ToroMariana_2023_PrototipoRoboticaSuave

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PROTOTIPO EN ROBÓTICA SUAVE DE PRÓTESIS
MIOELÉCTRICA TRANSRADIAL
MARIANA TORO RAMÍREZ
MARÍA ALEJANDRA MEJÍA RAMÍREZ
Trabajo de grado para optar al título de:
Ingeniero Mecatrónico
Director de trabajo de grado:
David Rozo Osorio
Magíster en Ingeniería
UNIVERSIDAD EIA
INGENIERÍA MECATRÓNICA
ENVIGADO, COLOMBIA
2023
Agradecimientos
Agradecemos primeramente a nuestras familias por todo el apoyo incondicional proporcionado, no
solo durante el desarrollo de esta investigación, sino durante la duración de la completitud de nuestro
pregrado. Sin sus ánimos, colaboración, apoyo, escucha y consejo constante, este proyecto no habría
llegado a término. Entre ellos, queremos nombrar con especial detalle a Harold Toro Murillo, Isabel
Ramírez Pineda, Manuel Sandoval Pinto, Jerónimo Toro Ramírez, Samuel Toro Ramírez, Jairo Alberto
Mejía Molina, Irene Ramírez Granados y Jairo Alberto Mejía Ramírez.
A su vez, queremos resaltar el apoyo de los profesores Róbinson Alberto Torres Villa, Edgar Virgilio
Rincón Gil y Fredy Andrés Mercado Navarro, por su apoyo y asesoría con cada uno de los temas de
consulta con los que nos ayudaron en esta investigación. Así mismo, al estudiante de Maestría Alejandro
Toro Ossaba, autor de la investigación "Prótesis de Mano Activa basada en Robótica Suave", quien
nos apoyó con sus conocimientos y experiencia en el tema.
Por último, y con especial reconocimiento, queremos destacar al profesor David Rozo Osorio, quien
desde el inicio y hasta el �nal de esta investigación estuvo altamente presente y atento, asesorando
cada detalle micro y macro de la presente investigación. Gracias a su incondicional apoyo, se lograron
los objetivos planteados con gran calidad.
1
Índice general
INTRODUCCIÓN 8
1. PRELIMINARES 9
1.1. Formulación del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2. Justi�cación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3. Objetivos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4. Marco de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5. Marco teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.1. Generalidades de la robótica suave y actuación por cables . . . . . . . . . . . . 16
1.5.2. Actuación por cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.3. Biomecánica de la mano y adquisición y procesamiento de señales mioeléctricas 18
1.5.4. Adquisición y procesamiento de señales mioeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.5. Desarrollos de prótesis en el mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2. METODOLOGÍA 27
2.1. Objetivo especí�co 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2. Objetivo especí�co 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3. Objetivo especí�co 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4. Objetivo especí�co 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3. DISEÑO CONCEPTUAL 30
3.1. Lectura de Contexto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.1. Conclusiones de la investigación �Prótesis de mano activa basada en robótica
suave� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2. Recomendaciones futuras de la investigación �Prótesis de mano activa basada en
robótica suave� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.3. De�nición del problema: Quality Function Deployment . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.4. Requerimientos de Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.5. Características de Ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.6. House of Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.7. Descomposición funcional: Arquitectura Funcional . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2. Diseño básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1. Matrices de selección ponderada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2. Matriz de selección ponderada para el actuador de los cables . . . . . . . . . . 36
3.2.3. Matriz de selección ponderada para el conversor análogo digital (ADC) . . . . . 36
2
4. DISEÑO DE DETALLE 38
4.1. Diseño electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.1. Diseño de circuito para captación de señales mioeléctricas EMG . . . . . . . . . 38
4.1.2. Simulaciones y pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.3. Fabricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2. Diseño mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1. Diseño mecánico del socket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2. Diseño mecánico de la palma y dedos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.3. Ensamble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3. Procesamiento de señales y control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.1. Con�guración del ADC MCP3561 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.2. Código de lectura y procesamiento de datos, y control de motores . . . . . . . . 62
4.4. Pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.1. Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.2. Análisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5. CONCLUSIONES 68
3
Índice de �guras
1.1. Tendencia de uso de la Robótica Suave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2. Tendencia de desarrollo de prótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3. Línea de tiempo desarrollo de prótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Clasi�cación del grado de actuación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5. Paradigma de manipulación suave y rígida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6. Clasi�cación de los tipos de articulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7. Tipos de Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8. Sistema óseo de la mano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.9. Movímienot de la muñeca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.10. Modelo cinemático de la mano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.11. Criterio de la taxonomía Cutkosky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.12. Criterio de clasi�cación de agarres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.13. Rango de movimiento de la mano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.14. Músculos del compartimiento anterior del antebrazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.15. Músculos del comportamiento posterior del antebrazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.16. Propuesta de distribución de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.17. Mercado de prótesis miembro superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.18. Mercado de prótesis de miembro superior por componente . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.19. Mercado de prótesis de miembro superior por usuario �nal . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1. Logo Empresa Humanos 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2. House of Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3. Arquitectura Funcional. Fuente: Elaboración propia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4. Matriz de selección ponderada para el actuador de los cables . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5. Matriz de selección ponderada para el conversor análogo digital (ADC) . . . . . . . . . 37
4.1. Diagrama de bloques circuito señal mioeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2. Circuito para captación de señales mioeléctricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3. Etapa de Pre-Ampli�cación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4. Ejemplo de aplicación dado por el fabricante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5. Resistencia RG para distintas ganancias G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.6. Etapa Filtro Pasa-Altas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.7. Etapa Filtro Pasa-Bajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.8. Etapa Filtro Notch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.9. Filtro de hendidura en T gemela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.10. Etapa Ampli�cación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.11. Parámetros de con�guración de la simulación en Multisim . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.12. Circuito para simulación del �ltro Pasa-Bajas y Pasa-Altas en Multisim. . . . . . . . . 45
4.13. Circuito para simulación del �ltro Notch en Multisim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.14. Simulación del �ltro Pasa-Bajas y Pasa-Altas en Multisim . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.15. Simulación del �ltro Notch en Multisim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.16. Con�guración del elemento PWL Voltage en el software Multisim . . . . . . . . . . . . 47
4.17. Parámetros para la con�guración Transient en el software Multisim . . . . . . . . . . . 47
4
4.18. Circuito para observar la señal ECG previo acondicionamiento . . . . . . . . . . . . . . 48
4.19. Señal ECG previo acondicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.20. Señal ECG después de acondicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.21. Board PCB en Eagle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.22. Esquemático en Eagle con dos canales de electromiografía y el ADC MCP3561 . . . . 50
4.23. PCB ensamblada. Fuente: Elaboración propia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.24. PCB montaje �nal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.25. Señal mioeléctrica canal A músculo bíceps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.26. Señal mioeléctrica canal B músculo tríceps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.27. Primer prototipo CAD del socket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.28. Parte interna del primer prototipo CAD del socket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.29. Prototipo CAD �nal del socket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.30. Protipo CAD �nal del socket, vista interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.31. Piñones cónicos para abducción y aducción del pulgar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.32. Mecanismo del pulgar completo vista frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.33. Mecanismo del pulgar completo vista lateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.34. Diseño CAD de la tapa de la palma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.35. Vista isométrica y frontal del CAD de los dedos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.36. Ensamble Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.37. Ensamble Final físico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.38. Diagrama de �ujo con�guración MCP3561 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.39. Formato de datos de salida del MCP3561 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.40. Funcionamiento del modo SCAN y tiempos entre conversiones . . . . . . . . . . . . . . 61
4.41. Agarre Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.42. Agarre Pinch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.43. Agarre Key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.44. Agarre Hook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.45. Ruleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.46. Posición Inicial de la palma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5
Índice de tablas
4.1. BOM componentes JLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2. Pruebas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6
Abstract
This research focuses on the development of a prototype of a transradial myoelectric prosthesis
using soft robotics technology for amputated limbs. The relevance of the development focuses on the
need to improve the quality of life of the amputated people, highlighting the importance of generating
a functional and ergonomic product, mainly framed in the Colombian society and context. The analysis
of the current state of the art precedes a detailed description of the adopted methodology. Preliminary
research focuses on key aspects such as hand biomechanics and a review of the most recent advances
in the �eld of prosthetics, with emphasis on the use of underactuated transmission and coupled motion
architectures. An EMG circuit capable of capturing myoelectric signals, allowing for adaptability to
di�erent users and muscles is designed; also, a mechanical design is developed that includes the cons-
truction of a socket, palm, and �ngers, following the anthropometric characteristics of a mature female
user, actuated by cables, which allows performing the movements of abduction and adduction of the
thumb, and �exion and extension of all �ngers, allowing to execute four types of grasps that statistically
an average user executes most frequently in their daily activities. A myoelectric control algorithm is
developed, which identi�es, classi�es, and executes the grasps on the user's demand. Optimization of
the control code and improvements in the mechanical system are suggested for future research. Finally,
it is concluded that the project has achieved its objectives in terms of functionality and performance.
Key Words: Soft Robotics, Transradial Prosthetics, Myoelectric Signal, EMG.
