PROTESIS DE BRAZO
BIOMEDICO
PROYECTO
INTEGRANTES
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-Carlos Andrés Ramires G
-David Steven Orozco
-Jorge Eduardo Giraldo V
-Cesar Augusto Merchán V
-Sebastián Alirio naranjo
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La prótesis de brazo biomédica se ideo con el propósito de reducir la
discapacidad que adquieren las personas que han sido victimas de las
minas antipersonal u otros desastres.
El problema de las minas antipersonal existe en Colombia desde hace
más de
veinte años, sin embargo en los últimos 4 años, en vez de disminuir, ha
aumentado de manera desproporcionada. De hecho, Colombia es el
único país
En América Latina y uno de los pocos en el mundo donde cada día se
siembran
Más minas antipersonal. Así, en el cuatrienio comprendido entre los
años 1998
y 2001 ocurrieron en el país 274 accidentes con minas antipersonal, y en
el
siguiente cuatrienio comprendido entre los años 2002 y 2005 la cifra se
elevó a
1.829 accidentes, lo que significa un aumento de 568% en el número de
accidentes en los últimos 8 años.
Como podemos observar las minas antipersonal son un problema muy
notorio en nuestro pais y no hay razon mas justificante para darse
cuenta del por que elegimos esta idea, pues, es muy gratificante para
nosotros como patriotas ayudar a esta poblacion tan vulnerable y tan
marginada.
INDUCCION
• Recientemente se han desarrollado estudios
en la Universidad Militar Nueva Granada en
el laboratorio de Robótica e Inteligencia
artificial (LRIA) en donde se desarrolló una
mano antropomórfica que imita los modelos
prensiles humanos pero
• cuyo inconveniente sigue siendo el elevado
número de actuadotes utilizados y el costo
para su implementación
LA MANO HUMANA
•
Como se observa, el dedo
pulgar esta fijo por debajo de
los otros dedos y puede realizar
los movimientos de cierre y
rotación, debido a la gran
movilidad de su metacarpo.Esto
permite variar la orientación del
plano en que se desarrolla el
movimiento de doblado y
extensión del dedo pulgar,
propiedad a través de la cual es
posible oponer el dedo pulgar a
los otros dedos. Con el término
abducción se en tiende el
movimiento de salida del dedo
del eje del brazo.
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El movimiento de
Extensión/Abducción es la
capacidad de
extensión del pulgar hacia la
parte exterior y flexión hacia el
interior de la palma. El término
Oposición se define como la
capacidad de unión de las
puntas del pulgar y el meñique.
La Aducción/Abducción es la
capacidad de acercamiento y
alejamiento del pulgar de la
palma, cuando ambos se
encuentran en un mismo plano.
DISEÑO DEDO ARTICULADO
• Con base en estudios de la biomecánica de
la mano y de sus medidas antropométricas,
ver tabla 3.1, para definir la cinemática este
mecanismo articulado, cuyo tamaño y
• movimientos de cierre son los más similares
a los de un dedo humano. Para este estudio
se ha utilizado las características
• del dedo índice
• Simulaciones en
SolidWorks® y Visual
Nastran, han
sido desarrolladas para
comprobar que el
movimiento de
cierre sea apropiado y para
comprobar que no hay
interferencia mecánica, se
muestra el prototipo
construido en
el laboratorio de procesos
de mecanizado de la
Universidad
Tecnológica de Pereira con
la característica de que el
mecanismo es un
mecanismo de barras y
esta dentro de los
eslabones como muestra la
figura
• Para entender como
funciona el
mecanismo, se hace
a
continuación la
clasificación de este
en grupos de Assur
com. se ve a
continuación
• El actuado utilizado es
de tipo rotacional, y se
encuentra
acoplado a un tornillo
sin fin, permitiendo así
la realización de
un movimiento de tipo
lineal, y por otro lado el
movimiento
general del dedo, como
se puede observar en la
fig. 5, es
realizado a través de un
mecanismo de barras
que esta inserido
dentro de las falanges.
SISTEMA BIOLOGICO DEDO
MECANICO
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Huesos Resina , compuestos plásticos
Articulaciones Revolución
Tendones Sistema palancas en acero
Músculos Micro motor de CC
PRUEBAS Y RESULTADOS
• Se realizó el análisis
cinetostático de mecanismo
del dedo
robot. Para ello se recurre al
análisis y síntesis de
mecanismos
por grupos de Assur. El
análisis se inicia con la
solución
gráfica de las posiciones
obtenidas con el mecanismo
en un software CAD, se
calcula manualmente las
fuerzas y
reacciones que se generan en
cada junta y
• posteriormente se
implementa un programa de
computador sobre la
plataforma
de Matlab V7.0 para la
solución de las ecuaciones,
luego se
comparan los resultados
obtenidos en forma gráfica y
en
forma manual, se obtuvo
que error es mínimo (en
torno de
0.006%) lo que implica que
las soluciones fueron
aceptables
• Pruebas experimentales han
sido desarrolladas con el
prototipo. Para estas
experiencias se han utilizado
un
instrumento virtual
desarrollado sobre LabView
para la
generación de una señal de
PWM2 para control de
velocidad y
sentido de giro del actuados,
además del instrumento
virtual
para la medición de fuerzas
las cuales son registradas en
los
sensores (tipo Flexiforce3)
durante una prueba de
contacto
• Una secuencia de
movimiento del dedo es
mostrada en la
Figura 7, donde son
presentadas tres
posiciones, superior,
intermedia e inferior. En la
Figura 8 son presentados
resultados de simulación
• Los resultados obtenidos a
través del software Matlab
confirman la suposición de
que las fuerzas son
pequeñas
comparadas con los cálculos
estáticos realizados en forma
manual para las diferentes
posiciones del mecanismo.
