Proyecto_prtesis_mioelctrica

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INGENIERÍA MECATRONICA 
Desarrollo de una Prótesis Mioeléctrica 
Reporte de proyecto que presenta: 
 
Alan Daniel Álvarez Castro 
 
 
Para obtener el grado de: 
Ingeniero Mecatrónico 
 
 
Asesor: 
 Dra. Gabriela del Carmen López Armas 
 
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Guadalajara México, 2020 
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Resumen 
 
Existe la necesidad de prótesis de bajo costo y hackeables, ya que las comerciales 
son muy caras y no pueden modificarse para adaptarse a las necesidades de cada 
individuo. 
Las manos robóticas utilizadas en robots humanoides, manipuladores robóticos e 
investigación tienen un coste muy elevado, en muchos casos inasequible para 
startups, pequeñas universidades y centros de investigación. 
En esta tesis explicamos el desarrollo y la implementación de una prótesis de brazo 
robótico controlada por sensores de electromiografía, para resolver el problema de 
limitación de personas que perdieron una extremidad y la resolución de un problema 
con impacto social al proporcionar una mejor calidad de vida a la persona afectada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Palabras Clave 
Amputación, electromiografía, prótesis brazo, mano robótica 
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«Cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia.» 
Arthur C. Clarke 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Contenidos 
 
1. Introducción .................................................................................................. 8 
1.1. Clasificación de prótesis ....................................................................... 9 
1.1.1. Prótesis Estéticas ................................................................................. 9 
1.1.2. Prótesis Mecánicas ............................................................................ 10 
1.1.3. Prótesis Eléctricas .............................................................................. 10 
1.1.4. Prótesis Mioeléctricas ....................................................................... 11 
1.1.5. Prótesis Neumáticas ......................................................................... 11 
1.2. Estado del arte ................................................................................... 12 
1.2.1. Prótesis I-Limb ................................................................................... 12 
1.2.2. Prótesis Michelangelo ........................................................................ 13 
1.2.3. Prótesis Bebionic................................................................................ 14 
2. La mano humana ........................................................................................ 15 
2.1. Anatomía de la mano en humanos ........................................................ 15 
2.2. Biomecánica de la mano ....................................................................... 17 
2.2.1. Rango de movilidad de la .................................................................. 17 
2.2.2. Rango de movilidad de la muñeca .................................................... 17 
2.2.3. Rango de movilidad de los dedos ..................................................... 18 
2.2.4. Acción de los músculos ..................................................................... 20 
2.2.5. Patrones de presión ........................................................................... 21 
2.3. Medidas DIN 33402 .............................................................................. 22 
3. Potenciales de acción y potenciales de membrana .................................... 23 
3.1. Fisiología básica de los potenciales de membrana ............................... 23 
3.2. Potenciales de acción ........................................................................... 25 
3.2.1. Fases de los potenciales de acción.................................................... 26 
3.3. Canales de sodio y potasio ................................................................... 27 
3.4. Iones de calcio ...................................................................................... 27 
3.5. Inicio del potencial de acción................................................................. 28 
3.5.1. Umbral para el inicio del potencial de acción ................................... 28 
3.5.2. Propagación del potencial de acción .................................................. 29 
3.5.3. Dirección de la propagación ............................................................... 29 
6 
 
3.5.4. Excitación: el proceso de generación del potencial de acción ........... 30 
4. Señales Mioeléctricas ................................................................................ 31 
4.1. Sistema de adquisición de señales Mioeléctrica ................................... 32 
4.1.1. Electrodos .......................................................................................... 32 
4.1.2. Etapa de amplificación ....................................................................... 33 
4.1.3. Etapa de filtrado ................................................................................. 35 
5. Objetivos ................................................................................................... 36 
5.1.1. Objetivos Generales ........................................................................... 36 
5.1.2. Objetivos Específicos ......................................................................... 36 
Metodología ............................................................................................................ 37 
6. Diseño Mecánico ....................................................................................... 37 
6.1. Diseño de los dedos ............................................................................. 39 
6.2. Diseño del pulgar .................................................................................. 44 
6.3. Simulaciones de fatiga .......................................................................... 48 
6.4. Antebrazo y muñeca ............................................................................ 49 
6.5. Biomecánica de la mano ....................................................................... 50 
6.6. Motores ................................................................................................. 54 
6.6.1. Torque …………………………...…………………………………………57 
6.6.2. Eficiencia……………………………………………………………………58 
6.6.3. Numero de pulsos ............................................................................. 58 
7. Diseño Electrónico ...................................................................................... 59 
7.1. Modelo, control y procesamiento de señales Mioeléctrica .................... 59 
7.2. Características del microcontrolador ..................................................... 63 
7.2.1. Descripción ........................................................................................ 63 
7.2.2. Características ................................................................................... 64 
7.2.3. Especificaciones................................................................................. 64 
7.3. Puente H para los motores …………………………………………………65 
7.4. Arquitectura General del sistema .......................................................... 66 
8. Control de la prótesis .................................................................................. 67 
8.1. Procesamiento de señales mioeléctricas en Matlab .............................. 69 
8.2. Control motores ..................................................................................... 74 
8.3. Apartado códigos .................................................................................. 79 
7 
 
9. Resultados .................................................................................................. 84 
10. Cronograma y costos ..................................................................................91 
10.1. Diagrama de Gantt ................................................................................ 92 
10.2. Tabla costos .......................................................................................... 93 
11. Conclusiones .............................................................................................. 94 
12. Bibliografía .................................................................................................. 95 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. Introducción 
El hombre se ha ocupado de la mano desde la más remota antigüedad. Así, 
Anaxágoras pensaba que por ella se había convertido en el más inteligente de 
los seres vivos, al contrario que Aristóteles, según el cual por ser el más 
inteligente de los seres vivos, por esa razón poseía sus manos. 
Aún no ha sido esclarecido si la palabra mano se deriva del viejo gótico handus, 
del danés haand o del alemán hand, por lo que el origen lingüístico es evasivo. 
Sin embargo, el término anatómico manus evidentemente viene del latín 
manipulus por lo tanto el hombre es "aquel que tiene manos para manipular". En 
este sentido las manos devienen en instrumentos definidos por Aristóteles como 
"antecedente de todos los instrumentos productivos", en esencia, "órganos de 
investigación más bien que de locomoción". 
Después del cerebro, la mano es el tesoro más grande del hombre y a ella se 
debe el desarrollo del trabajo de artesanía. Es a su vez un órgano de expresión 
y un órgano especial de los sentidos para la estereognosia. Las ideas están 
ligadas a las sensaciones y acciones del as manos no solo en las actividades 
fundamentales concernientes a protección, comida, combate y perpetuación, sino 
en la creación, tal como construir, dibujar, modelar y hasta pensar [1]. 
Las personas que sufren una amputación de un miembro se ven obligadas a 
afrontar sus tareas de la vida diaria con la desventaja de no tener todos sus 
miembros, en el caso de las amputaciones de miembros superiores, no tener una 
o ambas manos es una barrera importante para el desempeño de las tareas 
diarias de quienes sufren la amputación. Acciones tan sencillas como vestirse, 
atarse los cordones de los zapatos o verter agua en un vaso, tienen una dificultad 
añadida que restringe la autonomía e independencia del amputado. Ante este 
escenario, existe una clara necesidad de una herramienta para restaurar 
parcialmente la funcionalidad del miembro superior faltante. Por eso 
investigadores y empresas de todo el mundo han desarrollado prótesis que 
9 
 
ayudan a estas personas a vivir su vida de una forma más independiente y 
sencilla. 
La existencia de manos robóticas que pueden ser construidas y programadas por 
uno mismo podría ampliar el campo de aplicación de estos dispositivos. Pueden 
ser utilizados por hackers en todas partes en sus propios proyectos, y pueden 
ser introducidos en escuelas y universidades para enseñar robótica con un 
dispositivo real que se puede utilizar desde la etapa de montaje hasta el 
desarrollo de diferentes aplicaciones. 
1.1. Clasificación de Prótesis 
Entre los diferentes tipos de prótesis de mano que existen, las prótesis robóticas 
son las de mayor funcionalidad. Los motores de DC, u otro tipo de actuadores, 
impulsan el movimiento de cada dedo o grupos de dedos. 
Existen diferentes tipos de prótesis de mano, las cuales se clasifican en: 
Estéticas, Mecánicas, Eléctricas y Mioeléctrica. 
 1.1.1. Prótesis Estéticas 
Las prótesis estéticas, conocidas como prótesis pasivas [20] [21], no tienen 
movimiento y solo cubren el aspecto estético del miembro amputado, en la 
fabricación de las mismas se emplean polímeros como PVC rígido, látex flexible 
o silicona [10] [22], estos materiales son empleados por ser más livianos y 
requieren de menos mantenimiento, ya que no disponen de piezas móviles [23], 
como se observa en la Figura 1. 
 
