Abstract—El presente informe trata acerca del estado del arte de las prótesis para manos donde se pretende conocer acerca de los diferentes tipos, mecanismos y sistemas, los cuales interactúan de cierta forma y gracias a la tecnología desarrollada hasta la actualidad pueden simular el funcionamiento real alguna parte del cuerpo que por diferentes razones necesita ser reemplazada, generando un cambio real tanto socialmente como psicológica- mente de las personas que las utilizan. En base a este pequeño resumen, el tema seguirá siendo tratado a continuación con el afán de generar cierto interés en el desarrollo de prótesis tecnológicas inteligentes.
Introducción
La sustitución de miembros humanos por pérdida o por discapacidad se viene realizando desde muchos años atrás. En la actualidad y gracias al enorme avance tecnológico se apuesta al desarrollo de prótesis inteligentes capaces de simular en cierta forma el comportamiento real de las extremidades del cuerpo, las cuales son realizadas en base al estudio y al análisis del funcionamiento biológico del cuerpo humano junto a métodos computacionales que emulan procesos neuronales. En las diferentes áreas que estudian el comportamiento del cuerpo humano existe también la presencia de diseñadores quienes se dedican al desarrollo de nuevas tecnologías, a ésto se le conoce como biónica, la cual explora la interacción entre biología y diseño. La biónica, de acuerdo a la definición tomada del Diccionario de la Lengua Española, trata acerca de la aplicación del estudio de los fenómenos biológicos a la técnica de los sistemas electrónicos y mecánicos [1]. El estudio que se realiza se enfoca principalmente a las prótesis de manos, que de acuerdo a las definiciones dadas se pueden tratar como manos de integracion biónica, esto quiere decir que la aplicación de sistemas electromecánicos unidos al cuerpo humano e implantada dentro del mismo, permitirá la creación de ciertos dispositivos que se aproximen hacia el comportamiento real de una mano humana. De acuerdo con Hugh Herr, profesor e investigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts en su conferencia presentada en TED Talks, a quién se lo considera como el líder mundial en biónica y biomecánica, desarrollador de sus propias prótesis de piernas biónicas, dice lo siguiente: "Razoné que un ser humano nunca puede descomponerse, la tecnología se descompone, la tecnología es insuficiente. Esta idea simple pero poderosa fue un grito de guerra para avanzar en la tecnología, para la eliminación de mi propia discapacidad y en última instancia la discapacidad de los demás" [2]. Gracias a este pensamiento se genera un pequeño análisis acerca de que una de las aplicaciones a la cual nosotros, como futuros ingenieros, debe ser el análisis y diseño de prótesis que permitan eliminar por completo la discapacidad física, generar nueva tecnología que permita a las personas que han sufrido esta parte tan difícil de la vida, superar en cierta forma su propia discapacidad y permitir llevar una vida normal, realizar actividades que quizá nunca las han podido realizar o devolverles la sensación de realizar actividades que antes las hacían. [14].
Luego de esta pequeña introducción se procede al análisis de los tipos de prótesis y los mecanismos que se utlizan para el desarrollo tecnológico de estas, al tratarse de un estado de arte, el principal análisis será el teórico donde se trata de analizar y explicar ciertos funcionamientos y caracteríticas que se basan tanto en diseño mecánico como electrónico.
Marco teorico
A. Sistemas protésicos.
1) Prótesis mecánicas.: Este tipo de prótesis basa su fun- cionamiento en un arnés que se conecta alrededor del pecho y parte de los hombros y brazo siendo controlado por el usuario mediante la extensión de una liga y con la ayuda de la relajación del músculo se realiza la apertura y cierre de la mano. Para bridar una estética confortable a la prótesis se utiliza una especie de guante. Existe una desventaja en el uso de prótesis mecánicas y esto es que se encuetra limitada para el agarre de objetos pequeños ya que resulta un cierto estorbo al momento de realizar movimientos con el afán de sujetarlos [15], caso que no sucede con los objetos de mayor tamaño. Para el diseño y construcción de la prótesis se realizarán de acuerdo a la necesidad de las personas como puede ser el tamaño y el número de ligas. [3] [11].
