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Prótesis de brazo biomedico




Enviado por Pablo Turmero



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    La prótesis de brazo biomédica se ideo con el
    propósito de reducir la discapacidad que adquieren
    las personas que han sido victimas de las minas antipersonal u
    otros desastres. El problema de las minas antipersonal existe en
    Colombia desde hace más de veinte años, sin embargo
    en los últimos 4 años, en vez de disminuir, ha
    aumentado de manera desproporcionada. De hecho, Colombia es el
    único país En América Latina y uno de los
    pocos en el mundo donde cada día se siembran Más
    minas antipersonal. Así, en el cuatrienio comprendido
    entre los años 1998 y 2001 ocurrieron en el país
    274 accidentes con minas antipersonal, y en el siguiente
    cuatrienio comprendido entre los años 2002 y 2005 la cifra
    se elevó a 1.829 accidentes, lo que significa un aumento
    de 568% en el número de accidentes en los últimos 8
    años. Como podemos observar las minas antipersonal son un
    problema muy notorio en nuestro pais y no hay razon mas
    justificante para darse cuenta del por que elegimos esta idea,
    pues, es muy gratificante para nosotros como patriotas ayudar a
    esta poblacion tan vulnerable y tan marginada.  

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    INDUCCION Recientemente se han desarrollado estudios en la
    Universidad Militar Nueva Granada en el laboratorio de
    Robótica e Inteligencia artificial (LRIA) en donde se
    desarrolló una mano antropomórfica que imita los
    modelos prensiles humanos pero cuyo inconveniente sigue siendo el
    elevado número de actuadotes utilizados y el costo para su
    implementación

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    LA MANO HUMANA Como se observa, el dedo pulgar esta fijo por
    debajo de los otros dedos y puede realizar los movimientos de
    cierre y rotación, debido a la gran movilidad de su
    metacarpo.Esto permite variar la orientación del plano en
    que se desarrolla el movimiento de doblado y extensión del
    dedo pulgar, propiedad a través de la cual es posible
    oponer el dedo pulgar a los otros dedos. Con el término
    abducción se en tiende el movimiento de salida del dedo
    del eje del brazo. El movimiento de
    Extensión/Abducción es la capacidad de
    extensión del pulgar hacia la parte exterior y
    flexión hacia el interior de la palma. El término
    Oposición se define como la capacidad de unión de
    las puntas del pulgar y el meñique. La
    Aducción/Abducción es la capacidad de acercamiento
    y alejamiento del pulgar de la palma, cuando ambos se encuentran
    en un mismo plano.

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    DISEÑO DEDO ARTICULADO Con base en estudios de la
    biomecánica de la mano y de sus medidas
    antropométricas, ver tabla 3.1, para definir la
    cinemática este mecanismo articulado, cuyo tamaño y
    movimientos de cierre son los más similares a los de un
    dedo humano. Para este estudio se ha utilizado las
    características del dedo índice

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    Simulaciones en SolidWorks® y Visual Nastran, hansido
    desarrolladas para comprobar que el movimiento decierre sea
    apropiado y para comprobar que no hayinterferencia
    mecánica, se muestra el prototipo construido enel
    laboratorio de procesos de mecanizado de la
    UniversidadTecnológica de Pereira con la
    característica de que elmecanismo es un mecanismo de
    barras y esta dentro de loseslabones como muestra la figura

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    Para entender como funciona el mecanismo, se hace
    acontinuación la clasificación de este en grupos de
    Assur com. se ve a continuación

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    El actuado utilizado es de tipo rotacional, y se
    encuentraacoplado a un tornillo sin fin, permitiendo así
    la realización deun movimiento de tipo lineal, y por otro
    lado el movimientogeneral del dedo, como se puede observar en la
    fig. 5, esrealizado a través de un mecanismo de barras que
    esta inseridodentro de las falanges.

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    SISTEMA BIOLOGICO DEDO MECANICO Huesos Resina , compuestos
    plásticos Articulaciones Revolución Tendones
    Sistema palancas en acero Músculos Micro motor de CC

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    PRUEBAS Y RESULTADOS Se realizó el análisis
    cinetostático de mecanismo del dedorobot. Para ello se
    recurre al análisis y síntesis de mecanismospor
    grupos de Assur. El análisis se inicia con la
    solucióngráfica de las posiciones obtenidas con el
    mecanismo en un software CAD, se calcula manualmente las fuerzas
    yreacciones que se generan en cada junta y posteriormente
    seimplementa un programa de computador sobre la plataformade
    Matlab V7.0 para la solución de las ecuaciones, luego
    secomparan los resultados obtenidos en forma gráfica y
    enforma manual, se obtuvo que error es mínimo (en torno
    de0.006%) lo que implica que las soluciones fueron
    aceptables

