Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de ...

I N S T I T U T O P O L I T É C N I C O N A C I O N A L

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Unidad Profesional Adolfo López Mateos Zacatenco

“Implementación de señales mioeléctricas en un

sistema de control para generar movimientos en una

prótesis personalizada de mano”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA

MECÁNICA

PRESENTA:

Ing. Armando Josué Piña Díaz

ASESORES:

Dr. Guillermo Manuel Urriolagoitia Calderón

Dr. Christopher René Torres San Miguel

México, D.F., Agosto de 2015

IV

Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar

movimientos en una prótesis personalizada de mano

AGRADECIMIENTOS

A mi madre Lourdes.

Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la

motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por

su amor.

A mi padre Armando.

Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha

infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor.

A mi hermana Lucia

Por estar conmigo y apoyarme siempre.

A mis maestros.

Por su gran apoyo y motivación, además de compartir sus conocimientos y experiencias

para la elaboración y culminación de esta tesis.

A todos mis amigos, por compartir los buenos y malos momentos.

Y a todos aquellos familiares y amigos que no recordé al momento de escribir esto. Ustedes

saben quiénes son.

Por último pero no menos importante, quiero agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y

Tecnología CONACyT, y a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica ESIME

plantel Zacatenco, del Instituto Politécnico Nacional.

V



RESUMEN

Un humano es un ser principalmente funcional y su cuerpo e inteligencia es la esencia de lo

que hace. El órgano principal para la manipulación física del medio son las manos, en

donde la punta de los dedos contiene algunas de las zonas con más terminaciones nerviosas

del cuerpo humano, son la principal fuente de información táctil sobre el entorno, por eso el

sentido del tacto se asocia inmediatamente con las manos. Dicha extremidad superior ha

sido socio clave del cerebro para convertir el pensamiento en acción, en ella, las ideas se

traducen mecánicamente en acciones, creando representaciones jerárquicas para configurar

los procesos necesarios en el control de movimientos.

Las investigaciones relacionadas con la adquisición de estas señales mioeléctricas, han sido

utilizadas, principalmente con la finalidad de hacer funcionar diversos dispositivos tipo

prótesis para diferentes extremidades. Logrando que dichas prótesis puedan ser

manipuladas gracias a la respuesta que se genera por medio de estas señales para emular el

movimiento natural de la extremidad reemplazada.

En este trabajo de investigación se presenta el diseño de un sistema de control capaz de

recibir y procesar las señales mioeléctricas generadas por el antebrazo de una persona, con

la finalidad de controlar una prótesis personalizada de mano. Desarrollando todo el

algoritmo necesario para la adquisición y el procesamiento de las señales para generar el

movimiento de la prótesis de manera voluntaria por parte del paciente. Siendo así no solo

por cubrir la parte estética de la falta de dicho miembro en el paciente, sino también por

cubrir sus necesidades de poder volver a tener movilidad en el miembro amputado, siendo

en este caso de estudio la prótesis de mano.

VI



ABSTRACT

A human is mainly a functional entity and his body and intelligence is the essence of what

it does. The main body for physical manipulation of the medium are the hands, where the

fingertips contain some of the densest areas of nerve endings of the human body, are the

main source of tactile information on the environment, so the sense of touch it is intimately

associated with hands. Said upper end has been a key partner of the brain to turn thought

into action, in her, the ideas mechanically translate into action, creating hierarchical

representations to configure the necessary processes in the control of movement.

Research related to the acquisition of these myoelectric signals have been used mainly for

the purpose of operating different types of prosthetic devices for many limbs. Achieving

such prostheses can be handled thanks to the response that is generated by these signals to

emulate the natural movement of the limb replaced.

In this research the design of a control system capable of receiving and processing the

myoelectric signals generated by the forearm of a person, in order to control a prosthetic

hand personalized presents. Developing all the algorithms needed for the acquisition and

processing of signals to generate the movement of the prosthesis voluntarily by the patient.

Making it not only the aesthetic cover for the lack of that member in the patient, but also to

meet their needs to regain mobility in the amputated limb, which in this case study the

prosthetic hand.

VII



CONTENIDO

RESUMEN.………………………………………………………………………… V

ABSTRACT………………………………………………………………………... VI

ÍNDICE.…………………………………………………………………………….. VII

ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………….. XI

ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………………….. XVI

OBJETIVO GENERAL…………………………………………………..…....... XVII

OBJETIVOS ESPECIFICOS……………………………………………………. XVII

JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………….. XVIII

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….. XIX

CAPÍTULO I

I.1.- Introducción…………………………………………………………………… 2

I.2.- Antecedentes específicos……………………………………………………… 2

I.3.- Señales electromiográficas …………………………………………………… 3

I.3.1.- Uso generalizado de las señales EMG…………………………………… 4

I.3.2.- Los beneficios de las señales EMG………………………………………. 5

I.4.- Ingeniería de control…………………………………………………………... 6

I.4.1.- Sistemas de control moderno…………………………………………….. 8

I.4.2.- Estudios previos sobre el control de las señales EMG...…………………. 9

I.4.3.- Aplicaciones del control neurodifuso en las señales EMG………………… 10

I.5.- Planteamiento del problema…………………………………………………… 11

I.6.- Sumario………………………………………………………………………... 12

I.7.- Referencias…………………………………………………………………….. 13

CAPÍTULO II

II.1.- Fundamentos teóricos………………………………………………………… 18

II.2.- Características generales de los músculos……………………………………. 18

II.2.1.- Funcionamiento de los músculos………………………………………... 21

II.2.2.- Mecanismo molecular de la contracción muscular……………………… 24

VIII



II.3.- Señales mioeléctricas (EMG)………………………………………………… 24

II.3.1.- Adquisición de señales mioeléctricas…………………………………… 25

II.3.1.1.- Captura……………………………………………………………... 26

II.3.1.2.- Amplificación……………………………………………………… 27

II.3.1.3.- Filtrado……………………………………………………………… 28

II.3.2.- Electrodos……………………………………………………………….. 30

II.4.- Control inteligente……………………………………………………………. 31

II.5.- Prótesis electromecánicas de mano…………………………….……………... 33

II.5.- Sumario……………………………………………………………………….. 39

II.6.- Referencias…………………………………………………………………… 40

CAPÍTULO III

III.1.- Diseño a detalle de la prótesis de mano………..…………………………….. 45

III.2.- Requisitos de diseño…………………………………………………………. 45

III.3.- Proceso de diseño de la parte mecánica del prototipo de la prótesis………… 47

