Abstract
The following paper discusses robotic hand prosthesis in
the field of biomechanics, as well as an introduction to
bioengineering to better understand the classification of the
same up to the biomechanics. Finally there was a study on the
structure, types and applications of this type of prosthesis
today.
Índex Terms – Bioingeniería,
Biomecánica, Biónica, Mano
Robótica.
Introducción
En la actualidad hay personas en todo el mundo que
sufren amputaciones en miembros superiores, en particular
producidos por debajo del codo, lo que da como resultado una
importante pérdida de la funcionalidad en estas personas,
afectando a su calidad de vida. Por lo que las prótesis de
estos miembros superiores han tenido un gran avance en su
desarrollo a partir de los años 60, y aun así se
estima que un gran porcentaje de la población en los
países subdesarrollados con estos problemas utilizan solo
simples ganchos pasivos; lo que es evidente que en los
países de tercer mundo ni siquiera usan ninguna clase de
prótesis. En la actualidad existen campos de la ciencia
que se dedican al estudio de las prótesis de miembros como
de las prótesis de mano, es así que para entender
sobre estas prótesis es necesario conocer el campo en el
que están inmersas como lo es la bioingeniería y la
biomecánica, la primera es la "ciencia que surge de la
aplicación de los conocimientos de la ingeniería en
las ciencias biológicas" [3], y la segunda es la
ciencia que estudia las estructuras de carácter
mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente
del cuerpo humano, apoyándose en diversas ciencia
biomédicas con conocimientos de ingeniería,
anatomía entre otras para resolver problemas de las
diversas condiciones en las que están involucrados.[1],
[2], [3], [16]
Marco
teórico
2.1 BIOINGENIERÍA
La bioingeniería o biomédica es la ciencia
en la que las herramientas y principios de la ingeniería,
así como la ciencia y la tecnología se aplican para
resolver problemas presentados por la medicina y por ende la
biología. [4]
En otras palabras la bioingeniería es dar
solución a problemas en el ámbito de la salud
aplicando métodos tecnológicos y modernos.
[4]
La bioingeniería comprende campos que se pueden
clasificar en: [4]
Ingeniería Biomédica
Biomecánica
Bioelectrónica
Ingeniería Hospitalaria
Ingeniería Clínica
Biosensores
Biomateriales
Órganos Artificiales
Procesamiento de Señales
BiológicasTelemedicina
Tecnología Médica
Entre varios de los beneficios de la
bioingeniería están la construcción de
prótesis, o el tratamiento de algunos tipos de
cánceres mediante micro-robots que podrían atacar a
las células cancerígenas; es así que la
biomecánica o también llamada biónica es la
que se encarga del estudio diferentes prótesis.
[5]
2.2 BIOMECANICA
La biomecánica como se dijo anteriormente
está ligada a la biónica es la ciencia que estudia
desde el punto de vista de la ingeniería, los mecanismos
que utilizan los seres vivos, es decir está orientada a la
biología humana, para el diseño,
construcción e implementación de prótesis;
además tiene una vinculación con la robótica
ya que esta aporta con los manipuladores que pueden ser
sustituidos por los mecanismos humanos. [6], [7], [18]
2.2.1 APLICACIONES DE LA
BIOMECÁNICA
Existen diferentes tipos de Aplicaciones de
la biomecánica como las mostradas a continuación:
[6]
Biomecánica
MédicaBiomecánica Deportiva
Biomecánica
OcupacionalBiomecánica
IndustrialBiomecánica Ambiental
El la figura 1 se puede ver un ejemplo de
la aplicación de la biomecánica en la
creación de una prótesis de mano.
Figura 1. Prótesis de Mano
[8]
En la figura 2 se puede apreciar un ejemplo de un tipo
de prótesis de rodilla llamada 3R49 TI eje
sencillo.
