Informe Final

19

PRÓTESIS DE MANO TRIDIGITAL DE DOS GRADOS DE LIBERTAD

Informe Final

Diseño de Productos Sostenibles

Juan Pablo Ángel López Estudiante de Ingeniería Electrónica

[email protected]

Presentado a Ing. Nelson Arzola de la Peña

Universidad Nacional de Colombia

Sede Bogotá

20

Resumen

El presente documento expone el proceso de diseño de una prótesis de mano tridigital de dos grados de libertad, mostrando los diferentes módulos en que se encuentra dividido el producto, caracterización de las diferentes piezas, análisis y cálculos del módulo circuital para procesamiento de señales mioeléctricas y el desarrollo de la simulación del funcionamiento del circuito de adecuación de señales.

21

Listas

Listado de Figuras Ilustración 1. Caja Gris. ........................................................................................................... 31 Ilustración 2. Diagrama de Descomposición Funcional. ......................................................... 32 Ilustración 3. Esquema de Combinación de Conceptos. ......................................................... 32 Ilustración 4. Esquema de Mano. ........................................................................................... 37 Ilustración 5. Esquema de Antebrazo. .................................................................................... 38 Ilustración 6. Sensores. ........................................................................................................... 38 Ilustración 7. Esquema circuital Amplificador de Instrumentación ........................................ 34 Ilustración 8. Esquema circuital Filtro Pasa Altas. .................................................................. 34 Ilustración 9. Esquema circuital Filtro Pasa Banda. ................................................................ 35 Ilustración 10. Esquema circuital Filtro Pasa Bajas ................................................................. 36 Ilustración 11. Entrada y Salida Prueba 1. .............................................................................. 37 Ilustración 12. Entrada y Salida Prueba 2. .............................................................................. 38 Ilustración 13. Entrada y Salida Prueba 3. .............................................................................. 39 Ilustración 14. Entrada y Salida Prueba 4. .............................................................................. 40

Listado de Tablas Tabla 1. Conceptos Generales de Mecánica ........................................................................... 33 Tabla 2. Evaluación de Conceptos - Dedos ............................................................................. 34 Tabla 3. Conceptos Generales de Electrónica - Sensores ....................................................... 35 Tabla 4. Evaluación de Cumplimiento de Funciones. ............................................................. 27 Tabla 5. Evaluación de los requerimientos del cliente. .......................................................... 29 Tabla 6. Análisis de Costos. ..................................................................................................... 29

22

Contenido

Resumen .............................................................................................................................. 20

Listas ............................................................................................................................... 21

Listado de Figuras ................................................................................................................ 21

Listado de Tablas ................................................................................................................. 21

Introducción .................................................................................................................... 24

Capítulo 1: Justificación y Planteamiento del Problema ................................................... 25

4.1. Marco Teórico ......................................................................................................... 25

4.2. Definición de la Necesidad ...................................................................................... 26

4.3. Planteamiento del Problema................................................................................... 26

4.4. Planteamiento del Proyecto .................................................................................... 27

Capítulo 2: Requerimientos y Análisis del Diseño ............................................................. 28

2.1. Requerimientos del Cliente ..................................................................................... 28

2.2. Especificaciones de Ingeniería ................................................................................ 28

2.3. Productos Similares ................................................................................................. 30

Capítulo 3: Generación de Conceptos y Análisis Funcional ............................................... 31

4.1. Análisis Funcional .................................................................................................... 31

4.2. Generación de Conceptos ....................................................................................... 32

4.2. Evaluación de Conceptos ........................................................................................ 33

4.3. Diseño Global Dominante ....................................................................................... 36

Capítulo 4: Generación y Evaluación del Producto ........................................................... 39

4.1. Arquitectura ............................................................................................................ 39

4.2. Componentes disponibles ....................................................................................... 22

4.3. Materiales y Técnicas de producción ...................................................................... 25

4.4. Restricciones Espaciales .......................................................................................... 25

4.5. Componentes Independientes ................................................................................ 25

4.6. Interfaces y Conexión de Interfaces ........................................................................ 26

4.7. Evaluación de Cumplimiento de Funciones ............................................................ 27

4.8. Evaluación de los Requerimientos del Cliente ........................................................ 28

4.9. Análisis de Fabricación y Costos .............................................................................. 29

4.10. Análisis de Impacto Ambiental ............................................................................ 31

Capítulo 5: Diseño de Experimento .................................................................................. 32

5.1. Parámetros de Diseño (Matriz DOE) ....................................................................... 32

5.2. Diseño Circuital ....................................................................................................... 33

5.3. Simulación ............................................................................................................... 36

23

Aporte y Valor Social del diseño ............................................................................................ 41

Conclusiones .................................................................................................................... 42

Referencias ...................................................................................................................... 43

24

Introducción Cualquier situación de discapacidad encubre en sí misma otra serie de problemas que evitan que aquella persona que la sufre tenga la oportunidad de desenvolverse normalmente en la sociedad. La dificultad más evidente gira en torno a la desigualdad social y que en muchos casos, hablando particularmente desde el contexto colombiano, se mezcla con una desigualdad económica; éste es el caso, por ejemplo, de aquellos afectados por el conflicto armado. Es posible solucionar, aunque sea en parte, este tipo de desigualdad por medio de la ingeniería. Uniendo conocimientos de mecánica, electrónica y bioingeniería se pueden desarrollar prótesis funcionales que puedan devolver o en muchos casos dar por primera vez una mejor calidad de vida a quienes sufren por la ausencia de alguno de sus miembros. Las prótesis robóticas ya son de bastante uso alrededor del mundo, el único problema que tienen estos dispositivos es su alto costo. El objetivo, entonces, para este proyecto de diseño es buscar una alternativa que pueda dar calidad a un bajo costo y así beneficiar a las personas con más dificultades.

25

Capítulo 1

Justificación y Planteamiento del Problema 4.1. Marco Teórico

2.2.1. Concepto en torno a la discapacidad “En las últimas décadas, para identificar a la población con discapacidad se han usado términos como: impedidos, inválidos, minusválidos, incapacitados, desvalidos, discapacitados, y personas con discapacidad, entre otros. La utilización de estos términos refleja, en sí misma, las distintas concepciones que funcionarios, instituciones y personas en general manejan con respecto a este grupo poblacional.” (Gómez & González, 2004). Estos términos que encasillan a las personas con discapacidad no han permitido que “los cambios producidos en el mundo alrededor de la terminología sobre la discapacidad no hayan sido tenidos en cuenta al momento de diseñar la pregunta sobre discapacidad.” (Gómez & González, 2004).

2.2.2. Causas de la discapacidad La discapacidad puede ser causada por diferentes motivos entre los cuales se encuentran los males congénitos, enfermedades o infecciones, amputaciones y otra serie de causas desde la salud física, que pueden o no generar discapacidades del tipo social, psicológico, entre otras. “El número de personas con discapacidad, el tipo de deficiencias, así como las causas y consecuencias de las mismas, varían en todo el mundo dependiendo de las condiciones socioeconómicas y de las políticas o medidas que las sociedades emprenden a favor del bienestar de su población.” (Gómez & González, 2004).