 
Fig. 1 Prótesis Estética 
10 
 
 1.1.2. Prótesis Mecánicas 
Las prótesis mecánicas cumplen funciones básicas como la apertura y cerrado 
de la mano, limitadas al agarre de objetos grandes y movimientos imprecisos [8] 
[23], la señal mecánica es obtenida por medio de otro miembro del cuerpo como 
el codo o hombro [10] [21], como se muestra en la Figura 2, para ello se 
implementa un arnés colocado en la espalda el cual generará la movilidad de la 
prótesis a través de una liga [4] [24] [25]. 
 
 
 
 
 
 
 1.1.3. Prótesis Eléctricas 
Este tipo de prótesis implementa principalmente actuadores eléctricos, a veces 
controlados por servomotores, a pulsos o por interruptores, la desventaja más 
significativa en este tipo de prótesis es: su alto costo, exposición a ambientes 
hostiles, así como su peso. [8][5][27] 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 3 Prótesis Eléctrica 
 
Fig. 2 Prótesis Mecánica 
11 
 
1.1.4. Prótesis Mioeléctrica 
En la actualidad estas prótesis son las de mayor implementación, debido a su 
alto grado de estética, elevada precisión y fuerza, trabajando principalmente con 
señales bioeléctricas por medio de, procesándolas y filtrándolas a la unidad de 
control 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.1.5. Prótesis Neumáticas 
Las prótesis neumáticas hacen uso de aire a presión obtenido por medio de un 
compresor, su ventaja principal es proporcionar una gran fuerza y rapidez de 
movimientos; sus desventajas principales son los dispositivos que se 
implementan para su control y funcionamiento ya que son relativamente grandes 
y su mantenimiento es costoso y dificultoso [23]. En la Figura 5, tenemos la 
prótesis neumática Shadow. 
 
 
 
Fig. 4 Prótesis Mioeléctrica 
Fig. 5 Prótesis Shadow 
12 
 
1.2. Estado Del Arte 
1.2.1. Prótesis I-Limb Ultra. 
Una de las más utilizadas en la actualidad en diferentes países cuenta con la 
mayoría de los movimientos básicos de la mano humana, permitiendo la 
integración del amputado a la vida laboral y mejorando su condición de vida. Los 
dedos de la prótesis se controlan de manera independiente, el dedo pulgar puede 
rotar hasta 90◦, realiza sujeciones de alta precisión y fuerza [33]. 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 6 Prótesis I Limb ultra 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 7 Prótesis Michaelangelo 
13 
 
1.2.2. Prótesis Michaelangelo. 
La prótesis biónica de Michelangelo, se caracteriza por realizar una gran variedad 
de movimientos precisos, gracias al control y mecanismos de fuerzas y 
velocidades de agarre, ya que los dedos son controlados independientemente y 
el pulgar y la muñeca disponen de movilidad [19]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig 8 
Fig. 8 & 9 Prótesis Michaelangelo 
14 
 
 1.2.3. Prótesis Bebionic 
La Bebionic es muy semejante a la I-Limp, Desarrollada por Steeper RS, con la 
finalidad de emular a esta última, pero a “bajo costo”, cuesta aproximadamente 
$10,000 dólares. [14] 
En su última versión, la Bebionic tiene movimientos de articulación en todos los 
dedos, el pulgar en oposición se coloca de manera manual en extensión y flexión, 
dando catorce diferentes posiciones de sujeción. [34] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 10 & 11 Prótesis Bebionic 
Fig. 10 
15 
 
2. La Mano Humana 
2.1. Anatomía de la mano humana 
La mano humana es la herramienta más versátil que usamos en nuestra vida 
diaria. Es un órgano muy diestro que nos confiere un amplio abanico de 
capacidades de manipulación: su gran número de grados de libertad nos permite 
realizar multitud de tareas. Además de permitirnos manipular, operar o deformar 
objetos, su capacidad sensorial nos permite, entre otras cosas, identificar objetos 
con solo tocarlos y darles forma, sin verlos. Nuestras manos han jugado un papel 
importante en nuestra propia evolución y el desarrollo de nuestra inteligencia. 
Fueron nuestras primeras herramientas y con ellas hicimos nuestrasprimeras 
herramientas artificiales. 
El arte (música, pintura, escritura) no sería nada sin nuestras manos. Les damos 
amor y consuelo, las manos son esenciales en la forma en que interactuamos 
con nuestro mundo, ya que están involucradas en casi todas las acciones que 
realizamos 
 
La mano tiene una estructura formada por: 
● Huesos y músculos (permiten el movimiento). 
● Venas y arterias 
● Nervios (Tacto y movimiento) 
● Piel y uñas 
 
 
16 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 12 La mano esta está compuesta por 27 huesos 
17 
 
2.2. Biomecánica de la mano 
El estudio se enfoca principalmente en tres tipos de agarre: Cilíndrico, Puntual, y 
gancho por ser estos los que se presentan con mayor frecuencia en las 
actividades del ser humano. 
 
2.2.1. Rango de movilidad de la mano 
El rango de movilidad se mide en cada una de las articulaciones de la mano para 
determinar el Angulo de flexión y extensión que pueden desarrollar las mismas a 
través de los movimientos normales de los dedos y de la mano en general. El 
movimiento del antebrazo es medido como grado de pronación y supinación 
desde su posición neutral al igual que el movimiento de la muñeca y que involucra 
los siguientes movimientos: 
 
• Flexión 
• Extensión 
• Deviación radial 
• Desviación cubital 
• Supinación (del antebrazo) 
• Pronación (del antebrazo) 
 
 2.2.2. Rango de movilidad de la muñeca 
La flexión normal de la muñeca presenta una desviación de 80° 
aproximadamente desde la posición neutra o recta (0°). El arco normal de 
extensión esta aproximadamente en 70°, mientras que la desviación cubital tiene 
18 
 
un arco aproximado de 30° y la desviación radial es de 20° aproximadamente. La 
desviación cubital es la más grande, puesto que el cubito no se extiende en el 
sentido distal hasta el mismo punto que el radio, y no se articula de manera 
directa con el carpo. 
 
 Fig. 13 Rango de movilidad de la muñeca: a) Desviación Cubital y Radial b) Flexión y extensión 
 
 2.2.3. Rango de movilidad de los dedos 
El movimiento de los dedos se mide en términos del grado máximo de flexión 
hasta el grado máximo de extensión, es importante observar que el 
hiperextensión esta medida con un ángulo negativo, por lo tanto, el rango total 
del movimiento de cada uno de los dedos se determina restando el ángulo de 
extensión del ángulo de flexión. Comúnmente la abducción y la aducción de los 
dedos no son medidas, pero se identifica para determinar la función de los 
músculos interóseos de la mano. El movimiento de la articulación CMC del pulgar 
está definida por la abducción radial y palmar, así como de la oposición y retro-
posición del pulgar destacando los siguientes movimientos: 
19 
 
 
 Fig. 14 Arcos de movilidad de la articulación interfalángica proximal: Flexión y Extensión. 
 
