TranformesDFourier proyecto

Universidad
Veracruzana.
Facultad de Instrumentación Electrónica.
P.E. Ingeniería en Instrumentación Electrónica.
E.E.: Tópicos avanzados 2 (Instrumentación Biomédica)
Proyecto Integrador: Prótesis Bioelectrónica controlada con señales
EMG
Académico: Luis Julián Varela Lara.
Integrantes: Eddi Alberto García Sánchez.
Martín Garcés Méndez.
Charly Uriel Triana Hernández.
Pedro Gonzalo Pérez Méndez.
Juan José Chigo Rodríguez.
Fecha de entrega: 11/12/2018
Desarrollo
1. Objetivo.
Diseñar y desarrollar el prototipo de una prótesis biónica que pueda ser manipulada
mediante el uso de biopotenciales generado en fibras musculares (EMG).
2. Planteamiento del problema y solución.
Problema:
¿Qué músculos serían esenciales para controlar idealmente la prótesis?, ¿El
usuario debe realizar un entrenamiento con la misma?
Propuesta de solución:
Para el desarrollo de la prótesis bioelectrónica debemos considerar que grupo de
músculos son los adecuados para la manipulación de la prótesis. Tomando en
cuenta, que en un futuro el paciente puede poseer o no la extremidad que la prótesis
pueda remplazar.
Se sugiere utilizar un grupo de músculos, que no se utilicen mucho, o bien que
puedan llevar a cabo una secuencia de movimientos a modo suave y sencillo. Como
los músculos del abdomen, de cara y cuello, o bien de alguna extremidad.
3. Materiales
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2 Servo-motores SG90.
Una tarjeta de Arduino Uno, con el microcontrolador ATmega 328.
3 electrodos.
1 INA 128.
1 TL084.
Resistencias de diferentes valores: 7 de 220Ω, 1 de 1MΩ, 2 de 10kΩ
Capacitores de diferentes valores: 1 de 100nf y 1 de 10nf.
1 display de 7 segmentos.
Software Atmel Studio.
Cartón gris.
Madera mdf.
4. Procedimiento.
Paso 1.
Obtención de señales de biopotencial.
La señal de biopotencial se obtiene a partir de la contracción de determinado tejido
muscular, por lo tanto, es indispensable elegir un tejido óptimo para que dicha señal
sea tanto viable, como de magnitud considerable. Al tener en cuenta los parámetros
previamente mencionados, se procede sobre los diferentes tejidos, teniendo en
cuenta nuevamente su disponibilidad en el paciente.
Al considerar la facilidad de adquisición, se puede recurrir a los músculos de alguna
extremidad. Esto es por la comodidad del usuario y la ventaja que dichos tejidos
presentan en términos de magnitud.
Los músculos de la pierna proporcionan los parámetros ideales para el
procedimiento a realizar. En este caso, el músculo a proceder se denomina: tibialis
anterior. Ubicado en la parte frontal inferior, debajo del muslo.
La adquisición se realiza a partir de un amplificador de instrumentación con
ganancia de 1800 v/v. Dicha ganancia es proporcionada por una RG de 28Ω, dada
por la relación:
𝑅𝐺 =
50 𝐾
= 27.7777Ω
1800
Paso 2.
Filtrado
Se lleva a cabo un proceso de filtrado digital en Matlab para el ancho de banda de
la señal de EMG. El ancho de banda correspondiente es de 10 Hz a 120 Hz. Esto
para garantizar adecuadamente la adquisición de las muestras.
Dado que el voltaje de alimentación es proporcionado por una fuente lineal, es decir,
que requiere elementos como el transformador, que proporcionan una frecuencia
de ruido similar a la de la red eléctrica: 60Hz. Este filtro se realizó de manera digital
en Matlab. De topología rechaza banda.
Al estar los electrodos sometidos al movimiento del músculo y al del cuerpo en sí,
la línea base de la señal de EMG se ve seriamente afectada, para ello, se
implementa un filtro pasa altas con una frecuencia de corte de 1.59Hz. Conectado
al amplificador de instrumentación como se muestra a continuación.
