Área 4 Ciencias de la Salud

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1 Área 4 Ciencias de la Salud

2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PRÓTESIS MIOELÉCTRICA PARA MANO M.C. Nancy Chávez, T.S.U. Jorge Murillo, M.C. Martha Martínez y M.C. Jorge Espinoza Universidad Tecnológica de Chihuahua Av. Montes Americanos 9501 Chihuahua, Chihuahua, México. C.P nchavez@utch.edu.mx Resumen: El articulo muestra la primera parte del diseño de una mano activa prostética, que se moverá como consecuencia de las señales electromiográfícas del brazo del usuario. Este proyecto surge de la necesidad de ayudar a pacientes con discapacidades a recuperar las funciones de la mano. El prototipo ha sido diseñado con cinco dedos cada uno con dos grados de libertad. La simulación se realiza con ayuda del software SolidWorks y proporciona bases sólidas para construir esta mano artificial en el futuro, ofreciendo una posible solución funcional a precios accesibles para los pacientes. La mano robótica está compuesta por cinco servomotores para alcanzar cuatro posiciones diferentes, que comprenden el agarre de fuerza, agarre de gancho, agarre selectivo y la posición natural de la mano. Palabras clave: Mioeléctrica, prótesis, funcionalidad, SolidWorks. 1. Introducción En el transcurso de la vida, el ser humano está expuesto a sufrir mutilaciones a causa de accidentes, enfermedades, conflictos bélicos e incluso deformidades de nacimiento; siendo las prótesis una valiosa herramienta que le ha permitido restituir parcialmente el miembro faltante. Una prótesis es un instrumento desarrollado con el fin de mejorar o reemplazar una función, una parte o un miembro completo del cuerpo humano afectado, que constituye para el paciente y en particular para el amputado una forma de superar el trauma psicológico que genera la falta o mal funcionamiento de un miembro del cuerpo, al permitir recobrar la movilidad y el aspecto. Desde la antigüedad, se han utilizado diversos mecanismos para la elaboración de las prótesis, los cuales fueron evolucionando hasta llegar a complejos sistemas híbridos, donde se combinan elementos mecánicos y electrónicos para un mejor resultado en cuanto a su uso. Sin embargo, estas prótesis están fuera del alcance de la población de bajos recursos económicos, pues su costo es muy elevado y no es factible su adquisición. Es por eso que los campos de la ciencia como lo son la ingeniería mecánica, electrónica y la medicina, han dirigido numerosas investigaciones, enfocadas a la recuperación del miembro superior humano para restaurar la movilidad perdida, debido a la amputación o malformación congénita. En esta propuesta se plantea diseñar un prototipo mecánico con un control electrónico de una prótesis mioeléctrica de mano, que sea práctica, de bajo costo y de fácil adaptabilidad para lograr una mejor calidad de vida en personas que cuentan con una mutilación en el miembro superior y que carecen de recursos económicos suficientes para la adquisición de prótesis vigentes en el mercado. Actualmente las prótesis de miembros superiores se clasifican por su movimiento en pasivas y activas; destacando esta última pues es la clasificación donde se encuentran las prótesis mioeléctricas. Dichas prótesis fueron desarrolladas basadas en la biónica, la cibernética y la robótica, logrando como ventaja una mayor fuerza en el agarre en comparación con las mecánicas aunque aún cuentan con algunos problemas de adaptabilidad, como lo es el reducido número de posibilidades manipuladoras que alcanzan sólo entre el 20-40% de la capacidad extrínseca de agarre de una mano humana y todas ellas fallan en la capacidad de aportar al paciente información sobra la fuerza de agarre ejercida. (Mesonero-Romanos, Ceres, Rodríguez, Pons, & J.L.) 2. Metodología El sistema completo consta de los siguientes módulos. (1) La Mano Humana, (2) Análisis de Propiedades de los Materiales, (3) Diseño de la Estructura Mecánica.