2.2.3. Bioingeniería Según la IEEE, bioingeniería se define como: “La ciencia que estudia y busca la aplicación de principios y métodos de las ciencias exactas, en general, y de la

26

ingeniería, en particular, a la solución de problemas de las ciencias biológicas y médicas” (IEEE). En el desarrollo de la bioingeniería siempre existe el desafío de lograr, por medio de la ingeniería, diseños desde el ser humano; es decir, por medio de distintas herramientas ingenieriles se pretende imitar funciones o el comportamiento biológico. Para la aplicación de la bioingeniería se recurre constantemente a conceptos de distintas disciplinas: medicina, mecánica, electrónica, química y bioquímica, biología, neurología, etc. Es el correcto ensamble y acople entre estas distintas áreas de la ciencia lo que permite que se desarrollen conceptos sólidos, fundamentados y realizables, que permitan lograr diseños para solucionar algún problema determinado que requiera la implementación artificial de vida por medio de dispositivos o materiales biocompatibles.

4.2. Definición de la Necesidad Según estadísticas del DANE, en el país existe un total de 2.095 personas discapacitadas a causa de la violencia. En general, para los estratos 1,2 y 3 se tienen 808318 personas discapacitadas, de las cuales 218.234 no tienen afiliación a salud. 120691 personas entre los 15 y los 59 años presentan limitaciones en el movimiento de su cuerpo, manos, brazos o piernas (DANE). Las anteriores cifras impulsan un sentimiento de responsabilidad desde el ámbito académico y profesional. ¿Qué se ha hecho al respecto?, ¿existe la forma de ofrecer una mejor calidad de vida a los discapacitados?; son preguntas que surgen ante la alarmante cantidad de personas que presentan discapacidad. Prestando especial atención a los 120.691 individuos que tienen limitaciones en su cuerpo, de manera intuitiva se puede considerar que en este grupo existe un número considerable de personas que se pueden ver limitadas por la ausencia de alguna de sus manos; tal vez, es esta extremidad la que más utilidad le preste al ser humano y en consecuencia, la ausencia de ésta puede desmejorar la calidad de vida en una proporción mayor. Desde la ingeniería es posible solucionar, en parte, las limitaciones ocasionadas por la ausencia de un miembro; el uso de prótesis ha permitido que muchos recuperen su utilidad, su autoestima, su autonomía, su calidad de vida. En ese orden de ideas, una prótesis de mano puede otorgar en gran medida un nuevo estilo de vida, amplía las oportunidades de quien la usa, mejora sustancialmente su diario vivir.

4.3. Planteamiento del Problema Los problemas principales asociados al diseño de una prótesis orientada a personas de bajos recursos son los de bajo costo y durabilidad. La tarea principal en las distintas etapas de diseño consiste en exigir al máximo los conocimientos de ingeniería en la búsqueda de soluciones que lleven al cumplimiento de los requerimientos de ingeniería sin comprometer negativamente los requerimientos asociados al fin del producto.

27

Es importante que el diseño de la prótesis conduzca al desarrollo de un producto que cumpla las funciones para las cuales está diseñado, a la vez que sea atractivo (estética y económicamente) para aquellos que van a adquirir la prótesis, es decir, las empresas prestadoras de salud. En el desarrollo conceptual en detalle se harán evidentes distintos problemas relacionados con “contradicciones de ingeniería”, y es en la solución de estos problemas donde se verá el valor agregado de la prótesis.

4.4. Planteamiento del Proyecto ¿Es factible el desarrollo de la prótesis? Esta prótesis está pensada para ser fácilmente adquirida por usuarios de bajos recursos, por ende, no busca soluciones complejas sino soluciones simples y prácticas que permitan la realización de la actividad que se quiere realizar, que la prótesis cumpla la función para la cual está diseñada, minimizando al máximo los costos de diseño y de producción, teniendo siempre como norte la mejor calidad del producto. Se pretende lograr una solución convincente para las EPS’s y obviamente para los usuarios; convincente en los sentidos económico y funcional; ése es el enfoque principal de la prótesis.

28

Capítulo 2 Requerimientos y Análisis del Diseño 2.1. Requerimientos del Cliente

Bajo Peso: Requerimiento que indica que la prótesis no debe exceder el peso de una mano real. Apariencia: La prótesis debe ser lo más estética posible; quien la use debe sentirse bien en cuestiones de apariencia. Facilidad de Uso: Se busca que el paciente realice el mínimo esfuerzo para el control de la prótesis. Comodidad: El ensamble entre el miembro artificial y el cuerpo debe ser cómodo, de tal manera que no hiera, desgaste o canse a quien lo está usando. Variedad de Movimientos: La prótesis debe brindar una cantidad suficiente de movimientos que justifiquen su uso, es decir, acercarse a los movimientos que puede brindar una pinza tridigital ideal. Durabilidad: Requerimiento de gran importancia en el diseño. El cliente busca que su prótesis le sea útil durante una cantidad de tiempo considerable.

Dando una ponderación de 0 a 10 para los niveles de importancia de los requerimientos, donde 0 es importancia mínima y 10 importancia máxima, se tienen los siguientes requerimientos y sus puntajes:

• Bajo peso: 9,5 • Apariencia: 9,0 • Bajo costo: 10,0 • Facilidad de uso: 8,0 • Comodidad: 9,5 • Variedad y precisión de movimientos: 8,0 • Durabilidad: 10,0

2.2. Especificaciones de Ingeniería

29

• Resistencia: Carga máxima que puede soportar el dispositivo, en relación a las fuerzas de impacto que eventualmente sean aplicadas a la prótesis.

• Durabilidad: Se asocia al tiempo o vida útil de la prótesis. • Espacio extra utilizado (en comparación con mano real): Volumen excedido con

respecto al contorno, relacionado al contorno de una mano real. • Consumo de energía: Potencia consumida de la prótesis. • Aproximación a movimiento u acción deseada: Relaciona la posición esperada con

la posición lograda en lo que respecta a los ángulos de apertura y rotación. • Peso: El peso de la prótesis no debe ser mayor al peso de una mano real. • Señales de control a la entrada del controlador: Cantidad de señales que deben ser

dadas por el usuario. • Apertura y cierre de pinza: Ángulo de apertura máximo de la pinza y ángulo de

cierre total. • Rotación de la muñeca: Rango de rotación de la muñeca. • Impacto ambiental: Masa reutilizable: Cantidad de masa que se puede reutilizar o

reciclar al final de la vida útil del producto. • Tiempo de ensamble: Tiempo que toma el ensamble del total de las piezas que

componen la prótesis. • Cantidad de piezas individuales: Piezas individuales que componen el conjunto de

mecanismos que posee la prótesis. • Fuerza de agarre de la pinza: Fuerza con la cual la pinza toma los objetos.