 Fig. 15 Arcos de movilidad de la articulación metacarpo-falángica: Flexión y Extensión. 
 
 
 Fig. 16 Arcos de movilidad de la articulación interfalángica distal: Flexión y Extensión. 
 
20 
 
Como ya se abordó anteriormente en la cinemática de la mano intervienen 
diferentes componentes del cuerpo humano como lo son músculos, huesos, 
ligamentos, tendones, nervios, antebrazo, etc. 
Por lo que al efectuar un diagrama cinemático de la mano en un estado cerrado 
se analizarán las diferentes posiciones de los dedos y la mano para hacer posible 
este diagrama. 
 
Articulaciones que permiten los movimientos de la mano cerrada: 
● Radio carpiana 
● Medio carpiana 
 
Movimientos de: 
● Flexión-extensión 
● Inclinación lateral 
● Circunducción 
 
 
2.2.4. Acción de los músculos 
Músculos flexores: flexor radial del carpo, palmar largo, flexor cubital del carpo, 
flexores de los dedos, movimientos de flexión de mano sobre antebrazo. 
Músculos extensores: radial corto, largo del carpo y extensor cubital del carpo, 
extensores de los dedos a movimientos de extensión de la mano. 
La contracción sinérgica fija la mano, es el gesto previo a la prensión. 
 
21 
 
Movimientos de los dedos 
● Movimiento pulgar 
● Movimiento de los otros dedos 
● Prensión 
2.2.5. Patrones de prensión 
Es evidente de este estudio de la anatomía de las uniones de los huesos y 
músculos y de la observación de las posturas y movimientos de las manos tienen 
una variedad infinita de patrones de prensión posibles. 
Investigando una base lógica para definir los patrones de prensión más 
importantes, Keller et. Al. Encontró que el patrón del objeto de contacto genera 
satisfactoriamente las bases para su clasificación, esto a partir de observar los 
patrones de prensión de muchos individuos cuando a) agarran algo, b) sostienen 
un objeto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 17 Tipos de agarre definidos por Schlesinger (Taylor & Schwart 195) 
 
 
22 
 
 
2.3. Medidas Norma DIN 33 402. 
En las figuras 22 y 23 junto con las tablas 3 y 4 se dan las medidas de las manos 
según la Norma DIN 33 402 2°, destinadas a ser usadas en el diseño y/o elección 
de herramientas, utilaje y mandos [11]. 
 
 
 
Fig. 18 Vista Palmar de la mano 
Fig. 19 Medidas de la mano norma DIN 33 402[11] 
23 
 
3. Potenciales de acción y Potenciales de membrana 
Hay potenciales eléctricos a través de las membranas de prácticamente todas las 
células del cuerpo. Además, algunas células, como las células nerviosas y 
musculares, son capaces de generar impulsos electroquímicos rápidamente 
cambiantes en sus membranas, y estos impulsos se utilizan para transmitir 
señales a través de las membranas de los nervios y de los músculos. [34] 
En otros tipos de células, como las células glandulares, los macrófagos y las 
células ciliadas, los cambios locales de los potenciales de membrana también 
activan muchas de las funciones de las células. Este análisis se refiere a los 
potenciales de membrana que se generan tanto en reposo como durante la 
acción en las células nerviosas y musculares. [34] 
 
 
 
 
3.1 Fisiología básica de los potenciales de membrana 
Debido al gran gradiente de concentración de potasio desde el interior hacia el 
exterior hay una intensa tendencia a que cantidades adicionales de iones potasio 
difundan hacia fuera a través de la membrana. 
Fig. 20 Los músculos de nuestro cuerpo generan diferencias 
de potencial 
24 
 
 A medida que lo hacen transportan cargas eléctricas positivas hacia el exterior, 
generando de esta manera electro positividad fuera de la membrana y 
electronegatividad en el interior debido a los aniones negativos que permanecen 
detrás y que no difunden hacia fuera con el potasio. 
 
En un plazo de aproximadamente 1 ms la diferencia de potencial entre el interior 
y el exterior, denominada potencial de difusión, se hace lo suficientemente 
grande como para bloquear la difusión adicional neta de potasio hacia el exterior, 
a pesar del elevado gradiente de concentración iónica de potasio. En la fibra 
nerviosa normal del mamífero la diferencia de potencial necesaria es de 
aproximadamente 94mV, con negatividad en el interior de la membrana de la 
fibra. 
 
 
 
 
Fig. 21 La concentración de potasio es grande dentro de la membrana de 
una fibra nerviosa, pero muy baja fuera de la misma 
25 
 
3.2. Potenciales de acción: 
Las señales nerviosas se transmiten mediante potenciales de acción que son 
cambios rápidos del potencial de membrana que se extienden 
 
 
rápidamente a lo largo de la membrana de la fibra nerviosa. Cada potencial de 
acción comienza con un cambio súbito desde el potencial de membrana negativo 
en reposo normal hasta un potencial positivo y después termina con un cambio casi 
igual de rápido de nuevo hacia el potencial negativo. Para conducir una señal 
nerviosa el potencial de acción se desplaza a lo largo de la fibra nerviosa hasta que 
llega al extremo de la misma. 
 
 
Se producen enla membrana durante el potencial de acción, con transferencia 
de las cargas positivas hacia el interior de la fibra en el momento de su inicio y el 
regreso de las cargas positivas al exterior al final del mismo. 
 
Fig. 22 [34] Potencial de acción típico registrado 
26 
 
3.2.1. Fases de los potenciales de acción. 
 
Fase de reposo: 
Este es el potencial de membrana en reposo antes del comienzo del potencial de 
acción. Se dice que la membrana está polarizada durante esta fase debido al 
potencial de membrana negativo de –90mV que está presente 
Fase de despolarización: 
 En este momento la membrana se hace súbitamente muy permeable a los iones 
sodio, lo que permite que un gran número de iones sodio con carga positiva 
difunda hacia el interior del axón. El estado polarizado normal de –90mV se 
neutraliza inmediatamente por la entrada de iones sodio cargados positivamente, 
y el potencial aumenta rápidamente en dirección positiva. Esto se denomina 
despolarización. 
En las fibras nerviosas grandes el gran exceso de iones sodio positivos que se 
mueven hacia el interior hace que el potencial de membrana realmente se 
«sobreexcite» más allá del nivel cero y que se haga algo positivo. 
 
Fase de repolarización: 
En un plazo de algunas diezmilésimas de segundo después de que la membrana 
se haya hecho muy permeable a los iones sodio, los canales de sodio comienzan 
a cerrarse y los canales de potasio se abren más de lo normal, la rápida difusión 
de los iones potasio hacia el exterior restablece el potencial de membrana en 
reposo negativo normal. Esto se denomina repolarización de la membrana. 
 
 
27 
 
3.3. Canales de sodio y potasio activados por el voltaje: 
Un canal de potasio activado por el voltaje también tiene una función importante 
en el aumento de la rapidez de la repolarización de la membrana. Estos dos 
canales activados por el voltaje tienen una función adicional a la de la bomba 
𝑁𝑎+ − 𝐾+ y de los canales de fuga 𝐾+,Durante el estado de reposo, antes de que 
comience el potencial de acción, la conductancia a los iones potasio es 50 a 100 
veces mayor que la conductancia a los iones sodio. 
Esto se debe a una fuga mucho mayor de iones potasio que sodio a través de los 
canales de fuga. 
Después el proceso de inactivación cierra los canales de sodio en otra fracción 
de milisegundo. 
Al final del potencial de acción, el retorno del potencial de membrana al estado 
negativo hace que se cierren de nuevo los canales de potasio hasta su estado 
original, pero una vez más sólo después de una demora de 1 ms o más. 
 