3 2.1 La Mano Humana Es el órgano primordial para la manipulación del medio que nos rodea. Los dedos son algunas de las zonas con más sensibilidad; además son la principal fuente de interacción y comunicación con el entorno, es por eso que el sentido del tacto, a pesar de poder realizarse con todo el cuerpo, se relaciona directamente con la mano. Está estructurada por un complicado y muy relacionado sistema de huesos, ligamentos, tendones que flexionan y otros que extienden, músculos intrínsecos con sus respectivos tendones, vasos y nervios. No obstante, además de ser un órgano para efectuar tareas, es un receptor sensible preciso e importante. La mano humana tiene una forma claramente plana y ancha. La palma se conforma de piezas o eminencias que rodean un hueco. La eminencia tenar se forma por cuatro músculos, los cuales están reservados al movimiento del dedo pulgar; la hipotenar se instala desde arriba y hacia adentro de la palma; la inferior es conocida como eminencia de los dedos, se encuentra apartada por el pliegue dígito palmar y el surco de flexión de los cuatro dedos. En el hueco de la mano se perciben tres pliegues: superior, medio e inferior, cortados por un pliegue longitudinal; estos cuatro pliegues trazan una M recubierta por membranas de tejidos fibrosos entrecruzados, conocidos como aponeurosis que envuelven a los músculos (ver figura 1). Figura 1. Anatomía de la Región Palmar. a) Muscular b) Esqueleto. El miembro superior cuenta con un total de veintisiete huesos, distribuidos ocho en la región del carpo esqueleto de la muñeca, cinco huesos metacarpianos delgados y ligeramente alargados que ocupan toda la palma de la mano y catorce falanges subclasificadas en cinco falanges distales, cuatro medias y cinco proximales (Andrei, Correa, & Pareja, 2012) Las medidas antropomórficas de la mano según la norma DIN parte (Melo, 2013), son promedio de una mano real adulta y se muestran en la figura 2 Figura 2. Medidas antropomórficas de la mano. 2.2 Análisis de las Propiedades de los Materiales Para realizar prótesis se consideran aspectos tales como la resistencia del material, su peso y su costo. Básicamente una prótesis Transhumeral, cuenta con tres secciones, el encaje, el polímero que sostiene el mecanismo, y la mano robótica, misma que tiene un acabado estético (Fernández, 2007).

4 El encaje es la parte que conecta al cuerpo con la prótesis y es el único componente que tiene contacto directo con él. Dentro de la variedad de materiales que se utilizan en la fabricación de encajes, se encuentran la fibra de carbón, el kevlar, polietileno y polipropileno; en la Tabla 1 se muestra una comparativa de algunas de sus propiedades físicas (Uellendahl, 1998). Tabla 3. Propiedades de los materiales para el encaje Una desventaja, pero que ha disminuido con la tecnología es que el encaje no entre en el muñón o quede muy justo. Aunado a lo anterior, cuando el miembro residual es muy corto y existe mala cicatrización, el paciente debe contar con un ajuste flojo del encaje para que no sea molesto. Además el encaje puede disminuir el flujo de sangre por lo que en estos casos se recomiendan los cinturones. Los cinturones detienen el encaje al brazo o al antebrazo, se fabrican comúnmente de elástico o cuero y tienen hebillas de metal o velcro. En el diseño de la mano robótica es necesario combinar rigidez y ligereza. Por esto muchos materiales de bajo peso son usados, sobre todo el aluminio que no es tan fuerte como otros metales pero que puede soportar el peso o fuerza requerido en las prótesis de mano. Desde el punto de vista físico, el aluminio puro (Association, Aluminum Standards and Data, 2006) posee una resistencia muy baja a la tracción y una dureza escasa. En cambio, unido en aleación con otros elementos, el aluminio adquiere características mecánicas muy superiores. A estas aleaciones se les conoce con el nombre genérico de Duraluminio, y pueden ser centenares de aleaciones diferentes. El Duraluminio contiene pequeñas cantidades de Cobre (3 a 5%), Magnesio (0.5 a 2%), Manganeso (0.25 a 1%) y Zinc (3.5 a 5%). Otra alternativa para la construcción de una prótesis, es el Titanio, debido a que es muy fuerte y liviano, sin embargo es muy caro. Muchos componentes que antes se hacían de acero son actualmente elaborados de titanio. Comparte muchas características con el acero inoxidable. Puede formar aleaciones con otros elementos, tales como Hierro, Aluminio, Vanadio, Molibdeno y otros. Por último, el acero, es un material muy fuerte y resistente (AIMEN, 2005), sin embargo es relativamente pesado, por lo que no es la mejor opción en una prótesis. Debido a sus propiedades, se puede utilizar para fabricar componentes pequeños en donde importa más la fuerza del elemento para resistir fuerzas, que el diseño. Algunas partes de los dedos se fabrican de acero, pues son piezas pequeñas por lo que se utiliza poco material. Tabla 2. Propiedades de los materiales para la mano robótica