Empleando la matriz QFD (Online, 2008), en la cual se relacionan los requerimientos ingenieriles en la construcción de la prótesis y los requerimientos del cliente para el fin de la misma, se obtienen las siguientes relaciones:

2.2.1. Relaciones fuertes entre requerimientos del cliente y de ingeniería:

• Bajo peso y: Resistencia, Durabilidad, Espacio extra utilizado (en comparación con mano real), Peso, Impacto ambiental: Masa reutilizable.

• Apariencia y: Espacio extra utilizado (en comparación con mano real) • Bajo costo y: Durabilidad, Espacio extra utilizado (en comparación con

mano real), Peso, Impacto ambiental: Masa reutilizable. • Facilidad de uso y: Señales de control a la entrada del controlador, Apertura

y cierre de pinza, Rotación de la muñeca. • Comodidad y: Espacio extra utilizado (en comparación con mano real).

Peso. • Variedad de movimientos y: Aproximación a movimiento u acción deseada,

Señales de control a la entrada del controlador, Apertura y cierre de pinza, Rotación de la muñeca.

• Durabilidad y: Resistencia, Durabilidad, Peso, Impacto ambiental: Masa reutilizable, Cantidad de piezas individuales.

2.2.2. Valores Objetivo para las Especificaciones de Ingeniería

• Resistencia: 100 N – Maximizar • Durabilidad: 5 años – Maximizar

30

• Espacio extra utilizado (en comparación con mano real): 5 cm3 – Minimizar • Consumo de energía: 48 Watts – Minimizar • Aproximación a movimiento u acción deseada: 95% con respecto a la

geometría – Maximizar • Peso: 400 gramos – Minimizar • Señales de control a la entrada del controlador: 4 señales – Minimizar • Apertura y cierre de pinza: 90° - Objetivo • Rotación de la muñeca: 180° - Objetivo • Impacto ambiental: Masa reutilizable: 95% de la masa del producto –

Maximizar • Tiempo de ensamble: 2 horas/hombre – Minimizar • Cantidad de piezas individuales: 30 piezas – Minimizar • Fuerza de agarre de la pinza: 40 N – Maximizar

2.3. Productos Similares Siendo éste un producto de diseño a medida y al no haber un mercado establecido para este dispositivo en nuestro país, se puede decir que la competencia no es un problema fundamental. Actualmente existen prótesis desarrolladas en otros países, con grados de funcionalidad demasiado altos y con grandes niveles de precisión en sus movimientos, pero que a su vez son demasiado costosas y por ende de difícil accesibilidad para personas de bajos recursos. Dos de las prótesis desarrolladas en el exterior son:

• Mano IOWA (Yang, Peña Pitarch, Abdel-Malek, Patrick, & Lindkvist, 2004) • Mecanismo Articulado de Mano de Maniquí (Lorenzo-Yustos, Álvarez-Ordoñez,

Lafont Morgado, Muñoz Sanz, & Muñoz-García, 2007)

31

Capítulo 3 Generación de Conceptos y Análisis Funcional 4.1. Análisis Funcional

Ilustración 1. Caja Gris.

32

Ilustración 2. Diagrama de Descomposición Funcional.

• Funciones Adicionales implícitas en el diseño: Sujetar prótesis al usuario. Ubicar etapa electrónica.

4.2. Generación de Conceptos

Ilustración 3. Esquema de Combinación de Conceptos.

Generación de Energía • Baterías • Energía Cinética

Movimiento de la Pinza • Todos los dedos rígidos y en ejes

independientes. • Todos los dedos rígidos e índice

y corazón en el mismo eje. • Todos los dedos articulados y en

ejes independientes. • Todos los dedos articulados e

índice y corazón en el mismo eje.

• Índice y corazón articulados, en ejes independientes y pulgar rígido.

• Índice y corazón articulados sobre el mismo eje y pulgar rígido.

Rotación de la Muñeca • Mecanismo de pinza puesto

sobre el eje de un motor. • Mecanismo de pinza rotado por

medio de engranajes que unen el eje horizontal de la mano con un motor de rotación.

Actuación de Dedos y Muñeca • Motores DC • Servomotores • Motores Paso a Paso • Pistones Hidráulicos • Pistones Neumáticos • Pistones Mecánicos (Cugüeñal)

Adquisicón de Señales • Electrodos • Sensores subcutáneos • Sensores de presión • Sensores de proximidad

33

El anterior esquema permite realizar una combinación lineal entre los distintos conceptos generados. Resulta un total 576 combinaciones posibles (no se exploran todas las opciones sino las más importantes), de las cuales se destacan 4 combinaciones para el diseño mecánico y 4 para la cantidad y la forma de adquirir las señales de control. En el apartado que se encuentra a continuación se exponen dichos conceptos y se realiza la evaluación correspondiente.

4.2. Evaluación de Conceptos Se evaluaron distintos conceptos, de los cuales 4 corresponden a las funciones mecánicas (de dicha evaluación surgen nuevos conceptos a evaluar) y otros 4 conceptos que corresponden a las señales de control: Mecánica: Tabla 1. Conceptos Generales de Mecánica

Lista de Requerimientos Nivel de Importancia

C.G.M 1

C.G.M 2

C.G.M 3

C.G.M 4 Pivote

Bajo Peso 95% 3 -3 3 0 Índice y corazón articulados en el mism

o eje, pulgar rígido; m

ano paralela al eje de rotación de la m

uñeca.

Apariencia 90% 5 5 3 0 Bajo Costo 100% -3 -5 3 -3

Facilidad de Uso 80% 3 3 0 0 Comodidad 95% 0 0 0 0

Variedad de Movimientos 80% 5 3 0 0 Durabilidad 100% 0 0 0 0

Total 13 3 9 -3 Positiva 16 11 6 0 Negativa -3 -8 0 -3

Ponderada 10,75 -1,45 8,55 -3 C.G.M 1: Índice, corazón y pulgar compuestos por falanges articuladas en ejes independientes; mano perpendicular al eje de rotación de la muñeca. C.G.M 2: Índice, corazón y pulgar compuestos por falanges articuladas en ejes independientes; mano paralela al eje de rotación de la muñeca. C.G.M 3: Índice y corazón compuestos por falanges articuladas en ejes independientes con pulgar de falanges rígidas; mano perpendicular al eje de rotación de la muñeca. C.G.M 4: Índice y corazón de falanges articuladas en ejes independientes con pulgar de falanges rígidas; mano paralela al eje de rotación de la muñeca.

34

Según los resultados arrojados por la Tabla 1, se destacan los conceptos 1 y 3. Si bien el concepto 3 tiene una mejor puntuación, se considera que al tener todos los dedos articulados (concepto 1) se puede lograr un mejor desempeño en las funciones de la prótesis y por tal motivo se decide usar esta arquitectura, estableciendo que el eje de rotación de la muñeca será perpendicular a la mano.

