Implementacion-de-senales-mioelectricas-en-un-sistema-de-control-para-generar-movimientos-en-una-protesis

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I N S T I T U T O P O L I T É C N I C O N A C I O N A L 
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación 
Unidad Profesional Adolfo López Mateos Zacatenco 
 
 
 
“Implementación de señales mioeléctricas en un 
sistema de control para generar movimientos en una 
prótesis personalizada de mano” 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA 
MECÁNICA 
 
PRESENTA: 
Ing. Armando Josué Piña Díaz 
 
ASESORES: 
Dr. Guillermo Manuel Urriolagoitia Calderón 
Dr. Christopher René Torres San Miguel 
 
 
México, D.F., Agosto de 2015 
 
 
 
 IV 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
A mi madre Lourdes. 
Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la 
motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por 
su amor. 
 
A mi padre Armando. 
Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha 
infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor. 
 
A mi hermana Lucia 
Por estar conmigo y apoyarme siempre. 
A mis maestros. 
Por su gran apoyo y motivación, además de compartir sus conocimientos y experiencias 
para la elaboración y culminación de esta tesis. 
 
A todos mis amigos, por compartir los buenos y malos momentos. 
 
Y a todos aquellos familiares y amigos que no recordé al momento de escribir esto. Ustedes 
saben quiénes son. 
Por último pero no menos importante, quiero agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y 
Tecnología CONACyT, y a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica ESIME 
plantel Zacatenco, del Instituto Politécnico Nacional. 
 
 
 V 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
RESUMEN 
 
Un humano es un ser principalmente funcional y su cuerpo e inteligencia es la esencia de lo 
que hace. El órgano principal para la manipulación física del medio son las manos, en 
donde la punta de los dedos contiene algunas de las zonas con más terminaciones nerviosas 
del cuerpo humano, son la principal fuente de información táctil sobre el entorno, por eso el 
sentido del tacto se asocia inmediatamente con las manos. Dicha extremidad superior ha 
sido socio clave del cerebro para convertir el pensamiento en acción, en ella, las ideas se 
traducen mecánicamente en acciones, creando representaciones jerárquicas para configurar 
los procesos necesarios en el control de movimientos. 
 
Las investigaciones relacionadas con la adquisición de estas señales mioeléctricas, han sido 
utilizadas, principalmente con la finalidad de hacer funcionar diversos dispositivos tipo 
prótesis para diferentes extremidades. Logrando que dichas prótesis puedan ser 
manipuladas gracias a la respuesta que se genera por medio de estas señales para emular el 
movimiento natural de la extremidad reemplazada. 
 
En este trabajo de investigación se presenta el diseño de un sistema de control capaz de 
recibir y procesar las señales mioeléctricas generadas por el antebrazo de una persona, con 
la finalidad de controlar una prótesis personalizada de mano. Desarrollando todo el 
algoritmo necesario para la adquisición y el procesamiento de las señales para generar el 
movimiento de la prótesis de manera voluntaria por parte del paciente. Siendo así no solo 
por cubrir la parte estética de la falta de dicho miembro en el paciente, sino también por 
cubrir sus necesidades de poder volver a tener movilidad en el miembro amputado, siendo 
en este caso de estudio la prótesis de mano. 
 
 VI 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
ABSTRACT 
 
A human is mainly a functional entity and his body and intelligence is the essence of what 
it does. The main body for physical manipulation of the medium are the hands, where the 
fingertips contain some of the densest areas of nerve endings of the human body, are the 
main source of tactile information on the environment, so the sense of touch it is intimately 
associated with hands. Said upper end has been a key partner of the brain to turn thought 
into action, in her, the ideas mechanically translate into action, creating hierarchical 
representations to configure the necessary processes in the control of movement. 
 
Research related to the acquisition of these myoelectric signals have been used mainly for 
the purpose of operating different types of prosthetic devices for many limbs. Achieving 
such prostheses can be handled thanks to the response that is generated by these signals to 
emulate the natural movement of the limb replaced. 
 
In this research the design of a control system capable of receiving and processing the 
myoelectric signals generated by the forearm of a person, in order to control a prosthetic 
hand personalized presents. Developing all the algorithms needed for the acquisition and 
processing of signals to generate the movement of the prosthesis voluntarily by the patient. 
Making it not only the aesthetic cover for the lack of that member in the patient, but also to 
meet their needs to regain mobility in the amputated limb, which in this case study the 
prosthetic hand. 
 VII 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
CONTENIDO 
RESUMEN.………………………………………………………………………… V 
ABSTRACT………………………………………………………………………... VI 
ÍNDICE.…………………………………………………………………………….. VII 
ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………….. XI 
ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………………….. XVI 
OBJETIVO GENERAL…………………………………………………..…....... XVII 
OBJETIVOS ESPECIFICOS……………………………………………………. XVII 
JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………….. XVIII 
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….. XIX 
 
CAPÍTULO I 
I.1.- Introducción…………………………………………………………………… 2 
I.2.- Antecedentes específicos……………………………………………………… 2 
I.3.- Señales electromiográficas …………………………………………………… 3 
 I.3.1.- Uso generalizado de las señales EMG…………………………………… 4 
 I.3.2.- Los beneficios de las señales EMG………………………………………. 5 
I.4.- Ingeniería de control…………………………………………………………... 6 
 I.4.1.- Sistemas de control moderno…………………………………………….. 8 
 I.4.2.- Estudios previos sobre el control de las señales EMG...…………………. 9 
 I.4.3.- Aplicaciones del control neurodifuso en las señales EMG………………… 10 
I.5.- Planteamiento del problema…………………………………………………… 11 
I.6.- Sumario………………………………………………………………………... 12 
I.7.- Referencias…………………………………………………………………….. 13 
 
CAPÍTULO II 
II.1.- Fundamentos teóricos………………………………………………………… 18 
II.2.- Características generales de los músculos……………………………………. 18 
 II.2.1.- Funcionamiento de los músculos………………………………………... 21 
 II.2.2.- Mecanismo molecular de la contracción muscular……………………… 24 
 VIII 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
II.3.- Señales mioeléctricas (EMG)………………………………………………… 24 
 II.3.1.- Adquisición de señales mioeléctricas…………………………………… 25 
 II.3.1.1.- Captura……………………………………………………………... 26 
 II.3.1.2.- Amplificación……………………………………………………… 27 
 II.3.1.3.- Filtrado……………………………………………………………… 28 
 II.3.2.- Electrodos……………………………………………………………….. 30 
II.4.- Control inteligente……………………………………………………………. 31 
II.5.- Prótesis electromecánicas de mano…………………………….……………... 33 
II.5.- Sumario……………………………………………………………………….. 39 
II.6.- Referencias…………………………………………………………………… 40 
 
CAPÍTULO III 
III.1.- Diseño a detalle de la prótesis de mano………..…………………………….. 45 
III.2.- Requisitos de diseño………………………………………………………….45 
III.3.- Proceso de diseño de la parte mecánica del prototipo de la prótesis………… 47 
 III.3.1.- Modelado del prototipo por computadora……………………………… 48 
III.4.- Modelado de los dedos índice, medio, anular y meñique de la prótesis de 
mano………………………………………………………………………………... 49 
 III.4.1.- Diagrama geométrico del ensamble de dedo índice, medio, anular y 
meñique para la prótesis de mano…………………………………………………... 51 
 III.4.2.- Síntesis del mecanismo para los dedos índice, medio, anular y meñique 53 
 III.4.3.- Solución al modelo cinemático directo mediante el uso del sistema 
matricial de Denavit & Hartenberg para los dedos índice, medio, anular y meñique 
del modelo protésico………………………………………………………………... 54 
 III.4.4.- Solución al modelo de cinemática inversa para los dedos índice, medio, 
anular y meñique del modelo protésico…………………………………………… 57 
 III.4.5.- Esquema del espacio de trabajo para el mecanismo de los dedos índice, 
medio, anular y meñique……………………………………………………………. 59 
III.5.- Diseño del modelo del dedo pulgar para la prótesis de mano……………….. 61 
III.6.- Diseño del dorso y sistemas para la transición de movimiento y colocación 
 IX 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
de los servomotores………………………………………………………………… 63 
 III.6.1.- Sistema de transmisión de movimiento………………………………… 64 
III.6.- Modelo tridimensional del prototipo de prótesis de mano………….……….. 68 
III.7.- Sumario……………………………………………………………………… 74 
III.8.- Referencias…………………………………………………………………... 76 
 