5 2.3Diseño de la Estructura Mecánica Se opta por usar el software SolidWorks en su edición 2012 para realizar un modelo tridimensional, debido a las herramientas que facilitan el diseño de la estructura mecánica. La idea principal, es crear un alma de aleación de aluminio, lo más ligera posible, planteando una palma vacía, que cuenta sólo con los bordes, ya que después, los actuadores reemplazarán ese espacio dando volumen y peso a la palma. Los dedos se diseñan con dos grados de libertad, y dos piezas con una articulación. Una pieza representa la unión de la falange distal y media y la otra pieza representa la falange proximal. La movilidad de los dedos es mediante el uso de cables de acero asegurados con tornillos a manera de poleas dentro estos para permitir la apertura y cierre de los mismos (ver figuras 2a, 2b). Para el pulgar se dispone de una pieza sin articulaciones con un grado de libertad en la unión del pulgar con la palma, para efectuar un movimiento de rotación, así mismo el dedo cuenta con una inclinación de 15 con respecto a la horizontal como se muestra en la figura 2c. Figura 2.Piezas de los Dedos (a) Falange Distal, (b) Falange Medial, (c) Pieza Pulgar Quedando estructurada la base de la mano en total con nueve grados de libertad, mismos que permiten la movilidad de los dedos para formar los agarres básicos de una mano para usarla adecuadamente cómo una herramienta del día a día (ver figura 3). Figura 3. Estructura de la mano en Aluminio 6061 Antes de obtener un resultado final, se le aplican virtualmente al diseño las propiedades físicas, en este caso, de la aleación de aluminio 6061, para comprobar lo arrojado por los estudios y verificar si este diseño es apropiado o no para nuestras necesidades. Usando la propiedad Solid Works Simulation se analiza la reacción del diseño a fuerzas de pandeo de 1 N y exposición de temperaturas de 36 C para incrementar la calidad del objeto a realizar, suponiendo así la mejora del producto, evitando hacer numerosas pruebas físicas que se traducen en un gasto considerable de tiempo y de dinero.

6 Figura 4. Estudios de simulación a) De pandeo b) De temperatura Una vez efectuado el diseño, se crea un estudio de movimiento que predice las secuencias de activación básicas que la mano tiene cuando realizamos funciones cotidianas. Para probar su funcionamiento se elabora un control on/off en la plataforma LabView con conexión serial a un microcontrolador PIC16F887 que gracias a un programa en lenguaje C, permite activar o desactivar los servomotores dentro de la mano para realizar las diferentes posiciones que nosotros denominamos como básicas: Agarre en gancho, Agarre de fuerza, movimientos independientes de los dedos y selección específica de objetos. Figura 5.Pruebas finales a) Interfaz LabView b) Implementación física de la mano. 3. Resultados Dentro del desarrollo del proyecto se establece el diseño de la estructura mecánica de una mano destinada a una prótesis mioeléctrica de bajo costo en comparación con las existentes actualmente en el mercado, elaborada con una aleación de aluminio 6061, que promete una resistencia adecuada; facilidad en su uso debido a que no cuenta con muchas piezas; y una apariencia natural, pues su tamaño es acorde a las medidas antropométricas de la mano. Gracias a las funciones tan variadas que se incluyen en el software SolidWorks, se calculan las propiedades mecánicas, y físicas de los elementos que se diseñan, en este caso en específico, la mano desarrollada. 4. Conclusiones Debido al interés de ayudar a la sociedad en situaciones de discapacidad por falta de un miembro superior, se pensó en la realización de una prótesis transhumeral controlada mioeléctricamente que pudiera ayudar a desempeñar las funciones primordiales del miembro perdido, por lo tanto, el primer paso fue la elaboración de la estructura que permitirá a la prótesis efectuar los movimientos de la mano. Por tanto se decide diseñar y llevar a cabo las piezas mecánicas que darán forma a la prótesis, misma a la que después se le aplicará un control mioeléctrico. En un inicio fue necesaria la investigación de los tipos de prótesis, los materiales que se utilizan para elaborarlas, los tipos de control que se les aplican, y los precios de las mismas.

7 También es necesario tener conocimientos de antropometría y de anatomía, pues el diseño tiene que apegarse a las medidas y proporciones de una mano real, en lo que a diseño y funcionamiento se refiere. 5. Referencias AIMEN, C. T. (2005). Observatorio Tecnológico de Soldadura. Recuperado el Septiembre de 2013, de Andrei, J., Correa, C., & Pareja, C. (2012). Análisis y Diseño de un Prototipo de una Mano Robótica con Catorce Grados de Libertad, Capaz de Ser Dirigida a Través de Internet en Tiempo Real. Association, A. (2006). Aluminum Standards and Data. Fernández, A. R. (Diciembre de 2007). Ingeniería Mecatrónica. Departamento de Computación, Electrónica y Mecatrónica, Escuela de Ingeniería y Ciencias, Universidad de las Américas Puebla. Recuperado el Enero de 2014, de catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lmt/de_l.../capitulo4.pdf Melo, J. L. (2013). Ergonomía desde el punto de vista de la higiene y seguridad industrial. Mesonero-Romanos, D., Ceres, R., Rodríguez, H., Pons, & J.L. (s.f.). Obtenido de Uellendahl, J. E. (1998). Prosthetic Primer:Materials Used in Prosthetics Part I. In motion.