Resumen
Esta investigación se centra en el desarrollo de un prototipo de prótesis mioeléctrica transradial
mediante el empleo de tecnología de robótica suave para extremidades perdidas por amputación. La
relevancia del desarrollo se enfoca en la necesidad de mejorar la calidad de vida de las personas
amputadas, resaltando la importancia de generar un producto funcional y ergonómico, enmarcado
principalmente en la sociedad y el contexto colombiano. El análisis del estado del arte actual precede a
una descripción detallada de la metodología adoptada. La investigación preliminar se centra en aspectos
clave como la biomecánica de la mano y una revisión de los avances más recientes en el campo de las
prótesis, con énfasis en el uso de transmisión subactuada y arquitecturas de movimiento acopladas. Se
diseña un circuito EMG capaz de capturar señales mioeléctricas que permite adaptabilidad a diferentes
usuarios y músculos; así mismo, se desarrolla un diseño mecánico que incluye la construcción de un
socket, palma de la mano y dedos, siguiendo las características antropométricasde una usuaria femenina
madura, actuado por cables, que permite realizar los movimientos de abducción y aducción del pulgar, y
�exión y extensión de todos los dedos, permitiendo ejecutar cuatro tipos de agarre que estadísticamente
ejecuta un usuario promedio con mayor frecuencia en sus actividades cotidianas. Se desarrolla un
algoritmo de control mioeléctrico, el cual identi�ca, clasi�ca y ejecuta los agarres a demanda del
usuario. Se sugiere para futura investigación una optimización en el código de control, y mejoras en el
sistema mecánico. Finalmente, se concluye que el proyecto ha alcanzado sus objetivos en términos de
funcionalidad y rendimiento.
Palabras Claves: Robótica Suave, Prótesis Transradial, Señal Mioeléctrica, EMG.
7
INTRODUCCIÓN
Las estadísticas mundiales, que proyectan un aumento signi�cativo en los casos de amputación de
miembros, demuestran que este es un suceso bastante común con el que muchas personas deben lidiar
diariamente. Adicionalmente, en Colombia, se considera que la violencia interna del país y las altas
tasas de accidentalidad son factores agravantes de los traumatismos musculoesqueléticos, lo que hace
que esta problemática sea aún más relevante en el contexto local.
La evolución en el campo de la robótica y las prótesis ha dado lugar a avances signi�cativos en la
mejora de la calidad de vida de las personas con amputaciones transradiales. No obstante, persisten
desafíos cruciales relacionados con la facilidad en control, reducciones de complejidad de los sistemas,
viabilidad económica, capacidad de realizar un subconjunto útil de las funciones de las manos humanas,
entre otros.
Este estudio se basa en antecedentes signi�cativos en el campo de la robótica suave, los cuales
concluyen que el uso de transmisiones subactuadas, �exibilidad de las articulaciones y minimización de
sensores son aspectos clave para lograr prótesis más versátiles y efectivas. Los desarrollos en esta área
han experimentado un crecimiento notable en la última década, impulsados por iniciativas de código
abierto y avances en tecnologías de prototipado rápido.
Por consiguiente, la presente investigación se centra en el desarrollo de un prototipo de prótesis
mioeléctrica transradial mediante el uso de tecnología de robótica suave. La metodología utilizada en
este proyecto se basa en un modelo que condensa las etapas de investigación y desarrollo de prótesis
transradiales de robótica suave (Semasinghe et al., 2018). Se comprende entonces la concepción de un
diseño mecánico y electrónico basado en parámetros biomecánicos de la mano humana, la construcción
del prototipo haciendo uso de tecnología de robótica suave y procesos de manufactura rápida, el
desarrollo de un algoritmo de control mioeléctrico para realizar movimientos básicos de la vida diaria
y, �nalmente, la evaluación del desempeño del prototipo en entornos de prueba controlados.
Este proyecto representa un paso importante hacia la creación de prótesis funcionales y accesi-
bles, con el potencial de mejorar la calidad de vida de las personas con amputaciones transradiales.
La metodología adoptada proporciona un enfoque estructurado y riguroso para abordar los desafíos
planteados en esta investigación interdisciplinaria en la Universidad EIA.
8
Capítulo 1
PRELIMINARES
1.1. Formulación del problema
Según un estudio realizado por (Ziegler-Graham et al., 2008), se proyecta que el número de personas
viviendo con pérdida de miembro a nivel mundial sería de 2.2 millones para el 2020 y 3.6 millones
para el 2050, de los cuales aproximadamente el 35% corresponderían a pérdida del miembro superior.
Otras estadísticas estiman que en Italia y Reino Unido (UK), ocurren aproximadamente 3,500 y 5,200
amputaciones del miembro cada año, de las cuales el 12% son transradiales (amputación por debajo
del nivel del codo -antebrazo-), con traumatismo como primera causa de amputación (Cordella et al.,
2016). Estos estudios revelan que la realidad de las amputaciones y, especí�camente, de la amputación
de manos, es más común que lo que se percibe. En un contexto colombiano, no existen estudios
poblacionales especí�camente relacionados con el número de personas que poseen amputaciones de
miembros, sin embargo, se considera que la violencia interna del país y las altas tasas de accidentalidad
son factores agravantes de los traumatismos musculoesqueléticos.
Según las estadísticas de víctimas de MAP y MUSE (Minas Antipersonales y Municiones Sin
Explotar) censadas por el gobierno colombiano, se tiene que a la fecha existen 12,229 víctimas, siendo
Antioquia el departamento con mayor número, con un total de 2,644 (Presidencia de la República,
2022). Debido a estas cifras, en una escala de referencia mundial, Colombia fue catalogada en el año
2010 como el cuarto país con mayor número de víctimas de minas antipersona (Ocampo et al., 2010).
Otro estudio realizado en el 2020 sobre traumas de miembro superior en la ciudad de Medellín revela
que, de aproximadamente 18,000 personas con traumatismo, un 1.7% fueron casos de amputaciones,
de los cuales un 10% correspondía a amputaciones de brazo y muñeca-mano, apuntando que la causa
más común fueron los accidentes laborales (33% de los casos) (Benítez and Posada, 2020).
En consecuencia, se encuentra un amplio número de personas con pérdida de miembro superior
que deben adaptarse a una nueva forma de vida en la que es necesario asumir cambios no solo en
el sentido físico, sino también psicológico y social; siendo un hecho que las víctimas de amputaciones
suelen enfrentar presencia de estados depresivos y periodos de duelo (Ossaba and Tigreros, 2020).
Las prótesis de mano se han venido implementando desde el siglo XX como una alternativa estética
y funcional para las personas con amputación de mano; no obstante, existen limitaciones respecto a
estas que han convertido en un reto a largo plazo de investigación el desarrollar una mano protésica
que asemeje cada vez más su nivel de desempeño, resistencia, movilidad, fuerza, y apariencia al de una
mano humana (Yan et al., 2022).
En el año 1996 se realizó un estudio que reveló que entre el (30 y 50)% de las personas con
amputaciones no usaban sus prótesis de mano regularmente debido a diversos factores como el peso;
restringida funcionalidad y movimientos; y apariencia robótica poco natural, atribuida a sus limitados
grados de libertad (Atkins et al., 1996), y aunque la tecnología ha avanzado mucho desde entonces,
múltiples autores coinciden en que estas recomendaciones aún siguen siendo un reto vigente de inves-
9
tigación (Devi et al., 2018; Gao et al., 2021; Unanyan and Belov, 2021; Yang et al., 2021), resaltando
otros factores como la seguridad, adaptabilidad, �exibilidad, carencia de compilación pasiva y los altos
costos asociados a las prótesis electromecánicas rígidas, generando una problemática alrededor de la
cual se postulan propuestas de implementación de la robótica suave y las técnicas de manufactura
rápida, debido a la facilidad de producción e in�nitos grados de libertad y �exibilidad que estas dos
proporcionan, entre otras razones (Johnson, 2018; Yan et al., 2022). Por lo anterior, la investigación
propuesta en este trabajo se centra en la pregunta: ¾Cómo desarrollar una prótesis mioeléctrica trans-
radial para miembro perdido por amputación, haciendo uso de la robótica suave? Lo anterior, iniciando
con la restricción de que la fabricación y puesta a punto del prototipo sea comparable o incluso inferior
en costo, en comparación con las demás alternativas del mercado.
1.2. Justi�cación
Un ejemplo de los elevados precios de las prótesis en el contexto colombiano son que el rango están-
dar para la venta de prótesis funcionales es desde (8 hasta 50) millones de pesos (COP) (EsMachina,
2022); no obstante, algunas pueden llegar a costar más de 100 millones de pesos (Villegas, 2020). En
Colombia, según el Ministerio de Trabajo, el porcentaje de las personas que trabajan y ganan más
de un salario mínimo es de 49.9%, lo cual signi�ca que más de la mitadde la población gana un
salario mínimo o menos, en números, 12.85 millones de personas (Editorial La República, 2021). Y se
registra que aproximadamente la mitad de las personas atendidas en Medellín por amputación debido
a accidentes laborales son de procedencia rural, siendo esta una población que por lo general carece
de los recursos su�cientes para acceder a la alternativa de una prótesis en el mercado (Benítez and
Posada, 2020).