• Despliegue de Función de Calidad para la función “Articular Dedos”: Tras la evaluación de conceptos correspondientes al cierre y rotación de la mano, se eligió desarrollar un tipo de pinza compuesta por dedos de falanges articuladas. A raíz de lo anterior surge una sub-función que se relaciona a la articulación de los dedos y, a partir de esta función surgen los siguientes conceptos:

o Accionamiento de dedos por medio de guayas. o Empleo de resortes helicoidales para estiramiento de dedos. o Uso de resortes de torsión para el apertura de dedos. o Mecanismos de retorno. o Accionamiento mediante guía y tornillo. o Tensión de guayas con mecanismo de engranaje y cremallera. o Movimiento de guaya con arquitectura de “cadena de bicicleta”: Cierre y

apertura por medio de guayas con topes en las falanges para el estiramiento máximo.

Tabla 2. Evaluación de Conceptos - Dedos

Lista de Requerimientos Nivel de Importa

ncia

C.G.M 1

C.G.M 2

C.G.M 3

C.G.M 4 Pivote

Bajo Peso 95% 3 3 3 0 Movim

iento de palancas por eslabones (Biela-M

anivela)

Apariencia 90% 3 5 5 0 Bajo Costo 100% -3 -3 -3 3

Facilidad de Uso 80% 3 3 0 -3 Comodidad 95% 3 5 0 0

Variedad de Movimientos 80% 3 3 3 -5 Durabilidad 100% -3 -3 -3 -3

Total 9 13 5 -8 Positiva 15 19 11 3 Negativa -6 -6 -6 -11

Ponderada 7,2 10,9 0 -6,4

C.G.M 1: Accionamiento por guayas y estiramiento por resortes helicoidales. Tensión de guayas por medio de guía y tornillo.

35

C.G.M 2: Accionamiento por guayas y estiramiento por resortes de torsión. Tensión de guayas por medio de guía y tornillo. C.G.M 3: Tensión de dedos por mecanismos de retorno: Guayas conectadas a resortes de tensión. C.G.M 4: Movimiento por mecanismo de cadena. Dada la alta puntación, se elige el concepto 2 para ser implementado en el diseño final de la prótesis. El uso del mecanismo del tornillo asegura que al momento de retirar la energía al motor asociado al accionamiento de los dedos, éstos quedarán en la posición en la que están, lo cual puede ser muy útil al momento de trasladar objetos a largas distancias o al realizar tareas que requieren que la prótesis esté en la misma posición durante un lapso de tiempo prolongado. Para la aplicación de este concepto se piensa en un micromotor de alta potencia que puede ser fácilmente ubicado en el espacio presupuestado para este accionamiento.

Electrónica:

Tabla 3. Conceptos Generales de Electrónica - Sensores

Lista de Requerimientos Nivel de

Importancia

C.G.M 1

C.G.M 2

C.G.M 3

C.G.M 4 Pivote

Bajo Peso 95% 0 0 0 0

Sensor de proximidad para apertura y cierre

de la pinza y electrodos en bíceps para rotación de la m

uñeca.

Apariencia 90% 5 3 -3 3 Bajo Costo 100% -5 0 -3 -3

Facilidad de Uso 80% -5 -3 -3 -3 Comodidad 95% -5 3 -3 -3

Variedad de Movimientos 80% 5 5 0 3 Durabilidad 100% 0 0 0 0

Total -5 8 -12 -3 Positiva 10 11 0 6 Negativa -15 -3 -12 -3

Ponderada -5,25 7,15 -10,95 -3,15 C.G.M 1: Únicamente electrodos, ubicados en el bíceps y las tres ramas del tríceps. C.G.M 2: Usar sensor de proximidad para apertura de pinza, electrodo(s) en bíceps para cierre y electrodos en tríceps para rotación de la muñeca. C.G.M 3: Usar sensor de proximidad para apertura y cierre de pinza y electrodos en bíceps y tríceps para rotación de la muñeca.

36

C.G.M 4: Electrodos en bíceps y tríceps para apertura y cierre de pinza y sensor de proximidad para rotación de la muñeca. La mejor opción corresponde al concepto 2, el cual promete un “equilibrio” entre el usuario y el ingeniero, es decir, ubicación y cantidad de señales de control cómodas para el usuario y tipo y cantidad de señales aptas para ser implementadas en un sistema de control. La articulación entre las distintas falanges se piensa como la compresión de resortes de torsión ubicados en las articulaciones de éstas por medio de guayas. Otras Funciones: Control Electrónico: Se decide implementar un microcontrolador, pues es este tipo de circuito integrado - según ciertas especificaciones como cantidad de entradas analógicas, velocidad de respuesta, tolerancia de conversión análoga-digital – el dispositivo que permitirá realizar las tareas para el control de la prótesis. También serán necesarias distintas señales de presión en los dedos para determinar la magnitud de la fuerza de agarre. Adquisición: Es necesario realizar filtros para las señales provenientes de los electrodos, pues al ser señales corporales no poseen espectros “suaves” y presentan ruidos a distintas frecuencias o amplitudes. Accionamiento: Al ser la posición (ángulo de rotación) una variable importante de control, se decide emplear un servomecanismo pues este tipo elemento posee en sí mismo circuitos propios de control, caja reductora y un codificador que ayuda a determinar la orientación del motor, la cual debe ser controlada por el usuario. Para el accionamiento de los dedos, se pretende usar un motor DC cuya fuerza sea controlada por medio de señales PWM. Ubicación de componentes: Intuitivamente, con el fin de aprovechar el espacio requerido para cumplir con las funciones mecánicas, se piensa ubicar la etapa electrónica (circuitos de control y procesamiento de señales junto con las baterías) fuera del contorno de la prótesis en un mismo receptáculo tipo canguro. De esta manera, el espacio ocupado por la prótesis será utilizado netamente para los elementos mecánicos y para los sensores de presión. Indicadores: Se diseñará un circuito reflejado en un diodo LED que indique el nivel de carga de las baterías. Mecanismo de Sujeción: Según la forma resultante de la ubicación y distribución de elementos en el diseño de detalle se determinará cuál es el mecanismo más apropiado de sujeción.

4.3. Diseño Global Dominante

• Índice, corazón y pulgar compuestos por falanges articuladas en ejes independientes; mano perpendicular al eje de rotación de la muñeca.

37

• Accionamiento por guayas y estiramiento por resortes de torsión. Tensión de guayas por medio de guía y tornillo.

• Sensor de proximidad para apertura de pinza, electrodo(s) en bíceps para cierre y

electrodos en tríceps para rotación de la muñeca.

• Control mediante tarjeta programable.

• Filtros electrónicos para las señales provenientes de los electrodos, pues al ser señales corporales no poseen espectros “suaves”.

• Emplear un servomotor para el movimiento rotatorio de la muñeca.

• Ubicar etapa electrónica (circuitos de control y procesamiento de señales junto

con las baterías) fuera del contorno de la prótesis en un mismo receptáculo tipo canguro.

• Mecanismo de sujeción por medio de correas y acolchonamiento en espuma.

Ilustración 4. Esquema de Mano.