CAPÍTULO IV 
IV.1.- Impresión tridimensional y ensamblaje de la prótesis de mano…………….. 79 
IV.2.- Impresión tridimensional del prototipo de prótesis de mano……………….. 79 
 IV.2.1.- Creación de los archivos STL………………………………………….. 83 
 IV.2.2.- Exportación de los archivos STL………………………………………. 83 
 IV.2.3.- Importación de los archivos STL………………………………………. 85 
 IV.2.4.- Obtención de las piezas impresas………………………………………. 88 
 IV.2.5.- Propiedades del material utilizado en la impresión………………….…. 89 
IV.3.- Ensamble del modelo de la prótesis de mano……………………………….. 90 
 IV.3.1.- Acoplamiento de los servomotores…………………………………….. 92 
 IV.3.2.- Ensamblaje final del prototipo de prótesis de mano……………………. 93 
IV.4.- Sumario……………………………………………………………………… 96 
IV.5.- Referencias…………………………………………………………………... 97 
 
CAPÍTULO V 
V.1.- Diseño del sistema de adquisición y procesamiento de las señales 
mioeléctricas ……………………………………………………………………….. 99 
V.2.- Etapa de adquisición de las señales mioeléctricas…………………………… 99 
 V.2.1.- Selección de los electrodos……………………………………………… 99 
 V.2.2.- Identificación de los músculos que generan los diversos movimientos 
de la mano…………………………………………………………………………... 103 
 V.2.3.- Posicionamiento de los electrodos para la captación de las señales EMG 110 
 V.2.4.- Lectura de las señales EMG del grupo de músculos del paciente………. 111 
V.3.- Etapa de acondicionamiento de las señales mioeléctricas……………………. 113 
 X 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
 V.3.1.- Amplificador de instrumentación……………………………………….. 114 
 V.3.2.- Etapa de filtrado de las señales electromiográficas……………………... 116 
 V.3.2.1.- Filtro pasa altas…………………………………………………….. 118 
 V.3.2.2.- Filtro pasa bajas……………………………………………………. 118 
 V.3.3.- Etapa de amplificación de las señales mioeléctricas……………………. 120 
V.4.- Sistema de control……………………………………………………………. 122 
V.5.- Sumario………………………………………………………………………. 123 
V.6.- Referencias…………………………………………………………………… 124 
 
CAPÍTULO VI 
VI.1.- Análisis de Resultados y Conclusiones……………………………………… 126 
VI.2.- Señales EMG obtenidas……………………………………………………... 126 
VI.3.- Comparación de las lecturas del músculo, con la simulación del circuito de 
adquisición de las señales EMG……………………………………………………. 130 
VI.4.- Activación de los servomotores……………………………………………... 133 
VI.5.- Análisis de costos……………………………………………………………. 134 
VI.6.- Conclusiones………………………………………………………………… 135 
 
TRABAJOS FUTUROS……………………………………………………………. 137 
 
ANEXOS 
Anexo A…………………………………………………………………………….. 140 
Anexo B…………………………………………………………………………….. 142 
Anexo C…………………………………………………………………………….. 146 
Anexo D…………………………………………………………………………….. 150 
Anexo E…………………………………………………………………………….. 156 
 
ARTÍCULO PUBLICADO……..………………………………………………….. 166 
 
 
 XI 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
Figura I.1.- Señales mioeléctricas generadas al contraer o distensionar los 
músculos.…………………………………………………………………………… 4 
Figura I.2.- Aplicación de las señales EMG……………….…………………...….. 5 
Figura I.3.- Vista directa a la función corporal/muscular por el uso de programa 
computacional………………………………………………………………………. 6 
Figura I.4.- Máquina de vapor con regulador de Watt………………………………… 7 
Figura I.5.- Mano DIST, manipulador de alta destreza con 16 grados de libertad… 8 
 
Figura II.1.- Músculo estriado…………………………………………………… 18 
Figura II.2.- Partes que integran un músculo estriado....………………………… 19 
Figura II.3.- Corte transversal de las fibras musculares…………………………… 20 
Figura II.4.- Funcionamiento de la bomba Ca++- ATP, la cual se encarga de 
mantener en niveles bajos de Ca al sarcómero para evitar su saturación…………... 21 
Figura II.5.- Fijación de un músculo esquelético involucrado en la flexión del 
antebrazo……………………………………………………………………………. 22 
Figura II.6.- Contracción del codo. a) Contracción isométrica. b) Contracción 
concéntrica. c) Contracción excéntrica……………………………………………... 23 
Figura II.7.- Detección de señales mioeléctricas …………………………………. 25 
Figura II.8.- Sistema básico de adquisición de señales EMG……………………... 
26 
Figura II.9.- Localización de electrodos…………………………………………... 27 
Figura II.10.- Señal bioeléctrica censada, a) sensor, b) adecuación de la señal, y c) 
procesador……...…………………………………………………………………… 29 
Figura II.11.- Electrodos superficiales…………………………………………..… 31 
Figura II.12.- Prótesis UTAH-MIT…..…………..………………………………… 34 
Figura II.13.- Prótesis DLL-HAND II……...……………………………………... 34 
Figura II.14.- Prótesis de Canterbury……….………………...…………………... 35 
Figura II.15.- Prótesis desarrollada por Pylatiuk y colaboradores…….…………... 35 
Figura II.16.- Prótesis NAIST……………………………………………………... 36 
Figura II.17.- Prótesis I-Limb……………………………………………………... 36 
 XII 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
Figura II.18.- Prótesis I-Limb Ultra………...……………………………………... 37 
Figura II.19.- Prótesis desarrollada por Probionics………………...……………... 38 
Figura II.20.- Prótesis diseñada en la UNAM……………………………………... 39 
 
Figura III.1.- Tipos de agarre de la mano………………………………………………. 46 
Figura III.2.- Ejemplo de prótesis de mano elaboradas con impresoras 3D………. 47 
Figura III.3.- Planos de la prótesis de la mano 3D………………………………… 49 
Figura III.4.- Diseño de la falange distal y medial para el dedo índice, medio, 
anular y meñique……………………………………………………………………. 50 
Figura III.5.- Sistema de sujeción y movimiento de las falanges…………………. 50 
Figura III.6.- Ejemplo de estructura junto con sus articulaciones y sus ejes de 
rotación……………………………………………………………………………... 51 
Figura III.7.- Sistema de referencias de los eslabones en el modelo del dedo 
diseñado…………………………………………………………………………….. 52 
Figura III.8.- Representación geométrica para el dedo índice, medio, anular y 
meñique…………………………………………………………………………….. 53 
Figura III.9.- Representación espacial de las restricciones naturales en el 
movimiento del dedo índice………………………………………………………… 60 
Figura III.10.- Comparación de la representación del espacio de trabajo 
alcanzablepor el modelo con una articulación fija (color rojo), con respecto a la 
configuración espacial ideal (color verde) ………………………………………… 60 
Figura III.11.- Vista explosionada del modelo del dedo…………………………... 61 
Figura III.12.- Prototipo de ensamble del dedo pulgar……………………………. 62 
Figura III.13.- Vista explosionada del dedo pulgar……………………………….. 62 
Figura III.14.- Sistema para movimiento de las falanges dedo pulgar……………. 62 
Figura III.15.- Sistema para movimiento de oposición del dedo pulgar…………... 63 
Figura III.16.- Esquema del compartimento para ensamble del actuador y 
servomotores………………………………………………………………………... 64 
Figura III.17.- Esquema del ensamblaje de actuadores y servomotores…………... 64 
Figura III.18.- Servomotor HD-1900A de la marca Power HD®…………………… 65 
 XIII 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
Figura III.19.- Plano acotado del servomotor HD-1900A……………..………….. 66 
Figura III.20.- Motoreductor utilizado 1000:1…………………………………….. 67 
Figura III.21.- Modelo tridimensional del ensamble de la prótesis de mano……... 68 
Figura III.22.- Modelo tridimensional de la prótesis de mano comparado con 
mano real. ………………………………………………………………………….. 68 
Figura III.23.- Emulación de agarre tipo gancho, utilizado para cargar cosas con 
asa. …………………………………………………………………………………. 69 
Figura III.24.- Emulación de agarre tipo lateral, utilizado al escribir……………... 69 
Figura III.25.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar…... 70 
Figura III.26.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar…... 70 
Figura III.27.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener 
un vaso……………………………………………………………………………… 70 
Figura III.28.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano 
diseñada…………………………………………………………………………….. 71 
Figura III.29.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano 
diseñada…………………………………………………………………………….. 72 
 