Respecto a lo anterior, y debido a que muchos de los desarrollos de prótesis con robótica suave
siguen en etapa de investigación, y no se han llegado a implementar en prótesis comerciales; a su vez
que muchos de ellos no han integrado el diseño mecánico con la captación de señales mioeléctricas para
el control de las mismas, como es el caso de Yan et al. (2022); se presenta la oportunidad de dejar
un prototipo de diseño de una prótesis funcional mioeléctrica para personas amputadas en calidad de
open-source, que busque la reducción de costos, en comparación a los precios del mercado, con el �n
de dar acceso a las personas con bajos recursos a este tipo de alternativas que mejoren su calidad de
vida e interacción social.
Entre las alternativas para la manufactura de un prototipo de robótica suave, la impresión 3D
se evidencia como una de las técnicas con mayor tendencia y crecimiento; sin embargo, el área de
materiales tiene diferentes caminos que en la actualidad pueden ser de interés para esta investigación.
De esta manera, se logra incursionar en la robótica suave abordando las diferentes problemáticas
presentadas de las prótesis rígidas, asimismo que permite fomentar la inclusión entre la industria y la
investigación en el marco colombiano.
Dentro del contexto de la Universidad EIA, se busca continuar las investigaciones anteriores lide-
radas por el docente Juan Camilo Tejada Orjuela, a partir de la continuación del trabajo de grado de
los estudiantes Juan José Jaramillo Tigreros y Alejandro Toro Ossaba (Ossaba and Tigreros, 2020) en
el desarrollo de un prototipo de prótesis basada en robótica suave, cambiando el enfoque que se tenía
en este proyecto donde se buscaba que la prótesis fuera completamente antropomór�ca y biomimética,
por un interés mayor en la funcionalidad, para que pueda ser usada por una persona con esta disca-
pacidad. De esa manera, seguir aportando nuevos avances en temas relacionados con las prótesis de
extremidad superior para futuras investigaciones y la interdisciplinariedad y convergencia de carreras
y del conocimiento dentro de la institución.
10
1.3. Objetivos del proyecto
Objetivo general
Desarrollar un prototipo en robótica suave de prótesis mioeléctrica transradial para miembro per-
dido por amputación.
Objetivos especí�cos
1. Desarrollar un diseño mecánico y electrónico de prótesis mioeléctrica transradial con base en
parámetros biomecánicos de la mano humana.
2. Construir el prototipo de prótesis transradial mioeléctrica basado en los resultados de diseño,
haciendo uso de la robótica suave y procesos de manufactura rápida.
3. Desarrollar un algoritmo de control mioeléctrico para el prototipo de prótesis transradial, tal que
permita realizar movimientos básicos de la vida diaria.
4. Evaluar el desempeño del prototipo de prótesis transradial mediante análisis cuantitativos y
cualitativos con protocolos de pruebas.
1.4. Marco de referencia
1.4.1. Antecedentes
La �Berlichingen hand�, desarrollada en el siglo XVI, puede ser considerada como el primer intento
de diseño de una mano robótica funcional (Tomovi¢ and Boni, 1962). Posteriormente, a medida que
avanzaba el desarrollo de manos arti�ciales, el enfoque de diseño seguido por muchos investigadores
consistió en intentar reproducir de cerca la apariencia y destreza de las manos humanas (antropo-
mor�smo) con diseños so�sticados que integraran muchos actuadores y sensores; encontrándose entre
ellos la Utah/MIT Dextrous Hand (Jacobsen et al., 1986), la Robonaut Hand (Lovchik and Diftler,
1999), la Gifu Hand II (Kawasaki et al., 1999), la DLR Hand II (Butterfass et al., 2001), y la Shadow
Dexterous Hand (Shadow Robot Company, 2022). No obstante, puede ser justamente dicho que estos
enfoques dieron lugar a un número muy limitado de aplicaciones en el mundo real de la robótica, y es
por esta razón que, buscando incrementar la relevancia de las aplicaciones, nuevos enfoques han sido
propuestos en los últimos años para el desarrollo de manos arti�ciales efectivas y �ables, reconociendo
que conseguir un antropomor�smo estructural y funcional perfecto puede hacer los diseños demasiado
complejos, por lo que se pretende una búsqueda de otros aspectos como facilidad en control, viabilidad
económica y capacidad de realizar un subconjunto útil de las funciones de las manos humanas (Piazza
et al., 2019).
Este conjunto de requisitos establecidos en la era de investigación actual condujeron, en última
instancia, al uso de esquemas de actuación simpli�cados y de materiales y estructuras blandas. De una
revisión detallada de los desarrollos protésicos del último siglo, se ha mostrado que los enfoques que
apuntan a la simpli�cación de los diseños proporcionan notables bene�cios, y es así como las nuevas
tendencias que involucran el uso de la robótica suave logran versatilidad de agarre, robustez, �abilidad
y reducciones de complejidad de los sistemas (Piazza et al., 2019). Ejemplos de estos son los desarrollos
presentados por Devi et al. (2018); Fras and Althoefer (2018); Gao et al. (2021); Kontoudis et al. (2015);
Unanyan and Belov (2021); Yan et al. (2022); Yang et al. (2021).
Es así como el número de manos en robótica suave desarrolladas y publicadas ha incrementado
considerablemente en la última década (Figura 1.1). Según Piazza et al. (2019), este fenómeno se debe
en parte a dos factores principales: el creciente interés por el hardware de código abierto (open-source), y
la creciente difusión de tecnologías de prototipado rápido que permiten la fabricación fácil y económica
de componentes mecánicos con geometrías complejas. Algunos de estos proyectos con iniciativas open-
source destacables son el proyecto Yale Open Hand (Ma and Dollar, 2017), la iniciativa Natural Machine
11
Motion (Natural Machine Motion Initiative, 2014), la plataforma Soft Hands (Technische Universität
Berlin Department of Computer Engineering and Microelectronics, 2016), la comunidad open-source
e-NABLE (Enabling The Future, 2022), y las diversas iniciativas de OpenBionics (OpenBionics, 2022).
En conclusión, las tres tendencias marcadas de la investigación en la era actual buscan el reem-
plazo de los mecanismos rígidos por estructuras blandas, la simpli�cación de los diseños de las manos
robóticas que permita menor número de actuadores, sensores y menor complejidad en control, y la
reducción de costos para mayor accesibilidad de los usuarios (Piazza et al., 2019). A continuación, la
Figura 1.1 muestra la tendencia del último siglo de crecimiento en el uso de la robótica suave en el
desarrollo de las manos arti�ciales, no solo en área de prótesis, sino también en campos de robótica
asistida, industrial, e interacción robot-humano (como la robótica social, entretenimiento, robótica de
servicios, entre otros); mientras que la Figura 1.2 muestra la tendencia del desarrollo de prótesis parti-
cularmente, dentro del conjunto de manos arti�ciales. A su vez, en la Figura 1.3 se muestra una línea
de tiempo de los desarrollos de manos arti�ciales desde 1912 hasta 2018.
Figura 1.1: Tendencia de uso de la robótica suave en el desarrollo de manos arti�ciales. Tomado de:
(Piazza et al., 2019).
Figura 1.2: Tendencia de desarrollo de prótesis dentro del conjunto de manos arti�ciales. Tomado de:
(Piazza et al., 2019).
12
(a)
(b)
Figura 1.3: Línea de tiempo de las prótesis de mano desarrolladas en el último siglo. Tomado de:
(Piazza et al., 2019).
13
Las aplicaciones protésicas y de rehabilitación requieren especial atención a la seguridad y natu-
ralidad del movimiento del dispositivo para mejorar la interacciónhumano-robot, la comodidad y el
confort.
De una lectura detallada del estado del arte de las prótesis desarrolladas en el último siglo (Piazza
et al., 2019), y las recomendaciones futuras que se plantean en diversos trabajos de investigación en
el área de las prótesis suaves (citados anteriormente), se concluyen varios aspectos destacables que se
sugieren abordar en una investigación de prótesis con robótica suave, estos son:
1. Uso de transmisión subactuada: Al utilizar menos motores, se ahorra espacio, peso y cos-
tes. Según (Piazza et al., 2019), un aspecto especialmente investigado de las manos robóticas y
protésicas subactuadas es la adaptabilidad.
El uso de una arquitectura de movimiento acoplada o subactuada (Véase Figura 1.4) puede es-
tar relacionado con solo algunos de los DoFs de la mano, por ejemplo, dedos o pares de dedos,
mientras que otros enfoques especiales en el diseño de la arquitectura de movimiento extienden la
idea de la actuación acoplada y subactuada a todas las articulaciones de la mano. Este enfoque,
denominado "movimiento sincronizado de la mano"(en contraposición al movimiento sincroni-
zado de únicamente cada dedo), se inspira en la biología y la neurociencia, donde los estudios
neurocientí�cos sugieren que el cerebro utiliza la mano como un conjunto organizado y ordenado,
en el cual los patrones particulares de las actividades musculares pueden formar un análogo al
concepto de la teoría de espacios vectoriales: un número mínimo de elementos linealmente inde-
pendientes que, bajo operaciones especí�cas, generan todos los miembros de un conjunto dado,
en este caso, el conjunto de todos los movimientos (Piazza et al., 2019).
Este aspecto de adaptabilidad cobra mayor relevancia, el cual, junto con la suavidad del material,
permite a las manos arti�ciales llevar a cabo interacciones más reales y audaces con los objetos,
el entorno y las personas, cambiando el paradigma convencional de la plani�cación del agarre
(grasp planning) más allá de los límites cinemáticos nominalesde las prótesis rígidas tradicionales
mediante la explotación de la suavidad estructural (Véase Figura 1.5).