3.4. Iones calcio: 
El calcio coopera con el sodio (o actúa en su lugar) en algunas células para 
producir la mayor parte del potencial de acción. Esto deja una concentración 
celular interna de iones calcio de aproximadamente 10–7 molar, en comparación 
con una concentración externa de aproximadamente 10–3 molar. 
Una función importante de los canales de iones calcio activados por voltaje 
consiste en su contribución a la fase de despolarización en el potencial de acción 
en algunas células. 
 
 
28 
 
3.5. Inicio del potencial de acción: 
Un ciclo de retroalimentación positiva abre los canales de sodio. 
Siempre que no haya alteraciones de la membrana de la fibra nerviosa, no se 
produce ningún potencial de acción en el nervio normal. El propio aumento del 
voltaje hace que empiecen a abrirse muchos canales de sodio activados por el 
voltaje. Esto permite la entrada rápida 
de iones sodio, lo que produce una 
elevación adicional del potencial de 
membrana y abre aún más canales de 
sodio activados por el voltaje y permite 
que se produzca una mayor entrada de 
iones sodio hacia el interior de la fibra. 
Una vez que la retroalimentación es lo 
suficientemente intensa, continúa hasta 
que se han activado (abierto) todos los 
canales de sodio activados por el 
voltaje. El aumento del potencial de 
membrana produce cierre de los canales 
de sodio y apertura de los canales de 
potasio, y pronto finaliza el potencial de 
acción. 
3.5.1. Umbral para el inicio del potencial de acción: 
Un aumento súbito del potencial de membrana en una fibra nerviosa grande 
desde –90mV hasta aproximadamente –65mV habitualmente da lugar a la 
aparición explosiva de un potencial de acción. Se dice que este nivel de –65mV 
es el umbral para la estimulación. 
 
Fig. 23 [34] Propagación de los potenciales de 
acción en ambas direcciones a lo largo de una 
fibra de conducción 
29 
 
 3.5.2. Propagación del potencial de acción: 
Un potencial de acción que se desencadena en cualquier punto de una 
membrana excitable habitualmente excita porciones adyacentes de la membrana 
 
La figura 23-A muestra una fibra nerviosa en reposo normal y la figura B muestra 
una fibra nerviosa que ha sido excitada en su porción media, la porción media 
presenta de manera súbita un aumento de la permeabilidad al sodio. Las flechas 
muestran un circuito local de flujo de corriente desde las zonas despolarizadas 
de la membrana hacia las zonas adyacentes de la membrana en reposo. 
Estas cargas positivas aumentan el voltaje a lo largo de una distancia de 1 a 3mm 
a lo largo de la gran fibra mielinizada hasta un valor superior al umbral del voltaje 
para iniciar el potencial de acción. Los canales de sodio de estas nuevas zonas 
se abren inmediatamente, como se señala en la figura C y D, y se produce una 
propagación explosiva del potencial de acción. 
De esta manera el proceso de despolarización viaja a lo largo de toda la longitud 
de la fibra. Esta transmisión del proceso de despolarización a lo largo de una fibra 
nerviosa muscular se denomina impulso nervioso o muscular. 
 
 
 3.5.3. Dirección de la propagación 
Una membrana excitable no tiene una dirección de propagación única, sino que 
el potencial de acción viaja en todas las direcciones alejándose del estímulo hasta 
que se ha despolarizado toda la membrana. 
 
 
30 
 
 3.5.4. Excitación: el proceso de generación del potencial de acción 
Esto se puede deber a un trastorno mecánico de la membrana, a los efectos 
químicos sobre la membrana o al paso de electricidad a través de la membrana. 
Todos ellos se utilizan en diferentes puntos del cuerpo para generar potenciales 
de acción nerviosos o musculares: presión nerviosa para excitar las 
terminaciones nerviosas sensitivas de la piel 
El método habitual para excitar un nervio o un músculo es aplicar electricidad a 
la superficie del nervio del músculo mediante dos electrodos pequeños, uno de 
los cuales tiene carga negativa y el otro positiva. Cuando se hace esto la 
membrana excitable se estimula en el electrodo negativo. 
La corriente negativa desde el electrodo reduce el voltaje del exterior de la 
membrana hasta un valor negativo más próximo al voltaje del potencial negativo 
del interior de la fibra. Esto reduce el voltaje eléctrico a través de la membrana y 
permite que se abran los canales de sodio, lo que da lugar a un potencial de 
acción. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
31 
 
4. Procesamiento de señales EMG 
Las señales se representan matemáticamente como funciones de una o más 
variables independientes. La variable independiente más común es el tiempo, y 
algunas señales que dependen de él son, por ejemplo, la voz, una onda de radio, 
un electrocardiograma, etc. El procesamiento de señales es un área de la 
ingeniería electrónica que se concentra en la representación, transformación y 
manipulación de señales, y de la información que ellas contienen. El 
procesamiento de señales en tiempo discreto se refiere al procesamiento de 
señales discretas en el tiempo o en el espacio. [37] 
 
Esto implica que sólo se conoce el valor de la señal en instantes o en puntos 
específicos, sin embargo, la amplitud de la señal es continua, es decir, puede 
tomar infinitos valores diferentes. 
 
 Señales Mioeléctricas 
La señal mioeléctrica o electromiograma(EMG) se registra durante la contracción 
voluntaria del músculo esquelético. El EMG de superficie (sEMG) se detecta en 
la superficie de la piel utilizando electrodos unidos a la piel sobre el músculo de 
Fig. 24 [37] Diagrama de sistema de adquisición de señales EMG 
32 
 
interés. La señal resultante varía aleatoriamente sobre un valor medio cero. Esta 
señal puede procesarse para proporcionar información sobre el estado fisiológico 
y biomecánico del músculo. Este artículo cubre dos paradigmas principales de 
procesamiento: estimación de amplitud y análisis espectral. 
La estimación de amplitud de EMG implica estimar la desviación estándar de la 
señal que varía con el tiempo. Se cubren los estimadores de amplitud, desde el 
EMG integrado simple hasta los estimadores más complicados, que incluyen 
filtros de blanqueamiento previo, múltiples canales de EMG y suavizado 
adaptativo. 
 
El análisis espectral de EMG se realiza para caracterizar la señal en el dominio 
de la frecuencia, el análisis de Fourier de EMG estacionario, registrado durante 
isométricas, contracciones isotónicas y el análisis de frecuencia de tiempo de 
EMG no estacionario registrado durante contracciones dinámicas. 
 
4.1. Sistema de adquisición de señales electromiografías 
4.1.1. Electrodos 
[37] Los electrodos superficiales son colocados directamente sobre la superficie 
de la piel y son capaces de tomar registros poblacionales de la actividad 
bioeléctrica. El uso de los electrodos superficiales es mucho más adecuado para 
el estudio del comportamiento promedio de la actividad eléctrica de un músculo 
o grupo de músculos, lo cual es muy utilizado para detectar fatiga muscular y 
para monitoreo del rendimiento de deportistas. Los materiales de los que se 
constituyen la mayoría de los electrodos de superficie son muy variables, entre 
ellos están la plata, el oro, acero inoxidable, platino entre otros. 
33 
 
Una de las condiciones deseables en un electrodo, es que no sea polarizado, 
esto significa que el potencial en el electrodo no debe de variar 
considerablemente cada vez que la corriente pase a través de él. 
 
4.1.2. Etapa de amplificación 
[37]La señal generada por una unidad motora tiene una amplitud 
aproximadamente de 250 µV durante la contracción. Debido a que las señales 
mioeléctricas son de pequeña amplitud, el ruido ambiental o en mayor medida el 
ruido de línea (60Hz) puede provocar una falsa interpretación de los resultados. 
Por lo tanto, el amplificador de la unidad de procesamiento necesita ser no sólo 
lo suficientemente sensible como para detectar y amplificar las pequeñas 
señales, sino que también debe rechazar los ruidos para obtener solo actividad 
electromiografía. 
Los amplificadores diferenciales permiten rechazar gran parte del ruido externo. 
Los amplificadores de instrumentación cumplen con esas características y están 
especialmente construidos para propósitos de instrumentación médica. 
A su vez permite variar el factor de amplificación con la modificación de un juego 
de resistencias. 
34 
 
Para la etapa de amplificación se puede utilizar un amplificador diferencial 
ad8221. El ad8221 es un amplificador de instrumentación de bajo costo de 
propósito general que puede ofrecer una excelente precisión. 
 
