REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD PRIVADA DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE ELECTRÓNICA
MENCIÓN AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL
PROTESIS ROBOTICA DE ANTEBRAZO CONTROLADA POR SEÑALES MIOELECTRICAS
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO ELECTRONICO MENCIÓN: AUTOMATIZACION Y CONTROL
PRESENTADO POR:
ALVARADO, HECTOR FERNANDEZ, KENY GARCIA, ALEJANDRO
GONZALEZ, ADRIAN
ASESORADO POR:
Ing. PARRA FRANCISCO Dra. MENDEZ MARISELA
MARACAIBO, JUNIO 2014
PROTESIS ROBOTICA DE ANTEBRAZO CONTROLADA POR
SEÑALES MIOELECTRICAS
iii VEREDICTO
iv VEREDICTO
v VEREDICTO
vi VEREDICTO
vii
DEDICATORIA
Esta tesis se la dedico primordialmente a Dios y a la Virgen de la Chinita, porque siempre le he pedido por la culminación tanto de mi carrera como de este trabajo de investigación. También se lo dedico a mi familia y amigos que ayudaron o colaboraron en aquellos momentos que necesitaba de ellos.
ALVARADO HECTOR Quisiera dedicarle esta tesis primeramente a mi Señor Jesucristo por haberme establecido en la tierra como un vencedor y por ayudarme cada día a cumplir mis metas.
FERNANDEZ KENNY
A Dios por haberme permitido culminar esta etapa de mi vida y haberme otorgado los dones del entendimiento, fortaleza e inteligencia. A mi familia, principalmente a mis padres, a mi madre por entregarme su inmenso amor y dedicación, por tus consejos y sobre todo por tenerme mucha paciencia y comprensión.
GARCIA ALEJANDRO Esta tesis se la dedico a Dios sobre todo, por haberme dado la sabiduría de poder pasar todos los obstáculos que estuvieron en mi vida, a mi familia que sin ellos no estuviera aquí en esto momento tanto dulce de mi vida, sobre todo a mi madre que ha sido una gran inspiración para mí.
GONZALEZ ADRIAN
viii
AGRADECIMIENTO
A Dios, por darnos la capacidad e inteligencia para hacer posible el alcance de nuestras metas, y por ser nuestra roca y fortaleza para seguir adelante.
A nuestros padres, por sus sacrificios y dedicación a lo largo de toda nuestra vida para formarnos y ayudarnos a crecer tanto personalmente como profesionalmente. Este éxito es gracias a ustedes.
Con gran afecto a nuestro tutor académico, Ing. Francisco Parra por su constante apoyo y dedicación, por instruirnos en cada paso que hizo posible el desarrollo esta investigación.
A nuestra tutora metodológica, Dra. Marisela Méndez por dedicar y otorgar conocimientos a lo largo de este camino.
A todos los profesores que ayudaron a impulsar nuestro crecimiento profesional, ampliando nuestros conocimientos y preparándonos para el campo laboral.
Gracias por enseñarnos a valorar que la perseverancia siempre arrojará experiencias únicas…
Héctor Alvarado.
Kenny Fernández.
Alejandro García.
Adrián González.
ix
Alvarado Héctor, Fernández Kenny, García Alejandro, González Adrián.
“PROTESIS ROBOTICA DE ANTEBRAZO CONTROLADA POR SEÑALES MIOELECTRICAS ”. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Mención: Automatización y Control de Procesos. Maracaibo, Venezuela 2014.
RESUMEN
El propósito del presente trabajo fue desarrollar una prótesis robótica de antebrazo que permitiera al usuario la utilización de la misma de una forma rápida y sencilla, así como su económica elaboración para una fácil adquisición del prototipo por parte de personas con ausencia de dicho miembro. Las prótesis robóticas han permitido a través de los años una mejor calidad de vida para las personas con discapacidad física. Es por esto que se desarrolló esta prótesis que trabaja con señales mioelectricas, la cual se ha convertido en toda una revolución en los últimos años para la fabricación de prótesis controladas por dichas señales, ya que le permite al usuario obtener un mayor control sobre ellas. Esta investigación estuvo sustentada teóricamente por: Hurtado (2000), Hernández (2006), Sabino (2000), entre otros. El tipo de investigación utiliza do fue Proyectiva, Descriptiva, de Campo y no experimental. Se emplearon como método de recolección de datos y la observación indirecta. Se aplicaron 6 fases compuestas por la metodología de Angulo (1986) y Savant (2000): definición del problema, definición de las especificaciones, esquema general del hardware, Adaptación entre el hardware y el Software, depuración del software y por ultimo construcción del modelo definitivo y pruebas finales. Finalmente, se obtuvo una prótesis robótica de antebrazo controlada por motores paso a paso manejados por un micro controlador (Arduino) el cual recibe coordenadas desde un circuito amplificador que capta las señales mioelectricas generadas por los músculos, dichas señales se obtienen a través de un medio físico como los electrodos que van directamente conectados a la extremidad del usuario.
Palabras claves: Prótesis, Robótica, Antebrazo, Mioelectricas, Micro controlador, Motores, Electrodos.
x
Alvarado, Héctor. García, Alejandro. González Adrian. Fernández Kenny.