2. La �exibilidad (compliance) de las articulaciones: La cual aumenta considerablemente la
robustez de la mano robótica, permitiéndole soportar fuertes impactos con el entorno o fuertes
desarticulaciones. Donde, según el estudio realizado por Piazza et al. (2019), los diseños para
prótesis y aplicaciones de rehabilitación tienden a preferir las articulaciones �exibles y dislocables,
debido al comportamiento antinatural e inseguro de las tecnologías de articulación rígida (Véase
Figura 1.6).
3. La minimización del uso de sensores: Según Piazza et al. (2019), durante muchos años,
uno de los principales retos en el desarrollo de manos arti�ciales ha sido añadir diferentes tipos
de sensores, como los de medición del torque de las articulaciones y los de reconstrucción de la
postura de los dedos. No obstante, los nuevos enfoques propuestos en las tres últimas décadas
requieren menos sensores y, al menos en algunos campos, reducen la necesidad de precisión y
exactitud en la sensorización, debido a que esto puede ayudar a simpli�car aún más el diseño y
la complejidad del control.
14
Figura 1.4: Clasi�cación del grado de actuación usado en las manos robóticas. Tomado de: (Piazza
et al., 2019).
Figura 1.5: Paradigma de manipulación suave y rígida. Tomado de: (Piazza et al., 2019).
15
Figura 1.6: Clasi�cación de los tipos de articulaciones usados en las manos robóticas. Tomado de:
(Piazza et al., 2019).
1.5. Marco teórico
1.5.1. Generalidades de la robótica suave y actuación por cables
La robótica suave es una rama de la robótica que consiste en tener componentes �exibles en el
diseño de la estructura, sin recurrir a elementos rígidos como base del planteamiento (Carino-Escobar
et al., 2020). La manera en la que estos robots están siendo identi�cados se da principalmente por
las características morfológicas y constitutivas no convencionales que se dan en su funcionamiento y
construcción. Estos sistemas se caracterizan, a su vez, por tener teóricamente un número in�nito de
grados de libertad, lo cual los lleva a una con�guración espacial hiperredundante (Ossaba and Tigreros,
2020). Sin embargo, la propiedad más distintiva es la de los materiales suaves, los cuales se de�nen como
materiales que son deformables y pueden sufrir cambios signi�cativos de forma o tamaño en respuesta
a estímulos externos de tipo mecánico, eléctrico o químico; de manera más técnica, son materiales
cuyo módulo de elasticidad está en el orden de (102 a 106) Pa, mientras que los materiales rígidos
típicamente están en un rango mayor a 1010 Pa (Medina and Vélez, 2014), esta propiedad permite que
los robots suaves sean usados en ambientes no estructurados, también relacionados con las personas
de manera directa y sin lastimarlos.
Los materiales suaves pueden clasi�carse en dos categorías principales:
1. Elastómeros: Son materiales que tienen una gran elasticidad, lo que signi�ca que pueden defor-
marse bajo tensión y volver a su forma original cuando se libera la tensión. Algunos ejemplos de
elastómeros utilizados habitualmente en robótica suave son el caucho de silicona, el poliuretano
y el látex.
2. Hidrogeles: Son materiales formados por una red de cadenas de polímeros hidró�los que pueden
absorber grandes cantidades de agua. Esto los hace muy deformables y capaces de responder a
cambios en su entorno, como cambios de temperatura o pH.
Otros materiales blandos utilizados en robótica suave son los polímeros con memoria de forma, los
polímeros conductivos y los metales líquidos (Laschi et al., 2016).
16
Adicionalmente, otra cualidad de los robots blandos se da en los actuadores, gracias a estos se
pueden realizar los diferentes movimientos no lineales que no pueden realizar los robots rígidos, lo-
grando tener más alcance de movimiento y precisión. Los actuadores más conocidos en esta área son:
neumáticos, polímeros electro-activos, aleaciones con memoria de forma, y cables. En la Figura 1.7,
se observa una comparación de los distintos tipos de robots existentes, su utilidad y capacidad en los
diversos entornos de trabajo.
Figura 1.7: Tipos de robots y sus características. Tomado de: (Trivedi et al., 2008).
El campo laboral e investigativo que se genera es relativamente grande, en la creación de un
robot blando se necesitan integrar conocimientos de varias profesiones como la ingeniería mecánica,
electrónica, control, física, biomédica y muchos más respecto al tipo de funcionamiento que se quiere
lograr (Laschi et al., 2017). Actualmente, el mercado más in�uyente en este tema es el médico, no solo
porque se construyen a partir de materiales altamente biocompatibles, similares a los que se encuentran
en los organismos vivos, sino también debido a que pueden simular la forma en la que los organismos
vivos se mueven y se adaptan a su entorno. Es por eso por lo que se puede observar su aplicación en
la fabricación de prótesis, wearebles y posibles robots de cirugía.
Por otro lado, también es utilizada en otros trabajos relacionados con la interacción hombre-robot.
Esto, debido a que se puede a�rmar que los robots rígidos tradicionales representan un peligro en su
interacción con el humano, en cambio, los robots suaves coinciden con las propiedades elásticas de los
materiales orgánicos, y pueden proporcionar una mayor seguridad. Algunos ejemplos de esto son; en el
área ambiental, los robots agricultores; en mitigación de catástrofes y seguridad, robots de búsqueda
y rescate; y en el entorno industrial, en el transporte de objetos delicados.
La robótica blanda tiene el potencial de permitir el desarrollo de una generación radicalmente
nueva de máquinas con un mejor rendimiento en el mundo real y una mayor adaptabilidad en una
variedad de tareas (Laschi et al., 2017).
1.5.2. Actuación por cables
Son usados para transmitir la fuerza y el movimiento desde el sitio del actuador externo a los
efectores �nales (Thaiet al., 2020). La cualidad que tienen estos cables es que soportan grandes
tensiones y son �exibles. Comúnmente suele accionarse pasando los cables por la super�cie de la
silicona o por medio de túneles creados especí�camente para los cables, los cuales dependiendo de la
función se decidirá si son más �nos o no (Suh and Kim, 2018). En general se utilizan largas cantidades
de cable requerido para el control en los componentes accionados por el cuerpo, como se hacen en
las prótesis mecánicas, sin embargo, para prótesis mioelectricas o hibridas, las extensiones de cable se
17
reducen de gran manera y siguen cumpliendo la misma función, pero en zonas mucho más especí�cas,
en el caso de las prótesis simulan los tendones que mueven las articulaciones de los dedos.
1.5.3. Biomecánica de la mano y adquisición y procesamiento de señales mioeléc-
tricas
La mano puede ser considerada como el órgano crucial para la exploración y adaptación al ambiente
externo del ser humano; como tal, juega un rol vital en la percepción, prehensión y manipulación
humana en las tareas diarias (Yang et al., 2021). Estas labores cruciales las logra desarrollar con
remarcable precisión, habilidad proveniente de la compleja �siología y anatomía de la mano humana,
compuesta por un sistema muscular, huesos, ligamentos y tendones (�ukasz Jaworski and Karpi«ski,
2017).
La mano humana consiste en cinco dedos: pulgar, índice, medio, anular y meñique (en inglés,
thumb, index, middle, ring, little), numerados en ese orden del 1 al 5; a su vez, está compuesta por 27
huesos, conectados a través de numerosas articulaciones. La división más simple distingue tres partes
principales de la mano humana, agrupadas por 8 huesos de la muñeca (del latín carpus), 5 de la palma
(del latin metacarpus) y 14 falanges de los dedos (del latín digiti manus) (Semasinghe et al., 2018).
Los dedos del 2 al 5 tienen tres huesos cada uno: el proximal, medio y distal; pero el pulgar di�ere
del resto al solo tener dos de las tres falanges, el proximal y el distal (Ver Figura 1.8) (Szkopek and
Redlarski, 2019).
En referencia a las articulaciones, empezando por la muñeca, está la articulación radiocarpiana
entre el hueso del radio y los huesos del carpo. Los huesos del carpo forman dos tipos de articulaciones:
las mediocarpianas y las intercarpianas; las mediocarpianas, junto con las articulaciones radiocarpianas,
permiten a la mano realizar movimientos de �exión y extensión y de �exión radial/cubital (�ukasz
Jaworski and Karpi«ski, 2017), como se muestra en la Figura 1.9.
Entre los huesos carpiano y metacarpiano, hay cinco articulaciones carpometacarpianas (CMC) y
solo una de ellas, la del pulgar, tiene una amplia gama de movimientos, incluyendo �exión y extensión;
abducción y aducción, circunducción y oposición. En la base de cada falange proximal se encuentra la
articulación metacarpofalángica (MCP), que permite los movimientos de �exión, extensión, abducción,
aducción y circunducción. Las articulaciones entre falanges se denominan articulaciones interfalángicas.
Cada dedo, del segundo al quinto, tiene dos articulaciones interfalángicas: la proximal (PIP) entre la
falange proximal y la intermedia, y la distal (DIP) entre la falange intermedia y la distal; mientras
que en el pulgar la articulación se produce solo entre la proximal y distal (IP) (�ukasz Jaworski and
Karpi«ski, 2017), como se puede ver en la Figura 1.8.