Figura 2. Prótesis 3R49 TI eje
sencillo elaborada por la empresa Otto Bock. [9]
2.3 PRÓTESIS
Una prótesis es una extensión artificial
que puede reemplazar a una parte faltante del cuerpo. [10]
[14]
2.3.1 RESEÑA
HISTÓRICA
Desde tiempos inmemorables el hombre ha tratado de
reemplazar algunas extremidades de su cuerpo faltantes por
algún otro tipo de prótesis para sustituir la
misma. [11]
Es así que una de las primeras prótesis de
un miembro superior de remonta al año 2000 A.C., cuya
prótesis fue encontrada en una momia egipcia.
[12]
El hombre ante la presencia de los problemas de
amputaciones y gracias al manejo del hierro, pudo construir
prótesis de manos resistentes, como es el caso de la
primera mano de hierro registrada, la cual fue fabricada por un
general romano Marcus Sergius en el año 218-202 A.C.
[12]
Una de las manos fabricadas de hierro fue la llamada
"alt-Ruppin" en el año 1400, la cual constaba de un pulgar
rígido y dedos flexibles, además de una
muñeca movible, la cual era fijada por mecanismos de
trinquete. Esta se puede apreciar en la figura 3. [12]
Figura 3. Mano de alt-Ruppin construida
con hierro en el año 1400 [12]
En el siglo XVI, un médico militar francés
Ambroise Paré, fabricó la primera prótesis
de brazo artificial móvil llamada "Le petit Loraine". Esta
tenía una función de abrir y cerrar los dedos
así como flexionar todo el miembro. En la figura 4 se
puede ver este tipo de prótesis. [12]
Figura 4. Primera prótesis
artificial móvil [12]
Para los años posteriores estas prótesis
fueron desarrollándose de diferente manera en muchos
países.
En la actualidad existen diferentes tipos de
prótesis de mano algunas limitadas al cierre y apertura de
los dedos, otras con un control específico para realizar
funciones de una mano real. [12]
Entre los países en los cuales se presentan un
mayor avance tecnológico de estas prótesis son
Estados Unidos, Alemania, Francia, Inglaterra y Japón.
[12]
2.4 PRÓTESIS DE MANO
ROBÓTICA
A partir del concepto de lo que es una prótesis
podemos decir que una prótesis robótica es un
elemento o como se dijo una extensión artificial la cual a
diferencia de una prótesis normal esta posee y está
dotada de cierta inteligencia capaz de realizar en cierta forma
la función de una parte faltante del cuerpo en este caso
de la mano. Esta prótesis robótica puede lograse al
integrar diferentes componentes como sensores, micro
controladores, actuadores e incluso complejos algoritmos de
control. [10] [14]
La mano realiza básicamente dos funciones
elementales como lo son: la función mecánica o de
presión y la función sensitiva o de tacto, las dos
están ligadas ya que sin el sentido de tacto se nos
haría difícil medir la fuerza al manipular la
misma. [12], [13]
La función del tacto depende de la
constitución biológica de la mano, la cual como se
puede apreciar en la figura 4, está formada por zonas con
terminales nerviosas presentes en los dedos, la cual es la fuente
de información táctil. De esta manera se subdivide
en tres partes: metacarpo de la cual surgen los dedos y la
muñeca; teniendo así la mano catorce falanges que
son los huesos de los dedos, cinco metacarpianos y ocho
carpianos. [13]
Figura 5. Falanges de los dedos
[13]
2.4.1 MODOS DE FUNCIONALIDAD DE UNA MANO
ROBÓTICA
Una prótesis de mano robótica tiene modos
en los que puede funcionar, esto dependiendo ya que algunas son
más desarrolladas que otras. A continuación se
puede ver un ejemplo de los modos de funcionamiento de una mano
robótica tipo i-LIMB:
a) Modo de Presión
Este modo el dedo pulgar y el índice se unen para
cuando se necesita precisión. Este modo se puede ver en la
figura 6 a). [15]
b) Modo Índice
Este modo es aplicado para tener en una posición
deseada un dedo para realizar alguna aplicación como por
ejemplo para pulsar teclas. Este modo que se puede ver en la
figura 6 c). [15]
c) Modo Posicionamiento del Pulgar
Este modo se lo puede apreciar en la figura 6 d), el
cual trata sobre la función para abrir y cerrar la palma
de la mano. [15]
d) Modo Potencia
En este modo la mano forma un puño que se utiliza
para llevar objetos. En la figura 6 d), se puede ver este modo.