38

Ilustración 5. Esquema de Antebrazo.

Ilustración 6. Sensores.

39

Capítulo 4 Generación y Evaluación del Producto

4.1. Arquitectura 4.1.1. Mano

El subsistema que define la mano está compuesto por los tres dedos que la conforman y cada dedo en sí mismo contiene sus tres falanges articuladas. Al interior de cada uno de los dedos circula una guaya; las tres guayas en conjunto van conectadas a una guía estilo tuerca que sube y baja al girar un tornillo en el cual está ubicada, tornillo ubicado en el eje de un micromotor. La estructura que hace las funciones de palma y dorso a la vez que sirve como soporte para los elementos anteriormente mencionados es una placa de fibra de carbono, cuya geometría no es plana, sino levemente cóncava, para simular la forma real de su equivalente en una mano real. En la yema del dedo pulgar se encuentra un sensor de fuerza que sirve para evitar que la mano se exceda en su fuerza de agarre. Los dos dedos restantes tendrán únicamente funciones estéticas, pues éstos serán de goma y fácilmente moldeables con la ayuda de la otra mano.

4.1.2. Antebrazo

Es la estructura que sostiene la mano y que a su vez permite que ésta rote. Su armazón, al igual que la palma/dorso de la mano, es de fibra de carbono. Al interior de este subsistema se encuentra el servomotor que genera el giro de la muñeca, cuyo eje se articula con el eje de rotación de la mano por medio de un juego de engranes. Para facilitar la rotación en la muñeca, se dispone de un juego de dos rodamientos concéntricos encajados en el armazón de fibra, los cuales brindan también el soporte para toda la mano. En la parte opuesta se encuentra la cavidad de sujeción, la cual contiene un acolchonamiento de espuma cubierta con algún tipo de tela suave, puesta sobre la estructura de fibra, acompañada por un sistema de correas. 4.1.3. Sensores

22

El juego de sensores no se encuentra ubicado en una estructura, sino que se encuentra propiamente en el brazo del usuario. Este conjunto está compuesto por los tres electrodos de medición de señales mioeléctricas y el sensor infrarrojo de distancia que da el parámetro de apertura y cierre de los dedos.

4.1.4. Etapa electrónica y guía de cableado.

Los circuitos de acondicionamiento de las señales mioeléctricas y de control de la prótesis junto con las baterías serán ubicados en un receptáculo tipo canguro por motivos de comodidad y de peso y limitación de espacio en el mecanismo de la mano. Adicionalmente se contará con una “camisa” de tela delgada y flexible que sirva como ayuda al mecanismo de sujeción de la prótesis y que a su vez cumpla la función de guía para el cableado que va desde la prótesis y los sensores hacia la etapa electrónica, brindando comodidad y seguridad al evitar el contacto directo entre la piel y los cables mencionados.

4.2. Componentes disponibles

4.2.1. Micromotor

Micromotor de alta potencia cuya relación de reducción varía desde 5:1 hasta 298:1. Es un motor DC de alta calidad diseñado para trabajar a un voltaje nominal de 6V, su rango funcionamiento va de 3V a 9V, pero no es recomendable exceder su voltaje nominal.

Tamaño: 24 x 10 x 12 mm Peso 0.34 oz Relación de reducción: 298:1 Velocidad sin carga: 100 rpm Corriente sin carga: 70 mA Torque Stall: 90 oz-in (6.4 kg-cm) Corriente Stall: 1600 mA

4.2.2. Servomotor: Hitec HS-475HB (HS-485HB)

Servomotor estándar de alto torque con piñones de Carbonita, característica que hace que su vida útil sea 3 veces más que la de un servomotor con piñones de nylon.

Piñones: Carbonita

23

Voltaje: 4.8V Velocidad: 0.19sec/60° sin carga Torque: 42 oz/in. (3 kg.cm) Voltaje: 6V Velocidad: 0.15sec/60° sin carga Torque: 51 oz/in. (3.7 kg.cm) Piñones: Carbonita Voltaje: 4.8V Velocidad: 0.22 sec/60° sin carga Torque: 61 oz/in. (4.8 kg.cm) Voltaje: 6V Velocidad: 0.18 sec/60° sin carga Torque: 84 oz/in. (6.0 kg.cm)

4.2.3. Electrodo Un electrodo es un componente electrónico cuya función consiste en hacer contacto con una parte no metálica de un circuito. Según sea el tipo de señal y la superficie no metálica de contacto, la fibra metálica del electrodo debe ser más o menos “pura” – pura en términos de conductividad eléctrica-. Por ejemplo, para señales tomadas desde el cerebro, se emplean generalmente electrodos de aleaciones de oro pues el bajísimo potencial eléctrico de esta zona del cuerpo requiere de un súper-conductor de este tipo.

4.2.4. Sensor Óptico GP2D120XJ00F Sensor análogo que mide distancias usando el principio de triangulación, midiendo la distancia según el ángulo de luz que incide en el foto-detector; por lo tanto el tipo de objeto, temperatura ambiente, y otros factores no alteran la medición de la distancia. Voltaje: 5Vdc Distancia medida: 4-30cm Tipo de salida: análoga Tipo de sensor: Infrarrojo

4.2.5. Sensor de Fuerza Resistivo Flexiforce FSR-01

24

Su parámetro de salida es la variación de su resistencia, la cual disminuye al aumentar la presión ejercida sobre éste. Peso medido: 0 a 20lb Medida: 3.8cm Tipo de salida: 2 pines, cambio resistivo

4.2.6. Tarjeta de Control Arduino Uno Tarjeta programable mediante conexión por USB al PC. Es un dispositivo en extremo versátil gracias a su tamaño, su facilidad de programación y su cantidad y tipo de pines de entrada. Esta tarjeta tiene una gran variedad de aplicaciones, pero es óptima en aplicaciones de robótica. Microcontrolador: Atmega328 Voltaje de operación: 5V Voltaje de entrada: 7-12V Puertos: 14 pines digitales de

entrada y salida (6 salidas PWM)

Flash Memory 32 KB - 2 KB usados para Bootloader

SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Reloj velocidad máxima de 16 MHz

4.2.7. Batería recargable de 3.7V y Cargador

Baterías de tecnología Polímero Ion-litio, lo que les brinda una mejor densidad de carga con respecto al tamaño. Cada batería integra una pequeña protección contra sobre voltaje y sobre corriente. Se piensa en un arreglo de 4 baterías de este tipo conectadas en serie para lograr una mayor cantidad de voltaje entregado en un espacio limitado. Se emplea un cargador el cual puede ser conectado a través del puerto USB, o a través de un Jack el cual tiene polaridad de centro positiva. Batería: Corriente: 1000mAh Voltaje de salida: 3.7V Cargador: Monitoreo inteligente

25

No usar para cargar baterías de NiMH, NiCd, o cualquier otro tipo de batería. Voltaje de Entrada: 3.7 a 7Vmax. Conector: USB y Jack.