Figura 1.8: Sistema óseo de la mano humana y articulaciones. Tomado de: (Szkopek and Redlarski,
2019).
18
Figura 1.9: Movimientos de la muñeca (carpus). Tomado de: (�ukasz Jaworski and Karpi«ski, 2017).
La cantidad de articulaciones y complejidad de movimiento hacen que el cálculo cinemático y
dinámico de la mano sea complejo; por tal motivo, existen diversas aproximaciones y simpli�caciones
que modelan los grados de libertad (Degree of Freedom) atribuidos la mano, los cuales varían depen-
diendo de las asunciones realizadas por los autores entre 18 y 27 DoFs. Uno de ellos es el planteado
por Yang et al. (2010), posteriormente adoptado por Devi et al. (2018), mostrado en la imagen a
continuación (Figura 1.10), el cual establece 25 DoF. La articulación de la muñeca y la articulación
carpometacarpiana (CMC) del pulgar tienen 3 DoF (�exión-extensión (f-e), abducción-aducción (ab-
ad) y pronación-supinación (p-s)) cada una; las cinco articulaciones metacarpofalángicas (MCP) tienen
2 DoF (f-e y ab-ad) cada una; por último, las nueve articulaciones interfalángicas (IP) tienen 1 DoF
(f-e) cada una (Yang et al., 2010). Este será el modelo en el cual se basará la presente investigación.
Figura 1.10: Modelo cinemático de la mano de 25 DOF. Tomado de: (Devi et al., 2018).
Por otra parte, la mano tiene más de 30 músculos diferentes, algunos de los cuales son responsables
de la fuerza y otros de la precisión (Szkopek and Redlarski, 2019). Los diversos agarres de la mano
han sido clasi�cados a lo largo de la historia según múltiples criterios, en 1956, Napier (1956) dividió
19
las tareas en acciones prensiles (se agarra o sostiene un objeto) y no prensiles (actividad pasiva de
la mano como levantar o soportar un objeto), y a su vez clasi�có los agarres entre poder o precisión.
Posteriormente, aparece el criterio de la taxonomía de agarres, desarrollada por Cutkosky (1989),
el cual comprende de manera jerárquica los diferentes agarres que puede realizar la mano, según la
fuerza o precisión de la tarea, para lo cual tiene en cuenta en el eje vertical (Figura 1.11) lo detallado
de la tarea y la geometría del objeto, y en el eje horizontal la intensidad del agarre y el tamaño
del objeto. Este criterio de clasi�cación ha permanecido como uno de los más utilizados actualmente
en las investigaciones relacionadas, encontrándose, en algunas ocasiones, con modi�caciones, como la
realizada por Feix et al. (2016).
Figura 1.11: Criterio de la taxonomía de agarres de Cutkosky. Tomado de: (Cutkosky, 1989).
Otra clasi�cación, desarrollada por Bullock et al. (2013), comprende no solo los agarres de la mano,
sino las diferentes interacciones que puede realizar, como apoyos simples, señas o aprensiones. Para
esta taxonomía se descomponen las acciones dentro de la composición de subclases según la presencia
de movimiento (M) de contacto (C) o la ausencia de estos, representada con una (N) precediendo a las
anteriores letras. La clasi�cación detallada se aprecia en la Figura 1.12.
20
Figura 1.12: Criterio de clasi�cación de agarres e interacciones de la mano. Tomado de: (Bullock
et al., 2013).
Otro aspecto importante para tener en cuenta en el diseño de las prótesis de mano es el rango de
movimiento en cada una de las articulaciones presentes en la mano humana, debido a que un análisis
mecánico de este puede derivar en simpli�caciones en control al construir un prototipo mecánicamente
predispuesto a permitir y restringir la libertad de movimiento en aquellas uniones que posean mayor
o menor rango de movimiento respectivamente. Ciertamente, estos valores del rango de movimiento
varían dependiendo de la persona, no obstante, existen estudios que han delimitado de una forma
aproximada el rango de movimiento de cada articulación, como el realizado por �ukasz Jaworski and
Karpi«ski (2017), mostrado en la Figura 1.13.
21
Figura 1.13: Rango de movimiento de la mano. Tomado de: (�ukasz Jaworski and Karpi«ski, 2017).
1.5.4. Adquisición y procesamiento de señales mioeléctricas
Basado en un estudio previo realizado (Ossaba and Tigreros, 2020), se ha determinado que las
señales electromiografícas (EMG), son las más relevantes para adquisición y procesamiento dentro del
conjunto de señales que hacen parte del proceso biológico de movimiento de la mano. Esto debido a su
actuación directa en el proceso, su facilidad de captación y procesamiento y la de�nida caracterización
de estas señales disponible en la literatura.
Estas señales, que presentan un intervalo de frecuencias entre los (20 y 500) Hz y un rango de
adquisición de (-6,6) mV (Ghapanchizadeh et al., 2017),requieren un proceso de detección a través
de sensores que capturan directamente el biopotencial de los distintos músculos del antebrazo que se
contraen según las actividades que se realicen con la mano. Esta señal capturada es de naturaleza
analógica y con un grado asociado de perturbaciones, tanto por ruido como por repetibilidad, por
lo cual requiere un procesamiento que permita trabajar con ella en un sistema digital e identi�car
patrones de comportamiento característicos para cada posible actitud de la mano.
Dada la composición natural de la mano, algunos de los músculos que permiten el movimiento
de la muñeca, el pulgar y los dedos, grupo habitualmente llamado como extrínsecos de la mano y
conformado por 20 músculos, se encuentran ubicados en los compartimentos anteriores y posteriores
del antebrazo, en un arreglo por capas super�ciales y profundas, según la porción de la mano sobre la
que actúan (Tortora et al., 2006), cuya distribución puede apreciarse en las Figuras 1.14 y 1.15.
22
Figura 1.14: Músculos del compartimiento anterior del antebrazo, actúan como �exores. Tomado de:
(Tortora et al., 2006).
Figura 1.15: Músculos del comportamiento posterior del antebrazo, actúan como extensores. Tomado
de: (Tortora et al., 2006).
Por esto, la zona de captación para las señales mioeléctricas de interés, ha de comprender un anillo
que abarque la totalidad del antebrazo entre el extremo superior e inferior del radio, a �n de captar
la totalidad del grupo muscular activo durante todos los posibles movimientos. En la propuesta de Hu
et al. (2015) se cuenta con una distribución de sensores como se aprecia en la Figura 1.16, donde la
zona de captación no abarca la totalidad de los músculos, sino que permite un pequeño margen en los
extremos, lo que permite concentrar los sensores disponibles para una mejor resolución.
23
Figura 1.16: Propuesta de distribución de sensores para captación de señales mioeléctricas. Tomado
de: (Hu et al., 2015).
1.5.5. Desarrollos de prótesis en el mercado
Dentro del conjunto de prótesis de mano, existen a su vez distintos enfoques en su fabricación,
ya que es diferente la adaptación para personas que nacen con el miembro faltante (agenesia), que
para aquellos individuos que lo pierden a lo largo de su vida por alguna calamidad (amputación). Esto
es debido a que el primer grupo de individuos se acostumbran desde muy jóvenes a desarrollar todas
sus actividades diarias y cotidianas sin este, causando que su cerebro no se encuentre acostumbrado
a mandar impulsos eléctricos que comanden el movimiento del miembro faltante, haciendo que la
captación de las señales se vuelva mucho más compleja (Laverde, 2015).
El mercado de la robótica suave está en constante crecimiento, en estudios realizados en el 2019 se
pronostica que para el 2027 este mercado tendrá una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de
aproximadamente (30 a 34)%, estos datos se pueden esperar gracias a la demanda de seguridad en las
diversas industrias de usuarios �nales y la creciente necesidad de automatización en industrias como
el procesamiento de alimentos, el comercio electrónico, etc. Uno de los mercados de mayor crecimiento
es el de los exoesqueletos, que sirven no solo para temas de rehabilitación, sino que se adecuan a los
trabajadores industriales y les evitan fatigas extremas u alguna lesión. Los países dominantes sobre
este tema son Estados Unidos (EE. UU.) y Asia del Pací�co (Allied Market Research, 2022a; Mordor
Intelligence, 2022).
Ahora, respecto a las prótesis, especí�camente las de miembro superior, estas son un mercado que
está valuado en USD 687.73 millones en 2020 y se espera que el CAGR para el 2030 tenga un incremento
de 4.3%. Este mercado se segmenta en tres grupos, según el tipo del producto, según los componentes
y según el usuario �nal. Dicha diversidad consecuencia directa de las múltiples necesidades de los
usuarios (Allied Market Research, 2022b).
24
Figura 1.17: Mercado de prótesis de miembro superior por tipo de producto. Tomado de: (Allied
Market Research, 2022b)
Figura 1.18: Mercado de prótesis de miembro superior por componente. Tomado de: (Allied Market
Research, 2022b)
25
Figura 1.19: Mercado de prótesis de miembro superior por usuario �nal. Tomado de: (Allied Market
Research, 2022b)
En las ilustraciones de la Figura 1.17, Figura 1.18 y Figura 1.19, se observa que, para el desarrollo
de la prótesis propuesta en este trabajo, los datos para el sistema mioeléctrico son positivos y por
componente que es un socket después del codo entraría en el campo de los otros por lo que su mercado
sigue siendo bajo respecto a los demás.