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    Pruebas experimentales han sido desarrolladas con elprototipo.
    Para estas experiencias se han utilizado uninstrumento virtual
    desarrollado sobre LabView para lageneración de una
    señal de PWM2 para control de velocidad ysentido de giro
    del actuados, además del instrumento virtualpara la
    medición de fuerzas las cuales son registradas en
    lossensores (tipo Flexiforce3) durante una prueba de contacto Una
    secuencia de movimiento del dedo es mostrada en laFigura 7, donde
    son presentadas tres posiciones, superior,intermedia e inferior.
    En la Figura 8 son presentadosresultados de
    simulación

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    Los resultados obtenidos a través del software
    Matlabconfirman la suposición de que las fuerzas son
    pequeñascomparadas con los cálculos
    estáticos realizados en formamanual para las diferentes
    posiciones del mecanismo. Parauna rosca ACME se calcula la fuerza
    compensadora y a partirde esta fuerza son calculadas las otras
    fuerzas para cada unode los pontos de la trayectoria En la tabla
    3.3 son presentados los principales resultados obtenidos con
    ayuda de Matlab®, donde se puede verificar que la trayectoria
    de un determinado punto P, en el extremo del mecanismo, describe
    unas posiciones aceptables en relación al movimiento de un
    dedo humano, como porejemplo, la velocidad que se obtuvo en forma
    experimental fue de 5 mm/s, y el resultado obtenido en
    simulación es de4,95 mm/

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    Otra técnica para la simulación de mecanismo
    utilizada espor medio del toolbox de Matlab Simmechanics, la
    figura 9muestra la referencia tenida en cuenta para el montaje.
    En lafigura 10 se presenta la respectiva implementación
    Referencia para el montaje en Simmechanics

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    CONCLUSIONES A través del curso de este trabajo se
    plantearon lasestrategias para la implementación de un
    dedo robótico para eldesarrollo de grippers para
    aplicaciones industriales o para fines protésicos. La
    mayoría de los desafíos de la fabricacióndel
    dedo robot se presentaron debido a su forma
    decaracterísticas antropomórficas. Esto hace
    difícil la manufactura de ciertas piezas, por ejemplo las
    las barras detransmisión y los eslabones que conforman las
    falanges, puesestos deben cumplir con unas dimensiones
    particulares.Otro hecho importante es lograr que el dedo robot
    tengaotro grado de libertad en su base para lograr mayor
    destrezaen la manipulación de objetos de geometrías
    complejas, y a lavez calcular las fuerzas que se generan en la
    nuevaconfiguración

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    El hecho de que el robot fue construido en forma
    manualsignificó demoras en la construcción final
    debido a los erroreshumanos inherentes en este tipo de trabajos.
    Pero también hayque resaltar que las formas logradas
    satisfacen lascaracterísticas antropométricas
    (forma, tamaño), variables atener en cuenta. Ahora bien,
    es claro que las técnicasmodernas para el maquinado de
    piezas complejas puedefacilitar y minimizar muchos errores, por
    ejemplo empleandotécnicas de CAD/CAM/CAE o
    estereolitografía

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    El material utilizado (Teflón) para la fabricación
    de lasfalanges, tiene características mecánicas
    aceptables, ademásde ser de bajo costo, lo que hace que
    sea tenido en cuenta enfuturos diseños de
    bioingeniería.Este dedo robot facilitara la
    implementación de una manocompleta la cual puede ser usada
    en aplicaciones deInteligencia artificial con robots humano
    idees, obviamenteincorporando algunas mejoras para dotar de
    sensores para laadquisición de diferentes sensaciones como
    por ejemplotemperatura, para control dinámico del sistema
    en lazocerrado.Un sensor, en detalle, se podría aplicar a
    todos loselementos constitutivos del dedo robot, por ejemplo una
    uñapodría ser utilizada, como sus contrapartes
    biológicas, estauña seria un transductor importante
    de la información con elcual es dedo robot podría
    raspar, cavar, y golpear ligeramenteobjetos, una propuesta se
    muestra en la figura

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    Este tipo de trabajos requieren del uso de las
    diferentesteorías para el análisis y
    síntesis de mecanismos, y demuestraque la
    ingeniería puede tomar como fuente de inspiración
    labiomecánica para el desarrollo de nuevos sistemas que
    emulenel movimiento humano

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    Científicos piensan en brazos robot controlables mediante
    nervios reconectados Correcto, la idea no es nueva en su concepto
    básico, pero cuantos más ejemplos veamos, mejor. Un
    médico especialista del Instituto de Rehabilitación
    de Chicago y un profesor de la Universidad Northwestern han
    desarrollado una técnica que permite el uso de brazos
    artificiales únicamente con el pensamiento, igual que
    harías con uno de carne y hueso.  El proceso, llamado
    TMR (de targeted muscle reinnervation) funciona
    básicamente reconectando al pecho nervios residuales que
    en tiempos llevaban información en dirección a la
    extremidad amputada; cuando el usuario piensa en mover su brazo
    el músculo se contrae, y con la ayuda de un
    electromiograma (EMG) la señal es 'dirigida a un
    microprocesador en el brazo artificial que decodifica los datos y
    le dice al brazo qué hacer'. Actualmente solo es posible
    realizar cuatro movimientos con la tecnología disponible,
    aunque ya se están efectuando estudios para ver si se
    puede ampliar el dinamismo de las prótesis.