“ROBOTIC PROSTHETIC FOREARM CONTROLLED SIGNAL MYOELECTRIC”. Dr. Rafael Belloso Chacín Private University. Faculty of Engineering School of Electronics. Mention Automation and Control.
Maracaibo, 2014.
ABSTRACT
The purpose of this work was to develop a robotic prosthetic forearm to allow the user to use it quickly and easily, as well as its economic development to prototype an easy acquisition by persons with no such member. The robotic prostheses have enabled over the years a better quality of life for people with physical disabilities. This is why working with myoelectric prosthesis signals , which has become a revolution in recent years for the manufacture of prostheses controlled by these signals, allowing the user more control over them developed. This research was supported theoretically by Hurtado (2000), Hernández (2006), Sabino (2000), among others. The type of research used was Projective, Descriptive, Country and not experimental.
Were used as data collection and indirect observation. Problem definition, definition of specifications, general scheme of hardware, Adaptation between hardware and software, software debugging and finally construction of the model consist of 6-phase methodology Angulo (1986) and Savant (2000) were applied final and final tests. Finally, a robot forearm prosthesis handled passage controlled by a microcontroller (Arduino ) which receives the coordinates from an amplifier circuit that captures myoelectric signals generated from muscles, stepper motors such signals are obtained via a means obtained electrodes physically and are directly connected to the head of the user.
Key words: Prosthetics, Robotics, Forearm, Myoelectric, Micro controller, motors, Electrodes.
xi
ÍNDICE GENERAL
PÁG.
VEREDICTOS………...…..iii
DEDICATORIA……… ...vii
AGRADECIMIENTO……….…....viii
RESUMEN……….…...ix
ABSTRACT……….……… ..…x
ÍNDICE GENERAL……… .… xi
ÍNDICE DE FIGURAS………xv
ÍNDICE DE CUADROS………...xvii
INTRODUCCIÓN……….…… 1
CAPÍTULO I. EL PROBLEMA……….……3
1. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN OBJETO DE ESTUDIO……….4
1.1 FORMULACION DEL PROBLEMA………...…6
2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN………...….6
2.1. OBJETIVO GENERAL………..…6
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ………....7
3. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN……….……7
4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN………...8
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO………9
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN……… ...10
xii
2. BASES TEORICAS……….…15
2.1 PROTESIS……….15
2.1.1 HISTORIA DE LA PROTESIS ……….16
2.1.2 TIPOS DE PROTESIS………..18
2.1.2.1 PROTESIS ESTATICAS………...18
2.1.2.2 PROTESIS ACTIVAS………18
2.1.2.3 PROTESIS MIOELÉCTRICAS……….19
2.1.2.4 PROTESIS ELECTRICAS………21
2.1.2.5 PROTESIS HIBRIDAS………..21
2.1.3 ELEMENTOS DE LA PROTESIS ……….…………..22
2.1.3.1 CODOS MECANICOS……….………….22
2.1.3.2 CODOS ELECTRICOS ……….……23
2.1.3.3 GANCHOS Y MANOS……… .…….24
2.1.3.4 BATERÍAS……….……….25
2.2 SEÑALES MIOELEÉCTRICAS………..…..25
2.2.1 ORIGEN DE LA SEÑALES MIOELECTRICAS……….………..26
2.2.2 APLICACIONES DE LAS SEÑALES MIOELÉCTRICAS……...27
2.2.3 APLICACIONES MÉDICAS……….…27
2.2.4 APLICACIONES DE CONTROL……….28
2.2.5. LOS HUESOS DEL MIEMBRO SUPERIOR……….28
2.2.5.1 LA CLAVICULA………...…..……….……..29
2.2.5.2 LA ESCAPULA……….…..……..……..30
2.2.5.3 EL HÚ MERO……… .………..30
2.2.5.4 EL CÚBITO……….……….31
xiii
2.2.5.5 EL RADIO……….31
2.2.6 EL BRAZO……….….31
2.2.6.1 MUSCULOS FIJADORES……….…….32
2.2.6.1.1 MUSCULOS FLEXORES………33
2.3 ADQUISICION DE LAS SEÑALES MIOELECTRICAS………..34
2.3.1 ELECTROMIOGRAFIA (EMG)………35
2.3.2 DESCOMPOSICION DE LAS SEÑALES MIOELÉCTRICAS…36 2.3.3 ELECTRODOS ………..36
2.3.4 TIPOS DE ELECTRODOS………..37
2.3.4.1 ELECTRODOS SUPERFICIALES………..37
2.3.4.2 ELECTRODOS PROFUNDOS………38
2.3.5 POSICION DE LOS ELECTRODOS……….….39
2.3.6 INTERFERENCIAS………..40
2.3.7 AMPLIFICADORES……….….40
2.3.8 RELACION FUERZA – SEÑAL EMG……….…..41
2.3.9 DIGITALIZACION DE LA SEÑAL……….…….41
3. SISTEMAS DE VARIABLES………...……..42
3.1 DEFINICION NOMINAL……….………..42
3.2 DEFINICION CONCEPTUAL………..42
3.3 DEFINICION OPERACIONAL………....44
CAPITULO III. MARCO METODOLOGICO………45
1. TIPO Y DISENO DE LA INVESTIGACIÓN………..………46
2. POBLACIÓN………..………..49
3. TECNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ……….50
xiv
4. METODOLOGIA SELECCIÓNADA………..…51
5. CUADRO Y CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Y RECURSOS…….….54
6. HERRAMIENTAS Y MATERIALES UTLIZADOS………...56
CAPITULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION……….…..58
1. ANALISIS Y DISCUSION DE LOS DATOS Y RESULTADOS …………....59
1.1 DESARROLLO DE CADA FASE DE LA INVESTIGACIÓN………….59
1.2 PRESENTACION DE LA PROPUESTA……….73
CONCLUSIONES……….87
RECOMENDACIONES……… ...…………90
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ………..………..91
ANEXOS………94
A. Entrevista no estructurada……..……….….….…...95
B. Arduino, proteus professional……….……….….….96
C. Fuente de poder de la prótesis, etapa de amplificación y filtrado de la prótesis, motores eléctricos para controlar la prótesis…….…………..….…..97
xv
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURAS Pág.