Figura IV.1.- Impresión tridimensional por deposición de hilo fundido…………... 79 
Figura IV.2.- Comparativa de menor número de triángulos por superficie, a 
mayor número de triángulos por superficie y su afectación en la geometría real de 
la pieza. …………………………………………………………………………….. 83 
Figura IV.3.- Ventada de opción de guardar archivo STL en Solid Works®………. 84 
Figura IV.4.- Valores modificables para generar la malla de triangulación de la 
pieza………………………………………………………………………………… 84 
Figura IV.5.- Ventana de diálogo que indica el número de triángulos en la malla 
de la pieza…………………………………………………………………………... 85 
Figura IV.6.- Impresora 3D Dimension SST 1200-es…………………………………. 86 
Figura IV.7.- Pieza importada en el programa CatalystEX®………………………… 87 
Figura IV.8.- Mapa del espaciado de piezas en el programa CatalystEX® para la 
impresión…………………………………………………………………………… 
 
87 
 XIV 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
Figura IV.9.- Proceso en el programa CatalystEX® para la impresión…………… 88 
Figura IV.10.- Piezas impresas del prototipo en la Dimension SST 1200-es………. 88 
Figura IV.11.- Piezas impresas aun con material de soporte removible…………... 89 
Figura IV.12.- Piezas impresas ya sin material de soporte ………………………. 89 
Figura IV.13.- Articulaciones tipo horquilla en el ensamble de la prótesis ………. 91 
Figura IV.13.- Pasador cilíndrico a) de sujeción y b) de posición ………………... 91 
Figura IV.14.- Compartimiento para los servomotores que generan el movimiento 
de los dedos…….…………………………………………………………………… 92 
Figura IV.15.- Ensamblaje de los sistemas que generan movimiento en el dedo 
pulgar, a) flexión y extensión b) oposición………………………………………… 93 
Figura IV.16.- Ensamblaje final de la prótesis de mano…………………………... 93 
Figura IV.17.- Ensamblaje final de la prótesis de mano comparado con mano real. 94 
Figura IV.18.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar…... 94 
Figura IV.19.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar…... 95 
Figura IV.20.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener 
un vaso.. ……………………………………………………………………………. 95 
 
Figura V.1.- Diagrama de electrodo superficial flotante…………………………... 100 
Figura V.2.- Modelo eléctrico para electrodos conductores……………………….. 101 
Figura V.3.- Modelo eléctrico para dos electrodos…………………………............ 102 
Figura V.4.- Electrodo superficial utilizado en la etapa de adquisición de las 
señales a) vista superior, y b) vista inferior…………………………........................ 103 
Figura V.5.- Visión general de los flexores superficiales………………………... 106 
Figura V.6.- Vista general de los flexores profundos…………………………........ 107 
Figura V.7.- Visión general de la musculatura radial…………………………........ 107 
Figura V.8.- Vista general de los extensores superficiales………………………… 108 
Figura V.9.- Visión general de los extensores profundos………………………….. 109 
Figura V.10.- Posicionamiento de los electrodos.…………………………………. 111 
Figura V.11.- Lectura de las señales EMG del antebrazo, con el músculo en 
reposo. …………………………...…………………………...……………………. 112 
 XV 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
Figura V.12.- Lectura de las señales EMG, esfuerzo gradual y el esfuerzo máximo 
músculo…………………………...………………………….................................... 112 
Figura V.13.- Diagrama eléctrico del circuito de adecuación de las señales EMG... 113 
Figura V.14.- Diagrama eléctrico del amplificador instrumental………………….. 114 
Figura V.15.- Diagrama del amplificador de instrumentación…………………….. 115 
Figura V.16.- Diagrama de la etapa de pre-amplificación………………………… 116 
Figura V.17.- Señal obtenida a la salida de la etapa de pre-amplificador de 
instrumentación (azul), comparada con la señal de entrada (roja)…………………. 117 
Figura V.18.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas… 119 
Figura V.19.- Señal obtenida a la salida de la etapa de filtrado (azul), comparada 
con la señal de entrada (roja) …………………………...………………………….. 119 
Figura V.20.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas… 120 
Figura V.21.- Señal obtenida a la salida del circuito final de procesamiento de 
señales (azul), comparada con la señal de entrada (roja) …………………………... 121 
Figura V.22.- Circuito eléctrico del sistema de adecuación de las señales………... 122 
Figura V.23- Tarjeta utilizada para el control de las señales………………………. 123 
 
Figura VI.1.- Señal EMG del músculo a esfuerzo medio………………………….. 126 
Figura VI.2.- Señal EMG de un pulso del músculo.………………………….......... 127 
Figura VI.3- Señal EMG del músculo con un incremento gradual del esfuerzo…... 128 
Figura VI.4.- Diagrama del Schmitt Trigger…………………………...………….. 129 
Figura V1.5.- Simulación del sistema Schmitt Trigger…………………………..... 130 
Figura V1.6.- Simulación de la señal del esfuerzo medio…………………………. 131 
Figura V1.7.- Simulación de la señal a un pulso del músculo…………………….. 132 
Figura V1.8.- Simulación de la señal en un esfuerzo gradual del músculo………... 133 
 
 XVI 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
ÍNDICE DE TABLAS 
Tabla III.1.- Parámetros de Denavit & Hartenberg…………………………………… 54 
Tabla III.2.- Fuerza promedio ejercida por los dedos en diferentes tipos de agarres 65 
Tabla III.3.- Comparativa entre servomotores disponibles en el mercado nacional. 65 
Tabla III.4.- Datos técnicos del servo-motor HD-1900A…………………………. 66 
Tabla III.5.- Comparativa entre micro-motoreductores disponibles en el mercado 
nacional…………………………………………………………………………...… 66 
Tabla III.6.- Datos técnicos del micro-motoreductor 1000:1……………………… 67 
Tabla III.7.- Listado de las piezas que comprendenel modelo diseñado………….. 72 
 
Tabla IV.1.- Comparativa de las especificaciones geométricas entre diferentes 
tecnologías de impresión 3D……………………………………………………….. 81 
Tabla IV.2.- Comparación de las capacidades de impresión por formas de piezas, 
de las tecnologías de impresión 3D……………………………………………………….. 82 
 
Tabla V.1- Musculatura del antebrazo……………………………………………... 104 
Tabla V.2- Musculatura de la mano………………………………………………... 105 
Tabla V.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del 
paciente………………………………………………............................................... 112 
Tabla V.4- Datos para la simulación de las señales EMG del paciente……………. 122 
 
Tabla VI.1- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del 
paciente………………………………………………............................................... 127 
Tabla V1.2- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del 
paciente………………………………………………............................................... 128 
Tabla VI.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del 
paciente………………………………………………............................................... 129 
Tabla VI.4- Análisis de costos del proyecto……………………………………… 134 
 
 XVII 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
OBJETIVO GENERAL 
 
Diseñar e implementar un sistema de control, de bajo consumo de energía capaz de 
adquirir, adecuar y procesar las señales mioeléctricas generadas en el miembro superior, 
para controlar el movimiento de una prótesis personalizada de mano. 
 
