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Universidad Católica de Cuenca Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica Informe Técnico Nro. 2 Objetivo específico Medio de verificación 1.2-.Diseñar la prótesis biomecánica de mano derecha. Informe técnico presentando las posibles soluciones, la solución seleccionada en detalle y recomendaciones del equipo multidisciplinario. Investigadora Prometeo: Brizeida N., Gámez A. Cuenca, 25 de noviembre de 2014
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Universidad Católica de Cuenca
Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica
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Objetivo específico Medio de verificación
1.2-.Diseñar la prótesis biomecánica de
mano derecha.
Informe técnico presentando las posibles
soluciones, la solución seleccionada en
detalle y recomendaciones del equipo
multidisciplinario.
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Cuenca, 25 de noviembre de 2014
Diseño y construcción de una prótesis biomecánica de mano derecha para niños/as mayores de 8 años y adolescentes
A continuación se presentan las alternativas de solución para la prótesis de mano,
basadas en las especificaciones de diseño, luego se selecciona la mejor opción y se
procede a describir el dispositivo protésico. Posteriormente, se proponen los
materiales de cada componente y se realiza el análisis de los esfuerzos y
desplazamientos a los cuales está sometida la prótesis, en condiciones de operación,
usando un programa computacional basado en el Método de los Elementos Finitos,
específicamente, SolidWorks 2012. Así mismo, se presenta la selección de los
elementos mecánicos y electrónicos que contiene el dispositivo para su adecuado
funcionamiento. Finalmente, se proponen los procesos de fabricación para las piezas
que lo requieran.
2.1 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA A DISEÑAR
En la siguiente sección se explican los parámetros considerados al momento de
realizar el diseño de una prótesis de mano derecha para niños y adolescentes en
edades comprendidas entre ocho y catorce años, tomando en cuenta las
características esperadas de la solución y las restricciones establecidas para la misma,
a ser utilizadas en la selección de la solución más adecuada. A continuación se
indican las especificaciones del sistema a diseñar:
Movilidad: El modelo seleccionado debe realizar el mayor número de
movimientos posibles asociados con la mano humana.
Costo: El sistema a diseñar no debe superar el precio de venta de una prótesis
comercial con características similares.
Peso: El peso de la estructura del dispositivo electrónicos debe ser lo más
aproximado posible al de una mano humana, de acuerdo a las características del
paciente.
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Material: El material seleccionado debe cumplir con las normas sanitarias;
adicionalmente debe encontrarse disponible en el mercado nacional.
Proceso de fabricación: La manufactura de los elementos estructurales de la
prótesis debería adaptarse a la tecnología disponible en el Ecuador.
Sistema de control: Debe permitir controlar la fuerza ejercida por los dedos.
Mantenimiento: La prótesis debe diseñarse con criterio de mínimo
mantenimiento de cada uno de sus componentes.
2.2 POSIBLES SOLUCIONES
2.2.1 Primera solución
Se trata de una prótesis de mano cuya palma (1) se vincula a través de un
elemento conector (2) a cada dedo, los cuales están articulados en tres falanges
(excepto el dedo pulgar) dispuestos de manera tal que permite que se puedan ejercer
los movimientos principales de la mano. Es posible regular los movimientos de flexión
(cierre) y extensión (apertura) de la mano a partir de la colocación de topes en las
falanges. En la figura 2.1 se puede observar la vista frontal e identificación de
elementos de la alternativa de solución Nro. 1.
La geometría planteada para esta alternativa permite la realización de los
movimientos de flexión y extensión de la mano en sus ángulos correspondientes, así
como la pinza esférica y cilíndrica, como se observa en la figura 2.2; para ello debe
conectarse cada dedo a un sistema motriz basado en un actuador lineal y en
tendones artificiales (ver figura 2.3) que emulen el funcionamiento natural de la
extremidad.