1. Prótesis……….….16
2. Prótesis mioelectricas………..… ...20
3. Mano eléctrica……… ...……...21
4. Codos eléctricos………...……….…………...….23
5. Gancho para prótesis………..………24
6. Proceso de captación de la señal del musculo……… ...…...26
7. Huesos pertenecientes al miembro superior……… ...…29
8. Músculos que conforman el brazo………....32
9. Músculos que actúan sobre el antebrazo……… .…… ...…..3 4 10. EMG de superficie durante contracciones intermitentes del musculo extensor de la muñeca……….…… .…… ...….35
11. Electrodo……….……… .…..……….36
12. Electrodos aguja para registros subcutáneos……… ..…...….38
13. Posición de los electrodos……… ..…..…...39
14. Diagrama en forma de bloques estructurales……… ..…...……..69
15. Configuración de pines y captación de pulsos………..79
16. Configuración de la mano……….79
17.Diagrama en forma de bloques de la programación………...…....81
18. Plantillas para la construcción de un y tornillo pasante………..….82
19. Herramienta de corte utilizada y accesorios……….…83
xvi
20. Proceso de construcción de prótesis………..84 21. Modelo de prótesis completa………...85
xvii
ÍNDICE DE CUADROS
CUADROS Pág.
1. Población documental……….49
2. Población………...50
3. Cuadro de actividades……….…….…..54
4. Cronograma de actividades……….……… ..55
5. Características de los electrodos superficiales………….……… .…..…… ..65
6. Características de los servomotores……….……… ...….66
7. Características de los micros-controladores………..………...67
INTRODUCCIÓN
Desde las últimas décadas, las prótesis robóticas han jugado un papel fundamental en la vida diaria de las personas con discapacidad física, ya que sin estos les resultaría casi imposible realizar actividades diarias y cotidianas o cualquier acción requerida para llevar a cabo algún trabajo en específico.
Por lo que en el mercado y principalmente en pacientes que requieren de dichas prótesis se han visto muy favorables con respecto a estos.
A su vez, la tecnología ha avanzado de una manera sorprendente, cada día surgen nuevas ideas y diseños, así como también equipos modernos para la ejecución de nuevas prótesis robóticas. En los últimos años, ha habido un fenómeno tecnológico con respecto a las señales mioelectricas, estas han causado gran sensación e impacto al público por reducir todo a un simple “movimiento muscular”, y ha sido visto de muy buena manera por parte del publico afectado por alguna discapacidad o impedimento físico, es por esto que hemos llegado a preguntarnos, que ¿Por qué no construir un dispositivo o una prótesis robótica de antebrazo que sea controladas por los músculos del propio usuario a través de las señales mioelectricas?.
Es una idea versátil e innovadora, tomando en cuenta que actualmente en Venezuela, la producción de prótesis robóticas a estado limitada a los mismos diseños convencionales con esas molestosas prótesis estáticas, que definitivamente no se adaptan al uso cotidiano por ser incómodos y complicados de utilizar y mucha veces disfuncionales.
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En tal sentido, con la finalidad de aportar una forma sencilla, útil y precisa de contribución tecnológica, surgió la necesidad de desarrollar una prótesis robótica de antebrazo a escala, con tecnología de señales mioelectricas, que permita mediante un simple movimiento muscular, obtener un resultado preciso y muy favorable para la ejecución de alguna actividad, dejando atrás el engorroso método que ofrecen las prótesis estáticas.
Esta investigación se desarrolló en cuatro (4) capítulos. En el capítulo I, se especifica el planteamiento del problema, los objetivos de la investigación, la justificación y la delimitación. En el capítulo II se establecen los antecedentes y las bases teóricas que definen las variables de la investigación. Luego en el capítulo III se plantea el tipo de investigación, su diseño, técnicas de recolección de los datos y se establece cual será la metodología utilizada.
Finalmente, en el capítulo IV se hace referencia al análisis y discusión de los resultados, luego se encuentran las conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos.