INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA

DEPARTAMENTO DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN

PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN

PROTÉSIS INTELIGENTES-MIOELÉCTRICAS-MIEMBRO

PRESENTAN:

JOSÉ BENANCIO BARRIGA REBOLLAR.CUBERTO CELESTINO GÁLVEZ.

ASESOR:

ASESOR: ADRIAN NUÑEZ VIEYRA

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA

MORELIA, MICHOACÁN 06 de junio de 2014

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Las personas durante años han sufrido accidentes o debido a causas ajenas han perdido

alguna extremidad del cuerpo, esto causa que cambie por completo su ritmo de vida. El avance

en el diseño de las prótesis está ligado directamente con el desarrollo tecnológico de materiales

útiles para estas implementaciones y la comprensión de la biomecánica del cuerpo humano.

El proceso de sustituir un miembro que ha sido amputado no es sencillo y más aún

cuando se trata de colocar una prótesis de miembro superior, ya que el brazo cumple muchas

funciones esenciales como el tacto y la compresión.

La búsqueda de materiales para la fabricación de la prótesis siempre ha generado

problemas para la comodidad de la persona que la va a utilizar con el objetivo de que se

acostumbre a llevarla puesta sin que esta genere molestias, tanto por el peso como por la

apariencia.

Las piezas que se utilizaran deberán ser programadas para llevar a cabo las funciones

necesarias que requiera la persona. Después de dicha operación se practicaran rehabilitaciones

para que se familiarice y pueda ocupar la prótesis con normalidad.

El diseño y la creación de este tipo de prótesis generan un costo elevado ya que los

materiales y el diseño requieren de una manufactura especializada para su elaboración.

Pregunta de investigación

¿Es posible crear una prótesis hecha con materiales de calidad que no tenga un costo

elevado su adquisición?

JUSTIFICACIÓN

Es importante dar a conocer nuevas mejoras en la tecnología y demostrar la gran

necesidad de que las prótesis inteligentes se hagan comerciales en nuestro país México. A través

de la creación de un grupo de egresados y/o alumnos del Instituto Tecnológico de Morelia que

desarrollen un modelo de prótesis inteligentes de brazo y pueda estar al alcance de las personas

con escasos recursos. En estos grupos se pueden incorporar estudiantes de diferentes carreras

(Informática, Gestión Empresarial, Administración, Industrial, etc.), ya que para que el producto

entre al mercado es necesario de los conocimientos de áreas específicas enfocadas al negocio y la

mercadotecnia.

Se pretende que con la colaboración de empresas e investigadores aporten recursos para

la sustentabilidad del proyecto, teniendo como resultado un producto de calidad y al mejor precio

de acceso.

HIPÓTESIS

“El uso de una prótesis diseñada para el brazo ayudara a la capacidad motriz perdida por aquella

persona que sufrió un accidente “.

OBJETIVOS

Objetivo general

Motivar a toda aquella persona con los conocimientos necesarios para llevar a la práctica

esta investigación y de igual forma comenzar los primeros prototipos para su venta.

Objetivos específicos

Para conseguir lo anterior han sido necesarios los siguientes objetivos parciales:

Dar a conocer argumentos significativos que justifiquen el desarrollo de prótesis

inteligentes en México, también se quiere dar a conocer los principales retos de

programación y físicos que se presentan al realizar una prótesis inteligente.

Investigar el diseño mecánico de una prótesis robótica en un software de diseño asistido

por computador CAD (Solid Edge), teniendo en cuenta las medidas antropométricas

promedio de un brazo humano, la funcionalidad, los costos, mantenimiento, modularidad

y flexibilidad.

ÍNDICE DE FUNDAMENTOS (BOSQUEJO DE MARCO TEÓRICO)

Una prótesis es un elemento desarrollado con el fin de reemplazar una parte o un miembro del

cuerpo humano con el objeto de mejorar o suplir su función y al mismo tiempo completar su

imagen corporal [2].

Para lograr este objetivo la mecánica jugo un papel primordial en sus primeros diseños;

por esta razón se les dio el nombre de prótesis mecánicas o convencionales [1].

Más adelante con el avance tecnológico y más específicamente en el área de la robótica y

la electrónica, se lograron desarrollar prótesis mejoradas en sus sistemas de control y adaptación

hasta lograr una prótesis controlada con impulsos musculares, a la cual se le dio el nombre de

prótesis Mioeléctrica (mio =músculo, eléctrica =electrónica) [1].

Para lograr este control muscular existen diferentes tipos de sensores que son los

encargados de tomar las señales musculares del paciente y enviarlas a un sistema electrónico

encargado de realizar los movimientos, como por ejemplo de apertura y cierre de la mano, entre

estos sensores se encuentran los electrodos, sensores de cambio de volumen muscular, sensores

de tacto, sensores comparadores de frecuencia, etc. [2].

Existen en el mercado las prótesis de miembro de miembro superior e inferior, aunque no

son comunes las prótesis mioeléctricas de miembro inferior, debido al peso que deben soportar.

Por eso nos centraremos con ejemplos especialmente de la prótesis superior.

La eficacia de las prótesis mioeléctricas es mayor cuanto más alto es el nivel de

amputación debido a la menor fuerza en el usuario, y están plenamente indicadas en

amputaciones bilaterales. Es muy importante para la colocación que el paciente cuente con una

buena tonalidad muscular y fuerza, ya que el buen estado físico y fisiológico de su extremidad

favorece la portación de la prótesis así como su funcionamiento [3].

¿Cómo funcionan?

Las prótesis mioeléctricas están controladas por señales eléctricas transmitidas desde los

músculos subyacentes hasta la epidermis; donde el nivel de esfuerzo está determinado por el

número de fibras musculares. Estas señales se amplifican y se envían a microprocesadores que

operan los motores situados en las coyunturas y en las manos.[2]

Control mioeléctrico

Se basa en el concepto de que siempre que un músculo en el cuerpo se contrae, se

produce una pequeña señal eléctrica (EMG = Electro miografía) que es creada por la interacción

química en el cuerpo, esta señal es muy pequeña (5 a 200 micro voltio). [4]

El uso de sensores llamados electrodos que entran en contacto con la superficie de la piel

permite registrar la señal EMG. Una vez registrada, esta señal se amplifica y es procesada

después por un controlador que conmuta los motores encendiéndolos y apagándolos en la mano,

en la muñeca o el codo para producir movimiento y funcionalidad.

El control mioeléctrico proporciona el sentido del tacto perdido del miembro amputado,

utilizando un segmento de piel cercano a la musculatura reinervada, esta piel se denerva primero

y después se reinerva con nervios sensitivos del brazo amputado. Así cuando la piel es

estimulada el paciente amputado siente como si su mano fuera tocada proporcionando

sensibilidad. Se colocan sensores en los dedos de la mano que cuantifican presión, temperatura o

textura del objetos y unos dispositivos colocados en el encaje, conectados con los sensores

anteriores, proporcionan en la piel reinervada estímulos de presión , temperatura o tacto para

sentir como si estuviera tocando con su mano [3].

Materiales

Las prótesis están hechas de aluminio, nylon y fibra de carbono, dando un peso muy bajo

y alta resistencia.

Cuándo y cómo ajustar la prótesis

La edad y el desarrollo son los primeros aspectos que deben tenerse en cuenta a la hora de

decidir cuándo y cómo ajustar la prótesis. Es mejor ajustar una prótesis de extremidad inferior a

un niño cuándo éste comienza a ponerse de pie, lo que suele ocurrir entre los 9 y 12 meses de

edad [1].

Cuando se ajusta la prótesis se debería animar al niño a ponerse de pie, lo que también le

ayudará a aprender a caminar. Si la amputación se produce a una edad posterior, debería iniciarse

el proceso tan pronto como el niño o adolescente esté físicamente preparado. [4]

Aun cuando el adolescente ha perdido la rodilla, la primera prótesis no suele incluir dicha

articulación para que todo sea más fácil durante el proceso de aprendizaje. No obstante, se debe

incorporar una rodilla tan pronto como sea seguro y posible hacerlo.

Con niños que presentan amputaciones de extremidad superior la regla es ajustar la

prótesis cuando ya pueden sentarse. Esto facilitará un desarrollo normal al permitirles realizar

tareas con ambas manos, como gatear, sostener una botella o jugar con una pelota. Esta primera

prótesis suele ser pasiva y da buenos resultados teniendo en cuenta las cosas que un niño necesita

hacer. Entre los 18 meses y los dos años de edad, el niño suele estar preparado para utilizar un

dispositivo terminal que funciona gracias al movimiento corporal o mediante el control

mioeléctrico.

El método tradicional consiste en ajustar primero un dispositivo de control corporal y,

posteriormente, un dispositivo mioeléctrico a la edad de 3 ó 4 años, cuando el niño es capaz de

soportar un mayor peso y complejidad. Se debería incorporar un codo una vez se haya utilizado y

comprendido el funcionamiento del dispositivo terminal, lo que suele suceder a los 3 años de

edad. Independientemente del nivel de la amputación, cuando se alcanza algo de madurez

esquelética y el crecimiento no se produce a un ritmo rápido (entre los 13 y 15 años de edad), el

niño o adolescente debe ser tratado, desde un punto de vista protésico, como un adulto [4].

Programación usada en las Prótesis inteligentes

La programación que se emplea en la robótica tiene caracteres diferentes: explícito, en el

que el operador es el responsable de las acciones de control y de las instrucciones adecuadas que

las implementan, o estar basada en la modelación del mundo exterior, cuando se describe la tarea

y el entorno y el propio sistema toma las decisiones. [7]

La programación explícita es la más utilizada en las aplicaciones industriales y consta de

dos técnicas fundamentales:

Programación Gestual. Este tipo de programación, exige el empleo del manipulador en la

fase de enseñanza, o sea, trabaja en línea.

Programación Textual. En esta labor no participa la máquina (fuera de línea). Las

trayectorias del manipulador se calculan matemáticamente con gran precisión y se evita

el posicionamiento a ojo.

Lenguajes de Programación

A continuación se realiza una descripción de los lenguajes de programación más usados

en las prótesis inteligentes [7].

Gestual punto a punto

Los movimientos de punto a punto también se expresan en forma de lenguaje:

o ANORAD: Se trata de una transformación de un lenguaje de control numérico de

la casa ANORAD CORPORATION, utilizado para robot ANOMATIC. Utiliza,

como procesador, al microprocesador 68000 de Motorola de 16/32 bits [5].

o EMILY: Es un lenguaje creado por IBM para el control de uno de sus robots. Usa

el procesador IBM 370/145 SYSTEM 7 y está escrito en Ensamblador.

o RCL: Aplicado al robot PACS y desarrollado por RPI, emplea, como CPU, un

PDP 11/03. Es del tipo intérprete y está escrito en Ensamblador [5].

o RPL: Dotado con un LSI-II como procesador central, y aplicado a los robots

PUMA, ha sido diseñado por SRI INTERNATIONAL [5].

o SIGLA: Es un lenguaje creado por IBM para el control de uno de sus robots. Usa

el procesador IBM 370/145 SYSTEM 7 y está escrito en Ensamblador.

o VAL: Fue diseñado por UNIMATION INC para sus robots UNIMATE y PUMA

Emplea, como CPU, un LSI-II, que se comunica con procesadores individuales

que regulan el servo control de cada articulación. Las instrucciones, en idioma

inglés, son sencillas e intuitivas [5]

o MAL: Se ha creado en el Politécnico de Milán para el robot SIGMA, con un

Mini-multiprocesador. Es un lenguaje del tipo intérprete, escrito en FORTRAN.

(Moya) [5].

Estructurados de programación explicita

Teniendo en cuenta las importantísimas características que presenta este tipo de

programación, merecen destacarse los siguientes lenguajes:

o AL: Fue diseñado por el laboratorio de Inteligencia Artificial de la Universidad de

Stanford, con estructuras de bloques y de control similares al ALGOL, lenguaje

en el que se escribió. Está dedicado al manipulador de Stanford, utilizando como

procesadores centrales, a un PDP 11/45 y un PDP KL-10 [6].

o HELP: Creado por GENERAL ELECTRIC para su robot ALLEGRO y escrito en

PASCAL/FORTRAN [6].

o MAPLE: Escrito, como intérprete, en lenguaje PL-1, por IBM para el robot de la

misma empresa, tiene capacidad para soportar informaciones de sensores

externos. Utiliza, como CPU a un IBM 370/145 SYSTEM 7 [6].

o PAL: Desarrollado por la Universidad de Purdure para el manipulador de

Stanford, es un intérprete escrito en FORTRAN y Ensamblador, capaz de aceptar

sensores de fuerza y de visión [6].

o MCL: Lo creó la compañía MC DONALL DOUGLAS, como ampliación de su

lenguaje de control numérico APT. Es un lenguaje compilable que se puede

considerar apto para la programación de robots "off-line" [6].

o MAL EXTENDIDO: Procede del Politécnico de Milán, al igual que el MAL, al

que incorpora elementos de programación estructurada que lo potencian

notablemente. Se aplica, también, al robot SIGMA. (Moya) [6].

Especificativa a nivel de objeto

En este grupo se encuentran tres lenguajes interesantes:

o RAPT: Su filosofía se basa en definir una serie de planos, cilindros y esferas, que

dan lugar a otros cuerpos derivados. Para modelar a un cuerpo, se confecciona una

biblioteca con sus rasgos más representativos [5]

o AUTOPASS: Creado por IBM para el ensamblaje de piezas; utiliza instrucciones,

muy comunes, en el idioma inglés. Precisa de un ordenador de varios Megabytes

de capacidad de memoria y, además de indicar, como el RAPT, puntos

específicos, prevé, también, colisiones y genera acciones a partir de las

situaciones reales [6].

o LAMA: Procede del laboratorio de Inteligencia Artificial del MIT, para el robot

SILVER, orientándose hacia el ajuste de conjuntos mecánicos. Aporta más

inteligencia que el AUTOPASS y permite una buena adaptación al entorno.

(Moya) [6].