Diseño y construcción de una prótesis biomecánica de mano derecha para niños/as mayores de 8 años y adolescentes
Figura 2.1, Alternativa de solución N°1-vista frontal (Fuente: propia)
(a) (b) (c) (d)
Figura 2.2, Movimientos de la prótesis de mano: (a)Flexión y extensión completa, (b)
Flexión y extensión parcial, (c) Pinza fina (oposición del pulgar), (d) Prensión esférica
La fuente para activar el sistema motriz proviene de una señal mioléctrica,
específicamente captada por un electrodo colocado en el músculo biceps, como se
muestra en la figura 2.3. Dicha señal debe ser filtrada y amplificada a través de
elementos electrónicos; de igual forma, el sistema de control para apertura y cierre
de la mano se ubica en la parte inferior de la palma. Para limitar la prensión (apriete
1
2
3
4
5
Leyenda (1) Base de la mano (2) Base del pulgar (3) Falange proximal (4) Falange media (5) Falange distal
Meñique
Anular
Medio
Índice
Pulgar
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de objetos) deben colocarse sensores de presión en las falanges distales de cada
dedo(s).
Figura 2.3, Captación de la señal mioeléctrica y ubicación del sistema de control
en la alternativa de solución Nro. 1
2.2.2 Segunda solución
En la siguiente alternativa de solución de presenta un modelo para prótesis de
mano en la cual la palma de la mano (1) se conecta con elementos que simulan los
huesos metacarpianos (2) que permiten la articulación con cada dedo, conformado
por tres falanges (4, 5, 6) que se repiten para el resto de los dedos, a excepción del
dedo pulgar. Cada dedo está dispuesto de tal manera que es posible que se puedan
ejercer los movimientos principales de la mano limitado por la propia geometría de
cada una de las falanges. En la figura 2.4 se puede observar las vistas principales de la
mano y la identificación de los elementos de la alternativa de solución Nro. 2. La
geometría concebida para esta alternativa permite la realización de los movimientos
de flexión y extensión, limitados por topes, independiente en cada dedo así como la
pinza del pulgar, para lo cual emplea la base rotatoria del pulgar (3) que permite
ubicar este dedo en oposición con el índice, como se observa en la figura 2.5.
Tendones artificiales
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Leyenda:
(1) Unión palma-falange proximal
(2) Palma de la mano
(3) Base rotatoria del pulgar
(4) Falange próximal
(5) Falange media
(6) Falange distal
(b) (c)
Figura 2.4, Alternativa de solución N°2 (a) Vista frontal (b) Vista Isométrica,
(c) Vista posterior (Fuente: Propia)
Para generar los movimientos en la prótesis debe conectarse cada dedo a un
sistema motriz, para lo cual se propone un actuador lineal, distribuidos en la cara
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anterior y posterior de la mano y en tendones artificiales que emulen el
funcionamiento natural de la extremidad.
La fuente para activar el sistema motriz proviene de la voz del usuario, vinculada
con un sistema electrónico de reconocimiento de voz, interactuando con un
microcontrolador, los cuales deben ubicarse en la parte anterior de la mano, como se
muestra en la figura 2.6.
El dispositivo debe ser programado con las características del usuario para la
apertura y cierre de la mano. Para limitar la prensión (apriete de objetos) deben
colocarse sensores de presión en las falanges distales de cada dedo (s).
Para llevar a cabo la selección de la mejor solución se tomarán en cuenta los
especificaciones de diseño así como la opinión de un médico especialista.
(a)
(b)
(c)
Figura 2.5, Movimientos posibles para la alternativa de solución N°2 (a) Flexión individual
de los dedos (b) Pinza del pulgar, (c) prensión cilíndrica (Fuente: Propia)
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Figura 2.6, Sistema de control para la alternativa de solución Nro. 2
4.2.3 Tercera solución
Se presenta un modelo para prótesis en la cual la palma de la mano (1) se articula
con los elementos que simulan la falange proximal de cada dedo (4, 10, 11, 12) y con
el dedo pulgar (13) como se muestra en la figura 2.7-a.