Para
una rosca ACME se calcula la
fuerza compensadora y a
partir
de esta fuerza son calculadas
las otras fuerzas para cada
uno
de los pontos de la
trayectoria
• En la tabla 3.3 son
presentados los principales
resultados obtenidos con
ayuda de Matlab®, donde se
puede verificar que la
trayectoria de un
determinado punto P, en el
extremo del mecanismo,
describe unas posiciones
aceptables en relación al
movimiento de un dedo
humano, como por
ejemplo, la velocidad que se
obtuvo en forma
experimental fue de 5 mm/s,
y el resultado obtenido en
simulación es de
4,95 mm/
• Otra técnica para la
simulación de
mecanismo utilizada es
por medio del toolbox
de Matlab
Simmechanics, la figura
9
muestra la referencia
tenida en cuenta para el
montaje. En la
figura 10 se presenta la
respectiva
implementación
• Referencia para el
montaje en
Simmechanics
CONCLUSIONES
•
A través del curso de este
trabajo se plantearon las
estrategias para la
implementación de un dedo
robótico para el
desarrollo de grippers para
aplicaciones industriales o para
fines protésicos. La mayoría de
los desafíos de la fabricación
del dedo robot se presentaron
debido a su forma de
características
antropomórficas. Esto hace
difícil la manufactura de ciertas
piezas, por ejemplo las
•
las barras de
transmisión y los eslabones
que conforman las falanges,
pues
estos deben cumplir con unas
dimensiones particulares.
Otro hecho importante es lograr
que el dedo robot tenga
otro grado de libertad en su
base para lograr mayor
destreza
en la manipulación de objetos
de geometrías complejas, y a la
vez calcular las fuerzas que se
generan en la nueva
configuración
• El hecho de que el robot fue construido en forma manual
significó demoras en la construcción final debido a los errores
humanos inherentes en este tipo de trabajos. Pero también hay
que resaltar que las formas logradas satisfacen las
características antropométricas (forma, tamaño), variables a
tener en cuenta. Ahora bien, es claro que las técnicas
modernas para el maquinado de piezas complejas puede
facilitar y minimizar muchos errores, por ejemplo empleando
técnicas de CAD/CAM/CAE o estereolitografía
• El material utilizado (Teflón)
para la fabricación de las
falanges, tiene
características mecánicas
aceptables, además
de ser de bajo costo, lo que
hace que sea tenido en
cuenta en
futuros diseños de
bioingeniería.
Este dedo robot facilitara la
implementación de una
mano
completa la cual puede ser
usada en aplicaciones de
Inteligencia artificial con
robots humano idees,
obviamente
incorporando algunas
mejoras para dotar de
sensores para la
adquisición de diferentes
sensaciones como
• por ejemplo
temperatura, para control
dinámico del sistema en lazo
cerrado.
Un sensor, en detalle, se
podría aplicar a todos los
elementos constitutivos del
dedo robot, por ejemplo una
uña
podría ser utilizada, como
sus contrapartes biológicas,
esta
uña seria un transductor
importante de la información
con el
cual es dedo robot podría
raspar, cavar, y golpear
ligeramente
objetos, una propuesta se
muestra en la figura
• Este tipo de trabajos requieren del uso
de las diferentes
teorías para el análisis y síntesis de
mecanismos, y demuestra
que la ingeniería puede tomar como
fuente de inspiración la
biomecánica para el desarrollo de
nuevos sistemas que emulen
el movimiento humano
Científicos piensan en brazos robot controlables
mediante nervios reconectados
•
Correcto, la idea no es nueva en su
concepto básico, pero cuantos más
ejemplos veamos, mejor. Un médico
especialista del Instituto de
Rehabilitación de Chicago y un
profesor de la Universidad
Northwestern han desarrollado una
técnica que permite el uso de
brazos artificiales únicamente con
el pensamiento, igual que harías
con uno de carne y hueso.
•
El proceso, llamado TMR (de
targeted muscle reinnervation)
funciona básicamente
reconectando al pecho nervios
residuales que en tiempos llevaban
información en dirección a la
extremidad amputada; cuando el
usuario piensa en mover su brazo
el músculo se contrae, y con la
ayuda de un electromiograma
(EMG) la señal es 'dirigida a un
microprocesador en el brazo
artificial que decodifica los datos y
le dice al brazo qué hacer'.
Actualmente solo es posible
realizar cuatro movimientos con la
tecnología disponible, aunque ya se
están efectuando estudios para ver
si se puede ampliar el dinamismo
de las prótesis.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA MANO ROBÓTICA Y
GUANTE SENSORIZADO
•
Una vez entendidos los
conceptos básicos necesarios
para la realización de
este proyecto, en este capítulo
se describe la construcción
tanto del guante
sensorizado como de la mano
robótica, así como todo el
hardware necesario
para realizar las tareas de
control.
En un inicio se trató de
construir sensores
fotoeléctricos basados en la
percepción de una fuente
luminosa n.
•
constante a través de un ducto
elástico, con
un LED en un extremo y una
foto resistencia en el otro, pero,
la implementación
física en el guante era muy
difícil e incómoda debido
principalmente al espacio
reducido que se tiene. Por lo
tanto, se procedió a utilizar otro
método mediante
sensores infrarrojos de
reflexión utilizados
comúnmente en robots
seguidores
de línea. Su reducido tamaño y
sencillez de acondicionamiento
fueron factores
claves para su selección
• Se utilizó conceptos muy generales en cuanto al diseño de la
parte mecánica
de la mano robótica, debido a que este proyecto está enfocado
principalmente a las tareas y algoritmos de control de la
misma.
Para el diseño de la mano robótica se tomó como punto de
referencia a la mano humana tomando en cuenta los siguientes
conceptos.
Debe ser auto-contenida; esto es, que la mano sea una pieza
independiente.
Debido a ello no posee tendones o elementos de transmisión
externos a la propia mano. Además debe ser antropomorfa;
esto es, debe tener la apariencia de una mano humana, se
buscó un diseño con características antropomorfas. Por último
las dimensiones deben ser lo más cercanas posibles a las de
una mano humana. 26 Tomando en cuenta todos estos
aspectos se procede a describir el diseño y la
construcción de todo el hardware utilizado.
ARQUITECTURA DEL SISTEMA
•
El guante sensorizado es un elemento provisto con sensores fotoeléctricos,
los
cuales determinan la posición de las articulaciones de cada dedo de una
mano
diestra. Las señales de los sensores son acondicionadas, procesadas y
transmitidas a través de una interface RS-232 cuando la etapa de control lo
requiera.
El hardware está formado por un guante diestro flexible, sobre el cual son
montados estratégicamente los sensores fotoeléctricos. Son en total 15
sensores fotoeléctricos cuya salida acondicionada es un valor analógico y el
elemento de control, del cual se tratará posteriormente, posee 5 entradas
para
la conversión A/D (analógica-digital); por ello fue necesario incluir una etapa
de
selección de datos, con ello, mediante un barrido de lectura de los sensores,
una de las 15 entradas es conectada a una única entrada analógica del
elemento de control para su conversión A/D.
Una
• Una vez digitalizados los datos estos
son procesados, almacenados y
actualizados continuamente para ser
transmitidos a través de una Interfase
RS232 cuando la etapa de control de la
mano robótica los requiera.
En la Figura 2.1 se muestra un
diagrama con la arquitectura del guante
sensorizado.
GUANTE
• Para el desarrollo del guante sensorizado se
utilizó un guante diestro de la marca
MerchPro modelo Wells Lamont #7707M, el
cual está confeccionado con 60% de nylon y
40% de poliuretano en la palma; y, 96% de
poliéster y 4% de
Spandex en el dorso. Se eligió este tipo de
guante debido a la flexibilidad que se
requiere. Este guante se lo puede observar
en la Figura
DISEÑO DEL DISPOSITIVO
FOTOELÉCTRICO SENSOR
• El dispositivo fotoeléctrico sensor
consta de un emisor-receptor de luz y
un ducto elástico.
EMISOR-RECEPTOR DE LUZ
• Se utilizó como dispositivo
fotoeléctrico emisorreceptor de luz al circuito
integrado SG2BC, el cual es
un sensor óptico reflectivo;
es decir, presenta una
variación en su señal de
salida por la menor o mayor
reflexión de luz infrarroja
emitida por una fuente de luz
infrarroja constante. Su
salida es de tipo
transistor.
• Para este proyecto se
utilizan 15 sensores ópticos
los cuales son ubicados
estratégicamente en el
guante sensor con el fin se
sensar la flexión de cada
una de las articulaciones.
Cada uno de los sensores
son conectados a una
etapa de acondicionamiento
DUCTO ELÁSTICO
• Para el presente proyecto se utilizo un ducto elástico
de color negro debido a que se requiere evitar
cualquier interferencia externa hacia el dispositivo
sensor, así como cualquier fuga de luz hacia el
exterior. Debido a que la fuente
luminosa es constante, las paredes del ducto
incrementan o decrementan el numero de rayos
reflejados por las paredes hacia el receptor según el
ángulo
de flexión del ducto. Analizando las articulaciones
de los dedos se llegó a la conclusión que la medida
ideal del ducto es de 1 a 1.5 cm. Siendo un total de
15 unidades.
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