III.3.1.- Modelado del prototipo por computadora……………………………… 48

III.4.- Modelado de los dedos índice, medio, anular y meñique de la prótesis de

mano………………………………………………………………………………... 49

III.4.1.- Diagrama geométrico del ensamble de dedo índice, medio, anular y

meñique para la prótesis de mano…………………………………………………... 51

III.4.2.- Síntesis del mecanismo para los dedos índice, medio, anular y meñique 53

III.4.3.- Solución al modelo cinemático directo mediante el uso del sistema

matricial de Denavit & Hartenberg para los dedos índice, medio, anular y meñique

del modelo protésico………………………………………………………………... 54

III.4.4.- Solución al modelo de cinemática inversa para los dedos índice, medio,

anular y meñique del modelo protésico…………………………………………… 57

III.4.5.- Esquema del espacio de trabajo para el mecanismo de los dedos índice,

medio, anular y meñique……………………………………………………………. 59

III.5.- Diseño del modelo del dedo pulgar para la prótesis de mano……………….. 61

III.6.- Diseño del dorso y sistemas para la transición de movimiento y colocación

IX



de los servomotores………………………………………………………………… 63

III.6.1.- Sistema de transmisión de movimiento………………………………… 64

III.6.- Modelo tridimensional del prototipo de prótesis de mano………….……….. 68

III.7.- Sumario……………………………………………………………………… 74

III.8.- Referencias…………………………………………………………………... 76

CAPÍTULO IV

IV.1.- Impresión tridimensional y ensamblaje de la prótesis de mano…………….. 79

IV.2.- Impresión tridimensional del prototipo de prótesis de mano……………….. 79

IV.2.1.- Creación de los archivos STL………………………………………….. 83

IV.2.2.- Exportación de los archivos STL………………………………………. 83

IV.2.3.- Importación de los archivos STL………………………………………. 85

IV.2.4.- Obtención de las piezas impresas………………………………………. 88

IV.2.5.- Propiedades del material utilizado en la impresión………………….…. 89

IV.3.- Ensamble del modelo de la prótesis de mano……………………………….. 90

IV.3.1.- Acoplamiento de los servomotores…………………………………….. 92

IV.3.2.- Ensamblaje final del prototipo de prótesis de mano……………………. 93

IV.4.- Sumario……………………………………………………………………… 96

IV.5.- Referencias…………………………………………………………………... 97

CAPÍTULO V

V.1.- Diseño del sistema de adquisición y procesamiento de las señales

mioeléctricas ……………………………………………………………………….. 99

V.2.- Etapa de adquisición de las señales mioeléctricas…………………………… 99

V.2.1.- Selección de los electrodos……………………………………………… 99

V.2.2.- Identificación de los músculos que generan los diversos movimientos

de la mano…………………………………………………………………………... 103

V.2.3.- Posicionamiento de los electrodos para la captación de las señales EMG 110

V.2.4.- Lectura de las señales EMG del grupo de músculos del paciente………. 111

V.3.- Etapa de acondicionamiento de las señales mioeléctricas……………………. 113

X



V.3.1.- Amplificador de instrumentación……………………………………….. 114

V.3.2.- Etapa de filtrado de las señales electromiográficas……………………... 116

V.3.2.1.- Filtro pasa altas…………………………………………………….. 118

V.3.2.2.- Filtro pasa bajas……………………………………………………. 118

V.3.3.- Etapa de amplificación de las señales mioeléctricas……………………. 120

V.4.- Sistema de control……………………………………………………………. 122

V.5.- Sumario………………………………………………………………………. 123

V.6.- Referencias…………………………………………………………………… 124

CAPÍTULO VI

VI.1.- Análisis de Resultados y Conclusiones……………………………………… 126

VI.2.- Señales EMG obtenidas……………………………………………………... 126

VI.3.- Comparación de las lecturas del músculo, con la simulación del circuito de

adquisición de las señales EMG……………………………………………………. 130

VI.4.- Activación de los servomotores……………………………………………... 133

VI.5.- Análisis de costos……………………………………………………………. 134

VI.6.- Conclusiones………………………………………………………………… 135

TRABAJOS FUTUROS……………………………………………………………. 137

ANEXOS

Anexo A…………………………………………………………………………….. 140

Anexo B…………………………………………………………………………….. 142

Anexo C…………………………………………………………………………….. 146

Anexo D…………………………………………………………………………….. 150

Anexo E…………………………………………………………………………….. 156

ARTÍCULO PUBLICADO……..………………………………………………….. 166

XI



ÍNDICE DE FIGURAS

Figura I.1.- Señales mioeléctricas generadas al contraer o distensionar los

músculos.…………………………………………………………………………… 4

Figura I.2.- Aplicación de las señales EMG……………….…………………...….. 5

Figura I.3.- Vista directa a la función corporal/muscular por el uso de programa

computacional………………………………………………………………………. 6

Figura I.4.- Máquina de vapor con regulador de Watt………………………………… 7

Figura I.5.- Mano DIST, manipulador de alta destreza con 16 grados de libertad… 8

Figura II.1.- Músculo estriado…………………………………………………… 18

Figura II.2.- Partes que integran un músculo estriado....………………………… 19

Figura II.3.- Corte transversal de las fibras musculares…………………………… 20

Figura II.4.- Funcionamiento de la bomba Ca++- ATP, la cual se encarga de

mantener en niveles bajos de Ca al sarcómero para evitar su saturación…………... 21

Figura II.5.- Fijación de un músculo esquelético involucrado en la flexión del

antebrazo……………………………………………………………………………. 22

Figura II.6.- Contracción del codo. a) Contracción isométrica. b) Contracción

concéntrica. c) Contracción excéntrica……………………………………………... 23

Figura II.7.- Detección de señales mioeléctricas …………………………………. 25

Figura II.8.- Sistema básico de adquisición de señales EMG……………………... 26

Figura II.9.- Localización de electrodos…………………………………………... 27

Figura II.10.- Señal bioeléctrica censada, a) sensor, b) adecuación de la señal, y c)