La protección de entrada interna puede soportar hasta ± 30 V sin sufrir daños. El 
ad8221 se activa con muy baja tensión de desplazamiento (50µV), la deriva (0.25µV 
/ ◦ C) y un alto rechazo en modo común (115dB a T = 1,000). Funciona con voltajes 
de tan sólo ± 2.25V, lo que permite su uso con sistemas alimentados por baterías y 
de abastecimiento individuales de 5V. Para calcular la ganancia del amplificador se 
utiliza la ecuación: 
𝐺 = 207 ∗ (𝑋 /1 𝑘Ω) 
 
 
 
 
 
Fig. 25 Amplificador de instrumentación AD8226 
35 
 
4.1.3. Etapa de filtrado 
[37] Además de la amplificación se requiere filtrar la señal electromiográfica en la 
banda de 20 Hz a 300 Hz. Para ello se necesita un filtro integrador pasa bajas y 
un filtro derivador pasa altas de primer orden. Fig. 26 
 
 Fig. 26 
 
 
Se calcula a una frecuencia de corte de 300 Hz y se da un valor de Capacitor 
dando como resultado el valor de resistencia. 
Para calcular la frecuencia de corte se utiliza la siguiente ecuación: 
 
𝑓𝑐 =
1
2πRC
 
 
 
 
36 
 
 
 
5. Objetivos 
 
 
 5.1. Objetivos Principales. 
 
● Diseñar una prótesis hackeable semejante a la morfología y con la locomoción 
esencial de la mano humana. 
● Crear un dispositivo de adaptación humano-máquina mioeléctrico-no invasivo. 
 
 
 
 
 
5.2. Objetivos Específicos. 
 
● Controlar la mano robótica con sensores de electromiografía 
 
 
La finalidad de una prótesis es ayudar a complementar funciones, pero jamás 
reemplazar un miembro del cuerpo humano que se ha perdido, el objetivo es que 
el paciente pueda recuperar parcialmente su calidad de vida. 
 
 
 
37 
 
Metodología: 
6. Diseño mecánico 
Para el diseño de la prótesis se procedió a utilizar los stl de la prótesis open 
source Dextra[39] para poder desarrollar la nuestra, Dextra originalmente solo es 
la mano derecha y sin antebrazo, así que se procedido a crear planos en base a 
los stl y modificarlos a conveniencia para diseñar la mano izquierda, también se 
agregó, una adaptación de antebrazo, y una adaptación a las piezas que simulan 
ser los metacarpianos para agregar otro tipo de motoreductor de engranajes y 
una adaptación interna para colocar los controladores de los motores y un 
microcontrolador ESP32,por el momento solo va a hacer el movimiento de pinza. 
 
 
 
Fig. 27 Render del ensamblaje de la mano en el 
software SolidWorks 
38 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 28 & 29 Render de los planos del ensamblaje y propiedades físicas del 
mismo 
39 
 
6.1. Diseño de los dedos 
La virtud de la prótesis es que sus dedos son modulares e intercambiarles 
fácilmente, lo cual permite reemplazar y dar mantenimiento fácilmente 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El movimiento se realiza mediante el accionamiento de un motor con una polea el 
cual procede a girar y enrollar un hilo de cáñamo, el cual se inserta en un conducto 
interno que está barrenado a lo largo de las piezas del dedo (Fig. 30 C) y que al 
accionarse el mecanismo se logra el movimiento de flexión, la extensión se realiza 
con unas ligas de ortodoncia de ¼ de pulgada que hacen la función de tendones, 
colocadas entre las piezas a nivel de los pernos de unión entré articulaciones. 
Fig. 30 Vista lateral del ensamblaje de un dedo 
 A B C 
40 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 31 Vista lateral del ensamblaje de un dedo 
mostrando sus ángulos en posición de flexión. 
Fig. 33 Vista Superior en la que se pueden apreciar las 
cavidades donde van a ir las ligas de ortodoncia de ¼” que 
funcionaran como tendones y contrafuerza para hacer el 
movimiento de extensión. 
Fig. 32 Un micro-motor de engranajes va a hacer 
girar una polea para hacer que un hilo de cáñamo 
se enrolle en ella y así producir el movimiento de 
flexión 
Fig. 34 Vista lateral y de sección del dedo para poder 
apreciar mejor las cavidades barrenadas a lo largo de 
las piezas del dedo 
41 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 35 Planos del distal. 
Fig. 36 Planos del medial. 
42 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 37 Planos del Proximal. 
Fig. 38 Planos de la polea que va conectada al motoreductor. 
43 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 39 Planos del metacarpiano. 
44 
 
6.2. Diseño del pulgar 
El diseño del pulgar es parecido al de los demás dedos, salvo que este solo 
cuenta con las piezas del metacarpiano, proximaly distal, aparte cuenta con su 
respectiva pieza del abductor del pulgar que le permite un grado de libertad de 
movimiento de 90 grados 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 40 Vista lateral del ensamblaje del pulgar con su respectivo abductor. 
Fig. 41 Render del ensamblaje de la mano. Fig. 42 Render del ensamblaje de la mano 
45 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 43 Vista isométrica de cómo va conectado el 
abductor a un servomotor y a la parte dorsal del 
ensamblaje 
Fig. 44 Planos del abductor 
46 
 
 
Fig. 45 Planos de la palma 
Fig. 46 Planos del dorsal 
47 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 47 Render de la mano desde la perspectiva 
de la palma. 
Fig. 48 Render de la mano desde la perspectiva 
de la palma en posición de extensión. 
Fig. 49 Render de la mano desde perspectiva de 
la palma, pero con la pieza de la palma oculta, 
así se puede apreciar cómo van a ir los motores 
en el ensamblaje. 
48 
 
 
6.3. Simulaciones de Fatiga en computadora 
Las piezas del ensamble fueron sometidas a pruebas de fatiga para determinar en 
algún punto débil en el diseño, y de ser así proceder a modificarlo para prevenir 
posibles fallas de diseño. 
 
 
Fig. 50 Simulación de fuerzas actuando sobre ensamblaje dedo 
 
 
 Fig. 51 Simulación de fuerzas actuando sobre pieza dorsal 
 
Las piezas soportaron cargas mayores a 15 kg sin embargo se recomienda no cargar nada 
mayor a 10 kg para protesis impresas en PLA. 
 
49 
 
6.4. Antebrazo y muñeca 
 
El Antebrazo va a ser preliminar y genérico por el momento ya que se 
procederá a hacer un modelo en 3D del miembro afectado del paciente 
que utilizará la prótesis con lo cual se podrá hacer un vaciado de la pieza 
del antebrazo justo a las medidas personalizadas del paciente, la 
conexión de la muñeca con la mano va a ser con un grip mecánico, por lo 
cual por el momento no va a contar con movimientos de muñeca. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 52 Rendes transparentes y líneas de aristas visibles del antebrazo y antebrazo con muñeca. 
Fig. 53 Render del solido del antebrazo y muñeca. 
50 
 
6.5. Biomecánica de la mano 
 
Una vez hecha una representación de la cadena cinemática del dedo índice y 
pulgar, considerando cada junta ósea como una junta de un solo grado de libertad, 
se obtienen las siguientes representaciones en forma de diagrama. [16] 
 
Fig. 54. Diagrama equivalente de la estructura interna de la extremidad de miembro superior: dedo índice 
(Metacarpos a falanges distales)[16]. 
 
