaria Teletón, Centro Integral de Rehabilitación de Colombia (CIREC) y la clínica San Rafael, quienes se han encargado de adecuar las prótesis que se brindan a los discapacitados, también proyectos de investigación de algunas universidades y entidades de investigación como Colciencias han desarrollado prótesis de funcionamiento bioeléctrico llegando a aplicaciones funcionales pero con precios elevados. De acuerdo con los datos consultados y la evidente problemática de violencia en el país, es necesario investigar el diseño y construcción de una prótesis de miembro inferior que facilite las actividades motoras de las personas con amputación de miembro inferior, que sea lo suficientemente asequible para que personas de escasos recursos económicos entre 30 y 35 años de edad puedan adquirirla.

II.

ANTECEDENTES.

Para entrar en la etapa de selección del mecanismo de rodilla se tuvieron en cuenta trabajos como [2] [5] [7] [8] [9] [12], los cuáles se analizaron en función de sus costos y nivel tecnológico de desarrollo con

UNIVERSIDAD DISTRITAL, ESTADO DEL ARTE DEL DISEÑO Y DESARROLLO DE PROTESIS MIOELÉCTRICA DE PIE IZQUIERDO.

el fin de plantear la mejor propuesta que aplique para la población Colombiana, en este documento se describen los mecanismos utilizados para dicha articulación. En el mercado se encuentran actualmente una gran variedad de prótesis de miembro inferior que van desde un mecanismo de rodilla de eje simple, hasta complejos mecanismos policéntricos con sofisticados controles mediante microcontroladores, prótesis construidas con materiales ligeros como la fibra de carbono y tan resistentes como el acero inoxidable, los estudios sobre la cinemática de la articulación de la rodilla pretenden caracterizar el movimiento de la misma en los tres planos sagital, transversal, medial. Según estudios elaborados por la Escuela Superior de ingeniería Mecánica [15], citan que la articulación femoro - tibial presenta un movimiento con seis grados de libertad y que su mayor actividad se encuentra en el plano sagital.

Figura 2.Prótesis 3R49 TI eje sencillo elaborada por la empresa Otto Bock.

La cuál presenta los siguientes resultados: • Se mueven y no tienen control de postura, las personas deben hacer uso de su fuerza muscular para mantenerse estables cuando están de pie. • Ésta rodilla debe tener incorporado un control de fricción constante y un bloqueo manual, esto con el fin de que la pierna no avance con demasiada rapidez al dar el siguiente paso. • Solo permite caminar de forma óptima a una velocidad concreta. • En la fase de oscilación la punta del pie tropieza frecuentemente con el piso ocasionando accidentes.

Figura 1.Plano sagital de la articulación de rodilla.

Por ésta razón se ha elaborado estudios de forma simplificada teniendo en cuenta dicho nivel de actividad motora en la rodilla estudios que han dejado trabajos en dos aspectos importantes, el primero: desarrollo de prótesis de eje simple como la rodilla 3R49 TI de Otto Bock que se presenta a continuación:

El segundo aspecto importante es el desarrollo de prótesis policéntricas las cuáles consisten en mecanismos de cuatro barras con diferentes centros instantáneos de rotación, la estabilidad en las cuatro barras de la rodilla está determinada por la ubicación del centro instantáneo de rotación con respecto al suelo, a continuación se presenta un modelo de prótesis policéntrica elaborada por la empresa Ossur llamada Total Knee 2000.

UNIVERSIDAD DISTRITAL, ESTADO DEL ARTE DEL DISEÑO Y DESARROLLO DE PROTESIS MIOELÉCTRICA DE PIE IZQUIERDO.

de controlar dicha articulación, en este apartado comenzamos por describir la etapa número 1.

Figura 3. Rodilla policéntrica Total Knee 2000 elaborada por la empresa Ossur.

• Pueden ser muy estables durante la fase de apoyo pero también fáciles de flexionar al inicial la fase de oscilación o sentarse. • La totalidad de la pierna se acorta al iniciar cada paso, reduciendo el riesgo de tropiezo. • Permiten caminar de forma óptima a diferentes velocidades. Según datos obtenidos por investigaciones desarrolladas por la Universidad de Antioquia [16], para la población Colombiana, teniendo en cuenta los datos antropométricos, la prótesis deberá soportar un peso aproximado de entre 70 y 100Kg y como datos técnicos debe tener un tiempo de flexión - extensión entre 0,5 y 0,8s, los ángulos de desplazamiento deben estar entre 183º y 85º, la masa total del mecanismo debe estar por debajo de los 700 gramos para que sea un mecanismo competente con los que se encuentran actualmente en el mercado.