procesador……...…………………………………………………………………… 29

Figura II.11.- Electrodos superficiales…………………………………………..… 31

Figura II.12.- Prótesis UTAH-MIT…..…………..………………………………… 34

Figura II.13.- Prótesis DLL-HAND II……...……………………………………... 34

Figura II.14.- Prótesis de Canterbury……….………………...…………………... 35

Figura II.15.- Prótesis desarrollada por Pylatiuk y colaboradores…….…………... 35

Figura II.16.- Prótesis NAIST……………………………………………………... 36

Figura II.17.- Prótesis I-Limb……………………………………………………... 36

XII



Figura II.18.- Prótesis I-Limb Ultra………...……………………………………... 37

Figura II.19.- Prótesis desarrollada por Probionics………………...……………... 38

Figura II.20.- Prótesis diseñada en la UNAM……………………………………... 39

Figura III.1.- Tipos de agarre de la mano………………………………………………. 46

Figura III.2.- Ejemplo de prótesis de mano elaboradas con impresoras 3D………. 47

Figura III.3.- Planos de la prótesis de la mano 3D………………………………… 49

Figura III.4.- Diseño de la falange distal y medial para el dedo índice, medio,

anular y meñique……………………………………………………………………. 50

Figura III.5.- Sistema de sujeción y movimiento de las falanges…………………. 50

Figura III.6.- Ejemplo de estructura junto con sus articulaciones y sus ejes de

rotación……………………………………………………………………………... 51

Figura III.7.- Sistema de referencias de los eslabones en el modelo del dedo

diseñado…………………………………………………………………………….. 52

Figura III.8.- Representación geométrica para el dedo índice, medio, anular y

meñique…………………………………………………………………………….. 53

Figura III.9.- Representación espacial de las restricciones naturales en el

movimiento del dedo índice………………………………………………………… 60

Figura III.10.- Comparación de la representación del espacio de trabajo

alcanzable por el modelo con una articulación fija (color rojo), con respecto a la

configuración espacial ideal (color verde) ………………………………………… 60

Figura III.11.- Vista explosionada del modelo del dedo…………………………... 61

Figura III.12.- Prototipo de ensamble del dedo pulgar……………………………. 62

Figura III.13.- Vista explosionada del dedo pulgar……………………………….. 62

Figura III.14.- Sistema para movimiento de las falanges dedo pulgar……………. 62

Figura III.15.- Sistema para movimiento de oposición del dedo pulgar…………... 63

Figura III.16.- Esquema del compartimento para ensamble del actuador y

servomotores………………………………………………………………………... 64

Figura III.17.- Esquema del ensamblaje de actuadores y servomotores…………... 64

Figura III.18.- Servomotor HD-1900A de la marca Power HD®…………………… 65

XIII



Figura III.19.- Plano acotado del servomotor HD-1900A……………..………….. 66

Figura III.20.- Motoreductor utilizado 1000:1…………………………………….. 67

Figura III.21.- Modelo tridimensional del ensamble de la prótesis de mano……... 68

Figura III.22.- Modelo tridimensional de la prótesis de mano comparado con

mano real. ………………………………………………………………………….. 68

Figura III.23.- Emulación de agarre tipo gancho, utilizado para cargar cosas con

asa. …………………………………………………………………………………. 69

Figura III.24.- Emulación de agarre tipo lateral, utilizado al escribir……………... 69

Figura III.25.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar…... 70

Figura III.26.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar…... 70

Figura III.27.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener

un vaso……………………………………………………………………………… 70

Figura III.28.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano

diseñada…………………………………………………………………………….. 71

Figura III.29.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano

diseñada…………………………………………………………………………….. 72

Figura IV.1.- Impresión tridimensional por deposición de hilo fundido…………... 79

Figura IV.2.- Comparativa de menor número de triángulos por superficie, a

mayor número de triángulos por superficie y su afectación en la geometría real de

la pieza. …………………………………………………………………………….. 83

Figura IV.3.- Ventada de opción de guardar archivo STL en Solid Works®………. 84

Figura IV.4.- Valores modificables para generar la malla de triangulación de la

pieza………………………………………………………………………………… 84

Figura IV.5.- Ventana de diálogo que indica el número de triángulos en la malla

de la pieza…………………………………………………………………………... 85

Figura IV.6.- Impresora 3D Dimension SST 1200-es…………………………………. 86

Figura IV.7.- Pieza importada en el programa CatalystEX®………………………… 87

Figura IV.8.- Mapa del espaciado de piezas en el programa CatalystEX® para la

impresión……………………………………………………………………………

87

XIV



Figura IV.9.- Proceso en el programa CatalystEX® para la impresión…………… 88

Figura IV.10.- Piezas impresas del prototipo en la Dimension SST 1200-es………. 88

Figura IV.11.- Piezas impresas aun con material de soporte removible…………... 89

Figura IV.12.- Piezas impresas ya sin material de soporte ………………………. 89

Figura IV.13.- Articulaciones tipo horquilla en el ensamble de la prótesis ………. 91

Figura IV.13.- Pasador cilíndrico a) de sujeción y b) de posición ………………... 91

Figura IV.14.- Compartimiento para los servomotores que generan el movimiento

de los dedos…….…………………………………………………………………… 92

Figura IV.15.- Ensamblaje de los sistemas que generan movimiento en el dedo

pulgar, a) flexión y extensión b) oposición………………………………………… 93

Figura IV.16.- Ensamblaje final de la prótesis de mano…………………………... 93

Figura IV.17.- Ensamblaje final de la prótesis de mano comparado con mano real. 94

Figura IV.18.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar…... 94

Figura IV.19.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar…... 95

Figura IV.20.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener

un vaso.. ……………………………………………………………………………. 95

Figura V.1.- Diagrama de electrodo superficial flotante…………………………... 100

Figura V.2.- Modelo eléctrico para electrodos conductores……………………….. 101

Figura V.3.- Modelo eléctrico para dos electrodos…………………………............ 102

Figura V.4.- Electrodo superficial utilizado en la etapa de adquisición de las

señales a) vista superior, y b) vista inferior…………………………........................ 103

Figura V.5.- Visión general de los flexores superficiales………………………... 106

Figura V.6.- Vista general de los flexores profundos…………………………........ 107

Figura V.7.- Visión general de la musculatura radial…………………………........ 107

Figura V.8.- Vista general de los extensores superficiales………………………… 108

Figura V.9.- Visión general de los extensores profundos………………………….. 109

Figura V.10.- Posicionamiento de los electrodos.…………………………………. 111

Figura V.11.- Lectura de las señales EMG del antebrazo, con el músculo en

reposo. …………………………...…………………………...……………………. 112

XV



Figura V.12.- Lectura de las señales EMG, esfuerzo gradual y el esfuerzo máximo

músculo…………………………...………………………….................................... 112

Figura V.13.- Diagrama eléctrico del circuito de adecuación de las señales EMG... 113

Figura V.14.- Diagrama eléctrico del amplificador instrumental………………….. 114

Figura V.15.- Diagrama del amplificador de instrumentación…………………….. 115

Figura V.16.- Diagrama de la etapa de pre-amplificación………………………… 116

Figura V.17.- Señal obtenida a la salida de la etapa de pre-amplificador de

instrumentación (azul), comparada con la señal de entrada (roja)…………………. 117

Figura V.18.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas… 119

Figura V.19.- Señal obtenida a la salida de la etapa de filtrado (azul), comparada

con la señal de entrada (roja) …………………………...………………………….. 119

Figura V.20.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas… 120

Figura V.21.- Señal obtenida a la salida del circuito final de procesamiento de

señales (azul), comparada con la señal de entrada (roja) …………………………... 121

Figura V.22.- Circuito eléctrico del sistema de adecuación de las señales………... 122

Figura V.23- Tarjeta utilizada para el control de las señales………………………. 123

Figura VI.1.- Señal EMG del músculo a esfuerzo medio………………………….. 126

Figura VI.2.- Señal EMG de un pulso del músculo.………………………….......... 127

Figura VI.3- Señal EMG del músculo con un incremento gradual del esfuerzo…... 128

Figura VI.4.- Diagrama del Schmitt Trigger…………………………...………….. 129

Figura V1.5.- Simulación del sistema Schmitt Trigger…………………………..... 130

Figura V1.6.- Simulación de la señal del esfuerzo medio…………………………. 131

Figura V1.7.- Simulación de la señal a un pulso del músculo…………………….. 132

Figura V1.8.- Simulación de la señal en un esfuerzo gradual del músculo………... 133

XVI



ÍNDICE DE TABLAS

Tabla III.1.- Parámetros de Denavit & Hartenberg…………………………………… 54

Tabla III.2.- Fuerza promedio ejercida por los dedos en diferentes tipos de agarres 65

Tabla III.3.- Comparativa entre servomotores disponibles en el mercado nacional. 65

Tabla III.4.- Datos técnicos del servo-motor HD-1900A…………………………. 66

Tabla III.5.- Comparativa entre micro-motoreductores disponibles en el mercado

nacional…………………………………………………………………………...… 66

Tabla III.6.- Datos técnicos del micro-motoreductor 1000:1……………………… 67

Tabla III.7.- Listado de las piezas que comprenden el modelo diseñado………….. 72

Tabla IV.1.- Comparativa de las especificaciones geométricas entre diferentes

tecnologías de impresión 3D……………………………………………………….. 81

Tabla IV.2.- Comparación de las capacidades de impresión por formas de piezas,

de las tecnologías de impresión 3D……………………………………………………….. 82

Tabla V.1- Musculatura del antebrazo……………………………………………... 104

Tabla V.2- Musculatura de la mano………………………………………………... 105

Tabla V.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del

paciente………………………………………………............................................... 112

Tabla V.4- Datos para la simulación de las señales EMG del paciente……………. 122

Tabla VI.1- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del

paciente………………………………………………............................................... 127

Tabla V1.2- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del

paciente………………………………………………............................................... 128

Tabla VI.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del

paciente………………………………………………............................................... 129

Tabla VI.4- Análisis de costos del proyecto……………………………………… 134

XVII



OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar un sistema de control, de bajo consumo de energía capaz de

adquirir, adecuar y procesar las señales mioeléctricas generadas en el miembro superior,

para controlar el movimiento de una prótesis personalizada de mano.

Objetivos particulares:

Conocer las bases teóricas sobre procesamiento y análisis de señales

electromiográficas.

Identificar los datos y las características relacionados a la prótesis de la mano ya

manufacturada previamente.

Presentar los métodos de adquisición y procesamiento de señales mioeléctricas.

Optimizar el diseño de la prótesis de mano.

Construir el prototipo de prótesis de mano.

Garantizar la funcionalidad del dispositivo de procesamiento de las señales de

control.

XVIII



JUSTIFICACIÓN

Las señales electromiográficas (EMG), también conocidas como mioeléctricas son señales

eléctricas que se producen con el movimiento de contracción y distensión de los músculos.

Estas pueden ser generadas de manera voluntaria, son muy utilizadas por su funcionalidad

para controlar interfaces hombre – máquina.

Las investigaciones relacionadas con la adquisición de estas señales mioeléctricas, han sido

utilizadas, principalmente con la finalidad de hacer funcionar diversos dispositivos tipo

prótesis para diferentes extremidades. Dichas prótesis pueden ser manipuladas gracias a la

respuesta que se genera por medio de estas señales para emular el movimiento natural de la

extremidad reemplazada.

Con esta tesis se busca diseñar un sistema de control capaz de recibir y procesar las señales

mioeléctricas generadas por el brazo de una persona para poder controlar una prótesis

personalizada de mano desarrollada en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación,

de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica; necesario para la adquisición y

el procesamiento de las señales para generar el movimiento de la prótesis de manera

voluntaria por parte del paciente.

XIX



INTRODUCCIÓN

En la actualidad existen muchos estudios enfocados al análisis de señales mioeléctricas

(EMG), los cuales toman mucho tiempo entre la adquisición de la señal y la clasificación

del movimiento a realizar, por lo cual su implementación para el control de dispositivos

reales se hace inaceptable; otros estudios, aunque clasifican más rápido las señales, con

estos métodos requieren de largas jornadas de entrenamiento por parte del paciente para

aprender a manejarlas, pues éste debe aprender a generar contracciones musculares nunca

antes utilizadas para el manejo de su miembro natural.

Por tal motivo, el capítulo 1 define las características principales de las señales EMG y su

incursión dentro de la ingeniería y la medicina, así como los fundamentos de la ingeniería

de control, que puede ser aplicable y compatible con el uso de señales mioeléctricas que

permita generar movimientos en la prótesis de mano.

