Protocolo

Índice General
RESUMEN.
INTRODUCCIÓN.
ANTECEDENTES HISTORICOS.
PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA.
JUSTIFICACIÓN
OBJETIVOS.
MARCO TEORICO.
METODOLOGÍA.
IMPACTO.
CITAS Y REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
Protocolo
Resumen.
Las técnicas de control inteligente pueden dar buenos resultados siendo aplicadas
a redes neuronales de las prótesis biónicas, debido a se puede generar un mayor
control de estabilidad ayudando a las personas a sustituir una extremidad del cuerpo
humano, esto se logra con ayuda de los avances tecnológicos en diferentes áreas.
Aunque se tienen que considerar varios factores antes de realizar una prótesis como
lo puede ser el funcionamiento de la marcha humana, la utilización de los materiales
adecuados, el uso correcto del control y el espacio que ocupara dicho control debido
a que los recursos y el tamaño puede aumentar dependiendo del sistema a trabajar.
Además de que debemos de considerar los parámetros necesarios para el
funcionamiento de las señales electromiografías como lo son el voltaje y el filtro
necesario para limpiar la señal y evitar errores en el funcionamiento.
El uso de sensores de contacto nos permitirá saber hacia dónde debe realizar su
inclinación el tobillo para evitar movimientos forzados, todo esto será controlado
mediante una red neuronal teniendo como datos de entrada el contacto de los
sensores y la señal electromiográfica.
Protocolo
Introducción.
Actualmente las prótesis transtibiales se pueden subcategorizar en dispositivos
pasivos, semi-motorizados o motorizados a diferencia de los dispositivos pasivos y
semi-motorizados, las prótesis robóticas pueden generar de forma única energía
mecánica positiva neta para acelerar el sistema humano-máquina (llamado
biomecatrónico) [1]. Sin embargo, con la intervención del control inteligente
aplicando redes neuronales podemos proporcionar una señal que caracteriza
variables cinemáticas del movimiento humano (velocidad, ángulo de inclinación)
[2][3]. Obteniendo una mejor eficiencia en el sistema, aumentando el tiempo el que
son usadas a causa del degaste metabólico causados por movimientos forzados.
Las prótesis motorizadas de tobillo y pie han recibido una especial atención en las
últimas décadas. Debido a su estructura impulsora, en donde pueden proporcionar
energía directa para caminar [4]. Por lo tanto, las personas amputadas podrán tener
una mejor marcha humana con prótesis motorizadas a diferencia de las prótesis
pasivas.
Funcionando mediante tres métodos principales, actuadores neumáticos,
actuadores hidráulicos y motores eléctricos, la selección del método más apropiado
dependerá de la fuente de energía y el peso esperado de la prótesis [4], [5]. En
donde el peso debe de encontrarse dentro del preso promedio del pie humano. Si
el peso excede esto, el amputado se puede sentir incomodo en el uso de la prótesis
por plazos largos de tiempo. Se necesitan materiales de alta resistencia debido a
que soportara grandes cantidades de peso corporal para realizar actividades de la
vida diaria. Algunos desarrolladores han utilizado materiales como polímero liviano
y de alta resistencia en lugar de metales [5].
Protocolo
Antecedentes históricos.
Las prótesis pasivas fueron una alternativa viable durante muchos años, sin
embargo, las personas desarrollaban problemas de agotamiento y movimientos
forzados por lo que fue necesario trabajar en nuevas tecnologías capaces de
simular la marcha humana o locomoción, partiendo de base diseños protésicos con
tecnología neumática basados en el funcionamiento de excavadoras, capaces de
simular la locomoción humana [7]. Pero con la intervención de la biomecatrónica se
definió como una posible solución que integra aspectos biológicos, mecánicos y
eléctricos [8]. Buscando minimizar riesgos de caigas hacia personas con
amputación transfemorales (TFA), algunas de ellas trabajan con electromiografía
superficial (EMG).