Objetivos particulares: 
 Conocer las bases teóricas sobre procesamiento y análisis de señales 
electromiográficas. 
 Identificar los datos y las características relacionados a la prótesis de la mano ya 
manufacturada previamente. 
 Presentar los métodos de adquisición y procesamiento de señales mioeléctricas. 
 Optimizar el diseño de la prótesis de mano. 
 Construir el prototipo de prótesis de mano. 
 Garantizar la funcionalidad del dispositivo de procesamiento de las señales de 
control. 
 
 XVIII 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
JUSTIFICACIÓN 
 
Las señales electromiográficas (EMG), también conocidas como mioeléctricas son señales 
eléctricas que se producen con el movimiento de contracción y distensión de los músculos. 
Estas pueden ser generadas de manera voluntaria, son muy utilizadas por su funcionalidad 
para controlar interfaces hombre – máquina. 
 
Las investigaciones relacionadas con la adquisición de estas señales mioeléctricas, han sido 
utilizadas, principalmente con la finalidad de hacer funcionar diversos dispositivos tipo 
prótesis para diferentes extremidades. Dichas prótesis pueden ser manipuladas gracias a la 
respuesta que se genera por medio de estas señales para emular el movimiento natural de la 
extremidad reemplazada. 
 
Con esta tesis se busca diseñar un sistema de control capaz de recibir y procesar las señales 
mioeléctricas generadas por el brazo de una persona para poder controlar una prótesis 
personalizada de mano desarrollada en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, 
de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica; necesario para la adquisición y 
el procesamiento de las señales para generar el movimiento de la prótesis de manera 
voluntaria por parte del paciente. 
 
 XIX 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
INTRODUCCIÓN 
 
En la actualidad existen muchos estudios enfocados al análisis de señales mioeléctricas 
(EMG), los cuales toman mucho tiempo entre la adquisición de la señal y la clasificación 
del movimiento a realizar, por lo cual su implementación para el control de dispositivos 
reales se hace inaceptable; otros estudios, aunque clasifican más rápido las señales, con 
estos métodos requieren de largas jornadas de entrenamiento por parte del paciente para 
aprender a manejarlas, pues éste debe aprender a generar contracciones musculares nunca 
antes utilizadas para el manejo de su miembro natural. 
 
Por tal motivo, el capítulo 1 define las características principales de las señales EMG y su 
incursión dentro de la ingeniería y la medicina, así como los fundamentos de la ingeniería 
de control, que puede ser aplicable y compatible con el uso de señales mioeléctricas que 
permita generar movimientos en la prótesis de mano. 
 
El capítulo 2 presenta los fundamentos del proceso biológico en los músculos que generan 
los pulsos eléctricos necesarios para el movimiento del músculo. Así como, las etapas de 
captura y procesamiento de dichas señales, para su posterior utilización. También, se 
enlistan los principales aportes en cuestión de prótesis de mano electromecánicas. 
 
Dentro del capítulo 3 se describe el concepto de creación de prototipos mediante la 
impresión de modelos tridimensionales a través de manufactura asistida por computadora. 
Mostrando el desarrollo en diseño asistido por computadora a detalle de cada una de las 
partes que comprenden a la prótesis de mano, y los dispositivos que generan y transmiten el 
movimiento de la prótesis. Así como los cálculos de la cinemática directa e inversa para 
este modelo de ensamble. 
 
En el capítulo 4 se muestra el proceso de ensamble del prototipo de la prótesis de mano. La 
manufactura por medio de impresoras 3D, las principales técnicas y la forma en que estos 
procesos se relacionan para generar en conjunto un ensamble útil para la realización de este 
 XX 
 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
trabajo. Haciendo mención de los tipos de piezas utilizadas en el modelo protésico y su 
unión para formar el mecanismo completo que da vida a la prótesis mioeléctrica. 
 
El capítulo 5 da una descripción de los dispositivos a utilizar en el sistema de adquisición y 
procesamiento de las señales mioeléctricas. Determina la metodología a utilizar en el 
proyecto, desde la ubicación de los músculos a detectar, hasta el procesamiento de las 
señales EMG captadas de dicho músculo, para generar los movimientos de la mano. 
 
Para el capítulo 6 se abordan las lecturas de las señales electromiográficas y su simulación 
en el equipo de cómputo. Así mismo, se explica el funcionamiento y la importancia del uso 
de un recortador de la señal de salida del circuito de filtrado. Y por último, se hace un 
análisis de costos del diseño del proyecto. 
 
Los resultados aquí presentados, pueden servir de base para el desarrollo de dispositivos 
controlados a voluntad por el ser humano, o bien para desarrollar una tecnología que ayude 
a personas que han perdido alguna parte de su cuerpo o en procesos de rehabilitación. 
 
 
 
 
 
En este capítulo se 
definen las 
características 
principales de las señales 
electromiográficas y su 
incursión dentro de la 
ingeniería y medicina, 
que puede ser aplicables 
y compatibles con el uso 
de señales mioeléctricas 
para la realización del 
sistema de control que 
permita generar 
movimientos en una 
prótesis de mano. 
CAPÍTULO I 
Antecedentes Específicos 
Capítulo I 2 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
I.1.- Introducción 
En el presente capítulo se proporcionan las bases teóricas iniciales acerca de conceptos generales 
sobre las señales mioeléctricas. Así como, su historia y aplicaciones previas en el área de la 
investigación, vinculadas con el miembro superior de humano.Desde muchos años atrás, la tecnología en el mundo ha buscado nuevos horizontes, los cuales 
tienen tendencias hacia la fusión entre la Ingeniería y la Medicina. Lo anterior con el fin de 
contribuir al avance general de la ciencia. Es por esto, que nace la inquietud por las señales 
mioeléctricas. Sin embargo, debido a la complejidad de las señales mioeléctricas, países como 
Estados Unidos, Japón, Gran Bretaña, Alemania y Francia, son los que van a la vanguardia y han 
realizado la gran mayoría de estudios para su identificación y análisis, a diferencia de los países 
subdesarrollados, que no cuenta con los recursos necesarios para estas investigaciones. 
 
I.2.- Antecedentes específicos 
En el cuerpo humano se generan diferentes señales bioeléctricas, las cuales se encuentran 
presentes en tejidos, células, nervios, glándulas, entre otros. Este tipo de señales permiten el 
funcionamiento de órganos tales como; el cerebro, el corazón, los ojos, los músculos, etc. Las 
señales bioeléctricas reciben nombres característicos dependiendo del órgano en el que se 
originan. Como ejemplo, para los órganos mencionados anteriormente se denominan como; 
electroencefalográficas, electrocardiográficas, electrooculográficas y electromiográficas, 
respectivamente [I.1 a I.4]. 
 
Las señales bioeléctricas son utilizadas principalmente en diagnóstico médico para detectar 
patologías en los órganos que las producen. Sin embargo, también pueden ser utilizadas 
particularmente aquellas que son generadas de manera voluntaria como en este caso, el bíceps. 
Las señales electromiográficas (EMG) o también conocidas como mioeléctricas son señales 
eléctricas que se producen en los músculos cuando estos se contraen o distensionan y son 
producidas por el intercambio de iones a través de las membranas musculares [I.5]. Estas señales, 
a pesar de presentar niveles de voltaje pequeños, pueden determinarse y medirse con equipo 
adecuado y especializado. Para de esta forma, la información recopilada puede ser empleada para 
orientarla hacía el área de la Robótica. Otra aplicación a las que se le ha otorgado a este tipo de 
Capítulo I 3 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
señales, es en el manejo de potenciales, donde las señales EMG medidas en músculos activados 
voluntariamente por un usuario, se procesan y se emplean. 
 