El capítulo 2 presenta los fundamentos del proceso biológico en los músculos que generan

los pulsos eléctricos necesarios para el movimiento del músculo. Así como, las etapas de

captura y procesamiento de dichas señales, para su posterior utilización. También, se

enlistan los principales aportes en cuestión de prótesis de mano electromecánicas.

Dentro del capítulo 3 se describe el concepto de creación de prototipos mediante la

impresión de modelos tridimensionales a través de manufactura asistida por computadora.

Mostrando el desarrollo en diseño asistido por computadora a detalle de cada una de las

partes que comprenden a la prótesis de mano, y los dispositivos que generan y transmiten el

movimiento de la prótesis. Así como los cálculos de la cinemática directa e inversa para

este modelo de ensamble.

En el capítulo 4 se muestra el proceso de ensamble del prototipo de la prótesis de mano. La

manufactura por medio de impresoras 3D, las principales técnicas y la forma en que estos

procesos se relacionan para generar en conjunto un ensamble útil para la realización de este

XX



trabajo. Haciendo mención de los tipos de piezas utilizadas en el modelo protésico y su

unión para formar el mecanismo completo que da vida a la prótesis mioeléctrica.

El capítulo 5 da una descripción de los dispositivos a utilizar en el sistema de adquisición y

procesamiento de las señales mioeléctricas. Determina la metodología a utilizar en el

proyecto, desde la ubicación de los músculos a detectar, hasta el procesamiento de las

señales EMG captadas de dicho músculo, para generar los movimientos de la mano.

Para el capítulo 6 se abordan las lecturas de las señales electromiográficas y su simulación

en el equipo de cómputo. Así mismo, se explica el funcionamiento y la importancia del uso

de un recortador de la señal de salida del circuito de filtrado. Y por último, se hace un

análisis de costos del diseño del proyecto.

Los resultados aquí presentados, pueden servir de base para el desarrollo de dispositivos

controlados a voluntad por el ser humano, o bien para desarrollar una tecnología que ayude

a personas que han perdido alguna parte de su cuerpo o en procesos de rehabilitación.

En este capítulo se

definen las

características

principales de las señales

electromiográficas y su

incursión dentro de la

ingeniería y medicina,

que puede ser aplicables

y compatibles con el uso

de señales mioeléctricas

para la realización del

sistema de control que

permita generar

movimientos en una

prótesis de mano.

CAPÍTULO I

Antecedentes Específicos

Capítulo I 2



I.1.- Introducción

En el presente capítulo se proporcionan las bases teóricas iniciales acerca de conceptos generales

sobre las señales mioeléctricas. Así como, su historia y aplicaciones previas en el área de la

investigación, vinculadas con el miembro superior de humano.

Desde muchos años atrás, la tecnología en el mundo ha buscado nuevos horizontes, los cuales

tienen tendencias hacia la fusión entre la Ingeniería y la Medicina. Lo anterior con el fin de

contribuir al avance general de la ciencia. Es por esto, que nace la inquietud por las señales

mioeléctricas. Sin embargo, debido a la complejidad de las señales mioeléctricas, países como

Estados Unidos, Japón, Gran Bretaña, Alemania y Francia, son los que van a la vanguardia y han

realizado la gran mayoría de estudios para su identificación y análisis, a diferencia de los países

subdesarrollados, que no cuenta con los recursos necesarios para estas investigaciones.

I.2.- Antecedentes específicos

En el cuerpo humano se generan diferentes señales bioeléctricas, las cuales se encuentran

presentes en tejidos, células, nervios, glándulas, entre otros. Este tipo de señales permiten el

funcionamiento de órganos tales como; el cerebro, el corazón, los ojos, los músculos, etc. Las

señales bioeléctricas reciben nombres característicos dependiendo del órgano en el que se

originan. Como ejemplo, para los órganos mencionados anteriormente se denominan como;

electroencefalográficas, electrocardiográficas, electrooculográficas y electromiográficas,

respectivamente [I.1 a I.4].

Las señales bioeléctricas son utilizadas principalmente en diagnóstico médico para detectar

patologías en los órganos que las producen. Sin embargo, también pueden ser utilizadas

particularmente aquellas que son generadas de manera voluntaria como en este caso, el bíceps.

Las señales electromiográficas (EMG) o también conocidas como mioeléctricas son señales

eléctricas que se producen en los músculos cuando estos se contraen o distensionan y son

producidas por el intercambio de iones a través de las membranas musculares [I.5]. Estas señales,

a pesar de presentar niveles de voltaje pequeños, pueden determinarse y medirse con equipo

adecuado y especializado. Para de esta forma, la información recopilada puede ser empleada para

orientarla hacía el área de la Robótica. Otra aplicación a las que se le ha otorgado a este tipo de

Capítulo I 3



señales, es en el manejo de potenciales, donde las señales EMG medidas en músculos activados

voluntariamente por un usuario, se procesan y se emplean.

I.3.- Señales electromiográficas (EMG)

Se encuentra documentado que el primer material en el que se aplicó las señales EMG fue en el

de trabajo de Redi en 1666 [I.6]. Redi descubrió un músculo altamente especializado en la Raya

Eléctrica que generaba electricidad. En 1773, Walsh pudo demostrar que el tejido muscular de la

Raya Eléctrica tenía la capacidad de generar una chispa de electricidad [I.7]. En 1792, en una

publicación titulada De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius escrita por

Galvani, el autor demostró que la electricidad podía iniciar contracciones musculares [I.8]. Seis

décadas después, en 1849, Dubois-Raymond descubrió que era posible llevar un registro de la

actividad eléctrica durante la actividad de la contracción muscular [I.9]. Sin embargo, el primer

registro real fue hecho por Marey en 1890, quien introdujo el término de electromiografía [I.10].

Para 1922, Gasser y Erlanger utilizaron un osciloscopio para mostrar las señales eléctricas de los

músculos [I.11].

Entre 1930 y 1950 los científicos comenzaron a utilizar electrodos mejorados y más sofisticados

para los estudios musculares [I.12 a I.15]. El uso clínico de señales EMG para el tratamiento de

desórdenes más específicos comenzó en la década de los 60’. Hardyck y sus colaboradores fueron

los primeros, practicante, en aplicar el EMG [I.16]. En los comienzos de los 80’s Cram y Steger

introdujeron un método clínico para escanear una variedad de músculos utilizando dispositivo

EMG sensible [I.17].