En la actualidad el desarrollo de prótesis de miembro superior lo manejan EE. UU., Canadá y
algunas de las empresas que se destacan en esta industria son Össur (Össur, 2022), Ottobock Healthcare
GmbH (Ottobock Prosthetic, 2022) y Steeper Group (Steeper Inc., 2022).
26
Capítulo 2
METODOLOGÍA
A partir del texto guía Transradial prostheses: Trends in development of hardware and control
systems (Semasinghe et al., 2018), se plantea un paso a paso en el desarrollo de investigaciones que
involucren la elaboración de prototipos de prótesis transradiales de robótica suave. Este paso a paso,
condensado en cuatro etapas, se toma como modelo a seguir en la presente investigación.
2.1. Objetivo especí�co 1
Desarrollar un diseño mecánico y electrónico de prótesis mioeléctrica transradial con
base en parámetros biomecánicos de la mano humana.
Buscando un diseño que priorice la funcionalidad de la prótesis, planteado en torno a parámetros
biomecánicos de la mano.
Lectura de contexto:
Obtención del conocimiento físico-mecánico y anatómico de la mano, que permita abarcar aspec-
tos como el sostén de la prótesis al cuerpo de la persona, y los diferentes tipos de agarre que se
quiere incluir. A su vez, a partir de ello, determinar los requerimientos de diseño en términos de
dinámica.
Revisión bibliográ�ca:
Lectura de artículos cientí�cos que hayan desarrollado prototipos relevantes para la investigación
presente, y anotaciones sobre los diseños mecánicos y electrónicos implementados en anteriores
investigaciones, junto con recomendaciones futuras.
Diseño de hardware enfocado en robótica suave:
- Diseño de circuito de adquisición de señales mioeléctricas EMG:
1. Escogencia de componentes electrónicos mediante matrices de selección ponderada.
2. Simulaciones en software del circuito de adquisición con señales sinusoidales de diferen-
tes frecuencias y señales mioeléctricas.
3. Diseño de PCB con circuito de�nitivo.
- Diseño mecánico de los dedos y la palma de la mano en herramienta de software CAD, basado
en parámetros biomecánicos de la mano humana, que a su vez incluya los movimientos de
�exión y extensión para todos los dedos y, adicionalmente, los movimientos de abducción y
aducción del dedo pulgar.
27
- Diseño mecánico del socket en herramienta de software CAD.
2.2. Objetivo especí�co 2
Construir el prototipo de prótesis transradial mioeléctrica basado en los resultados
de diseño, haciendo uso de la robótica suave y de procesos de manufactura rápida.
Fabricación y pruebas de hardware:
Fabricación de la PCB diseñada en el objetivo anterior, y realización de pruebas según la siguiente
metodología:
- Pruebas con señales sinusoidales de distintas frecuencias generadas por un dispositivo ge-
nerador de señales, y observación por cada etapa del circuito EMG de las transformaciones
que sufren dichas señales.
- Pruebas con señales mioeléctricas generadas por un dispositivo generador de señales mio-
eléctricas, y observación por cada etapa del circuito EMG de las transformaciones que sufren
dichas señales.
- Pruebas con señales mioeléctricas en tiempo real obtenidas con electrodos, y observación
por cada etapa del circuito EMG de las transformaciones que sufren dichas señales.
Fabricación y pruebas de mecánica: Fabricación del diseño mecánico de la palma, el socket y los
dedos mediante tecnologías de prototipado rápido. Pruebasde distribucuón de los componentes
dentro del socket, ensamble de las partes y pruebas dinámicas preliminares con los motores.
2.3. Objetivo especí�co 3
Desarrollar un algoritmo de control mioeléctrico para el prototipo de prótesis trans-
radial, tal que permita realizar movimientos básicos de la vida diaria.
Escogencia de los agarres básicos que permitan abarcar un porcentaje signi�cativo de las funciones
necesarias en la vida cotidiana de un ser humano.
Caracterización morfológica de las señales mioeléctricas: Pruebas de la captación de las seña-
les mioeléctricas en distintos puntos de origen musculares que permitan una identi�cación del
adecuado posicionamiento de los electrodos.
Planteamiento de estrategia de control:
- Planteamiento e implementación de una estrategia de identi�cación del tipo de agarre basado
en las señales mioeléctricas adquiridas en tiempo real por el circuito EMG, enfocado en la
funcionalidad práctica de la prótesis.
- Planteamiento e implementación de estrategia de control que permita reproducir el tipo de
agarre seleccionado e identi�cado.
2.4. Objetivo especí�co 4
Evaluar el desempeño del prototipo de prótesis transradial mediante análisis cuanti-
tativos y cualitativos con protocolos de pruebas.
Revisión bibliográ�ca de pruebas para la evaluación de desempeño de la prótesis.
28
Pruebas: El prototipo de prótesis construido será puesta en funcionamiento con el propósito de
evaluar su desempeño, especí�camente en lo que respecta a la precisión en la detección de señales
y la ejecución de los movimientos de agarre. Además, esta evaluación se llevará a cabo en varios
entornos y probado por distintas personas.
Conclusiones sobre el prototipo desarrollado: En este punto se ponen las recapitulaciones más
importantes encontradas durante la investigación, también los distintos análisis y, por último, los
posibles estudios o recomendaciones futuras para llevar a cabo.
29
Capítulo 3
DISEÑO CONCEPTUAL
3.1. Lectura de Contexto
Para el cumplimiento de los objetivos propuestos, inicialmente se plantea una investigación de-
tallada de los conceptos relevantes que impactan el presente estudio, resaltando aspectos como la
biomecánica de la mano (que incluye conocimientos físico-mecánicos y anatómicos de la mano huma-
na), y una revisión bibliográ�ca de los desarrollos de prótesis de los últimos años que permita abarcar
prototipos relevantes que puedan aportar bases de diseño (Consulte la sección 1.4 para mayor detalle).
A su vez, se realiza un análisis de las conclusiones y recomendaciones futuras que proponen los artículos
abarcados, resaltando entre estas:
1. El uso preferible de transimisión subactuada y/o arquitecturas de movimiento acopladas.
2. El uso preferible de articulaciones �exibles o dislocables.
3. La minimización del uso de sensores.
A su vez, como se ha mencionado anteriormente en repetidas ocasiones, el presente trabajo de
grado se plantea como una continuación de la investigación realizada por Alejandro Toro Ossaba y
Juan José Jaramillo Tigreros (Ossaba and Tigreros, 2020), denominada "Prótesis de mano activa
basada en robótica suave". Por ello, se realiza una observación clave de las conclusiones obtenidas a
partir de su ejercicio investigativo, y las recomendaciones planteadas en su continuidad, las cuales se
conciertan a continuación:
3.1.1. Conclusiones de la investigación �Prótesis de mano activa basada en robó-
tica suave�
1. La robótica suave es un área prometedora en el desarrollo de dispositivos que buscan imitar
comportamientos naturales y dispositivos que tienen interacción directa con tejidos blandos o
seres humanos.
2. Un buen enfoque para el desarrollo de sistemas suaves consiste en el uso de actuadores convencio-
nales como servos, motores, etc., que actúen estructuras suaves tal y como se propuso (actuación
por cables).
3. Se destaca la relevancia de la manilla EMG diseñada, la cual tiene un costo aproximado de $30
dólares, mientras que las manillas EMG comerciales pueden estar alrededor de los $1000 dólares.
4. Existe un vasto potencial de los modelos neuronales para el reconocimiento de patrones, permi-
tiendo una precisión aceptable en el reconocimiento de gestos a partir de las señales de electro-
miografía. También es relevante destacar la importancia de realizar un buen preprocesamiento
30
antes de introducir los datos al modelo neuronal, ya que esto permite obtener mejores resultados
y acelerar el proceso de entrenamiento.
5. La propuesta de un sistema protésico biomimético mejora la naturalidad de los movimientos
realizados por el sistema, así como su capacidad de adaptarse a agarrar objetos de diferentes
geometrías.
3.1.2. Recomendaciones futuras de la investigación �Prótesis de mano activa ba-
sada en robótica suave�
1. Mejorar la manilla de adquisición electromiográ�ca mediante la fabricación de una manilla que
posea un ADC ADS1298 de 8 canales y 24 bits de resolución, lo cual permitirá reducirla en
tamaño de manera considerable y entregar una mayor densidad de datos, siendo esto sumamente
bene�cial para la aplicación del modelo neuronal.
2. En este orden de ideas, también se mejoraría el modelo neuronal para funcionar con el nuevo
dispositivo EMG, permitiendo la clasi�cación de una mayor cantidad de gestos de manera más
precisa y con�able, mejorando también su implementación en la predicción en tiempo real.
3. Mejorar el prototipo de la prótesis, agregando mayores funcionalidades como lo es la aducción
y abducción del pulgar, �exión y extensión de la articulación metacarpiana; la agregación de
refuerzos (ligamentos de mayor rigidez) en los laterales de las articulaciones de cada falange para
prevenir la �exión lateral en algunos movimientos y la implementación de servos de mayor torque
(>= 20 kg/cm) para el aumento de la capacidad de agarre del sistema.