III. METODOLOGÍA. Para llevar a cabo esta investigación se dividió el trabajo en dos fases, la primera es el diseño y fabricación del mecanismo de la articulación de rodilla y la segunda es la elaboración de un circuito electrónico capaz

De acuerdo con algunos antecedentes previamente estudiados como son: [3][4][6][11][15] se llega a la conclusión que la prótesis de rodilla debe ser policéntrica, pues es la que mayor desempeño tiene en cuanto a rango de movimiento y estabilidad. Por esta razón se decidió trabajar en la primera etapa de esta investigación en el diseño de una prótesis de rodilla policéntrica que cumpliera los parámetros definidos en los antecedentes. Para esto principalmente se debe analizar leyes de la mecánica como la ley de Grashof autores como Shigley y Norton afirman que para un eslabonamiento plano de cuatro barras la suma de las longitudes más corta y más larga no puede ser mayor que la suma de los eslabones restantes.

Figura 4. Mecanismo de 4 barras según la ley de Grashofff.

Esta ley aplica para principalmente para mecanismos de cuatro eslabones, pero si se quiere analizar uno de seis, se puede considerar como dos eslabonamientos de cuatro barras conectados en serie y que tienen dos eslabones conectados en común Centro instantáneo de rotación en un mecanismo policéntrico: El centro instantáneo es la ubicación de un par de puntos coincidentes de dos cuerpos rígidos diferentes para los que las velocidades absolutas de dos puntos son iguales, el centro instantáneo entre dos cuerpos no es

UNIVERSIDAD DISTRITAL, ESTADO DEL ARTE DEL DISEÑO Y DESARROLLO DE PROTESIS MIOELÉCTRICA DE PIE IZQUIERDO.

un punto estacionario sino que su ubicación cambia en relación con ambos cuerpos conforme se desarrolla el movimiento. Para determinar el centro instantáneo de rotación se tomó como referencia el trabajo elaborado por Norton (1995) en donde aplica una fórmula para establecerlos mediante la combinación de n objetos tomados r en cada vez.

c=(n(n-1)(n-2)...(n-r\text{+1}))/ r!

La descripción de los centros instantáneos de rotación se describe en la siguiente Figura.

fc=(r1+r4cos\theta4r2cos\theta2)\exp2+(r4sen\theta4r2sen\theta2)\exp2-r3\exp2

y la ecuación para la cadena cinemática abierta del mecanismo de cuatro barras es:

fa=(xd-xo-r2cos\theta2)\exp2+(yd-yor2sen\theta2)\exp2-(rcx-rcy)\exp2

Si se sustituyen los valores propuestos en las variables correspondientes los datos obtenidos para el mecanismo policéntrico de rodilla se propone la siguiente configuración para dicho mecanismo:

Figura 5. Centros instantáneos de rotación de la rodilla policéntrica.

Implementación de los métodos en la síntesis de un mecanismo de 4 eslabones: Para obtener la longitud de todos los eslabones y el valor de los ángulos de la biela y el seguidor aplicando el método de Newton Raphson y los centros instantáneos de rotación se elaboró el análisis cinemático en donde como primera medida se obtuvo la ecuación que refleja el orden particular de os vectores que forman una cadena cinemática cerrada y una abierta, a continuación se muestra la ecuación para la cadena cerrada.

Figura 6. Propuesta del mecanismo para la rodilla policéntrica.

El mecanismo propuesto cumple con los datos sugeridos por la Universidad de Antioquia [16], para la población Colombiana, en donde se sugiere que la

UNIVERSIDAD DISTRITAL, ESTADO DEL ARTE DEL DISEÑO Y DESARROLLO DE PROTESIS MIOELÉCTRICA DE PIE IZQUIERDO.

prótesis debe soportar un peso aproximado de entre 70 y 100Kg y debe tener un tiempo de flexión - extensión entre 0,5 y 0,8s, los ángulos de desplazamiento deben estar entre 183º y 85º, la masa total del mecanismo está por debajo de los 700 gramos,para el desarrollo de la segunda fase de esta investigación se debe adaptar un motor de 24 VDC con un mecanismo en configuración sinfin- corona, puesto que éste es el más eficiente para implementar en el espacio de la articulación diseñada, este dispositivo se implementará con el fin de llevar a cabo el proceso de flexión extensión de la rodilla, movimiento que le servirá al usuario para subir escaleras o andenes de una manera más cómoda, la propuesta se muestra a continuación:

completa de la prótesis se muestra a continuación:

Figura 8. Estructura mecánica completa propuesta para el desarrollo de la prótesis.

El motor de la prótesis se controlará mediante un circuito electrónico que registre las señales del músculo de la persona dicho circuito electrónico deberá ser portátil y como principal requerimiento el registro de las señales deben ser mediante sensores Meditrace 1500, el diagrama de bloques para el circuito propuesto se muestra a continuación:

Figura 7. Implementación del motor para el control de la prótesis.

Uno de los posibles inconvenientes de la implementación de éste motor es el aumento del peso en la prótesis y el consumo de energía, puesto que adicionalmente al motor se debe utilizar una batería recargable que aumentaría el peso del diseño actual, la configuración

Figura 9. Diagrama de bloques del circuito electrónico de control.