No fue hasta mediados de los 80’s, cuando se integraron las técnicas de los electrodos, las cuales

tenían un nivel tecnológico suficiente para la producción de instrumentación pequeña y de bajo

peso. Asimismo, amplificadores que permitían avances en campos como los de la Medicina o la

Biomecánica. En el presente, existe un gran número de amplificadores que se comercializan. La

electromiografía se ha venido utilizando ampliamente para el registro de músculos superficiales

en protocolos clínicos o kinesiólogos. Donde los electrodos intramusculares son utilizados para

investigar músculos profundos o localizar la actividad muscular [I.18].

Capítulo I 4



Actualmente existen un sin número de aplicaciones para el uso de la señales EMG. Por ejemplo,

es utilizada clínicamente para el diagnóstico de problemas neuronales o neuromusculares. Es

utilizada en muchos tipos laboratorios, incluyendo los que están en el campo de la Biomecánica

para el análisis del control motriz, fisiología neuromuscular, desordenes de movimiento, control

postural, terapia física [I.19].

Una electromiografía se emplea con mayor frecuencia cuando las personas tienen síntomas de

debilidad y la evaluación muestra deterioro de la fuerza muscular. Este examen puede ayudar a

diferenciar entre debilidad muscular causada por lesión de un nervio que se encuentra fijo a un

músculo y debilidad debido a trastornos neurológicos [I.20].

Figura I.1.- Señales mioeléctricas generadas al contraer o distensionar los músculos

I.3.1.- Uso generalizado de las señales EMG

Además de los estudios básicos fisiológicos y biomecánicos, las señales EMG se constituyen

como una herramienta de evaluación de la investigación aplicada, la fisioterapia / rehabilitación,

entrenamiento deportivo y la interacción del cuerpo humano a los productos industriales y las

condiciones de trabajo [I.21]:

Investigación médica.

1. Ortopedia.

2. Cirugía.

Capítulo I 5



3. Neurología funcional.

4. Análisis de marcha y postura.

Rehabilitación.

1. Post cirugía/accidente.

2. Rehabilitación neurológica.

3. Terapia física.

4. Terapia de entrenamiento activo.

Ergonomía.

1. Análisis de la demanda.

2. Prevención de riesgos.

3. Diseño ergonómico.

4. Certificación de productos.

Ciencias del deporte.

1. Biomecánica.

2. Análisis de movimiento.

3. Entrenamiento de fuerza del atleta.

4. Rehabilitación deportiva

Figura I.2.- Aplicación de las señales EMG

I.3.2.- Los beneficios de las señales EMG

En general los beneficios de las señales EMG se pueden enumerar como [I.22]:

Capítulo I 6



• Permiten la medición del rendimiento muscular.

• Ayudan en la toma de decisiones, tanto antes como después de la cirugía.

• Tratamiento y regímenes de entrenamiento.

• Ayuda a los pacientes a encontrar y entrenar a sus músculos.

• Permite el análisis para mejorar las actividades deportivas.

• Detecta la respuesta muscular en estudios ergonómicos.

Figura I.3.- Vista directa a la función corporal/muscular por el uso de programa computacional

I.4.- Ingeniería de control

Desde tiempos inmemorables, el ser humano ha tratado de mejorar su estándar de vida. Así

como, que ciertas rutinas se realicen de forma automática o por lo menos que sean llevadas a

cabo sin la necesidad de vigilar su desempeño. En esta automatización, el uso del control

retroalimentado ha sido una historia fascinante. Este tipo de control, al cual se le denomina

Ingeniería de Control, no solamente realiza acciones en lugar del ser humano, sino que también a

partir de parámetros establecidos, vigila que se ejecuten de cierta forma y bajo ciertas

condiciones [I.23]. Además de documentos, existen objetos rudimentarios que demuestran todo

lo anterior, entre ellos se tienen, por ejemplo; las estatuas animadas del templo de Dédalo [I.24],

los juguetes mecánicos de los griegos [I.25], así como los construidos en la Edad Media por San

Capítulo I 7



Alberto Magno [I.26]. Aun cuando estos ejemplos se consideran ya automatismos, se toma como

origen de la Ingeniería de control a la Revolución Industrial. Cabe mencionar que los acueductos

(transportar agua en lugar de acarrearla), los molinos de viento (usar la fuerza del viento para

encauzar el agua o para obtener fuerza motriz) son mecanismos de control bastante sofisticados y

anteriores a la Revolución Industrial [I.27]. Los chinos, conocidos por sus grandes avances

tecnológicos, diseñaron un dispositivo que se colocaba en los carros y debido a que siempre

señalaban hacia el sur, el viajero siempre sabía en qué dirección viajaba, sin la necesidad de saber

cuál era la estrella polar o de tener conocimientos de astronomía [I.28]. Estos dispositivos y

muchos otros eran parte de la automatización.

El año en que James Watt inventó la máquina de vapor (Figura I.4) y su dispositivo de control, se

considera en forma general como la fecha de origen de la Ingeniería de Control. Así como, el

punto de arranque de la Revolución Industrial [I.29]. Aunque, en ese sentido los rusos reclaman

que antes de esa fecha en 1765, Polzunov [I.30] inventó el primer regulador por flotación que

detecta el nivel del agua y con ese parámetro controla una válvula que regula la entrada de agua a

un calentador, por lo que señala un avance en la Ingeniería de Control cuatro años antes que Watt.

Figura I.4.- Máquina de vapor con regulador de Watt

Ya para esta época la Ingeniería de Control no sólo se encargaba de automatizar, sino que

también de estudiar ciertos conceptos y características de los sistemas. Para 1952, el desarrollo de

Capítulo I 8



controladores numéricos se realizó en el MIT (Massachussets Institute of Tecnology) para el

control de los ejes de máquinas [I.31].

Para 1970, el control de espacio de estados y el control óptimo fueron un paso claro para el

desarrollo de la Ingeniería de Control. Las aplicaciones en la industria automotriz, la industria

química, la electricidad, procesos biológicos e incluso para la economía, para la educación y las

ciencias sociales eran de uso común. En 1980, conceptos como el control robusto eran

ampliamente estudiados. En 1994, la mecatrónica se volvió de uso común en los automóviles

[I.32]. Actualmente, conceptos como control estocástico, control inteligente (difuso y neuronal),

control por modos deslizantes y control adaptivo son ampliamente usados en el campo de la

ingeniería de control [I.33].