3.1.3. De�nición del problema: Quality Function Deployment
El Quality Function Deployment (QFD), es una herramienta que permite abordar la de�nición del
problema considerando tanto los requerimientos de usuario como las características de ingeniería. De
esta forma, esta metodología proporciona un marco estructurado para identi�car y traducir las nece-
sidades y expectativas de los clientes en especi�caciones técnicas concretas, alcanzando una alineación
efectiva con las capacidades y recursos de ingeniería disponibles.
Para la de�nición de los Requerimientos de Usuario y las Características de Ingeniería selecciona-
dos, se realizó una investigación desde tres fuentes principales:
1. Revisión bibliográ�ca de artículos cientí�cos de prótesis de miembro superior con enfoque en el
usuario, �ltrando entre las prioridades que establecen en la implemetación de una prótesis en un
paciente.
2. Estudio de benchmarking enfocado en las empresas de prótesis de miembro superior, subrayando
aspectos como las características técnicas que resaltan de sus productos, así como los bene�cios
e intereses que presentan para los usuarios.
3. Consulta a expertos en el tema. Para ello, se vistó una empresa especializada en prótesis para
pacientes con amputación transradial ubicada en la ciudad de Medellín, denominada Humanos
3D (Humanos3D, 2023). Allí, se entrevistó a los profesionales que desarrollan la tecnología e inter-
actúan con el paciente, y se abarcaron aspectos importantes sobre los principales requerimientos
de los usuarios y los destacables en cuanto a necesidades de ingeniería.
Figura 3.1: Logo empresa Humanos 3D. Tomado de: (Humanos3D, 2023).
31
3.1.4. Requerimientos de Usuario
Tamaño adecuado: Tamaño de la prótesis acorde al tamaño corporal del usuario.
Liviana: Que no tenga un peso que agote al usuario y la haga incómoda y di�cultosa de cargar.
Durabilidad: Que tenga una buena durabilidad en el tiempo.
Facilidad de mantenimiento: Que pueda realizarse un mantenimiento básico por parte del
usuario y reparabilidad básica.
Autonomía: Duración de la batería.
Estética: Que sea agradable estéticamente para el usuario.
Fuerza de agarre: Que tenga unafuerza de agarre alta, que al menos alcance un cierto grado
de aproximación a la fuerza de agarre de una mano humana.
Precisión en sus movimientos: Que sea precisa al realizar sus movimientos de agarre.
Funcionalidad: Que permita realizar una cantidad de agarres que cubran un alto porcentaje de
las tareas cotidianas que requiere realizar un usuario promedio.
Bajo costo: Que sea asequible para el usuario �nal, teniendo en cuenta las condiciones socio-
económicas de la población colombiana.
Seguridad: Seguridad de la prótesis en caso de que el usuario se caiga, se golpee o tenga un
accidente; seguridad eléctrica y mecánica, entre otros.
Velocidad de movimiento:Que los movimientos de la mano sean �uidos y tengan una velocidad
de reacción aceptable
Facilidad de uso: El usuario pueda tener una fácil interacción con la interfaz y el control de la
prótesis, y sea intuitivo y sencillo.
3.1.5. Características de Ingeniería
Peso de la prótesis [g]
Resolución del ADC [bits]
Dimensiones [mm]
Densidad del material [kg/m3]
Resistencia a la tracción material de la prótesis [MPa]
Coe�ciente de fricción del material de la prótesis []
Módulo de elasticidad del material de la prótesis [Pa]: Relación entre el esfuerzo al que
está sometido el material y su deformación unitaria (Módulo de Young).
Duración de la batería [h]
Tiempo de carga de la batería [min]
Potencia de la batería [W]
Torque de los motores [kgf*cm]
32
Velocidad angular motores [rpm]
Fuerza del actuador [N]
Vida útil [años]
Velocidad de muestreo del sistema de adquisición [b/s]
%H.R. condensado que soporta [ %]
Resistencia a la tracción del material del cable [MPa]
Coe�ciente de fricción del material del cable []
Módulo de elasticidad del material del cable [Pa]: Relación entre el esfuerzo al que está
sometido el material y su deformación unitaria (Módulo de Young).
Tiempo de produccción [h]
Costo de producción [$ COP]
Densidad del material de fabricación de la prótesis [kg/m3]
3.1.6. House of Quality
Figura 3.2: House of Quality. Fuente: Elaboración propia.
En conclusión, a partir del análisis realizado, y considerando los antecedentes, se identi�can cinco
características de ingeniería cruciales en las se debe centrar la investigación. Estas son:
1. Peso de la prótesis: Dado que estas prótesis se utilizan como reemplazos de las manos, es
esencial que sean livianas para garantizar la comodidad del paciente al usarla. De hecho, se ha
identi�cado que los usuarios tienden a dejar de usar las prótesis muy pesadas, así sean altamente
funcionales y tecnológicas, debido a que les lastima el muñón y les causa severas incomodidades
en su uso. Aún más, expertos en el tema señalan que el peso ideal para una prótesis debe ser
33
incluso inferior al del miembro amputado, debido a que el muñón no posee la misma capacidad
muscular y fuerza que el miembro sin amputar para sostener dicho peso.
2. Torque de los motores/Fuerza del actuador: Los actuadores deben contar con la su�cien-
te fuerza y precisión para permitir la manipulación de objetos pequeños y medianos, lo que
contribuirá a lograr una funcionalidad equiparable a una mano normal.
3. Resolución del ADC (Convertidor Analógico-Digital): La alta resolución en el ADC es
esencial para una correcta adquisición de las señales mioeléctricas que permita garantizar una
clasi�cación adecuada del tipo de agarre y, consiguientemente, un control apropiado de la prótesis.
4. Dimensiones: La dimensionalidad de la prótesis debe ser adecuada y ajustarse de manera na-
tural a la anatomía de la persona que la utiliza, lo que contribuirá a su comodidad y e�cacia.
5. Duración de la batería: Para mejorar la utilidad y practicidad de la prótesis, es crucial que la
batería tenga una larga duración, permitiendo un uso continuo durante períodos extendidos.
En resumen, para abordar este desafío, es esencial que la prótesis sea liviana, con una dimensionalidad
correspondiente adecuadamente al usuario. Adicionalmente, los motores deben ser lo su�cientemente
potentes y a la vez precisos para manipular objetos de diferentes tamaños. Por último, una batería de
larga duración ayuda a garantizar la utilidad práctica de la prótesis en la vida cotidiana.
3.1.7. Descomposición funcional: Arquitectura Funcional
La Arquitectura Funcional permite identi�car las funciones o componentes clave de un sistema, así
como las interacciones entre ellos; las cuales a su vez evidencian el �ujo de las entradas y sus respectivas
transformaciones que con�uyen en las salidas del sistema. De esta forma, esta metodología facilita la
de�nición de la estructura global y la lógica subyacente, sin entrar en discusión minuciosa de detalles
técnicos.
Con el �n de iniciar el proceso de selección de conceptos y diseño de detalle, se planteó la Ar-
quitectura Funcional propuesta en la Imagen 3.3, evidenciando las principales funciones de la prótesis
mioeléctrica transradial, y la interacción entre estas.
34
Figura 3.3: Arquitectura Funcional. Fuente: Elaboración propia.
3.2. Diseño básico
3.2.1. Matrices de selección ponderada
A través de esta herramienta cuantitativa de toma de decisiones, se evalúan y comparan múltiples
alternativas para una misma funcionalidad según de una serie de criterios prede�nidos.
La metodología es descrita a continuación:
1. Se establecen los criterios de evaluación según los resultados relevantes de la HoQ (Véase 3.1.6).
2. Se asigna un peso o importancia a cada criterio.
3. Se de�ne una magnitud (unidad medible) para cada una de las alternativas, y para cada uno de
los criterios de evaluación.
4. Según esta magnitud, se cali�ca cada criterio (escala de 5 puntos, donde 5 es el máximo puntaje)
5. Se calcula la cali�cación ponderada y se selecciona el criterio, obteniéndose, de esta forma, una
comparación objetiva y sistemática de las opciones.
Subsiguientemente, se presentan las matrices de selección ponderada utilizadas para realizar la
escogencia de los motores para la actuación de los cables de los dedos índice, medio, anular y meñique,
y el conversor análogo digital (ADC) para las señales mioeléctricas; los cuales fueron clasi�cados como
los dos elementos de mayor criticidad y relevancia para el diseño de detalle mecánico y electrónico,
con base en los resultados de la HoQ. Es de mencionarse que el mecanismo para la actuación del dedo
pulgar tiene especial detalle y será abarcado más adelante.
35
3.2.2. Matriz de selección ponderada para el actuador de los cables
Para determinar el motor más apropiado para el proyecto, es esencial crear una lista de las cuali-
dades requeridas según la aplicación. Entre los factores clave a considerar se encuentran el torque, las
RPM, las dimensiones, el costo y el consumo eléctrico (voltaje).
Las alternativas abarcadas en la matriz se explican a continuación:
Motorreductor DC: Se destacan ventajas como alto rendimiento, simplicidad de uso y versa-
tilidad. Sin embargo, generan fricción, calor y ruido, y pueden producir chispas. El motor paso a
paso es una opción precisa y sin restricciones en el giro.
Servomotor: Permite posicionar su eje en una posición angular especí�ca. Es fácil de controlar
y se conecta directamente a microcontroladores, aunque se recomienda alimentarlo desde una
fuente separada.