Los amputados transtibiales utilizan entre un 20 y un 30% más de energía
metabólica, para realizar paseos en comparación a una persona sin amputación, lo
que provoca una locomoción más lenta en el mismo recorrido.
Hay dos obstáculos principales que dificultan la mejora en las prótesis de tobillo-pie
motorizada, fabricar una prótesis que se ajuste a las condiciones de tamaño y peso
del tobillo humano, pero que, al mismo tiempo ofrezca una potencia al motor lo
suficientemente amplia para mover a la persona amputada [9].
Avances de pie protésicos.
Pie adaptativo para un caminado natural [10], [11]. (Figura 1). Esta es una prótesis
de pie pasiva completamente desarrollada mediante el estudio del arco del pie
humano. La prótesis fue desarrollada por el Centro de investigación de la
Universidad de Italia en el 2016, utilizando un método de prototipo basado en el
mecanismo de Windlass permitiendo la elevación y compactación del arco medial
del pie, en esta posición el pie se debe encontrar en una posición de bloqueo para
poder enviar toda su fuerza a la elevación o despegue.
Protocolo
Figura 1: Prótesis pasiva adaptativa.
Referencia: [10], [11]
Figura 2: PANTOE 1 Prótesis activa
Referencia: [10], [12]
PANTOE 1 [10], [12]. (Figura 2). Es una prótesis activa con regeneración de energía
en el segmento de tobillo y pie. Fue desarrollada en la Universidad de Pekin, China
en 2010 y consta con dos actuadores elásticos siendo este uno de los métodos de
actuadores de torque en prótesis modernas. El pie se acciona por medio de un
motor de escobilla CC, husillos de bola y los actuadores elásticos.
Los pies protésicos de almacenamiento y retorno de energía sirven como sistemas
de resorte designados, almacenando energía en la mitad de la marcha, que de
nuevo se libera para la propulsión del pie en la última fase de la marcha. Se ha
informado que el aumento del retorno de energía beneficia a los usuarios con un
aumento de la propulsión del cuerpo y la disminución de la carga del miembro sano.
Estos dispositivos alteran a rigidez desplazando un soporte en un sistema de
deflexión de vigas, lo que permite un cambio en la rigidez del ante pie entre los
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pasos. Las características de amortiguación de los pies protésicos también han
demostrado un aumento de las tasas de carga en el lado no afectado en amputados
unilaterales [13].
Señales Mioelectricas (EMG)
Las señales de electromiografías (EMG) es el registro de la actividad eléctrica de
los músculos en respuesta a una estimulación nerviosa. Utilizar este tipo de señales
en el control implica considerar elementos como la fatiga muscular y el ruido que
puede llegar a generar dichas señales.
Uno de los problemas de esta técnica es la fatiga muscular reportado en 1993. Las
señales de EMG cambian de amplitud y frecuencia lo que puede causar problemas
en el control de la prótesis. En el año 2000 se utilizó este tipo de señales para
controlar prótesis de mano. Se utilizarán técnicas de extracción de caracteres, esta
etapa consiste en extraer la información más relevante para disminuir el error y
poder tener más exactitud en el sistema protésico.
Las señales mioelectricas han sido utilizadas en prótesis desde hace varios años,
especialmente en prótesis de mano, pero también han tenido desarrollo en el uso
de la rehabilitación y mejorar la marcha humana de personas amputadas. El medio
de trabajo es adquirir las señales atraves de un sensor muscular alimentado por
+9V Y -9V y colocando electrodos colocados en la zona de los cuádriceps.
Posteriormente utilizamos una pre-amplificación aumentando los parámetros de la
señal a milivolts para realizar una etapa de filtrado en donde se eliminarán diferentes
tipos de ruido que se encuentren en la señal, utilizando un filtro pasa banda que
consiste en dos tipos de filtro uno pasa bajas y un pasa altas dejando la señal en un
rango de operación de 40 y 500 Hz y por ultimo un filtro rechaza banda que eliminara
los componentes de 60 Hz [14].