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    DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA MANO ROBÓTICA
    YGUANTE SENSORIZADO Una vez entendidos los conceptos
    básicos necesarios para la realización deeste
    proyecto, en este capítulo se describe la
    construcción tanto del guantesensorizado como de la mano
    robótica, así como todo el hardware necesariopara
    realizar las tareas de control.En un inicio se trató de
    construir sensores fotoeléctricos basados en
    lapercepción de una fuente luminosa n. constante a
    través de un ducto elástico, conun LED en un
    extremo y una foto resistencia en el otro, pero, la
    implementaciónfísica en el guante era muy
    difícil e incómoda debido principalmente al
    espacioreducido que se tiene. Por lo tanto, se procedió a
    utilizar otro método mediantesensores infrarrojos de
    reflexión utilizados comúnmente en robots
    seguidoresde línea. Su reducido tamaño y sencillez
    de acondicionamiento fueron factoresclaves para su
    selección

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    Se utilizó conceptos muy generales en cuanto al
    diseño de la parte mecánicade la mano
    robótica, debido a que este proyecto está enfocado
    principalmente a las tareas y algoritmos de control de la
    misma.Para el diseño de la mano robótica se
    tomó como punto de referencia a la mano humana tomando en
    cuenta los siguientes conceptos.Debe ser auto-contenida; esto es,
    que la mano sea una pieza independiente.Debido a ello no posee
    tendones o elementos de transmisión externos a la propia
    mano. Además debe ser antropomorfa; esto es, debe tener la
    apariencia de una mano humana, se buscó un diseño
    con características antropomorfas. Por último las
    dimensiones deben ser lo más cercanas posibles a las de
    una mano humana. 26 Tomando en cuenta todos estos aspectos se
    procede a describir el diseño y laconstrucción de
    todo el hardware utilizado.

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    ARQUITECTURA DEL SISTEMA El guante sensorizado es un elemento
    provisto con sensores fotoeléctricos, loscuales determinan
    la posición de las articulaciones de cada dedo de una
    manodiestra. Las señales de los sensores son
    acondicionadas, procesadas ytransmitidas a través de una
    interface RS-232 cuando la etapa de control lorequiera.El
    hardware está formado por un guante diestro flexible,
    sobre el cual sonmontados estratégicamente los sensores
    fotoeléctricos. Son en total 15sensores
    fotoeléctricos cuya salida acondicionada es un valor
    analógico y elelemento de control, del cual se
    tratará posteriormente, posee 5 entradas parala
    conversión A/D (analógica-digital); por ello fue
    necesario incluir una etapa deselección de datos, con
    ello, mediante un barrido de lectura de los sensores,una de las
    15 entradas es conectada a una única entrada
    analógica delelemento de control para su conversión
    A/D.Una

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    Una vez digitalizados los datos estos son procesados, almacenados
    yactualizados continuamente para ser transmitidos a través
    de una Interfase RS-232 cuando la etapa de control de la mano
    robótica los requiera.En la Figura 2.1 se muestra un
    diagrama con la arquitectura del guantesensorizado.

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    GUANTE Para el desarrollo del guante sensorizado se
    utilizó un guante diestro de la marca MerchPro modelo
    Wells Lamont #7707M, el cual está confeccionado con 60% de
    nylon y 40% de poliuretano en la palma; y, 96% de
    poliéster y 4% deSpandex en el dorso. Se eligió
    este tipo de guante debido a la flexibilidad que se requiere.
    Este guante se lo puede observar en la Figura

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    DISEÑO DEL DISPOSITIVO FOTOELÉCTRICO SENSOR El
    dispositivo fotoeléctrico sensor consta de un
    emisor-receptor de luz y un ducto elástico.

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    EMISOR-RECEPTOR DE LUZ Se utilizó como dispositivo
    fotoeléctrico emisor-receptor de luz al circuitointegrado
    SG2BC, el cual es un sensor óptico reflectivo; es decir,
    presenta unavariación en su señal de salida por la
    menor o mayor reflexión de luz infrarrojaemitida por una
    fuente de luz infrarroja constante. Su salida es de
    tipotransistor. Para este proyecto se utilizan 15 sensores
    ópticos los cuales son ubicadosestratégicamente en
    el guante sensor con el fin se sensar la flexión de
    cadauna de las articulaciones. Cada uno de los sensores son
    conectados a unaetapa de acondicionamiento

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    DUCTO ELÁSTICO Para el presente proyecto se utilizo un
    ducto elástico de color negro debido a que se requiere
    evitar cualquier interferencia externa hacia el dispositivo
    sensor, así como cualquier fuga de luz hacia el exterior.
    Debido a que la fuenteluminosa es constante, las paredes del
    ducto incrementan o decrementan el numero de rayos reflejados por
    las paredes hacia el receptor según el ángulode
    flexión del ducto. Analizando las articulaciones de los
    dedos se llegó a la conclusión que la medida ideal
    del ducto es de 1 a 1.5 cm. Siendo un total de15 unidades.

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