I.4.1.- Sistemas de control moderno

Dentro de esta sección, la mano DIST (Figura I.5) es el resultado de un proyecto de investigación

europeo, que tiene un pulgar y tres dedos, con 16 grados de libertad. El sistema de control de los

dedos tiene una retroalimentación de posición (position feedback), el que mide el ángulo

(posición) de cada articulación, comparándola con la posición de referencia. La diferencia entre

ambas (error) es comunicada a un microprocesador, el cual a través de una función u(t) ordena a

un actuador (servomotor) llevar a cabo un proceso (movimiento articular), lo que da lugar a una

salida (nueva posición del dedo) [I.34].

Figura I.5.- Mano DIST, manipulador de alta destreza con 16 grados de libertad

Capítulo I 9



I.4.2.- Estudios previos sobre el control de las señales EMG

El crecimiento en la investigación de las señales bioeléctricas para su uso en la robótica, ha

tenido un gran auge en los últimos años, teniendo proyectos especializados a el análisis de las

señales EMG, como el realizado en el año 2003, por la Universidad CES en Medellín, Colombia,

donde se realizó un sistema de adquisición y procesamiento de variables electrofisiológicas

basado en el uso de microprocesadores y comunicación con una computadora personal [I.35].

Dentro de las investigaciones sobre el procesamiento de señales EMG, en 2009 Guarín-Rueda y

Ruíz-Ardila, implementaron una tarjeta de adquisición capaz de obtener las señales

electromiográficas provenientes del miembro superior de una persona, para luego procesar la

información y visualizarla en una computadora [I.36].

No todos los estudios relacionados a las señales mioeléctricas se enfocan a su uso en prótesis,

algunos de ellos se dedican a hacer uso de los parámetros censados por medio de los dispositivos

de adquisición de dichas señales y mediante un monitoreo y parametrización lograr detectar

ciertos tipos de enfermedades como el desarrollado en 2009, por Jaramillo-Montalvo, el cual

logra detectar el deterioro muscular en pacientes que padecen EPOC (Enfermedad Pulmonar

Obstructiva Cronica) [I.37].

En el año 2012, Urbina-Rojas y Martínez-Santa implementaron un electromiógrafo con una

interfaz USB (Universal Serial Bus), capaz de capturar y procesar señales eléctricas de los

músculos tomadas en la superficie de la piel [I.38]. Para ese año, en la Universidad de Autónoma

de Yucatán, se diseñó y construyó un sistema para detectar las señales electromiográficas,

pudiéndolo adaptar a diferentes músculos y posterior a el estudio en particular de uno de ellos

enfocarlo a el desarrollo de una prótesis motorizada y controlada por medio de esta señales EMG

[I.39].

Un año más tarde, en la Pontificia Universidad Católica del Perú, se desarrolló un sistema de

adquisición de las señales EMG generadas durante la actividad muscular mediante electrodos de

superficie, haciendo pruebas en extremidades superiores (bíceps, tríceps, flexor del antebrazo) e

inferiores (gemelos). Dejando como aportación el hacer notar la diferencia en el comportamiento

Capítulo I 10



de las señales EMG debido a los parámetros como el tipo de contracción, tipo de músculo, peso

con el que se realiza el ejercicio y el individuo al cual se le practican los ensayos [I.40].

A raíz del incremento, sobre todo en América Latina, en los estudios sobre las señales EMG en

México también se han desarrollado diversos estudios de investigación, siendo el Instituto

Politécnico Nacional uno de los principales instituciones que han dedicado recursos a la

implementación de proyectos que utilizan señales mioeléctricas principalmente para su uso en la

robótica. Como la realizada en 2013 por Ávila- Morales y colaboradores la cual diseña y

construye una prótesis electromecánica de una mano humana contralada por medio de las señales

EMG [I.a41]. La cual deja un panorama abierto sobre las posibilidades de desarrollo en la

implementación de las señales electromiográficas.

I.4.3.- Aplicaciones del control neurodifuso en las señales EMG

Una aplicación del control neurodifuso en las señales mioelectricas es la que se realizó por Kelly,

Parker y Scott [I.50]. En donde mediante el análisis de una señal mioeléctrica de un solo canal

(MES), se extrajó la información que se utilizó para identificar diferentes patrones de contracción

en la parte superior del brazo. Estos patrones de contracción son generados por sujetos sin

entrenamiento previo y se encuentran naturalmente asociados con funciones específicas.

Mediante un conjunto de características normalizadas MES espectrales, se puede identificar

patrones de contracción durante cuatro funciones del brazo. Específicamente de extensión y

flexión del codo y la pronación y supinación del antebrazo. Una implementación de redes

neuronales artificiales se aplicó en la tarea de clasificación. Ensayos realizados en cinco sujetos

con extremidades normales dio lugar a un nivel de clasificación de rendimiento promedio de 85%

para las cuatro funciones.

En el trabajo de Gallant y colaboradores [I.51] fue empleado un sistema de clasificación de

patrones, diseñado para separar los registros de señales mioeléctricas basado en tareas de

contracción. La amplitud de la señal mioeléctrica durante los primeros 200 ms, después del inicio

de la contracción tiene una estructura no aleatoria que es específica de la tarea a ejecutar. Esto

permite la aplicación de técnicas avanzadas de reconocimiento de patrones para separar estas

señales. El sistema de clasificación descrito consta de un preprocesador espectrográfico. Una

Capítulo I 11



etapa de extracción de características y una etapa clasificadora. El preprocesador desarrolla un

espectrograma mediante la generación de una serie de densidades espectrales de potencia a través

de segmentos de tiempo adyacentes de la señal de entrada. La etapa de extracción reduce la

dimensionalidad del espectrograma mediante la identificación de características que

corresponden a las sutiles estructuras subyacentes en los datos de señal de entrada. Esto se realiza

mediante una red neuronal artificial que realiza un procedimiento avanzado de análisis

estadístico. Las características extraídas se clasifican en una red neuronal artificial con

supervisión y aprendizaje.