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Planteamiento del Problema.
El uso de las rehabilitaciones en prótesis de pierna consiste en bandas
electromiográficas para ayudar a la persona a generar estimulación muscular, sin
embargo, resulta muy trabajoso acostumbrarse a este tipo de métodos además de
que no son suficientes para ayudar al funcionamiento de una prótesis, con ayuda
de una potencia constante al sistema la persona podrá generar una marcha
constante y al mismo tiempo generar una mejorar sensación a una prótesis.
Generando una mejor interacción y comunicación entre el humano-maquina en
otras palabras entre y prótesis- muñón tratando de visualizarlos como una sola
entidad.
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Justificación.
Según la Organización Mundial de la Salud se estima que quinientos millones de
personas en el mundo, es decir el 10% de la población, tiene algún tipo de
discapacidad.
De hecho, las discapacidades para caminar por una amputación de pierna en
México sobrepasan por mucho otro tipo de padecimientos.
De acuerdo con el Censo de Población y Vivienda 2020, en México hay 6,179,890
personas con algún tipo de discapacidad, lo que representa 4.9 % de la población
total del país. De ellas 53 % son mujeres y 47 % son hombres. Representa un grave
problema para la salud pública y la calidad de vida en México, pues en la mayoría
de estos casos, las personas no son capaces de ser independientes para realizar
tareas básicas de su día a día ni tampoco para lograr una independencia
económica, ya que la baja inclusión de personas discapacitadas en el sector laboral,
las coloca en situaciones bastante vulnerables [6].
Protocolo
Objetivo.
Mejorar el proceso de rehabilitación atraves de una prótesis transtibial con control
inteligente, generando una potencia constante y giros del tobillo con ayuda del
control inteligente que pueda mejorar la sensación de uso de una prótesis.
Objetivos específicos
Análisis de los sistemas de amortiguamiento de pesos.
Diseñar un sistema de tobillo que genere la fuerza suficiente para la
locomoción humana
Reconocer e identificar las distintas fuerzas aplicadas para selección de
materiales.
Análisis de señal electromiografíca.
Análisis de sensores de contacto.
Diseñar un control inteligente basado en redes neuronales.
Acoplar el control inteligente con los sensores.
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Marco teórico.
Señal mioélectrica.
Las señales mioelectricas (EMG) registrara la actividad muscular atraves de un
sensor compuesto por un módulo ad620 y 3 electrodos adhesivos (positivo, negativo
y referencia) encargados de captar el movimiento (Figura 3). Dicho sensor se
alimentará con una fuente bipolar de +-9v dando como resultado una salida
analógica que se trabajará para obtener el resultado deseado. Uno de los problemas
de esta técnica es la fatiga muscular reportado en 1993. Las señales de EMG
cambian de amplitud y frecuencia lo que puede causar problemas en el control de
la prótesis. Se utilizarán técnicas de extracción de caracteres, esta etapa consiste
en extraer la información más relevante para disminuir el error y poder tener más
exactitud en el sistema protésico.
Figura 3: Correcta colocación de electrodos de
pierna. Imagen propiedad de TOP Terapia.
Referencia: [15]
Etapa de pre-amplificación y filtrado.
El sensor electromiográfico es el encargado de detectar la estimulación nerviosa
generada por el muñón, cuando este se encuentra en reposo obtendremos una
amplitud de 0V y cuando se genere una estimulación alcanzaremos amplitudes de
2.5µV.
Debido a que las señales mioeléctricas son de pequeña amplitud, el ruido ambiental
o en mayor medida el ruido de línea (60Hz) puede provocar una falsa interpretación
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de los resultados. Por lo tanto, el amplificador de la unidad de procesamiento
necesita ser no solo lo suficientemente sensible como para detectar y amplificar las
pequeñas señales, sino que también debe rechazar los ruidos para obtener solo
actividad electromiográfica. Los amplificadores diferenciales permiten rechazar gran
parte del ruido externo.