[15]
e) Modo Llave
En este modo el pulgar cierra sobre el dedo
índice, para poder agarrar objetos como platos o tarjetas,
como se ve en la figura 6 e). [15]
Figura 6. Modo funcionalidad de la mano
robótica i-Limb: a) Precisión, b) Índice, c)
Posicionamiento del Pulgar, d) Potencia, e) Llave [15]
2.4.2 PROCESO PARA LA SUJECIÓN DE
UN OBJETO DE UNA PROTESIS DE MANO ROBÓTICA
El proceso que sigue una mano robótica es muy
variado, esto dependiendo del tipo y finalidad para el cual fue
fabricada.
En este punto presentaremos un ejemplo del proceso que
sigue un prototipo de mano robótica antropométrica
a partir del análisis de procesamiento de imágenes
Tomográficas Computarizadas, presentado por estudiantes de
posgrados de una importante universidad de México.
[11]
El proceso a seguir presentado en la figura 6 consta de
etapas y procesos muy importantes como lo son: una señal
de entrada, un suministro de energía, un sensor que es de
vital importancia, una etapa de control en la cual están
presentes procesos como la interpretación, procesamiento y
ejecución, los cuales van hacia un actuador que es el tipo
de elemento ya sea mecánico hidráulico u
eléctrico que finalmente por medios de transmisión
van a ejecutar trayectorias y movimientos en la mano
robótica. [11]
Figura 7. Ejemplo del proceso para lo
sujeción de un objeto de una mano robótica
Antropométrica sub-actuada [11]
2.4.3 FUNCIONAMIENTO POR MEDIO DE
SEÑALES MIOELÉCTRICAS
Por lo general la gran mayoría de prótesis
de manos robóticas usan un control de sensores
mioeléctricos para su funcionamiento. [19]
Las señales mioeléctricas son
señales producidas por un músculo al contraerse y
flexionarse, que produce una pequeña señal
eléctrica que también se la llama también
Electromiograma que es el resultado de una reacción
química que produce el cuerpo. [12], [20], [21]
Para la recopilación de estas señales se
utilizan los sensores llamados electrodos los que van pegados a
la piel y su contacto con la misma nos permite registrar la
señal para ser utilizada como la señal de control
para el movimiento de la mano. [17], [20]
En la figura 8 podemos ver un ejemplo de un control
mioeléctrico en el cual la señal es captada por
medio de los electrodos, esta es amplificada y después
procesada por medio de un sistema de control el cual va a
conmutar todos los elementos actuadores para producir el
movimiento. [19], [20], [21]
Figura 8. Ejemplo de un Control
Mioeléctrico [19]
2.4.4 ACTUAORES Y MECANISMOS DE
TRANSISIÓN UTILIZADOS EN LAS PROTESIS DE
MANO
Como se dijo anteriormente las prótesis de mano
pueden usar varios mecanismos para su movimiento, siendo estos
denominados sistemas de actuación. Es así que se
los puede clasificar en tres tipos: [14]
a) Actuadores Eléctricos
Estos actuadores son los más usados ya que poseen
una alta eficiencia, disponibilidad y tamaños compactos.