La geometría de cada dedo, y una barra colocada lateralmente, permite que se
puedan ejercer los movimientos de prensión cilíndrica y esférica, además de la pinza
índice-pulgar, en sus ángulos correspondientes (ver figura 2.8-a). Para generar los
movimientos en el dedo pulgar se adapta a la palma de la mano una articulación que
permite ubicar este dedo en oposición con el índice, como se observa en la figura 2.8-
b.
Para que la prótesis realice los movimientos deseados se emplea un sistema
motriz basado en la colocación de tres actuadores lineales (2) en la palma de mano,
uno articulado al eje de la falange distal del dedo anular (2) para permitir la movilidad
de los dedos medio, anular y meñique, el segundo colocado en la canal del dedo
Sistema de reconocimiento de voz
seitno de
Microcontrolador
Sensor de presión
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medio conectado al dedo pulgar y el tercero ubicado en la canal del dedo índice. En la
figura 2.9 se observa la disposición de cada actuador lineal.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 2.7, Alternativa de solución N°2 (a) Vista frontal (b) Vista lateral, (c) Vista posterior,
(d) Vista isométrica (Fuente: Propia)
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(a) (b)
Figura 2.8, Posibles movimientos de los dedos en la alternativa de solución Nro. 3 (a)
Prensión cilíndrica, (b) Pinza pulgar-índice (Fuente: Propia)
Figura 2.9, Vista isométrica del sistema motriz (Fuente: Propia)
Actuador lineal para mover el dedo pulgar
Actuador lineal para mover el dedo índice
Actuador lineal para mover los dedos medio,
anular y meñique
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La fuente para activar el sistema motriz proviene de un sistema de reconocimiento
de voz del usuario vinculada interactuando con un microcontrolador y una fuente de
energía (batería), los cuales deben ubicarse en ambas caras de la palma de la mano,
como se muestra en la figura 2.10. El dispositivo debe ser programado con las
características del usuario para la apertura y cierre de la mano. Para limitar la
prensión (apriete de objetos) deben colocarse sensores de presión en las falanges
distales de cada dedo.
(a) (b)
Figura 2.10, Ubicación del sistema de control para la alternativa de solución Nro. 3 (a)
Microcontrolador colocado en la cara posterior de la palma de la mano, (b) Sistema de
reconocimiento de voz sobre la cara anterior de la palmade la mano.
2.3 SELECCIÓN DE LA MEJOR SOLUCIÓN
De acuerdo a las alternativas de solución planteadas y en base a los criterios
establecidos en la sección 2.1 se selecciona la opción Nro. 3 en función de las
siguientes razones:
Diseño y construcción de una prótesis biomecánica de mano derecha para niños/as mayores de 8 años y adolescentes
Permite el mayor número de movimientos posibles asociados a la mano humana
empleando la menor cantidad de motores, lo cual implica un menor aporte de peso
por parte de este tipo de elementos.
Se estima que al poseer menor cantidad de componentes la prótesis que el resto
de las alternativas lógicamente pesa menos.
En cuanto a los materiales de fabricación se han estimado de acuerdo a la
disponibilidad en el país, para el alcance del presente informe se sugiere la utilización
de materiales metálicos y no metálicos que próximamente serán evaluados para
seleccionar apropiadamente el material empleando como criterios de selección el
peso de la mano y la resistencia ofrecida ante las solicitaciones de carga.
La estructura del modelo propuesto puede fabricarse utilizando impresoras 3D y
equipos de control numéricos (ambos procesos disponibles en el Ecuador).
En la figura 2.11 se observa la vista isométrica en explosión de la alternativa
seleccionada.
Figura 2.11, Vista isométrica en explosión de la solución seleccionada (Fuente: propia)