Fig. 55. Diagrama equivalente de la estructura interna de la extremidad de miembro superior: Pulgar 
(Metacarpos a falanges distales)[16]. 
51 
 
 
El diagrama de la Fig. 52, está constituido por cuatro grados de libertad 
(𝜃1, 𝜃2, 𝜃3 𝑦 𝜃4 ), en el caso del pulgar de la Fig. 26, son tres los grados de libertad 
los que la conforman (𝜃1, 𝜃5 𝑦 𝜃9), estas configuraciones no corresponden en su 
totalidad a la locomoción compleja de éstas estructuras biológicas (manos), sin 
embargo se ha escogido simplificarlas más, debido a “un mecanismo abierto con 
más de un eslabón siempre tendrá más de un grado de libertad, por lo que requiere 
tantos actuadores (motores) como grados de libertad tenga”, Franz Reuleaux (1829- 
1905).[16] 
 
Diagramas equivalentes en cinemática cerrada 
 
La movilidad de un mecanismo es el número de parámetros de entrada, (casi 
siempre variables al par) que se deben controlar independientemente, con el fin de 
llevar al dispositivo a una posición en particular (Joseph Shinley) [2], esto quiere 
decir un acoplamiento de cuerpos rígidos por medio de restricciones mecánicas, 
para calcular esto tenemos la siguiente ecuación: 
 
 𝑀 = 3(𝐿 − 1) − 2𝐽1 − 𝐽2 [1] 
𝑀 = 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑡𝑎𝑑 𝑜 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 
𝐿 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠 
𝐽1 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎𝑠 𝑑𝑒 1 𝐺𝐷𝐿 (𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠) 
𝐽2 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑎𝑠 𝑑𝑒 2 𝐺𝐷𝐿 (𝑠𝑒𝑚𝑖) 
 
 
 Aplicando la ecuación anterior a las cadenas de las ilustraciones 2 y 3, tenemos 
como resultado: 
 
𝑀 = 3(5 − 1) − 2(4) = 4 𝐺𝐷𝐿 
𝑀 = 3(4 − 1) − 2(3) = 3 𝐺𝐷𝐿 
 
52 
 
 
Se observa que las cadenas presentan un eslabón adicional en el conteo de sus 
eslabones 𝐿, este eslabón es la bancada del mecanismo, un eslabón fijo. El objetivo 
es aumentar la simplicidad del mecanismo, pudiendo producir 𝑀 = 1, para poder 
implementar un solo motor por dedo. 
 
 
Para esto proponemos la Fig.56, que será un modelo inicial para la modificación de 
la cadena resultante. De lo anterior podemos averiguar lo siguiente: 
 
Fig. 56. Cerradura de mecanismo por Grübler-Kutzbach. 
 
 Un mecanismo abierto con más de un eslabón siempre tendrá más de un 
grado de libertad, por lo que requiere tantos actuadores (motores) como 
grados de libertad tenga. 
 Toda cadena cinemática cerrada y mecanismo con un solo GDL reciben el 
nombre de: Sistema Restringido. 
 
 
 
Utilizando el diagrama geométrico de la Fig. 56, y aplicando la ecuación [1], las 
cadenas resultantes con 𝑀 = 1 para el índice y el pulgar se muestran en la Fig 57 y 
58[16] 
 
 
 
53 
 
 
 
Fig. 57 Conversión a cinemática cerrada-restringida de diagrama cinemático equivalente de dedo Índice, Criterio 
Grübler-Kutzbach[16] 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 58 Conversión a cinemática cerrada-restringida de diagrama cinemático equivalente de pulgar, Criterio 
Grübler-Kutzbach[16] 
 
 
 
 
54 
 
 6.6. Motores 
 
Cada uno de los actuadores responsables del movimiento de los dedos se 
componen de tres elementos estos son motor que en su eje tiene acoplado un 
encoder de 28 pulsos por vuelta y caja reductora de 100:1 ofreciendo 2800 
pulsos por vuelta del eje reductor (ver Fig. 38), acoplada en el eje de la caja 
reductora e hilo flexor 
 
 
 Proporción engranes = 
 
 
Este motoreductor es un motor de DC de 6 V de alta potencia en miniatura con 
escobillas de carbón de larga duración y una caja de engranajes de metal 
986.41: 1, lo que lo convierte en una excelente opción para aplicaciones que 
requieren un control preciso a velocidades muy bajas. 
 
 
En general, este tipo de motores pueden funcionar a voltajes por encima y por 
debajo de sus voltajes nominales; Los voltajes más bajos pueden no ser 
prácticos y los voltajes más altos pueden comenzar a afectar negativamente la 
vida útil del motor. [38] 
 
55 
 
 
 
Mediante los planos y el diámetro de la polea visto en la figura 38, haciendo uso de la 
ecuación de una circunferencia se puede determinar la cantidad de vueltas que tiene que 
girar el motorreductor y a su vez se puede calcular el número de pulsos aproximados para 
realizar la flexión total de cada dedo. El cálculo del número de vueltas puede obtenerse 
mediante la siguiente ecuación: 
𝑁 =
L
π ∗ d
 
Dónde: 
𝑳 es la longitud del respectivo hilo flexor en mm. 
𝝅 es aproximadamente 3.1416. 
𝒅 es el diámetro de la polea en mm. 
𝑵 es el número de vueltas del eje del reductor. 
 
Dedo Normal: 1.65 vueltas de la polea 
Dedo Pulgar: 0.95 vueltas de la polea 
Pieza Longitud Hilo 
Dedo normal 40 mm 
Dedo Pulgar 25 mm 
Fig. 59 Vista lateral de un modelo de motoreductor 
similar al usado en nuestro proyecto 
Fig. 60 en la tabla se muestran la cantidad de vueltas necesarias para hacer el 
movimiento de flexión. 
56 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 61 Planos del Motor y foto del motor con su encoder para poder controlar la posición 
57 
 
6.6.1. Torque: 
 
Torque o el par es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de 
transmisión de potencia. Si un cuerpo es capaz de rotar sobre un eje, el resultado 
de la fuerza es una combinación de la fuerza aplicada y la distancia al eje rotacional,(ver Fig 59). A este resultado se le conoce como par o torque y es el producto 
vectorial de multiplicar la distancia por la fuerza (F) perpendicular al eje de rotación 
(r), donde F y r son vectores. 
El torque es una magnitud vectorial, si α es el ángulo entre r y F, el valor numérico 
por definición del producto vectorial, es: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Si se aplica una fuerza a 90° entonces la ecuación del torque es la siguiente: 
 
𝑇 = r ∗ F 
 
Dónde: 
 
𝝉: es el torque o par del motor 
F: es la fuerza en kg 
r: es el radio del motor. 
 
 
Fig. 62 
58 
 
 
6.6.2. Eficiencia: 
La eficiencia es la relación que hay entre el torque sobre la potencia del motor y la 
ecuación es la siguiente: 
ɳ = Ƭ 𝑃 = Ƭ 
 
 Dónde: 
 
𝝉: es el torque o par del motor 
𝐏: es la potencia del motor que es igual a V*I. 
𝛈: es la eficiencia del motor. 
 
 
6.6.3. Número de pulsos: 
El cálculo del número de pulsos a contar para realizar la flexión total de cada dedo 
se realiza mediante la siguiente ecuación: 
 
𝑃 = 𝑁 ∗ 𝐶 ∗ 𝑅 
Dónde: 
 
𝑵 es el número de vueltas del eje del reductor previamente calculadas. 
𝑪 es el factor de reducción (1000:1) del motoreductor. 
𝑹 es la resolución de conteos por cada vuelta del motor. 
𝑷 es el número de pulsos calculado. 
 