En este tipo de actuadores están los motores de corriente
continua, servomotores, aleaciones con memoria de forma y motores
ultrasónicos. [14], [22]
b) Actuadores Neumáticos
Este tipo de actuadores neumáticos no son muy
utilizados ya que son de difícil control porque requieren
de un sistema de comprensión de aire y además se
podrían dar posibles fugas del fluido. [14]
c) Actuadores Hidráulicos
Estos son desarrollados a partir de bombas
hidráulicas o también con electroválvulas,
son muy factibles para producir unos movimientos suaves y
lineales, requiriendo así un sistema de bombeo.
[14]
2.5 TIPOS DE PRÓTESIS DE MANOS
ROBÓTICAS
En la actualidad existen gran variedad de
prótesis de mano robótica algunas ya realizando la
función para la cual fueron creadas otras están en
investigación y muchas de ellas son prototipos que se
espera estén pronto a la disponibilidad de los que
así lo requieran. Es así que a continuación
se presenta algunas manos robóticas de diferente tipo y
funcionalidad:
CYBERHAND
Esta mano creada en el 2005 consta de 5 dedos y un total
de 6 motores que controlan la mano, como se puede apreciar en la
figura 9. [23]
Figura 9. CyberHand [23]
SENSORHAND
Es una mano rápida que tiene una velocidad de 15
a 300 milímetros por segundo en su cierre y apertura,
diseñada para superar cualquier resistencia y eficaz a
temperaturas bajas. En la figura 10 se puede ver este tipo de
mano robótica. [25], [30]
Figura 10. SensorHand [24]
I-LIMB
Posee cinco dedos y está diseñada para
funcionar con señales mioeléctricas. Está
disponible en el mercado desde el 2007 que fue introducido por la
empresa escocesa Touch Bionics. Esta se muestra en la figura 11.
[26]
Figura 11. I-LIMB [26]
DLR HAND II
Esta mano consta de cuatro dedos con cuatro
articulaciones y cuatro grados de libertad. Además ocupa
un sistema de actuadores con motores de escobillas que a
diferencia de los de corriente continua los electroimanes no se
mueven, es decir la armadura permanece constante y los magnetos
permanentes rotan. Es una mano bien flexible y se ajusta
fácilmente para la manipulación y agarre de
objetos. Esta se presenta en la figura 12. [14], [27]
Figura 12. DLRHAND [27]
SHADOW HAND
Esta mano robótica usa un tipo de actuador
neumático lo que la hace lograr movimientos suaves, pero
este tipo no se ha implementado debido al peso y volumen del
sistema de comprensión de aire. Este tipo se lo puede ver
en la figura 13. [14], [28], [29]
Figura 13. SHADOW HAND [28]
Conclusiones
La biónica es la ciencia encargada del estudio,
diseño e implementación de prótesis para las
personas.
Las prótesis de manos son hoy en día una
de las más importantes ya que son extensiones que pueden
reemplazar al miembro faltante obteniendo la misma función
a partir de cierta inteligencia que puede estar formada por
diferentes componentes y sistemas de control, por lo que es de
vital ayuda para personas que sufren amputaciones, ya que un gran
porcentaje no usa ningún tipo de
prótesis.
Es así que en la actualidad se están
desarrollando nuevas tecnologías sobre este tipo de
prótesis a partir de complejos sistemas de control y de
diferentes mecanismos para su funcionamiento ya sean
eléctricos, hidráulicos o
neumáticos.
La prótesis que hoy en día está
siendo implementada y mejorada es la que tiene como fuente de
control las señales mioeléctricas para su
funcionamiento lo que hace de esta la más versátil
cuando las personas con amputaciones así lo
requieran.
La tecnología de las prótesis de mano
robótica tiene un costo relativamente alto por lo que la
mayoría de estas solo se presentan en prototipos. Se
espera que las desarrolladas actualmente sirvan de ayuda en el
futuro para el desarrollo de prótesis que puedan ser
fácilmente comercializadas en el mercado al alcance de
personas que las necesitan.
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Oscar Lema Galarza
Universidad Politécnica
Salesiana, Sede Cuenca
Electrónica Analógica
II