4.3. Materiales y Técnicas de producción En lo que respecta a las falanges, se piensa utilizar perfiles en “U” de aluminio de 2mm de espesor de aleación 6063, cuyo mecanizado será por corte y por fresado, con doblamiento en algunos puntos. Para la placa de soporte de componentes de la mano se pretende realizar un molde para construcción de elementos sólidos de fibra de carbono. Para la construcción de los circuitos impresos, lo más adecuado es usar placas de doble cara (cobre en ambos lados) y trazado de pistas por fresado con el fin de minimizar la cantidad de residuos tóxicos. Para la camisa de acople de cables y sensores se piensa que debe ser de algún tipo de material suave, poroso y elástico, probablemente algodón.

4.4. Restricciones Espaciales Con respecto a la distribución de los elementos, existen distintas restricciones espaciales:

• No exceder la geometría normal con respecto a una mano real. • Dada la escasez de espacio, se debe ubicar la etapa electrónica por fuera del

contorno de la mano en un canguro. Ya que la prótesis posee únicamente 2 grados de libertad (comparando con los más de 20 grados de libertad de una mano real), por los diferentes movimientos corporales necesarios para controlar la prótesis y según la geometría de los objetos a manipular, existen restricciones en función de las posturas de sujeción de los diferentes elementos que el usuario quiera tomar con la prótesis.

4.5. Componentes Independientes

• 2 Falanges distales tipo 1 (Índice y Corazón) • 1 Falange distal tipo 2 (Pulgar) • 2 Falanges medias tipo 1 • 2 Falanges proximales tipo 1

26

• 2 Falanges proximales tipo 2 • 1 Metacarpo pulgar • 4 Ejes articulaciones falanges medias y distales tipo1 • 2 Ejes articulaciones falanges proximales tipo 2 y falanges distales tipo 2 • 1 Eje articulación índice • 1 Eje articulación corazón • 1 Eje articulación pulgar • 1 Placa de Fibra de carbono • 3 Guayas (una para cada dedo) • 1 Micromotor • 1 Tornillo para eje de micromotor • 1 Tuerca de recepción de guayas • 1 Estructura de guías para tuerca • 1 Rodamiento exterior • 1 Rodamiento interior • 1 Buje de soporte de la mano • 1 Placa inferior de armazón de antebrazo en fibra de carbono • 1 Placa superior de armazón de antebrazo en fibra de carbono • 1 Servomotor • 1 Eje con engrane en uno de sus extremos • Acolchonamiento en espuma • 3 Electrodos • 1 Sensor óptico • 1 Sensor de fuerza • 1 Tarjeta Arduino Uno • 1 Tarjeta de potencia • 1 Tarjeta de acondicionamiento de señales • 1 Canguro de recepción de componentes electrónicos • 4 Baterías • 1 Camisa de ubicación de cables y sensores

4.6. Interfaces y Conexión de Interfaces

4.6.1. Mano – Antebrazo

La mano y el antebrazo se conectan per medio del buje y los rodamientos. En esta conexión debe tenerse en cuenta que hay cables que provienen de la mano y que tienen que pasar por el antebrazo para llegar hasta el canguro de componentes electrónicos.

27

4.6.2. Antebrazo – Usuario

Interfaz de gran importancia pues es el enlace entre el hombre y la máquina. Específicamente, el lugar de esta interface está en el mecanismo de sujeción y por ende debe ser cómodo y firme.

4.6.3. Sensores – Usuario

Otra de las interfaces importantes. Los sensores y sus respectivos cables acomodarse de tal manera que no incomoden al usuario. Para esto se emplea la camisa mencionada en las subsecciones anteriores.

4.6.4. Sensores y Motores – Etapa Electrónica

Es necesario guiar adecuadamente el cableado que entrega las señales de información a la etapa electrónica y que transporta las señales de control hacia los actuadores.

4.7. Evaluación de Cumplimiento de Funciones En esta etapa es posible hacer una evaluación objetiva y con criterios suficientes sólo para algunas de las funciones de la prótesis debido a que un número de estas funciones depende de diferentes parámetros o entornos que a la fecha no han podido ser simulados o analizados con modelos físicos.

Tabla 4. Evaluación de Cumplimiento de Funciones.

Función Calificación

Rotar en un rango de 180° 10

Rangos de apertura y cierre similares a los de una mano real 10

Adquirir señales desde electrodos 8

Adquirir señales no biológicas 9

Total 37

28

Argumentos: La función asociada al rango de giro de la mano está íntimamente relacionada con el servomotor, el cual gira entre 0 y 180°. El acople entre éste y la mano se da mediante un ensamble de engranes cuya relación es igual o muy aproximada a 1. Con respecto a los rangos de apertura y cierre de la mano, se tienen datos de observación tras construir un modelo en balso. Como se dijo anteriormente, dicho modelo fue de gran utilidad para determinar distribuciones espaciales y geométricas de los dedos y de la mano en general. En la adquisición de señales desde los electrodos se tienen los datos obtenidos en las simulaciones. Estas simulaciones no brindan un criterio definitivo para concluir si estas señales se están adecuando de una manera correcta, pero sí dan ideas iniciales de cómo sería el comportamiento de estos circuitos de adquisición. Gracias a experiencias previas con tarjetas Arduino y con la información brindada por los datasheets de los sensores de fuerza y distancia, es posible concluir con certeza que la información brindada por estos dos componentes será adecuadamente interpretada cuidando que no existan pérdidas de información. Con respecto a las funciones aún sin evaluar:

• Superar inercia de elementos tomados por la mano: Es necesario hacer pruebas con modelos físicos.

• No dañar objetos tomados: Requiere de la interacción de un modelo físico y diferentes tipos de objetos a manipular.

• Generar señales de control: Es necesario implementar un algoritmo de control que hasta ahora no ha sido diseñado.

4.8. Evaluación de los Requerimientos del Cliente Un producto es siempre desarrollado en función de las necesidades del cliente objetivo; es por esto que se hace evidente la perentoriedad de indagar reiterativamente, en cada etapa del desarrollo del proyecto, si el diseño cumple o no con los requerimientos de quien va a adquirir dicho producto. A continuación se muestra la evaluación asociada al cumplimiento de los requerimientos del cliente en lo que respecta al diseño elegido en la generación conceptual, ponderando la funcionalidad con un 90%, la apariencia en 70%, seguridad en un 50%, impacto ecológico en un 80% y lo que tiene que ver con costos en un 65%.

29

Tabla 5. Evaluación de los requerimientos del cliente.

Lista de Requerimientos Nivel de Importancia Puntajes

Bajo Peso 90% 4 Apariencia 70% 5 Bajo Costo 65% 3

Facilidad de Uso 90% 3 Comodidad 50% 4

Variedad de Movimientos 90% 3 Durabilidad 50% 4

Total 26 Ponderada 18,45

En una calificación donde 1 es el mínimo y 5 es el máximo, se puede observar que de manera general se están cumpliendo los requerimientos del cliente, atendiendo especialmente a las exigencias de apariencia, peso, durabilidad y comodidad.