Figure 1. Prótesis mecánica. [3]
2) Prótesis eléctricas.: Para este tipo de prótesis el mecan- ismo encargado de dar movimiento ya sea a una muñeca o un codo son los motores eléctricos a corriente continua por su facilidad de uso mediante baterías recargables, los cuales se conectan a los terminales de las partes antes mencionadas. Los dispositivos de control que se utilizan para este tipo de prótesis son: mediante un servocontrol, botón pulsador o un interruptor con arnés [4] [19].
El uso de sistemas computacionales para controlar dispos- itivos electrónicos, PICs, también podría ser considerado en este punto ya que mediante estos controladores se pueden pro- gramar procesos de sincronización de los motores, controlando la velocidad de giro o el orden y tiempo de activación de los sensores que controlen estos actuadores de corriente directa, por ende el costo de ésta prótesis llegaría a un costo mayor de adquisición debido a la complejidad del diseño convirtiéndose así en una desventaja.
Figure 2. Prótesis eléctrica [5]
3) Prótesis neumáticas.: Con el propósito de obtener una mayor fuerza y rapidez de giro para realizar distintos movimientos se hace uso del aire a presión el cual es obtenido a través de un compresor. A simple observación parecería una técnica bastante aceptable pero el tamaño de dichos componentes representaría un problema de implementación ya que se trata de aparatos de gran tamaño lo que implicaría menos confort para la persona que la utiliza y representaría costos elevados tanto de adquisición como de reparación [5] [17].
Figure 3. Prótesis neumática [5].
4) Prótesis Híbridas.: Las prótesis híbridas son aplicables para personas que han sufrido alguna amputación por encima del codo, el funcionamiento se basa en la acción del cuerpo junto con el accionamiento por medios eléctricos [5]. Este tipo de prótesis en definitiva es aplicable mediante el control de las señales emitidas por el cerebro para el control del músculo lo cual se combina con la electricidad para lograr algún movimiento deseado [18].
Figure 4. Prótesis híbrida [5].
5) Prótesis mioeléctricas.: Una prótesis mioeléctrica susti- tuye un músculo y funciona con electricidad. Su fun- cionamiento se basa en el concepto de que, cuando un músculo se se flexiona o se contrae, se emite una pequeña señal eléctrica del orden de los micro voltios (5-20&µV ). Mediante el uso de electrodos se pueden captar dichas señales y una vez realizada esta adquisición se procede a un amplificador y se procesa con algún controlador que conmuta los motores eléctricos activando o desactivándolos en la mano, mueñeca o codo proporcionando movimiento y funcionalidad [7] [16].
Figure 5. Prótesis Mioeléctrica [5].
B. Diseño de mecanismos para prótesis de mano.
Para examinar los mecanismos de movimiento de las difer- entes protesis de las manos que existen es necesario analizar en prototipos ya realizados. Dichos Prototipos nos facilitaran una visión de cada uno de los modelos que existen para mediante ellos poder considerar el mejor metodo para la ejecucion de estas. [13]
1) Diseño Bio-Mecatronico: El diseño de esta protesis depende de 2 partes: La primera es la palma de la mano la cual esta hecha de un material que permita soportar alta resistencia y peso muy pequeño. La segunda que corresponde a los dedos hechos de aluminio que deben ser de forma cilindrica para mejorar el agarre.
Este diseño de protesis consta de tres dedos los cuales son el indice, medio y pulgar los cuales son comandados cada uno por un motor de corriente continua y son ubicados en la parte inferior del antebrazo. Estos dedos pueden doblarse mediante un cable que esta ubicado en la parte interior del dedo y se envuelve en las poleas que se encuentran en cada articulacion. Este diseño consta de una caja de engrane los cuales permiten a la protesis realizar el moviento del dedo pulgar y su ubicacion esta en la parte inferior de la palma. La mano se puede ajustar muy facil al objeto y las dimensiones de los dedos son muy similares a los reales.[4] [12]
Figure 6. Diseño de prótesis biomecatrónico [4].
2) Protesis de mano con impresora 3D: El diseño de este tipo de protesis tiene un sistema operativo el cual consta de un sensor de distancia que mediante el mismo va a provocar un movimiento parecido al sistema de control mioeléctrico.