I.3.- Señales electromiográficas (EMG) 
Se encuentra documentado que el primer material en el que se aplicó las señales EMG fue en el 
de trabajo de Redi en 1666 [I.6]. Redi descubrió un músculo altamente especializado en la Raya 
Eléctrica que generaba electricidad. En 1773, Walsh pudo demostrar que el tejido muscular de la 
Raya Eléctrica tenía la capacidad de generar una chispa de electricidad [I.7]. En 1792, en una 
publicación titulada De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius escrita por 
Galvani, el autor demostró que la electricidad podía iniciar contracciones musculares [I.8]. Seis 
décadas después, en 1849, Dubois-Raymond descubrió que era posible llevar un registro de la 
actividad eléctrica durante la actividad de la contracción muscular [I.9]. Sin embargo, el primer 
registro real fue hecho por Marey en 1890, quien introdujo el término de electromiografía [I.10]. 
Para 1922, Gasser y Erlanger utilizaron un osciloscopio para mostrar las señales eléctricas de los 
músculos [I.11]. 
 
Entre 1930 y 1950 los científicos comenzaron a utilizar electrodos mejorados y más sofisticados 
para los estudios musculares [I.12 a I.15]. El uso clínico de señales EMG para el tratamiento de 
desórdenes más específicos comenzó en la década de los 60’. Hardyck y sus colaboradores fueron 
los primeros, practicante, en aplicar el EMG [I.16]. En los comienzos de los 80’s Cram y Steger 
introdujeron un método clínico para escanear una variedad de músculos utilizando dispositivo 
EMG sensible [I.17]. 
 
No fue hasta mediados de los 80’s, cuando se integraron las técnicas de los electrodos, las cuales 
tenían un nivel tecnológico suficiente para la producción de instrumentación pequeña y de bajo 
peso. Asimismo, amplificadores que permitían avances en campos como los de la Medicina o la 
Biomecánica. En el presente, existe un gran número de amplificadores que se comercializan. La 
electromiografía se ha venido utilizando ampliamente para el registro de músculos superficiales 
en protocolos clínicos o kinesiólogos. Donde los electrodos intramusculares son utilizados para 
investigar músculos profundos o localizar la actividad muscular [I.18]. 
 
Capítulo I 4 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
Actualmente existen un sin número de aplicaciones para el uso de la señales EMG. Por ejemplo, 
es utilizada clínicamente para el diagnóstico de problemas neuronales o neuromusculares. Es 
utilizada en muchos tipos laboratorios, incluyendo los que están en el campo de la Biomecánica 
para el análisis del control motriz, fisiología neuromuscular, desordenes de movimiento, control 
postural, terapia física [I.19]. 
 
Una electromiografía se emplea con mayor frecuencia cuando las personas tienen síntomas de 
debilidad y la evaluación muestra deterioro de la fuerza muscular. Este examen puede ayudar a 
diferenciar entre debilidad muscular causada por lesión de un nervio que se encuentra fijo a un 
músculo y debilidad debido a trastornos neurológicos [I.20]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.1.- Señales mioeléctricas generadas al contraer o distensionar los músculos 
 
I.3.1.- Uso generalizado de las señales EMG 
Además de los estudios básicos fisiológicos y biomecánicos, las señales EMG se constituyen 
como una herramienta de evaluación de la investigación aplicada, la fisioterapia / rehabilitación, 
entrenamiento deportivo y la interacción del cuerpo humano a los productos industriales y las 
condiciones de trabajo [I.21]: 
 
 Investigación médica. 
1. Ortopedia. 
2. Cirugía. 
Capítulo I 5 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
3. Neurología funcional. 
4. Análisis de marcha y postura. 
 
 Rehabilitación. 
1. Post cirugía/accidente. 
2. Rehabilitación neurológica. 
3. Terapia física. 
4. Terapia de entrenamiento activo. 
 
 Ergonomía. 
1. Análisis de la demanda. 
2. Prevención de riesgos. 
3. Diseño ergonómico. 
4. Certificación de productos. 
 
 Ciencias del deporte. 
1. Biomecánica. 
2. Análisis de movimiento. 
3. Entrenamiento de fuerza del atleta. 
4. Rehabilitación deportiva 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.2.- Aplicación de las señales EMG 
 
I.3.2.- Los beneficios de las señales EMG 
En general los beneficios de las señales EMG se pueden enumerar como [I.22]: 
Capítulo I 6 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
• Permiten la medición del rendimiento muscular. 
• Ayudan en la toma de decisiones, tanto antes como después de la cirugía. 
• Tratamiento y regímenes de entrenamiento. 
• Ayuda a los pacientes a encontrar y entrenar a sus músculos. 
• Permite el análisis para mejorar las actividades deportivas. 
• Detecta la respuesta muscular en estudios ergonómicos.Figura I.3.- Vista directa a la función corporal/muscular por el uso de programa computacional 
 
I.4.- Ingeniería de control 
Desde tiempos inmemorables, el ser humano ha tratado de mejorar su estándar de vida. Así 
como, que ciertas rutinas se realicen de forma automática o por lo menos que sean llevadas a 
cabo sin la necesidad de vigilar su desempeño. En esta automatización, el uso del control 
retroalimentado ha sido una historia fascinante. Este tipo de control, al cual se le denomina 
Ingeniería de Control, no solamente realiza acciones en lugar del ser humano, sino que también a 
partir de parámetros establecidos, vigila que se ejecuten de cierta forma y bajo ciertas 
condiciones [I.23]. Además de documentos, existen objetos rudimentarios que demuestran todo 
lo anterior, entre ellos se tienen, por ejemplo; las estatuas animadas del templo de Dédalo [I.24], 
los juguetes mecánicos de los griegos [I.25], así como los construidos en la Edad Media por San 
Capítulo I 7 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
Alberto Magno [I.26]. Aun cuando estos ejemplos se consideran ya automatismos, se toma como 
origen de la Ingeniería de control a la Revolución Industrial. Cabe mencionar que los acueductos 
(transportar agua en lugar de acarrearla), los molinos de viento (usar la fuerza del viento para 
encauzar el agua o para obtener fuerza motriz) son mecanismos de control bastante sofisticados y 
anteriores a la Revolución Industrial [I.27]. Los chinos, conocidos por sus grandes avances 
tecnológicos, diseñaron un dispositivo que se colocaba en los carros y debido a que siempre 
señalaban hacia el sur, el viajero siempre sabía en qué dirección viajaba, sin la necesidad de saber 
cuál era la estrella polar o de tener conocimientos de astronomía [I.28]. Estos dispositivos y 
muchos otros eran parte de la automatización. 
 
El año en que James Watt inventó la máquina de vapor (Figura I.4) y su dispositivo de control, se 
considera en forma general como la fecha de origen de la Ingeniería de Control. Así como, el 
punto de arranque de la Revolución Industrial [I.29]. Aunque, en ese sentido los rusos reclaman 
que antes de esa fecha en 1765, Polzunov [I.30] inventó el primer regulador por flotación que 
detecta el nivel del agua y con ese parámetro controla una válvula que regula la entrada de agua a 
un calentador, por lo que señala un avance en la Ingeniería de Control cuatro años antes que Watt. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.4.- Máquina de vapor con regulador de Watt 
 
Ya para esta época la Ingeniería de Control no sólo se encargaba de automatizar, sino que 
también de estudiar ciertos conceptos y características de los sistemas. Para 1952, el desarrollo de 
Capítulo I 8 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
controladores numéricos se realizó en el MIT (Massachussets Institute of Tecnology) para el 
control de los ejes de máquinas [I.31]. 
 
Para 1970, el control de espacio de estados y el control óptimo fueron un paso claro para el 
desarrollo de la Ingeniería de Control. Las aplicaciones en la industria automotriz, la industria 
química, la electricidad, procesos biológicos e incluso para la economía, para la educación y las 
ciencias sociales eran de uso común. En 1980, conceptos como el control robusto eran 
ampliamente estudiados. En 1994, la mecatrónica se volvió de uso común en los automóviles 
[I.32]. Actualmente, conceptos como control estocástico, control inteligente (difuso y neuronal), 
control por modos deslizantes y control adaptivo son ampliamente usados en el campo de la 
ingeniería de control [I.33]. 
 