Los sensores se seleccionaron debido a su bajo costo y buena recepción de la señal, este circuito descrito como ya se comentó hace parte de la segunda etapa del proyecto,

UNIVERSIDAD DISTRITAL, ESTADO DEL ARTE DEL DISEÑO Y DESARROLLO DE PROTESIS MIOELÉCTRICA DE PIE IZQUIERDO.

en el momento existen antecedentes como [2][5][12][14] que reflejan un gran avance en la adquisición y posterior tratamiento de la señal mioeléctrica, sin embargo se debe tener en cuenta que los circuitos que se han estudiado en los antecedentes no tienen un control proporcional a la intensidad de contracción del músculo del usuario, por ésta razón se debe diseñar un circuito electrónico que integre un control proporcional dependiendo la señal de entrada, para este circuito se propone implementar una red neuronal dentro de un microcontroladorDSPic.

IV. RESULTADOS ESPERADOS. Al finalizar el proyecto se espera tener un prototipo de prótesis de rodilla izquierda, para que las personas con amputación de miembro inferior izquierdo, la puedan controlar con los músculos residuales mediante la contracción de cada uno de ellos, se espera tener un sistema liviano y eficiente en el modo de control,se espera que con ésta prótesisse pueda mejorar la movilidad de las personas con este tipo de limitación en terrenos que tienen mayor dificultad de acceso como por ejemplo andenes o escaleras y con esto mejorar su calidad de vida, éste proyecto también está orientado a contribuir al desarrollo de ayudas aumentativas que proporcionen documentación importante para la implementación de mejoras o nuevos productos.

V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. [1] A.C. Aldana, “Obtención y análisis de señales bioeléctricas, apoyados en el diseño e implementación de un electromiógrafo virtual” Universidad Pedagógica Nacional, Bogotá, 2006, pp 25 – 67.

[2]A.A.Alonso “Entrenador de mioeléctrico prótesis para amputados entre brazo y mano”. Universidad de Valladolid, España, 2002. [3]A.O. Sicilia y M.E. Martínez “Comportamientomotor. Modelos actuales, su aplicación al aprendizaje de habilidades en el aula de educación física”. 1965, pp 23 – 65. [4] A. Barrientos “Fundamentos robótica” Universidad Politécnica Madrid, España, 1997, pp 12 – 45.

de de

[5] Centro de Investigaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, “Sistema electrónico de señales mioeléctricas para el control de prótesis mioeléctrica de mano”. Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2001, pp 50 – 75. [6] Departamento Administrativo Nacional de Estadísticas DANE, Censo general, 2005. [7] V.D. Fonseca, “Psicomotricidad: Paradigmas del estudio del cuerpo y de la motricidad humana”, 2004, pp 122- 134. [8] National Institute for Occupational Safety and Health, “Electromyography for use in the Occupational Setting: Expert Perspectives”, 2001, pp 56 – 57. [9] M. T. García, “Potenciales bioeléctricos origen y registro”, México, 1998, pp 27 – 45. [10] R. Merletti, “Electromyography: physiology, engineering and noninvasive applications”, Willey-IEEE, 2004, pp 120 – 324. [11] E.B. Muñoz, “Aplicaciones de las Señales Mioeléctricas para el Control de Interfaces Hombre – máquina”, Universidad del Cauca, Popayán, 2003, pp 23 – 45.

UNIVERSIDAD DISTRITAL, ESTADO DEL ARTE DEL DISEÑO Y DESARROLLO DE PROTESIS MIOELÉCTRICA DE PIE IZQUIERDO.

[12] W.D. Vargas, “Entrenador de prótesis virtual mioeléctrico para personas con amputación de miembro superior derecho” tesis de grado Universidad Pedagógica Nacional. Bogotá, 2009, pp 85-120. [13] Orsborn Army, “Simulation of an Above-Elbow Myoelectric Prosthetic Arm for Development of an Implanted Myoelectric Control System”,Universidad de Western, 2006, pp 53 – 67. [14] J.J. Páez, “Aprendizaje de Actividades Motoras en Procesos Prensiles con el uso de una Prótesis Mecatrónica Controlada por Señales Mioeléctricas en Personas Amputadas entre Codo y Muñeca” Bogotá: Universidad Pedagógica Nacional, 2008, pp 45 – 67. [15] M.C. Fernández, “Caracterización del movimiento de la rodilla y diseño de un mecanismo policéntrico” México, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, 2008, pp 25 – 29. [16] J.C. Estrada, “Parámetros antropométricos de la población laboral Colombiana 1995”, Medellín, Universidad de Antioquia, 1998, pp 12 – 22.

William David Vargas, Licenciado en Diseño Tecnológico de la Universidad Pedagógica Nacional, (2009), Tecnólogo en Mecatrónica de la Tecnológica Industrial Colombiana, (2008), ha elaborado diplomados en administración y gestión de proyectos, Actualmente estudia Ingeniería en Control en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, tiene publicaciones en revistas de la universidad Pedagógica y la Universidad Javeriana en su trabajo de investigación llamado “Entrenador de prótesis virtual mioeléctrico para personas con amputación de miembro

superior derecho”. Espera culminar sus estudios en dicha universidad satisfactoriamente.