Ademas se reconoce mediante un poder externo miolectrico y su tamaño es muy parecido a una mano real. Este diseño de protesis en su interior tiene una caja de control el cual contiene el sistema operativa y el sensor de distancia. Para poder abrir y cerra los dedos de la protesis se lo puede hacer mediante la variacion de distintas distancias entre el sensor y la superficie de la piel. Esta superficie hara contacciones las cuales son emitidas por los musculos. Antes era muy dificil la comercializacion de este tipo de protesis por su altos costos de fabricacion, pero en la actualidad se comercializan a bajos costos porque se ocupa materiales mas comunes para comadar este tipo de protesis. [2]
Figure 7. Diseño de prótesis con impresora 3D [8]
3) Diseño de manos prostéticas antropomórficas: Las protesis de este tipo son comandadas mediante el encendido de un motor el cual se conecta atravez de una transimision. Este metodo se caracteriza por la independencia de los dedos y asi permite actuar y realizar varias funciones a cada dedo. Ademas ocupa un otro metodo llamado la sinérgia de adaptación basado en la biomecanica, es decir que un numero muy pequeño de elemento linealmente independiente pero cada uno cumple una funcion especifica y asi lográ un movimiento conjunto de varios tipos de agarre[8] [9] [10].
Figure 8. Diseño prótesis antropomórfica[8]
4) Protesis de mano con interfaz cerebro-ordenador: Esta metodo es una muestra de como ha avanzado la tegnologia
en estos ultimos años ya que se utiliza un codigo el cualñ nos va a permitir conectar al cerebro con un ordenador. estas conecciones se dan porque el cerebro emite señales las cuales llevan informacion y la protesis la ejecuta, para ellos se ocupa un electroencefalograma que actuara mediante un motor para controlar los movimientos de la protesis, Esta mano cuenta con sensores de fuerza y angulo que seran la retroalimentacion.[5]
Figure 9. Implementación de la prótesis cerebro-ordenador [5]
Conclusiones
De las prótesis antes mencionadas y según un análisis respectivo se puede decir que la prótesis mioeléctrica es la más adecuada en su implementación ya que es la única que basa su funcionamiento en la obtención de señales a partir de la flexión o contracción del músculo ya que no necesita más elementos comparado con los anteriores que requerían un arnés, un compresor o distintos actuadores para realizar funciones básicas de una mano reduciendo así tanto el tamaño del producto pero incrementando en algo su complejidad ya que el manejo de sensores y el procesamiento de señales emitidas resultaría algo complicado pero no significa una desventaja muy amplia ya que la tecnología ha avanzado fuertemente los últimos años.
Luego de haber revisado una extensa información que a surgido sobre la prótesis de mano hasta la actualidad, y dependiendo de las necesidades de personas que han perdido por alguna razon su mano se han ido implemen- tando y mejorando los diseños de prótesis de mano para así ser más eficientes y ligeros y de gran utilidad. Para el diseño de prótesis de manos es de gran importancia elegir el sistema ya que en base a eso se van utilizando más componentes como serían las baterias, los sensores y además el sistema de transmisión y reducción de velocidad. El cerebro emite señales las cuales se usan como información en esta prótesis porque mediante estas señales se pueden activar los motores los cuales estan conectados con cables que actuan como articulaciones y asi poder realizar el movimiento de los dedos y en general de la prótesis dependiendo de las caracterisitcas que este fabricada dicha prótesis. En la actualidad algunas de los investigadores tratan de diseñar y fabricar las prótesis de mano que tengan movimientos mas precisos pero se olvidan de una caractersitca muy importante que es sobre el peso que pueda alzar o soportar.
El avance de la tecnología ha permitido desarrollar diversos inventos que han sido de mucha utilidad en
ciertos ámbitos: sociales, industriales, personales; tam- bién debido a la cantidad de información que se puede encontrar en internet hoy en día resulta muy común la aparición de nuevos dispositivos y artefactos inteligentes que permiten llevar una calidad de vida más confortable. Ahora, después del análisis realizado sobre las prótesis inteligentes junto con los documentos que se han revisado se puede decir que ha existido un gran salto entre lo convencional y lo moderno, convencional porque en cierta forma las prótesis ya no son sólo estéticas y moderno porque cada día se las intenta mejorar de modo que parezcan ser tan reales como una extremidad humana cualquiera haciendo que de algún modo la ingeniería sea aplicada con el afán de eliminar cualquier obstáculo, en este caso el de la discapacidad y retomando las palabras del investigador Hugh Herr, "un cuerpo no puede descomponerse" y esto es cierto porque lo único que se descompone es la tecnología, los aparatos, pero un humano jamás y nunca con la tecnología que se tiene, con todo lo que existe ahora, donde robots realizan el trabajo de las personas, donde las personas crean y diseñan todo lo que existe en la naturaleza, en este mundo lo imposible casi ya no existe, sólo depende propiamente de la persona el cerrar la brecha y romper esquemas es por eso como estudiantes de ingeniería electrónica nos encontramos llamados a resolver todos los problemas que existen en nuestra sociedad y brindar soluciones a lo que antes parecía imposible.