I.4.1.- Sistemas de control moderno 
Dentro de esta sección, la mano DIST (Figura I.5) es el resultado de un proyecto de investigación 
europeo, que tiene un pulgar y tres dedos, con 16 grados de libertad. El sistema de control de los 
dedos tiene una retroalimentación de posición (position feedback), el que mide el ángulo 
(posición) de cada articulación, comparándola con la posición de referencia. La diferencia entre 
ambas (error) es comunicada a un microprocesador, el cual a través de una función u(t) ordena a 
un actuador (servomotor) llevar a cabo un proceso (movimiento articular), lo que da lugar a una 
salida (nueva posición del dedo) [I.34]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.5.- Mano DIST, manipulador de alta destreza con 16 grados de libertad 
Capítulo I 9 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
 
I.4.2.- Estudios previos sobre el control de las señales EMG 
El crecimiento en la investigación de las señales bioeléctricas para su uso en la robótica, ha 
tenido un gran auge en los últimos años, teniendo proyectos especializados a el análisis de las 
señales EMG, como el realizado en el año 2003, por la Universidad CES en Medellín, Colombia, 
donde se realizó un sistema de adquisición y procesamiento de variables electrofisiológicas 
basado en el uso de microprocesadores y comunicación con una computadora personal [I.35]. 
Dentro de las investigaciones sobre el procesamiento de señales EMG, en 2009 Guarín-Rueda y 
Ruíz-Ardila, implementaron una tarjeta de adquisición capaz de obtener las señales 
electromiográficas provenientes del miembro superior de una persona, para luego procesar la 
información y visualizarla en una computadora [I.36]. 
 
No todos los estudios relacionados a las señales mioeléctricas se enfocan a su uso en prótesis, 
algunos de ellos se dedican a hacer uso de los parámetros censados por medio de los dispositivos 
de adquisición de dichas señales y mediante un monitoreo y parametrización lograr detectar 
ciertos tipos de enfermedades como el desarrollado en 2009, por Jaramillo-Montalvo, el cual 
logra detectar el deterioro muscular en pacientes que padecen EPOC (Enfermedad Pulmonar 
Obstructiva Cronica) [I.37]. 
 
En el año 2012, Urbina-Rojas y Martínez-Santa implementaron un electromiógrafo con una 
interfaz USB (Universal Serial Bus), capaz de capturar y procesar señales eléctricas de los 
músculos tomadas en la superficie de la piel [I.38]. Para ese año, en la Universidad de Autónoma 
de Yucatán, se diseñó y construyó un sistema para detectar las señales electromiográficas, 
pudiéndolo adaptar a diferentes músculos y posterior a el estudio en particular de uno de ellos 
enfocarlo a el desarrollo de una prótesis motorizada y controlada por medio de esta señales EMG 
[I.39]. 
 
Un año más tarde, en la Pontificia Universidad Católica del Perú, se desarrolló un sistema de 
adquisición de las señales EMG generadas durante la actividad muscular mediante electrodos de 
superficie, haciendo pruebas en extremidades superiores (bíceps, tríceps, flexor del antebrazo) e 
inferiores (gemelos). Dejando como aportación el hacer notar la diferencia en el comportamiento 
Capítulo I 10 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
de las señales EMG debido a los parámetros como el tipo de contracción, tipo de músculo, peso 
con el que se realiza el ejercicio y el individuo al cual se le practican los ensayos [I.40]. 
 
A raíz del incremento, sobre todo en América Latina,en los estudios sobre las señales EMG en 
México también se han desarrollado diversos estudios de investigación, siendo el Instituto 
Politécnico Nacional uno de los principales instituciones que han dedicado recursos a la 
implementación de proyectos que utilizan señales mioeléctricas principalmente para su uso en la 
robótica. Como la realizada en 2013 por Ávila- Morales y colaboradores la cual diseña y 
construye una prótesis electromecánica de una mano humana contralada por medio de las señales 
EMG [I.a41]. La cual deja un panorama abierto sobre las posibilidades de desarrollo en la 
implementación de las señales electromiográficas. 
 
I.4.3.- Aplicaciones del control neurodifuso en las señales EMG 
Una aplicación del control neurodifuso en las señales mioelectricas es la que se realizó por Kelly, 
Parker y Scott [I.50]. En donde mediante el análisis de una señal mioeléctrica de un solo canal 
(MES), se extrajó la información que se utilizó para identificar diferentes patrones de contracción 
en la parte superior del brazo. Estos patrones de contracción son generados por sujetos sin 
entrenamiento previo y se encuentran naturalmente asociados con funciones específicas. 
Mediante un conjunto de características normalizadas MES espectrales, se puede identificar 
patrones de contracción durante cuatro funciones del brazo. Específicamente de extensión y 
flexión del codo y la pronación y supinación del antebrazo. Una implementación de redes 
neuronales artificiales se aplicó en la tarea de clasificación. Ensayos realizados en cinco sujetos 
con extremidades normales dio lugar a un nivel de clasificación de rendimiento promedio de 85% 
para las cuatro funciones. 
 
En el trabajo de Gallant y colaboradores [I.51] fue empleado un sistema de clasificación de 
patrones, diseñado para separar los registros de señales mioeléctricas basado en tareas de 
contracción. La amplitud de la señal mioeléctrica durante los primeros 200 ms, después del inicio 
de la contracción tiene una estructura no aleatoria que es específica de la tarea a ejecutar. Esto 
permite la aplicación de técnicas avanzadas de reconocimiento de patrones para separar estas 
señales. El sistema de clasificación descrito consta de un preprocesador espectrográfico. Una 
Capítulo I 11 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
etapa de extracción de características y una etapa clasificadora. El preprocesador desarrolla un 
espectrograma mediante la generación de una serie de densidades espectrales de potencia a través 
de segmentos de tiempo adyacentes de la señal de entrada. La etapa de extracción reduce la 
dimensionalidad del espectrograma mediante la identificación de características que 
corresponden a las sutiles estructuras subyacentes en los datos de señal de entrada. Esto se realiza 
mediante una red neuronal artificial que realiza un procedimiento avanzado de análisis 
estadístico. Las características extraídas se clasifican en una red neuronal artificial con 
supervisión y aprendizaje. 
 
En la investigación de Asghari y Hu [I.52] se revisa el desarrollo de reconocimiento y no 
reconocimiento de patrones basada en el control mioeléctrico. Se presenta el estado de la técnica 
de logros en términos de su tipo, la estructura y la aplicación potencial. Estas señales se 
clasificaron utilizando sistemas neurodifusos, los resultados experimentales verifican la validez 
del método propuesto. La señal mioeléctrica es una señal de control del cuerpo humano que 
contiene la información de la intención del usuario para contraer un músculo y, por lo tanto, 
hacer un movimiento. En el trabajo de Favieiro y Balbinot [I.53] se muestra que los amputados 
son capaces de generar señales mioeléctricas estandarizadas repetidamente antes de la intención 
de realizar un determinado movimiento. Este trabajo presenta un estudio que investiga las 
diversas funciones del antebrazo para la clasificación de cinco señales que distinguen los 
movimientos del brazo utilizando sólo tres pares de electrodos de superficie situados en lugares 
estratégicos. La clasificación se realiza mediante un sistema de inferencia adaptativo neurodifuso 
para procesar las características de la señal para reconocer los movimientos realizados. La 
precisión promedio alcanzado para la clasificación de las cinco clases de movimiento fue 86-98% 
para tres sujetos. 
 
I.5.- Planteamiento del problema 
Pensando en poder apoyar a quien por destino de la vida ha nacido o perdido una mano, se 
plantea desarrollar una prótesis mioeléctrica, que pueda ser controlada, por el paciente por medio 
de los impulsos generados en la piel. Buscando con esto llenar el vacío de funcionalidad que se 
presenta con la falta de este miembro. 
Capítulo I 12 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
De lo establecido en el estado del arte puede apreciarse la necesidad de un correcto análisis de las 
señales mioeléctricas mediante sistemas de control capaces de dar la mayor precisión posible para 
que estas a su vez sean utilizadas en la generación del movimiento de la prótesis. 
 