4.9. Análisis de Fabricación y Costos

Tabla 6. Análisis de Costos.

Componente Costo Costo Detallado

Interfaz de Potencia $ 20.900

Cap 0.33uF x 2 $ 60 Cap 0.1uF x 2 $ 40 LM7805 x 1 $ 750 LM7810 x 1 $ 750

Bornera 2 Pins x 2 $ 600 Bornera 3 Pins x 1 $ 450 Regleta 6 Pins x 2 $ 2.700 Regleta 8 Pins x 3 $ 4.050 Conect 40 Pins x 1 $ 250

RS205 x 1 $ 450 Impresión y Montaje $ 10.800

Acondicionamiento de Señales $ 242.400

Res 100k x 12 $ 200 Res 33k x 12 $ 200 Res 5.1 x 18 $ 300 Res 1.5k x 3 $ 50 Cap 1uF x 15 $ 750

Bornera 3 Pins x 2 $ 900 Bornera 2 Pins x 2 $ 600

30

AD820ANZ x 9 $ 153.000 AD620 x 3 $ 48.000

Impresión y Montaje $ 38.400

Tarjeta Arduino UNO $ 80.000 Ninguno

Micromotor $ 39.000 Ninguno

Servomotor $ 69.000 Ninguno

Sensor Óptico $ 43.000 Ninguno

Sensor de Fuerza $ 25.000 Ninguno

Baterías y Cargador $ 119.000 Baterías 3.7V x 4 $ 80.000

Cargador Baterías x 1 $ 39.000 Materia Prima Índice y

Corazón $ 14.400 Costo sin mecanizado

Materia Prima Pulgar $ 600 Costo sin mecanizado

Electrodos $ 140.000 4 Electrodos

Total $ 793.300 Cabe aclarar que el costo total mencionado en la anterior tabla no contiene los costos asociados a:

• Mecanizado de las piezas de aluminio • Ejes de rotación de dedos • Piezas de fibra de carbono y su mecanizado • Acolchonamiento del mecanismo de sujeción • Buje y rodamientos de la muñeca • Eje de acople de servomotor y muñeca • Camisa de protección y ubicación de componentes • Receptáculo de cintura para componentes electrónicos • Cables

31

4.10. Análisis de Impacto Ambiental 4.10.1. Materiales Netamente Reciclables

En el conjunto de materiales que componen la estructura neta de toda la prótesis existe un número determinado de elementos que pueden ser totalmente reciclables al fin de la vida útil del producto, tales como:

• Falanges • Placa de mano • Armazón de antebrazo • Camisa de sujeción • Bolsa de cintura (canguro)

Las falanges que están compuestas de aluminio pueden ser fundidas para generar nuevas materias primas. Los elementos textiles como el canguro y la camisa pueden ser reutilizados de diversas maneras, ya sea con fines artísticos, funcionales, etc.; las telas brindan un alto grado de versatilidad al momento del reciclaje. Los componentes de fibra de carbono son de una vida útil en extremo extensa y por ende se puede pensar en una posterior campaña de recolección de estos residuos para emplearlos como componentes para nuevas prótesis, ya sea para el mismo usuario que las está reciclando o para uno nuevo.

4.10.2. Materiales Parcialmente Reciclables Elementos como motores y servomotores; piezas pequeñas como tornillos, guayas o ejes; subsistemas como los de potencia, acondicionamiento y control; pueden ser parcialmente reciclables a modo de chatarra. Estos componentes pueden ser refaccionados o desmantelados para utilizar sus partes que aún estén se encuentren en buen estado para la fabricación de nuevos componentes.

4.10.3. Reciclaje Complejo Las baterías y los electrodos son componentes cuyo reciclaje está ligado a condiciones especiales y a normativas determinadas. Los electrodos, por ejemplo, al ser equipos médicos deben ser desechados de manera especial por motivos de salubridad e higiene. En el caso de las baterías, es necesario incluirlas en los procesos locales de reciclaje de objetos del mismo tipo a cargo de las empresas de aseo, pues al estar compuestas de distintos químicos tóxicos se pueden convertir en factores potenciales para la contaminación de aguas y suelos.

32

Capítulo 5 Diseño de Experimento

5.1. Parámetros de Diseño (Matriz DOE)

FACULTAD DE INGENIERÍA - SEDE BOGOTÁ

DISENO DE PRODUCTOS SOSTENIBLES (2024786)

Semestre: I - 2011 Ingeniería Mecánica e Ingeniería Mecatrónica

1. Título del Proyecto de Diseño:

Título: Prótesis de Mano Tridigital de 2 grados de libertad

2. Objetivos del Experimento:

Determinar pruebas de funcionamiento del circuito de filtrado y amplificación. Determinar el índice de correlación CC entre la señal de entrada y la señal de salida. Determinar la relación señal-ruido del circuito

3. Hipótesis que se quiere(n) responder:

¿Se acomodan los valores del CC y la SNR entre las señales de entrada y salida del circuito para un óptimo procesamiento de las señales mioeléctricas?

4. Defina los factores experimentales a controlar y la manera en que se medirán (sensores, SAD, etc.)

Frecuencias de corte de los filtros implementados. Factor de amplificación en la entrada. Variación de las frecuencias y amplitudes de las componentes en la señal de entrada. La medición se hará mediante un osciloscopio virtual.

33

5. Defina la(s) variable(s) de respuesta y la manera en que se medirá(n) (sensores, SAD, etc.)

Las variables de respuesta son las amplitudes de las señales de entrada y salida con las cuales se calculan el índice de correlación CC y la relación señal-ruido SNR. Los valores SNR y CC se calculan por medio de MatLab.

6. Redacte el modo en que se realizará el experimento (emplee acciones o tareas concretas

para definir el proceso) No. Descripción Duración (horas)

1 Diseño del circuito de acondicionamiento 4

2 Construcción de esquema circuital en el

simulador de circuitos 1

3 Consignación de múltiples datos para diferente componentes frecuenciales en la entrada 2

4 Cálculo de valores SNR y CC 2

7. Materiales e insumos necesarios (describa los elementos necesarios para realizar la experimentación: unidad experimental; sensores; instrumentos; consumibles; etc.)

Software de Simulación de Circuitos National Instruments Multisim 10 MatLab

5.2. Diseño Circuital 5.2.1. Amplificador de Instrumentación

34

Ilustración 7. Esquema circuital Amplificador de Instrumentación

Para una ganancia G, las ecuaciones que rigen el amplificador de instrumentación son:

�1 +2𝑅1𝑅𝑔

� = 𝐺 ∴1𝑅𝑔

+2𝑅1𝑅𝑔

= 𝐺

1 + 2𝑅1 = 𝐺𝑅𝑔 ∴ 𝑅1 =𝐺𝑅𝑔 − 1

2

5.2.2. Filtro Pasa Altas

Ilustración 8. Esquema circuital Filtro Pasa Altas.

Fc corresponde a la frecuencia de corte y se desea que sea de 5Hz. Af es la ganancia del circuito, la cual se desea de 1.

𝐹𝑐 =1

2𝜋𝑅𝐶∴ 𝑅 =

12𝜋𝐹𝑐𝐶

∴ 𝑅 =1

10𝜋𝐶

35

𝐴𝑓 =𝑅𝑓𝑅

=∴ 𝑅𝑓 = 𝑅

5.2.3. Filtro Pasa Banda

Ilustración 9. Esquema circuital Filtro Pasa Banda.

Se desea que el filtro permita el paso de señales cuya frecuencia se encuentre en el rango de 55 a 65 Hz:

𝑓𝑜 =65 + 55[𝐻𝑧]

2∴ 𝑓𝑜 = 60𝐻𝑧

𝐵𝑊 = 65 − 55[𝐻𝑧] ∴ 𝐵𝑊 = 10𝐻𝑧

𝑓𝑜 =1

2𝜋𝐶�𝑅1𝑅(1)

𝐵𝑊 =1.41𝑅𝐶𝑅�𝑅1𝑅

(1)

En (1)

𝑓𝑜2 =

14𝜋2𝐶2𝑅1𝑅

∴ 𝑅1 =1

4𝜋2𝐶2𝑓𝑜2𝑅

En (2)

𝐵𝑊2 =1.98𝑅2

𝐶2𝑅13𝑅(1) ∴ 𝑅1 = � 1.98𝑅

𝐶2𝐵𝑊2

3

Igualando

164𝜋6𝐶6𝑓𝑜

6𝑅3=

1.98𝑅𝐶2𝐵𝑊2 ∴

164𝜋6𝐶4𝑓𝑜

6𝑅2=

1.98𝐵𝑊2

36

𝑅 = �𝐵𝑊2

64𝜋6𝐶4𝑓𝑜61.98

∴ 𝑅 =1

(1.32 ∗ 107)𝐶2

5.2.4. Filtro Pasa Bajas

Ilustración 10. Esquema circuital Filtro Pasa Bajas

Fc = 100Hz Af = 1

𝐹𝑐=1

2𝜋𝑅𝐶∴ 𝑎2 = 𝑏2 + 𝑐2

𝐴𝑓 =𝑅𝑓𝑅1

∴ 𝑅𝑓 = 𝑅1

5.3. Simulación Para la simulación se corrieron 4 pruebas para distintas componentes frecuenciales de la entrada. Se mantienen constantes las frecuencias de 40 y 60 Hz por ser la primera un valor de frecuencia característico de las señales corporales y la segunda la frecuencia del sistema eléctrico colombiano. Una tercera frecuencia es agregada como otro tipo de ruido. Para calcular el índice de correlación y la relación señal-ruido se emplearon las siguientes ecuaciones (Álvarez Osorio, 2007):

𝐶𝐶 = 1𝑛∑ (𝑥[𝑘] − 𝜇𝑥)(𝑥�[𝑘] − 𝜇𝑥�)𝑛

𝑘=1

𝜎𝑥𝜎𝑥�

𝑆𝑁𝑅 = �∑ 𝑥[𝑘]2𝑛𝑘=1

∑ (𝑥�[𝑘] − 𝑥[𝑘])2𝑛𝑘=1

37

5.3.1. Prueba 1 Componente 1 60Hz 3mVp Componente 2 40Hz 400uVp Componente 3 10kHz 500mVp

Ilustración 11. Entrada y Salida Prueba 1.

Los índices fueron los siguientes: CC 2,73E-02 SNR 0,9999

5.3.2. Prueba 2 Componente 1 60Hz 300mVp Componente 2 40Hz 40mVp Componente 3 100Hz 50mVp

38



5.3.3. Prueba 3 Componente 1 60Hz 30mVp Componente 2 40Hz 400mVp Componente 3 100Hz 10mVp

39



5.3.4. Prueba 4 Componente 1 60Hz 500mVp Componente 2 40Hz 400mVp Componente 3 1kHz 100mVp

40


Los índices fueron los siguientes: CC 1,83E-01

SNR 1,0160 Luego de comparar y analizar los distintos valores de los índices según las diferentes amplitudes y frecuencias de entrada, se puede observar que los datos obtenidos en la primera prueba son los mejores; lo anterior indica que para ese tipo de componentes frecuenciales el circuito tiene un mejor comportamiento. Es importante destacar también que los valores en la entrada de la prueba 1 corresponden a los característicos en las mediciones bioeléctricas reales.

41

Aporte y Valor Social del diseño El proceso de diseño de este producto presenta una motivación para continuar en el desarrollo de prótesis robóticas de bajo costo que pueda generar una innovación tecnológica que permita ofrecer una mejor calidad de vida a quienes han perdido sus extremidades superiores. Usando la mayor cantidad de componentes estandarizados y buscando una fácil construcción de las partes específicas y exclusivas del diseño se puede llegar a un dispositivo de bajo costo.

42

Conclusiones

• Es necesario determinar los rangos y formas de señales mioeléctricas que se piensan utilizar para el control de un dispositivo de este tipo, por lo cual se recomienda caracterizar previamente este tipo de señales empleando equipos de medición neurofisiológica.

• Al diseñar elementos como las falanges se debe tener en cuenta que para estandarizar el diseño se tienen que definir distintos tamaños o tallas con el fin de ofrecer el producto a un público más amplio.

• El mecanizado de las piezas debe ser simple y fácil para disminuir al máximo los

costos de manufactura. • Al emplear la mayor cantidad de componentes estandarizados se disminuye el costo

desde el diseño, la construcción y el ensamble.

43

Referencias Álvarez Osorio, L. (2007). Acondicionamiento de Señales Bioeléctricas. Pereira, Colombia:

UTP. DANE. (s.f.). Departamento Administrativo Nacional de Estadística. Obtenido de

www.dane.gov.co Gómez, C. I., & González, J. C. (2004). Información Estadística de la Discapacidad. Bogotá:

DANE. IEEE. (s.f.). IEEE. Obtenido de www.IEEE.org Lorenzo-Yustos, H., Álvarez-Ordoñez, J., Lafont Morgado, P., Muñoz Sanz, J., & Muñoz-

García, J. (2007). Mecanismo Articulado de Mano de Maniquí. 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA.

Online, Q. (2008). QFD Online. Obtenido de http://www.qfdonline.com/templates/ Wikipedia. (s.f.). Wikipedia.org. Obtenido de

http://es.wikipedia.org/wiki/Proteus_(electr%C3%B3nica) Wikipedia. (s.f.). Wikipedia.org. Obtenido de http://es.wikipedia.org/wiki/AutoCAD Wikipedia. (s.f.). Wikipedia.org. Obtenido de

http://es.wikipedia.org/wiki/Electronics_Workbench Yang, J., Peña Pitarch, E., Abdel-Malek, K., Patrick, A., & Lindkvist, L. (2004). A multi-fingered

hand prosthesis. Mechanism and Machine Theory.

Informe Final

Documents

Transcript of Informe Final