En función de los objetivos

Los lenguajes más conocidos de este grupo son:

o STRIPS: Fue diseñado, en la Universidad de Stanford, para el robot móvil

SHAKEY. Se basa en un modelo del universo ligado a un conjunto de

planteamientos aritmético-lógicos que se encargan de obtener las subrutinas que

conforman el programa final. Es intérprete y compilable, utilizando, como

procesadores, a un PDP-10 y un PDP-15 [5].

o HILAIRE: Procedente del laboratorio de Automática Y Análisis de Sistemas

(LAAS) de Toulouse, está escrito en lenguaje LISP. Es uno de los lenguajes

naturales más interesantes, por sus posibilidades de ampliación e investigación

[5].

APROXIMACIÓN DEL MÉTODO (BOSQUEJO DEL MÉTODO)

El tipo de investigación es básica además de que la metodología que se usa en esta

investigación es Hipotético-Deductivo. A través de la parte teórica se plantean hipótesis de las

mejoras que se tendrían si en México se tuviera la oportunidad de acceder a las prótesis

inteligentes fácilmente [6].

A partir de lo razonado o deductivo, las conjeturas, se relaciona posteriormente con la

realidad. Este tipo de metodología incluye también la parte de la inducción y esta describe que en

la investigación se encuentran aspectos muy importantes tales como la cantidad de elementos del

objeto de estudio. X|La metodología aquí usada se manejara de una forma ordenada y lógica

basándonos en la observación, después la planeación de hipótesis, la experimentación y por

último deducción acerca de lo ya obtenido [6].

CRONOGRAMA

TEMA Descripción Fecha

Inicio

Fecha

Fin

Total

días

Propuesta Determinar y acotar el

tema

23-sep-13 30-sep-13 8

Planteamiento

de problema

Determinar y especificar

claramente el

planteamiento del

problema

01-oct-13 08-oct-13 8

Objetivos Establecer objetivos

generales y específicos

06-oct-13 13-oct-13 8

Hipótesis Elaboración de Hipótesis

de la investigación

12-oct-13 22-oct-13 11

Justificación Elaboración de

justificación de la

investigación

17-oct-13 28-oct-13 12

Crear el marco teórico en

Historia

base a un pequeño

subtema que es "Robótica

asistente para el ser

humano"

29-oct-13 11-nov-

13

14

Método

Selección y explicación

de metodología de la

investigación (Bosquejo)

12-nov-

13

24-nov-

13

13

Presupuesto Cotizar los costos de la

investigación propuesta

25-nov-

13

31-nov-

13

7

Fuentes

Analizar toda la

información para hacer

conclusiones y mostrar

las referencias utilizadas

para el desarrollo de la

investigación

01-dic-13 05-dic-13 5

        Total: 86

DIFUSIÓN

El presente proyecto se pretende dar a conocer a la sociedad en general, presentar en foros,

congresos y reuniones de directorios en el Instituto Tecnológico de Morelia para plantear la

propuesta y defenderla para que se ponga en marcha y a su vez se le de seguimiento.

PRESUPUESTO

Material Descripción Cantidad Costo

PC

Computadora con software

para la edición y redacción

del documento final.

2 $8000 c/u

Internet

Red que permite acceder a la

información de manera rápida

y sencilla.

5 mbs $499

Libros y

Revistas

Libros y revistas relacionados

con el tema 3 $100

CONSULTAS INICIALES

[1] Robótica Humano Asistencial. (s.f). Prótesis Mioeléctricas. Recuperado de

http://robotha.com/mioelectrica.htm

[2] Tobar, B. (2010) Clases de Prótesis, Recuperado de

http://protesis-38.blogspot.mx/p/clases-de-protesis.html.

[4] Moya, O. (s.f.). Lenguajes de programacion para la robotica y protesis. Recuperado de:

http://.rincondelvago.com/robotica_lenguajes-de-programacion-para-la-robotica-y-

protesis.

[5] Lorena. (2012). Protesis Inteligentes. Recuperado de

http://es.slideshare.net/lorena2_2005/prtesis-inteligentes13587002.

[6] Tena, L. (s.f.). El metodo hipotetico deductivo: teoria del conocimiento Recuperado el 10

de Abril de 2013, de: http://www.lasangredelleonverde.com/index.php?option=com_

content&view=article&id=436:el-metodo-hipotetico-deductivo&catid=43:teoria-del

conocimiento&Itemid=76.

.[7] Tennat, M. (28 de Septiembre del 2012). Inteligencia artificial y fisiologia humana.

Recuperado el 10 de Abril de 2013, de:

htto://Inteligencia_artificial_y_fisiologia_humana.

REVISTAS/JOURNALS.

- TORREALBA R. R., Cappelletto J., Fermín L., Fernández-López G. & Grieco J. C.

(2010): Prótesis: aplicación para adaptarlas. De: la internacional revista de sistemas y

cibernéticos.