Como último proceso de filtrado, se llevó a cabo la implementación de un filtro
pasa bajas anti aliasing. La frecuencia de corte es de la mitad de la frecuencia de
muestreo, es decir, de 150 Hz.
𝑅1 = 100 𝑘Ω
𝐶1 = 10 𝑛𝑓
Offset
Se produce un offset de 2.5v después de la etapa de filtrado. Colocando un divisor
de voltaje con ambas resistencias iguales.
Paso 3.
Construcción de la prótesis bioelectrónica
Los sistemas biónicos deben ser capaces de responder efectiva y ligeramente.
Proporcionando ante todo una precisión en los movimientos y una dinámica
adecuada en su campo de trabajo. Para fijar una precisión y un movimiento
adecuado, se necesita un sistema electromecánico que disponga dichos elementos.
En este caso se recurrió a servomotores.
Es indispensable de igual modo, hacer la construcción del prototipo a partir de
materiales ligeros. En este caso se empleó cartón tipo gris y para la base del
prototipo: madera mdf.
Construcción de los elementos para el brazo y la base.
Base:
1 pieza:
2 piezas:
17 cm.
30 cm.
5 cm.
3 cm.
Antebrazo:
2 piezas:
6 piezas:
2.5 cm.
2.5 cm.
13 cm.
0.7cm
Brazo:
2 piezas:
4 piezas:
2.5 cm.
21 cm.
4.5 cm.
3 cm.
Fijación de los servos.
Paso 4.
Algoritmo y programación de la prótesis
Para la programación de la prótesis, se utilizó el software Atmel Studio 6.2, que
proporciona las herramientas necesarias para programar el siguiente código en el
microcontrolador ATmega 328.
5. Resultados.
FIGURE 1. ESTRUCTURA EQUIVALENTE A UN BRAZO.
FIGURE 2. PROTOTIPO FINAL.
6. Análisis de resultados.
Los resultados obtenidos fueron satisfactorios. Tomado en cuenta, que, para el uso
y manipulación de la prótesis biónica, se debe tener un adestramiento adecuado.
Un defecto que encontramos en la misma fue, la dificultad que poseía el servomotor
inferior para moverse, sin embargo, asociamos que esto se debía, al peso de la
estructura. Esto se comprueba, al remover la estructura que manipula el servomotor
superior.
7. Conclusiones.
Juan José:
Finalmente, los conocimientos adquiridos durante este proyecto dan a resaltar la
funcionalidad de una prótesis biónica y la importancia del desarrollo de las mismas.
El uso de un microcontrolador como un canal de comunicación entre el usuario y la
prótesis, le dan un peso importante, ya que demuestra los conocimientos adquiridos
durante diferentes experiencias educativas. Así como los alcances y limitaciones
que pueden poseer el desarrollo de este tipo de proyectos. Termino satisfecho de
esta actividad, porque demuestra la parte teórica de los conocimientos adquiridos
durante clases, aplicados a un sistema real y funcional.
Pedro Gonzalo:
Todo instrumento biomédico, tiene como principal propósito 3 vertientes:
tratamiento, diagnóstico o reemplazo. Un sistema que tenga la capacidad de ser
manipulado a partir de señales de electromiografía es indispensable para cumplir
mínimo una de las 3 vertientes: el reemplazo. Lo que se pretende con este prototipo,
es llevar a cabo una prótesis que funja como una extremidad controlada a partir de
los movimientos en otra. Si no se lleva a cabo algún tipo de secuencia para concretar
dicha acción, el sistema por sí mismo va a presentar movimientos no deseados, por
ello, este sistema se puede decir que es único en su tipo, ya que no se encuentran
en el mercado prótesis que dispongan este entrenamiento en el usuario. Una de las
acciones que ratifican y concluyen la efectividad de este prototipo es la facilidad de
uso y sobretodo la capacidad de implementar sistemas con los conocimientos
adquiridos previamente en clase, así como en experiencias educativas pasadas.
8. Referencias.
9. Firma