Pieza Pulsos 
Dedo normal 3700 
Dedo Pulgar 2800 
Fig. 62 Pulsos necesarios para cerrar el dedo pulgar y el dedo normal 
59 
 
7. Diseño Electrónico 
7.1. Modelo, control y procesamiento de señales Mioeléctricas 
 
Se procederá a utilizar el modulo del amplificador de instrumentación T084, el cual 
ya tiene internamente la etapa de amplificación y la de filtrado, lo cual permite 
mandar la señal directamente a un puerto de entrada del microcontrolador, el 
modulo se conecta a 3 electrodos de los cuales 2 son de referencia y uno va a un 
musculo cercano al hueso(tierra) 
 
 
 Fig. 63 Modulo T084 
60 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 64 Esquematico T084 
61 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El sensor está diseñado para ser usado directamente con un microcontrolador, el 
modulo se encarga de amplificar, rectificar y suavizar la señal EMG, la cual puede 
trabajar perfectamente con el ADC(analog-to-digital) de un microcontrolador. 
 
 
 
 
 
 
 
Señal original 
Señal rectificada 
Señal rectificada y 
suavizada 
Fig. 65 Manipulación de la señal en el modulo 
62 
 
Especificaciones eléctricas para el módulo: 
 
 
 
 
 
 
 
Parámetro Min TYP Max 
Alimentación (Vs) +- 3v +- 5v +-30 V 
Ganancia 
 
𝐺 = 207 ∗ (𝑋 /1 𝑘Ω) 
.001 Ω 
(0.002x) 
 50 Ω 
(10,350x) 
100 Ω 
(20,700x) 
Señal de Salida 
 
(Rectificada y suavizada) 
0 v -- +Vs 
Diferencial 
de entrada de Voltaje 
0 mv 2-5 mv +Vs/ganancia 
Fig. 66 Especificaciones eléctricas del modulo 
63 
 
7.2. Características del microcontrolador 
Para la adquisición de datos ADC se utilizaría una ESP32 para procesarlos y 
posteriormente interpretarlos, la señal llega como con analog Input (señal analógica 
de entrada) 
 
7.2.1. Descripción 
El módulo ESP32 utiliza un chip WiFi y Bluetooth de modo dual de 2,4 GHz 
mediante la tecnología de baja potencia TSMC 40nm, las mejores propiedades de 
potencia y RF, que es seguro, confiable y escalable para una variedad de 
aplicaciones. 
Cuenta con antena integrada y balun RF, amplificador de potencia, amplificadores 
de bajo ruido, filtros y módulo de administración de energía. La solución completa 
y económica que ocupa la menor cantidad de espacio. 
 
Fig. 67 Esquemático del ESP32 
64 
 
7.2.2. Características 
Alta relación rendimiento-precio 
Pequeño volumen, fácilmente incorporado a otros productos 
Función fuerte con soporte Protocolo LWIP, Freertos 
Compatible con tres modos: AP, STA y AP + STA 
Apoyo al programa Lua, fácil de desarrollar 
 
 
7.2.3. Especificaciones 
Microcontrolador Tensilica LX6 de doble núcleo a 240 MHz con 600 DMIPS 
SRAM integrado de 520 KB 
Transceptor Wi-Fi integrado 802.11BGN HT40, baseband, stack y LWIP 
Modo dual integrado Bluetooth (clásico y BLE) 
16 MB de flash 
Voltaje de funcionamiento de 2.2V a 3.6V 
-40 ° C a + 125 ° C de temperatura de funcionamiento 
Dimensiones: 4.8 x 2.5 x 1.5cm 
 
 
 
 
 
65 
 
7.3. Puente H Motores 
Para el control de los motores se procedió a utilizar el modulo puente H mx1508 ya 
que esté es de un tamaño muy reducido, y puede controlar 2 motores lo cual lo hace 
ideal para ser utilizado en la mano 
 
 
 
 
Fig. 68 & 69 IC MX1508 
66 
 
7.4. Arquitectura general del sistema 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 70 Diagrama de la arquitectura del sistema 
67 
 
8. Control de la prótesis 
En el procesamiento digital de señales se refiere a la obtención de información a 
partir de valores muestreados de las señales analógicas. 
Se describe el procesamiento digital de las señales mioeléctricas y se presentan 
las etapas de procesamientos implementadas. 
El software de análisis para la adquisición y análisis de señales se desarrolló en 
Matlab y la plataforma de instrumento virtual LabVIEW para graficar datos. 
 
 
 Fig. 71 Diagrama del procesamiento de Datos el Labview para mostrarlos en una GUI 
 
68 
 
Dependiendo el método de agarre que esté seleccionado la mano se activará y 
mantendrá en reposo si el umbral de activación del musculo es superado, por el 
momento el único método disponible es el de pinza. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 72 Interfaz gráfica en Matlab para mostrar la lectura de la señal EMG 
 
 
 
 
 
El programa para adquisición y análisis de señales EMG consta de varias etapas 
las cuales se describirán a continuación. 
 
69 
 
8.1. Procesamiento de la señal Mioeléctrica en Matlab 
 
Para hacer este algoritmo se nos proporcionó una señal EMG de un braquioradial 
izquierdo, y posteriormente se procesó en Matlab para poder determinar los 
umbrales de activación, se utilizaron los toolbox que trae de manera 
predeterminada el software para poder procesar la señal con el fin de entender 
el comportamiento y el procesamiento de las señales EMG. 
 
 
 
 Fig. 73 Gráfica de la señal original sin ningún tipo de modificación 
 
70 
 
 
 Fig. 74 Valor RMS de la señal 
 
 Fig. 75 Señal RMS suavizada 
71 
 
 
 Fig. 76 Análisis de espectro de potencia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 77 Se procede a hacer un análisis de densidad (densidad de potencia) y un histograma del mismo. 
72 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 78 Se transforma al dominio de la frecuencia con las funciones de 
transformada de Fourier en Matlab “ FT” 
 Fig. 79 Se suaviza con una media móvil para poder interpretarla mejor, 
para tener menos variaciones, sirve para darle un umbral a las 
magnitudes de la señal 
 
73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 80 Vista lateral del ensamblaje de un dedo 
74 
 
8.2. Control Motores 
 
 
Fig. 81 [38] Diagrama del encoder 
 
 
El encoder emitirá la señal que se utiliza para calcular la posición real y la velocidad. 
El cálculo de la posición y la velocidad se realiza mediante el controlador de motor 
de DC, el motor de DC envía el valor calculado (llamado valor de retroalimentación) 
de vuelta al microcontrolador 
Los sensores se alimentan a través de los pines VCC y GND. VCC puede ser de 
2,7 V a 18 V, y las salidas en cuadratura A y B son señales digitales que son 
impulsadas a baja (0 V) por los sensores o llevadas a VCC a través de resistencias 
pull-up de 10 kΩ, dependiendodel campo magnético aplicado. 
Los comparadores de los sensores tienen histéresis incorporada, lo que evita 
señales falsas en los casos en que el motor se detiene cerca de un punto de 
transición. 
75 
 
 
Fig. 82 [38] Salidas de codificador A y B de un codificador magnético en un moto reductor de alta potencia (HP) 
que funciona a 6 V. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
76 
 
 
 
 
 
 Fig. 83 Diagrama del controlador PID para los motores con encoder 
 
 
 
 
 
 Control proporcional: 
Este es el control más importante, el que realmente mueve el motor la mayor 
parte del recorrido. Imagina que KP=1, KI=0 y KD=0 (al poner 0 anulamos ese 
tipo de control). Ahora imagina que el motor está en la posición 0 y queremos 
llevarlo a la posición 23000. El control proporcional tendrá casi todo recorrido el 
valor de 255 (el valor máximo del PWM) hasta que finalmente llegamos a la 
posición 23000-255, es decir a posición 22745, a partir de ese momento el valor 
del PWM irá bajando en proporción a la posición en la que se va acercando al 
punto designado. Si aumentamos el valor de KP, haríamos que se acercase un 
poco más, pero esto tiene un límite. Si el motor está libre de carga, por regla 
general, lo que sucede es que por la propia inercia del movimiento tiende a 
pasarse de la posición designada y se produce oscilaciones cada vez más lenta 
(si KP es lo suficientemente bajo, de lo contrario no pararía de hacerlo) [40]. 
 