Las señales mioeléctricas son señales, producidas por la contracción y relajación de cualquier 
músculo, de acuerdo con esta característica se desarrolla un análisis de las señales mioeléctricas 
para una orientación a la robótica. La fase de clasificación, dentro del proceso de análisis de 
dichas señales o reconocimiento de patrones, es un componente muy importante y puede 
considerarse como la tarea final del proceso, pues una vez definido el experimento, obtenidas las 
señales y pre-procesadas convenientemente, el último paso es la implementación de un 
clasificador que pueda decidir a qué clase corresponde cada una de ellas. Y con estas señales 
poder simular los movimientos de los dedos de la prótesis de la mano, y con ello suplir la falta 
del miembro con un mecanismo útil. 
 
I.6.- Sumario 
En este capítulo se definen las características principales de las señales electromiográficas y su 
incursión dentro de la ingeniería y medicina, que pueden ser aplicables y compatibles con el uso 
de señales mioeléctricas para la realización del sistema de control que permita generar 
movimientos en una prótesis de mano. 
 
Capítulo I 13 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
I.7.- Referencias 
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Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
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Capítulo I 15 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
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29.- Strandh, S., The History of the Machine, 4
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 Edición, Ed. Bracken Books, pp 20-55, 1989. 
30.- Montiel-Chable, M., Diseño de un Sistema de Control de Velocidad Proporcional SCADA 
para un Motor de Corriente Directa “CD”, Tesis Licenciatura, ESIME Azcapotzalco, 
Instituto Politécnico Nacional, pp 43-46, 2011. 
31.- González-Longatt, F. M., Teoría de Control, Curso, Grupo de Investigaciones Avanzadas en 
Energía Eléctrica IEEE, pp 3-4, 2007. 
32.- Arbeláez-Salazar, O. y Mendoza-Vargas, J. A., La ingeniería mecatrónica por ciclos en 
Colombia, Scientia Et Technica, Vol. 35, pp 421-426, 2007. 
33.- Bonilla-Mota, G. y Canseco, M. C., Historia de la Ingeniería de Control, Ed. Universidad 
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34.- Caffaz, A., Casalino, G., Cannata, G., Panin, G. y Massucco E., The DIST-Hand, an 
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EIA-CES, Revista Ingeniería Biomédica, Vol. 2, No. 3, pp 12-15, 2008. 
Capítulo I 16 
Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimientos en una prótesis personalizada de mano 
36.- Guarín-Rueda, J. C. y Ruíz-Ardila, S. M., Actualización Tecnológica del Módulo de 
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37.- Jaramillo-Montalvo, J. F., Diseño e Implementación de un Sistema de Transmisión 
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38.- Urbina-Rojas, W. F. y Martínez-Santa, F., Implementación de un electromiógrafo con 
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39.- Cifuentes-González, I. A., Diseño y Construcción de un Sistema para la Detección de 
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40.- Córdova-Ricapa, F., Desarrollo de un Sistema para la Evaluación de la Actividad Muscular 
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Perú, pp 27-53, 2013. 
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42.- Kelly, M. F., Parker, P. A. y Scott, R. N., Neural network classification of myoelectric signal 
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43.- Gallant, P. J., Morin, E. L. y Peppard, L. E., Feature-based classification of myoelectric 
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45.- Favieiro, G. W. y Balbinot, A, Adaptive neuro-fuzzy logic analysis based on myoelectric 
signals for multifunction prosthesis control, Annual International Conference of the IEEE 
Engineering in Medicine and Biology Society, pp 7888-7891, 2011. 
 
 
 
 
 
En este capítulo se 
abordan los fundamentos 
del proceso biológico en 
los músculos que genera 
los pulsos eléctricos 
necesarios para el 
movimiento del músculo. 
Así como, las etapas de 
captura, y procesamiento 
de dichas señales 
electromiográficas para 
su posterior utilización. 
CAPÍTULO II 
Fundamentos Teóricos 
Capítulo II 18 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
II.1.- Fundamentos teóricos 
En el presente capítulo se muestran conceptos y fundamentos teóricos, los cuáles permitirán 
comprender los procedimientos a realizar en cada una de las etapas de dicho proyecto. Enfocando 
la mayor parte del capítulo a el funcionamiento general de los músculos al verse involucrados en 
el proceso de movimiento del cuerpo humano. Desglosando el proceso de adquisición y 
tratamiento de las señales mioeléctricas, parte fundamental para el funcionamiento y obtención 
del proyecto. 
 
II.2.- Características generales de los músculos 
Un músculo es un tejido contraíble que forma parte del cuerpo humano y de otros animales. Está 
conformado por tejido muscular. Los músculos se relacionan con el esqueleto o bien forman parte 
de la estructura de diversos órganos y aparatos [II.1]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.1.- Músculo estriado 
 
Los músculos están envueltos por una membrana de tejido conjuntivo llamada fascia. La unidad 
funcional y estructural del músculo es la fibra muscular. El cuerpo humano contiene 
aproximadamente 650 músculos. Si se cuentan además los músculos erectores presentes en cada 
uno de los pelos del cuerpo, entonces se puede considerar que existen más de cinco millones de 
músculos. Según su naturaleza, existen tres tipos de músculo; estriado o esquelético, liso o 
visceral y cardíaco [II.2]. 
Capítulo II 19 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.2.- Partes que integran un músculo estriado 
 
El cuerpo humano está formado aproximadamente de un 40% de músculo estriado y de un 10% 
de músculo cardíaco y músculo liso. El funcionamiento de la contracción se debe a un estímulo 
de una fibra nerviosa, se libera acetilcolina (ACh). La cual, va a posarse sobre los receptores 
nicotínicos haciendo que estos se abran para permitir el paso de iones sodio a nivel intracelular. 
Estos viajan por los túbulos hasta llegar a activar a los receptores de dihidropiridina que son 
sensibles al voltaje; provocando a la vez la apertura de los canales de riaonodina que van a liberar 
Calcio. El Calcio que sale de éste retículo sarcoplasmático va directo al complejo de actina, 
específicamente a la troponina C. 
 
 La troponina cuenta con tres complejos, este Calcio unido a la troponina C hace que produzca un 
cambio conformacional a la troponina T, permitiendo que las cabezas de miosina se puedan pegar 
y así producir la contracción. Este paso del acoplamiento de la cabeza de miosina con la actina se 
Músculos en el brazo 
Núcleo Fibra muscular 
Músculo estriado 
Fibra muscular 
Miofibrillas 
Actina Miosina 
Capítulo II 20 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
debe a un catalizador en la cabeza de miosina, el magnesio, a la vez hay un gasto de energía, 
donde el ATP pasa a ser dividido en ADP y Fósforo inorgánico. El Calcio que se unió a la 
troponina C, vuelve al retículo por medio de la bomba de Calcio, donde gran parte del Calcio se 
une a la calcicuestrina [II.3]. 
 
 
 
 
 
Figura II.3.- Corte transversal de las fibras musculares donde, a) Contracción y relajación del 
músculo debido al Ca++ liberado por las cisternas, b) División de las fibras musculares en 
sarcómeros y c) Funcionamiento de la bomba de Calcio donde 2 iones de Ca son ingresados al 
retículo sarcoplasmático por cada ión hidrolizado. 
 
Sarcómero 
Nervio Mielina 
Axón 
Placa motora 
Mitocondrias 
Miofibrillas 
Retículo 
sarcoplásmico 
Túbulos T 
Túbulos T 
Líneas Z 
Líneas I Líneas H 
Músculo 
contraído 
Músculo 
relajado 
Líneas 
…A 
c) 
Endomisio 
Endoneuro 
Ca+ 
Ca+ 
Ca+ 
Líneas Z 
Filamento de Actina 
Filamento de 
Miosina 
b) a) 
Capítulo II 21 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
 
 
Figura II.4.- Funcionamiento de la bomba Ca++- ATP, la cual se encarga de mantener en niveles 
bajos de Ca al sarcómero para evitar su saturación 
 
II.2.1.- Funcionamiento de los músculos 
El músculo liso se encuentra en órganos, que también están formados por otros tejidos, como el 
corazón e intestino, que contienen capas de tejido conjuntivo. El músculo esquelético suele 
formar haces que componen estructuras musculares cuya función recuerda a un órgano. Con 
frecuencia, durante su acción retraen la piel de modo visible. Tales estructuras musculares tienen 
nombres que aluden a su forma, función e inserciones. Por ejemplo, el músculo trapecio del dorso 
se llama de este modo porque se parece a la figura geométrica de este nombre y el músculo 
masetero de la cara debe su nombre a su función masticatoria. Las fibras musculares se han 
clasificado, por su función, en fibras de contracción lenta y de contracción rápida. La mayoría de 
los músculos esqueléticos están formados por ambos tipos de fibras, aunque uno de ellos 
predomine. Las fibras de contracción rápida, de color oscuro, se contraen con más velocidad y 
generan mucha potencia. Las fibras de contracción lenta, más pálidas, están dotadas de gran 
Sarcómetro 
Potencial de acción 
Sarcolema 
Bomba de Calcio 
Ca
+ 
Ca
+ 
Ca+ Ca+ 
ATP 
Filamentos de Actina 
Filamentos de Miosina 
Capítulo II 22 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
resistencia. La contracción de una célula muscular se activa por la liberación de Calcio del 
interior de la célula, en respuesta probablemente a los cambios eléctricos originados en la 
superficie celular. 
 