Etapa de filtrado.
La etapa de filtrado nos permitirá obtener una señal más limpia atraves de un filtro
pasa altas el cual tendrá una frecuencia de corte de 500 HZ conformado por dos
condensadores y una resistencia.
Etapa de amplificación.
En ésta etapa se realiza de nueva una amplificación, pero en éste caso es de la
señal ya filtrada, dicho circuito consta de un no-inversor, el cual se implementó con
un amplificador operacional para obtener unas amplitudes mayores.
Etapa de rechaza banda.
El filtro notch se caracteriza por rechazar una frecuencia determinada que este
interfiriendo a un circuito, en nuestro caso la frecuencia de 60Hz que es generada
por la línea de potencia. El circuito se ve expuesto a ruido ambiental que proviene
de las lámparas fluorescentes y otros dispositivos que emiten ruido a través de
ondas de 60 Hz. El filtro notch se encargará de rechazar exclusivamente el ruido de
60 Hz para entregar a la salida una señal completamente pura de distorsiones.
Ciclo de marcha.
El ciclo de marcha humana se inicia con el golpe del talón del pie y termina con el
siguiente golpe de talón del pie contrario. Las principales sub-divisiones del ciclo de
marcha son la etapa de posición (60% del ciclo) y la etapa de balanceo (40% del
ciclo). La etapa de balanceo se refiere al despegue del pie del suelo. La etapa de
posición comienza cuando el talón toca el suelo y termina con el despegue del pie,
cuando este asciende. A partir del periodo de posición puede separase en dos
etapas: dorsiflexión y flexión plantar potenciada [9].
Protocolo
Figura 4: Etapa de posición con dorsiflexión y
flexión plantar
La etapa de dorsiflexión comienza cuando el talón toca el suelo amortiguando el
peso, posteriormente se da inicio a la flexión plantar potenciada la cual es la
encargada de generar la potencia suficiente para desplazar a la persona.
Protocolo
Metodología.
La línea de investigación para el protocolo es la siguiente:
Investigar avances científicos de los últimos 5 años, así como analizar las
teorías utilizadas en los mismos.
Seleccionar un sistema mecatrónico de interés y estudiarlo a fondo.
Desarrollar el diseño en Solidworks para realizar simulaciones de peso.
Desarrollar diseño de piezas que se imprimirán en 3d.
Análisis estructural de las piezas impresas en 3d y simulación del material a
trabajar en Autodesk Meshmixer y Ultimaker.
Selección de sensores, actuadores y circuitos que se utilizaran para el
control.
Realizar un sistema de adquisición de la señal mioélectrica que amplifique y
filtre la señal.
Realizar un control inteligente basado en redes neuronales que controle el
sistema.
Realizar la impresión 3d y fabricar las piezas necesarias para la prótesis.
Ensamblar el sistema protésico.
Realizar pruebas físicas para una mejor obtención de resultados del sistema.
Impacto.
Se espera construir un diseño económico para el sector salud, que pueda ayudar a
las personas amputadas a mejorar la calidad de vida, además de que cuenten con
un sistema de control lo más exacto con el fin de aumentar el número de personas
que puedan contar con este tipo de tecnologías y usarlas el mayor tiempo posible.
El desarrollo de este proyecto beneficia las personas amputadas permitiéndoles la
realización de sus actividades diarias de una manera más eficiente, contando con
una prótesis que cumpla las mejores condiciones para su uso. Por ejemplo, con un
peso que no sobrepase el del miembro amputado ya que esto producirá un mayor
desgaste metabólico para la persona y con ayuda de las señales mioelectricas el
sistema será capaz de crear energía ayudando a disminuir el desgaste a la persona
amputada.
Bibliografías.
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Protocolo
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