Motores lineales: Convierten la potencia eléctrica en trabajo lineal, eliminando mecanismos
intermedios. Pueden adaptarse directamente a los dedos y requieren menos cableado.
Para cada uno de los anteriores tipos de actuadores, se realizó una investigación de las opciones
disponibles en el mercado, seleccionando un actuador de cada tipo con las mejores características de
interés según la aplicación especí�ca del presente proyecto.
Figura 3.4: Matriz de selección ponderada para el actuador de los cables. Fuente: Elaboración propia.
Al analizar los resultados de la matriz, se puede concluir que, aunque el servomotor no es el motor
más potente, supera a las otras alternativas en las demás características. Asimismo, es un componente
que se encuentracon mayor facilidad en el mercado local en comparación con, por ejemplo, el PQL12-
30-6-R, que requeriría importación. También es de resaltar que por resultados, el POL-4744 es la opción
menos favorable en comparación con las otras dos alternativas, dado que obtuvo la menor cali�cación
total.
3.2.3. Matriz de selección ponderada para el conversor análogo digital (ADC)
El conversor análogo digital es un elemento que se resalta en las recomendaciones futuras de la
investigación de (Ossaba and Tigreros, 2020), y que a su vez se clasi�ca en alta relevancia como resul-
tado del análisis de la HoQ (3.1.6). Esto es debido a que tener un ADC externo al microcontrolador
proporciona una mayor resolución en bits de los valores convertidos, y, por lo tanto, una mejor adqui-
sición de la señal mioeléctrica. A su vez, aporta en una mayor velocidad de toma de muestras (menor
tiempo de muestreo).
Se contemplaron alternativas varias, entre las cuales se incluye, a su vez, el recomendado por
(Ossaba and Tigreros, 2020).
36
Figura 3.5: Matriz de selección ponderada para el conversor análogo digital (ADC). Fuente:
Elaboración propia.
Se puede observar que la alternativa que obtuvo mejor cali�cación total es el MCP3561, el cual es
seleccionado para implementar en el circuito del sensor EMG. Es de resaltar que existen otras referencias
de ADC MCP3561/2/4 con mayor número de canales, no obstante, para la aplicación presente solo
eran requeridos dos canales de conversión análogo/digital.
37
Capítulo 4
DISEÑO DE DETALLE
Todos los archivos pertinentes relacionados con el diseño electrónico, mecánico y el procesamiento
de señales (software y control), tanto para las simulaciones implementadas como para la producción
�nal, se han puesto a disposición del público en un repositorio Open-Source en GitHub. El enlace a
este recurso se proporciona a continuación:
Repositorio: Soft Robotics Myolectric Transradial Prosthesis.
Esto, con el objetivo de que pueda darse una adecuada continuidad a la investigación y pueda
formarse un aporte signi�cativo a la sociedad colombiana, que algún día llegue a ser de servicio para
las personas con amputación transradial.
4.1. Diseño electrónico
4.1.1. Diseño de circuito para captación de señales mioeléctricas EMG
La adquisición de las señales electromiográ�cas desempeña una función central en el funcionamiento
de la prótesis, ya que, a través de la adquisición, acondicionamiento y procesamiento de dichas señales,
se puede establecer el algoritmo de control para los actuadores de la prótesis de�nitiva, permitiendo
así la ejecución de diferentes modalidades de agarre según las preferencias del usuario.
Las funcionalidades inherentes a este circuito analógico comprenden la captación, el �ltrado y la
ampli�cación de las señales electromiográ�cas (EMG) originadas por la actividad muscular. Se presenta
a continuación un diagrama de bloques con las etapas del circuito diseñado.
Figura 4.1: Diagrama de bloques para circuito de adquisición y acondicionamiento de señal
mioeléctrica. Fuente: Elaboración propia.
De esta forma, se diseñó el circuito correspondiente al diagrama de bloques, el cual se muestra en
la Imagen 4.2. En esta, las entradas de los electrodos al circuito son representadas como V1, V2 y V3,
siendo esta última la tierra del paciente. A su vez, la salida del circuito se representa en la imagen
como VOUT .
38
https://github.com/MarianaToroR/Soft_Robotics_Myolectric_Transradial_Prosthesis
Figura 4.2: Circuito para captación de señales mioeléctricas. Fuente: Elaboración propia.
A continuación, se explica en detalle cada una de las etapas del circuito:
Pre-Ampli�cación:
Figura 4.3: Etapa de Pre-Ampli�cación. Fuente: Elaboración propia.
En el proceso de diseño de esta etapa, inicialmente se planteó el uso del ampli�cador de instru-
mentación AD620; no obstante, se mejora el diseño utilizando el AD623, del mismo fabricante (Analog
Devices), el cual posee dos características importantes para el diseño del circuito, que no posee el
AD620:
Rail-to-Rail : lo que signi�ca que su rango operativo abarca desde el voltaje mínimo hasta el
voltaje máximo disponible en su fuente de alimentación. Esto permite que el componente pueda
aceptar entradas y generar salidas que oscilan entre los extremos de la fuente de alimentación
del componente sin distorsionar la señal o sin que se produzca un recorte en los valores mínimos
o máximos.
Single-Supply : En el caso del AD623, este componente puede ser tanto Single como Dual Supply,
lo que signi�ca que puede operar con una única fuente de alimentación positiva. Es decir, está
diseñado para funcionar con un solo voltaje de alimentación, a diferencia del Dual Supply, que
requiere dos voltajes de alimentación, uno positivo y uno negativo.
De esta forma, el ampli�cador operacional U2 de la Figura 4.3 es utilizado para poner una tierra en
el paciente, de acuerdo al circuito sugerido por el fabricante en la hoja de datos del AD620, mostrado
39
en la imagen 4.4. Por otro lado, se le da una ganancia G = 20 al ampli�cador de instrumentación
AD623. Para ello, se calcula la resistencia RG según la fórmula dada por el fabricante en la hoja de
datos del AD623 (Analog Devices, 2023b), de la siguiente manera:
G = 20
RG =
100 kΩ
G− 1
RG = 5.26 kΩ
Se aproxima la resistencia RG a un valor comercial RG = 5.23 kΩ, la cual corresponde a R2 en
la Figura 4.3.
El fabricante también proporciona una taba con distintos valores de RG para distintas ganancias
(Figura 4.5).
Figura 4.4: Ejemplo de aplicación dado por el fabricante. Tomado de: (Analog Devices, 2023a)
Figura 4.5: Resistencia RG para distintas ganancias G para el ampli�cador de instrumentación
AD623. Tomado de: (Analog Devices, 2023b)
Filtros: En el proceso de concepción y diseño de los �ltros utilizados en el circuito, se ha optado
por la implementación de �ltros Butterworth. Esta elección se sustenta en la capacidad de estos �ltros
de ofrecer una respuesta en frecuencia suave y una atenuación uniforme de las frecuencias no deseadas
sin la introducción de �uctuaciones o irregularidades en la respuesta en frecuencia. De igual forma,
los �ltros Butterworth demuestran su e�cacia en la supresión de componentes de alta frecuencia no
deseados, sin introducir distorsiones signi�cativas en la señal de interés.
En Butterworth, se utilizan cuatro ecuaciones, llamadas de escalamiento, las cuales son utilizadas
para el cálculo de los valores de los componentes del �ltro, con el �n de lograr la respuesta deseada en
frecuencia. A su vez, por medio de estas se logra escalar los valores deseados a valores comerciales:
40
Kf =
Wc′
Wc
Km =
C
K · fC ′
R′ = R ·Km
C2′ =
C2′
Km ·Kf
NOTA: En la ecuación Km la variable C ′ es escogida a criterio según los valores que se quieran
hallar. Valores ideales:
Wc = 1 rad (4.1)
R = 1 Ω (4.2)
C = 1 F (4.3)
Filtro Pasa-Altas:
Figura 4.6: Etapa Filtro Pasa-Altas. Fuente: Elaboración propia
Se diseña un �ltro Butterworth de segundo orden pasa altas con frecuencia de corte Fc = 15 Hz.
Para ello, primeramente se igualan las dos ecuaciones dadas por Butterworth para un �ltro pasa altas
de segundo orden, y se determinan R2 y R1:
s2 + 1.4142s+ 1 = s2 +
2s
R2
+
1
R2 ·R1
R2 = 1.4142 Ω
R1 = 0.7071 Ω
(4.4)
Reemplazando en las ecuaciones de escalamiento y utilizando a C ′ = 1 µF:
NOTA: Para los �ltros pasa altas la ecuación R′ = R ·Km, la R cambia por las resistencias R1
y R2 respectivamente a la R′ que corresponda.
41
Kf =
2π · 15
1 rad
= 30 π
Km =
1 · 1F
30π · 0.1 · 10−6 F
= 106, 103.2954
R1′ = 106, 103.2954 · 0.7071 Ω = 75, 025.64018 Ω
R2′ = 106, 103.2954 · 1.4142 Ω = 150, 051.2804 Ω
Para R1′ la resistencia se aproxima a 75 kΩ. R2′ se aproxima a 150 kΩ en el circuito de la Imagen
4.6.
Es de mencionarse que los ampli�cadores operacionales escogidos son los MCP601/2, los cuales
poseen también las ventajas ofrecidas por las cualidades de ser Rail-to-Rail y Single-Supply. Estos son
los ampli�cadores operacionales utilizados en todas las etapas del