77 
 
 Control derivativo (o diferencial): 
La velocidad es una derivada, por eso se llama así. El control derivativo lo que 
hace es restar velocidad al motor en la medida que se acerca al punto 
designado. Este tipo de control elimina la oscilación que mencioné anteriormente 
en el control proporcional y también lo hará con el control integral. Un valor 
demasiado alto en la constante derivativa (KD) produce comportamientos 
especialmente ruidosos u oscilaciones arbitrarias. El control derivativo es muy 
sensible a los cambios porque trata de darle al motor la velocidad de llegada 
correcta [40]. 
 
 Control Integral: 
El control proporcional "intenta" llegar a la meta, el derivativo ajusta la velocidad, 
por tanto, evita las oscilaciones, pues el control integral es la parte más sensible 
de este asunto: Cuando el motor se acerca a la meta, en el mejor de los casos, 
lo que hace es que si ve que todavía falta un poco para llegar al punto designado 
eleva el valor del PWM, hasta que consigue hacer que el motor se mueva lo 
suficiente. Una manera de experimentar esto es poner un valor muy pequeño a 
la constante integral (KI), si mueves el eje del motor notarás en tus dedos que 
hace un esfuerzo progresivo (cada vez más fuerte) para posicionarse en el 
mismo punto que en el que estaba. Un valor alto en KI sucede lo mismo que con 
KP y KD, el eje del motor oscila exageradamente [40]. 
 
Tiempo de muestreo: Es la unidad de tiempo que le dice al Arduino cada cuánto 
tiempo ha de realizar los cálculos. No actúa sobre el control proporcional, pero sí lo 
hace sobre el control integral y derivativo por razones matemáticamente obvias. El 
tiempo de muestreo es más importante de lo que parece y en la medida que se 
modifica este parámetro observarás que mejora o empeora el comportamiento del 
motor. 
 
 KP = Es la que realmente hace mover al motor la mayor parte del recorrido. 
 KI = Incrementa, en tiempos discretos, el valor del PWM, y lo hace en 
proporción a la desviación. 
 KD = Ajusta la velocidad de llegada y eso tiene el efecto añadido de eliminar 
las oscilaciones que pueda provocar el control proporcional e integral. 
 
78 
 
 
En un control PID de posición convencional la parte más difícil de sintonizar es el control 
integral, sucede que el control integral se suma al control proporcional y como el control 
integral acumula las desviaciones anteriores [ITerm += (error * ki)], para cuando llega a la 
meta designada no le da tiempo a minimizar ese error (o desviación) y el motor tiene 
tendencia a ir un poco más allá del punto designado para luego corregirse. Normalmente lo 
que haríamos sería bajar la constante KI, o bien subir el valor de KD (o ambas cosas) para 
contrarrestar esa inercia, pero en muchos casos se hace muy difícil porque al 
aumentar/disminuir una de las constantes se suele necesitar reajustar las demás 
constantes. 
Se trata de que el control integral "ITerm" sólo sume el error proporcional cuando esté 
"frenado" entre dos tiempos consecutivos (Input-lastInput)=0. Para el resto de casos en vez 
de sumar el error proporcional, lo resta, pero no el error proporcional en este caso, sino 
tomando el error diferencial. En ambos casos se multiplica por la constante KI[40]. 
 
La lib PID realizará el ajuste según el valor de retroalimentación, el valor deseado, la 
ganancia de Kp, Ki y Kd y el factor de estabilización. 
Después del ajuste, el microcontrolador envía el comando junto con el valor del ciclo de 
trabajo de PWM al controlador del motor de CC, el motor de CC emitirá una señal PWM 
para controlar el motor de CC. 
Este proceso se repite en un bucle infinito. 
79 
 
8.3. Apartado Código: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
80 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 
84 & 
85 
Métodos de la lib PID [40] 
 
 
81 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 86. Código compilado al ESP32 
82 
 
 
 
 
Fig. 87 código Compilado al ESP32 
83 
 
 
 
Fig. 88. Código compilado al ESP32 
84 
 
9. Resultados: 
Fig. 89 & 90 Ensamblaje de la mano y ensamblaje de la prótesis completa 
85 
 
 
 
Fig. 90 & 91 Vista transparente con aristas visibles y vista en solido del ensamblaje de la prótesis 
86 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 92 & 93 Renders de la prótesis 
87 
 
 
Fig. 94 Vista desde la perspectiva dorsal del ensamble físico de la mano impresa en 3D 
88 
 
 
 
Fig. 95 Vista interna de la palma 
89 
 
 
 
 
Fig. 96 Vista desde perspectiva de la palma del ensamblé físico de la mano comparada con una mano humana 
90 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“Para colaboraciones y mejoras en el diseño, todo el código fuente y los STL se 
pueden descargar en: https://github.com/AlanAlvarez21” 
Fig. 97 Vista desde perspectiva de la palma del ensamblé físico de la mano 
91 
 
10.Cronograma y costos 
Diagrama de Gantt: 
 
 
Fig. 98 & 99: Diagrama de Gantt general y costos de la prótesis 
92 
 
 
 
 
 Costos: 
 
 
Artículos 
Precio 
Unitari
o 
Cantidad Total Parcial Envío 
1000:1 MicroMetal Gear Motor 
HPCB 
$25.95 6 $155.70 $20.45 
Magnetic Encoder Pair Kit $7.95 6 $47.70 
6-Pin Female $1.49 6 $8.94 
2990 DRV8839 Single Brushed DC 
Motor Driver 
$3.49 6 $20.94 
Servomotor para pulgar $10.12 1 $10.12 $5.24 
Servomotor para muñeca $10 1 $9.50 $3.07 
Electrodos EMG $17.31 3 $51.93 $2.54 
Sensor Presión $1.58 2 $3.16 $0.86 
ESP-32 Microcontrolado $3.57 3 $10.71 $3.65 
Ligas ortodoncia $8.02 1 $8.02 0 
Tornillos y tuercas M3 $27.78 1 $27.78 0 
 $326.72 $35.81 
 Total en USD $362.53 
Fig. 100: Tabla costos 
93 
 
11.Conclusiones: 
 
El proyecto fue un reto debido a diversos factores como la aparición de una 
pandemia a nivel mundial, esto implico que no pudiéramos concertar demasiados 
acercamientos con nuestro paciente para entregarle la prótesis impresa, aun así 
avanzamos en una gran parte de nuestro proyecto utilizando las herramientas 
tecnológicas de TI disponibles actualmente, fue interesante poder trabajar en 
diversas áreas de la mecatrónica e integrarlas en un proyecto de esta naturaleza, 
la integración de áreas como la electrónica, mecánica, el control yel software fue 
un verdadero reto pero a la vez muy enriquecedor. 
El principal objetivo de nuestro proyecto, el cual tiene como meta proporcionar 
una prótesis de bajo costo hackeable que pueda llegar a devolver parcialmente 
la calidad de vida a las personas fue una motivación importante, el poder aplicar 
los conocimientos aprendidos para ayudar a los demás es muy satisfactorios, 
esté tipo de proyectos empleando tecnologías como la electromiografía aún tiene 
mucho camino por delante dejando así varios campos de estudio y diseño e 
investigación con camino aún por perfeccionar y seuigr mejorando los diseños 
hasta que podamos llegar al punto de realizar un adaptación humano-maquina al 
100%, utilizando mejores tecnologías y más novedosos materiales y esto con 
mira a llegar al punto en el que se recupere la calidad de vida todos los aspectos: 
sociales, económicos, académicos, etc. 
Aún queda bástate que mejorar e implementar a está prótesis, una interesante 
implementación sería agregar movimiento en la muñeca sin sacrificar demasiado 
la ergonomía del diseño original, también agregar un algoritmo clasificador de 
movimiento musculares utilizando redes neuronales, el código fuente del 
proyecto y los STL están disponibles en un repositorio de GitHub (Apartado 
resultados) para todo aquel que quiera colaborar en un futuro. 
 
 
94 
 
 
 
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