Los músculos que realizan un ejercicio adecuado reaccionan a los estímulos con potencia y 
rapidez, y se dice que están dotados de tono. Como resultado deun uso excesivo pueden 
aumentar su tamaño (hipertrofia), consecuencia del aumento individual de cada una de las células 
musculares. Y debido a una inactividad prolongada los músculos pueden disminuir su tamaño 
(atrofia) y debilitarse. En ciertas enfermedades, como ciertas formas de parálisis, el grado de 
atrofia puede ser tal que los músculos quedan reducidos a una parte de su tamaño normal [II.4]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura II.5.- Fijación de un músculo esquelético involucrado en la flexión del antebrazo 
 
Los principales movimientos de los músculos son [I.4]: 
 
 Flexión.- Flexiona alguna articulación aproximando los segmentos que se unen a la 
articulación. 
 Extensión.- Extiende alguna articulación alejando los segmentos que la forman. 
 Aducción.- Acercan una extremidad hacia el eje del cuerpo. 
 Abducción.- Alejan una extremidad del eje del cuerpo. 
Origen 
Tendones 
 Vientre muscular 
Tendón 
Inserción 
Capítulo II 23 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
 Supinación.- La palma de la mano o del pie giran hacia arriba 
 Pronación.- La palma de la mano o del pie giran hacia abajo 
 Circunducción.- Movimiento que engloba varios de los anteriores y que se realiza 
buscando la máxima amplitud. 
 Rotación.- Puede ser interna o externa. Es un giro sobre el eje longitudinal de 
cualquiera de las articulaciones. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura II.6.- Contracción del codo. 
a) Contracción isométrica. b) Contracción concéntrica. c) Contracción excéntrica. 
 
Los músculos esqueléticos realizan dos acciones: contracción y relajación. Al ser estimulado el 
músculo por un impulso motor, éste se contrae; cuando el impulso se interrumpe, el músculo se 
relaja. Durante la actividad deportiva, los músculos realizan tres tipos de contracciones: 
Contracción isométrica 
Contracción muscular sin 
movimiento 
Contracción Concéntrica 
El músculo se acorta 
Contracción Excéntrica 
El músculo se alarga 
a) 
b) 
c) 
Movimiento
Movimiento
Capítulo II 24 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
isotónicas, isométricas, e isokinéticas. Las primeras contracciones (isotónica, isométrica) se 
realizan con tres variaciones: concéntricas, excéntricas y pliométricas. 
 
II.2.2.- Mecanismo molecular de la contracción muscular 
En estado relajado, los extremos de los filamentos de actina que derivan de dos discos sucesivos 
apenas se solapan entre sí, mientras que sí se superponen completamente a los de miosina. Por 
otra parte, cuando están en contracción, los filamentos de actina se han desplazado entre los de 
miosina, de forma que ahora se solapan entre sí en mayor grado. Además, los filamentos de 
actina han tirado de los discos Z hacia los extremos de la miosina. De hecho, los filamentos de 
actina pueden ser atraídos juntos tan intensamente que los extremos de los filamentos de miosina 
llegan a arquearse durante una contracción muy intensa. Así pues, la contracción muscular tiene 
lugar por un mecanismo de deslizamiento de filamentos. 
 
Las fuerzas mecánicas generadas por la interacción de los puentes cruzados entre los 38 
filamentos de actina y miosina. En condiciones de reposo, estas fuerzas se hallan inhibidas, pero 
cuando un potencial de acción viaja por la fibra muscular se produce la liberación de gran 
cantidad de iones Calcio hacia el sarcoplasma que baña las miofibrillas. A su vez, los iones 
Calcio activan las fuerzas entre los filamentos y la contracción comienza. También es preciso que 
exista energía para el proceso contráctil: se obtiene de los enlaces de alta energía del ATP, que se 
degrada a adenosina difosfato (ADP) para liberar la energía necesaria [II.4]. 
 
II.3.- Señales mioeléctricas (EMG) 
Las señales EMG superficiales (EMG´S), son esencialmente un patrón unidimensional. Por lo que 
cualquier técnica de procesamiento de señales para extracción de características y reconocimiento 
de patrones se puede aplicar a este tipo de señales. La información extraída de las señales 
EMG´S, es seleccionada de tal manera que se minimice el error en el control de los sistemas 
robóticos. La necesidad de una rápida respuesta limita la longitud de las muestras de la señal 
sobre las cuales se extraen las características. 
 
 
Capítulo II 25 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura II.7.- Detección de señales mioeléctricas 
 
II.3.1.- Adquisición de señales mioeléctricas 
Las señales EMGS, son colectadas típicamente mediante electrodos bipolares de superficie, 
ubicados sobre la piel, como se observa en la figura II.7. Estas han sido utilizadas para el control 
de prótesis de miembros superiores desde 1948 [II.5]. Estas señales proveen información sobre la 
actividad neuromuscular que las origina, siendo esencial esta información en: diagnóstico clínico, 
rehabilitación y como fuente de control para dispositivos activos y esquemas de estimulación 
eléctrica funcional [II.6]. En [II.7], realizaron un trabajo comparativo de clasificación con señales 
EMG superficiales e intramusculares, concluyendo que la información extraída en las dos clases 
de señales es igualmente valiosa, sin encontrar diferencias significativas en su capacidad de 
clasificación. Este resultado es importante, ya que brinda la seguridad de continuar utilizando las 
señales EMG´S en futuros trabajos de investigación aplicada. 
 
Las señales EMG´S son generadas por la contracción muscular, por lo que su adquisición requiere 
de una correcta identificación de las regiones musculares comprometidas en la ejecución de los 
movimientos a clasificar. Debido a la elevada resistencia eléctrica natural de la piel, se 
recomienda la aplicación de un gel que mejore la conductividad además de lograrse una buena 
superficie de contacto y adherencia con los electrodos. A pesar de estas disposiciones, las señales 
recogidas serán demasiado débiles, por lo que se hace necesario un procesamiento previo de 
filtraje y amplificación antes de su análisis. Estos aspectos se detallan a continuación. 
Positivo
Negativo
Amplificador
Tierra
Capítulo II 26 
 Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar 
movimiento en una prótesis personalizada de mano 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura II.8.- Sistema básico de adquisición de señales EMG 
 
II.3.1.1.- Captura 
Las señales mioeléctricas son capturadas típicamente mediante electrodos bipolares de superficie, 
ubicados sobre la piel [II.8]. Aunque en algunas prótesis se utilizan electrodos implantados 
cuando se tiene el prototipo final. En ésta etapa se debe identificar el músculo generador de la 
señal mioeléctrica. Para lo cual, se recomienda la asistencia de personal médico especializado, 
quienes pueden identificar con mayor precisión las regiones musculares con mayor compromiso 
en la ejecución de los movimientos de interés y debe realizarse particularmente con cada paciente 
[II.9] debido a que las señales mioeléctricas son propias de cada quien; también identificar el 
número de electrodos a utilizar, analizar la posición de los electrodos e identificar