Biografía de los autores
Hernán Damián Duy Romero, nacido el 02 de Abril del año 1994, estudiante de la carrera Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica Salesiana, cursando actualmente el tercer año de su carrera, realizó sus estudios anteriores tanto en la Escuela Honorato Vázquez como en el Colegio Técnico Salesiano donde obtuvo el título de Bachiller Técnico Industrial Especialización Mecatrónica.
Figure 10. Autor del presente artículo.
Jhonatan José Mora Gonzalez, nacido el 02 de abril de 1994, estudios primarios realizados en la escuela Pédemonte Mosquera, continúa sus estudios secundarios en el Colegio Experimental Bernardo Valdivieso y en la actualidad cursando el tercer año de la carrera de Ingenieria Electrónica de la Universidad Politecnica Salesian Sede Cuenca.
Figure 11. Autor del presente artículo.
References
[1] Diccionario de la Lengua Española DLE: "Definición de Biónico, ca". http://dle.rae.es/?id=5ZKamQc
[2] Herr, Hugh. Conferencia brindada en TED Talks. "La nueva biónica que nos permite correr, escalar y bailar".
[3] Dorador González Jesús Manuel, Facultad de Ingeniería UNAM, Méx- ico.
[4] Loaiza, Jair L. , Arzola, Nelson. Evolución y tendencias en el desarrollo de prótesis de mano.Universidad Nacional de Colombia.
[5] Brito, Jofre L., Quinde, Marlon X., Cusco, David, Calle, Jhon I. Estudio del estado del arte de las prótesis de mano.
[6] Dr. Arce, Carlos. "Prótesis de miembros superiores", Lima-Perú. 2005. [7] Abad Paola, "Estado del Arte de los tipos y mecanismos de las prótesis
para manos". Universidad Politécnica Salesiana. Sede Cuenca. [8] Galileo Hand, Universidad Galileo de Guatemala.
[9] Zollo, L., Rocella, S., Guglielmelli, E., Carroza, C. "Biomechatronic De- sign and Control of an Anthropomorphic Artificial Hand for Prosthetic", IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, 2007.
[10] Griñón, B. S., "Diseño mecánico de prótesis de mano multidedo antropomórfica infractuada, Castellón, 2015".
[11] Vitali, Robinson, Andrews, Harris "Amputaciones y prótesis".
[12] Harris, M., P. Kyberd. "Design and development of a dextrous manipu- lator". International Conference on Mechatronics.
[13] Flores, Juarez, Castillo, Dorador. 2004. "Actualidad y tendencias en el diseño de prótesis de miembro superior."
[14] Puglisi, L., Moreno, H., "Prótesis robóticas".
[15] C. A. Quinays Burgos, "Diseño y construcción de una prótesis robótica de mano funcional adaptada a varios agarres", Colombia, 2010.
[16] Carvajal, L., "Diseño de un método para capturar señales mioeléctricas de miembros superiores".
[17] http://www.oandplibrary.org/reference/protesica/LLP-12.pdf
[18] Quinayás Burgos César Augusto. "Diseño y construcción de una prótesis robótica de mano funcional adaptada a varios agarres."
[19] Grupo IDEO. Departamento de prótesis. "Prótesis funcionales eléctri- cas".
[1] Bedoya, Alexandra, Giraldo, Jessica, Becerra, Miguel. "Interfaz cerebro computadora basado en señales EEG para el control de movimiento de una prótesis de mano".
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca Electrónica Analógica II
Autor:
Hernán Damián.
hernán_duyr94[arroba]hotmail.com
Duy Romero.
Jhonatan José.
Mora Gonzáles.
jmora1[arroba]ups.edu.ec