En la investigación de Asghari y Hu [I.52] se revisa el desarrollo de reconocimiento y no

reconocimiento de patrones basada en el control mioeléctrico. Se presenta el estado de la técnica

de logros en términos de su tipo, la estructura y la aplicación potencial. Estas señales se

clasificaron utilizando sistemas neurodifusos, los resultados experimentales verifican la validez

del método propuesto. La señal mioeléctrica es una señal de control del cuerpo humano que

contiene la información de la intención del usuario para contraer un músculo y, por lo tanto,

hacer un movimiento. En el trabajo de Favieiro y Balbinot [I.53] se muestra que los amputados

son capaces de generar señales mioeléctricas estandarizadas repetidamente antes de la intención

de realizar un determinado movimiento. Este trabajo presenta un estudio que investiga las

diversas funciones del antebrazo para la clasificación de cinco señales que distinguen los

movimientos del brazo utilizando sólo tres pares de electrodos de superficie situados en lugares

estratégicos. La clasificación se realiza mediante un sistema de inferencia adaptativo neurodifuso

para procesar las características de la señal para reconocer los movimientos realizados. La

precisión promedio alcanzado para la clasificación de las cinco clases de movimiento fue 86-98%

para tres sujetos.

I.5.- Planteamiento del problema

Pensando en poder apoyar a quien por destino de la vida ha nacido o perdido una mano, se

plantea desarrollar una prótesis mioeléctrica, que pueda ser controlada, por el paciente por medio

de los impulsos generados en la piel. Buscando con esto llenar el vacío de funcionalidad que se

presenta con la falta de este miembro.

Capítulo I 12



De lo establecido en el estado del arte puede apreciarse la necesidad de un correcto análisis de las

señales mioeléctricas mediante sistemas de control capaces de dar la mayor precisión posible para

que estas a su vez sean utilizadas en la generación del movimiento de la prótesis.

Las señales mioeléctricas son señales, producidas por la contracción y relajación de cualquier

músculo, de acuerdo con esta característica se desarrolla un análisis de las señales mioeléctricas

para una orientación a la robótica. La fase de clasificación, dentro del proceso de análisis de

dichas señales o reconocimiento de patrones, es un componente muy importante y puede

considerarse como la tarea final del proceso, pues una vez definido el experimento, obtenidas las

señales y pre-procesadas convenientemente, el último paso es la implementación de un

clasificador que pueda decidir a qué clase corresponde cada una de ellas. Y con estas señales

poder simular los movimientos de los dedos de la prótesis de la mano, y con ello suplir la falta

del miembro con un mecanismo útil.

I.6.- Sumario

En este capítulo se definen las características principales de las señales electromiográficas y su

incursión dentro de la ingeniería y medicina, que pueden ser aplicables y compatibles con el uso

de señales mioeléctricas para la realización del sistema de control que permita generar

movimientos en una prótesis de mano.

Capítulo I 13



I.7.- Referencias

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abordan los fundamentos

del proceso biológico en

los músculos que genera

los pulsos eléctricos

necesarios para el

movimiento del músculo.

Así como, las etapas de

captura, y procesamiento

de dichas señales

electromiográficas para

su posterior utilización.

CAPÍTULO II

Fundamentos Teóricos

Capítulo II 18


movimiento en una prótesis personalizada de mano

II.1.- Fundamentos teóricos

En el presente capítulo se muestran conceptos y fundamentos teóricos, los cuáles permitirán

comprender los procedimientos a realizar en cada una de las etapas de dicho proyecto. Enfocando

la mayor parte del capítulo a el funcionamiento general de los músculos al verse involucrados en

el proceso de movimiento del cuerpo humano. Desglosando el proceso de adquisición y

tratamiento de las señales mioeléctricas, parte fundamental para el funcionamiento y obtención

del proyecto.

II.2.- Características generales de los músculos

Un músculo es un tejido contraíble que forma parte del cuerpo humano y de otros animales. Está

conformado por tejido muscular. Los músculos se relacionan con el esqueleto o bien forman parte

de la estructura de diversos órganos y aparatos [II.1].

Figura I.1.- Músculo estriado

Los músculos están envueltos por una membrana de tejido conjuntivo llamada fascia. La unidad

funcional y estructural del músculo es la fibra muscular. El cuerpo humano contiene

aproximadamente 650 músculos. Si se cuentan además los músculos erectores presentes en cada

uno de los pelos del cuerpo, entonces se puede considerar que existen más de cinco millones de

músculos. Según su naturaleza, existen tres tipos de músculo; estriado o esquelético, liso o

visceral y cardíaco [II.2].

Capítulo II 19



Figura I.2.- Partes que integran un músculo estriado

El cuerpo humano está formado aproximadamente de un 40% de músculo estriado y de un 10%

de músculo cardíaco y músculo liso. El funcionamiento de la contracción se debe a un estímulo

de una fibra nerviosa, se libera acetilcolina (ACh). La cual, va a posarse sobre los receptores

nicotínicos haciendo que estos se abran para permitir el paso de iones sodio a nivel intracelular.

Estos viajan por los túbulos hasta llegar a activar a los receptores de dihidropiridina que son

sensibles al voltaje; provocando a la vez la apertura de los canales de riaonodina que van a liberar

Calcio. El Calcio que sale de éste retículo sarcoplasmático va directo al complejo de actina,

específicamente a la troponina C.

La troponina cuenta con tres complejos, este Calcio unido a la troponina C hace que produzca un

cambio conformacional a la troponina T, permitiendo que las cabezas de miosina se puedan pegar

y así producir la contracción. Este paso del acoplamiento de la cabeza de miosina con la actina se

Músculos en el brazo

Núcleo Fibra muscular

Músculo estriado

Fibra muscular

Miofibrillas

Actina Miosina

Capítulo II 20



debe a un catalizador en la cabeza de miosina, el magnesio, a la vez hay un gasto de energía,

donde el ATP pasa a ser dividido en ADP y Fósforo inorgánico. El Calcio que se unió a la

troponina C, vuelve al retículo por medio de la bomba de Calcio, donde gran parte del Calcio se

une a la calcicuestrina [II.3].

Figura II.3.- Corte transversal de las fibras musculares donde, a) Contracción y relajación del

músculo debido al Ca++ liberado por las cisternas, b) División de las fibras musculares en

sarcómeros y c) Funcionamiento de la bomba de Calcio donde 2 iones de Ca son ingresados al

retículo sarcoplasmático por cada ión hidrolizado.

Sarcómero

Nervio Mielina

Axón

Placa motora

Mitocondrias

Miofibrillas

Retículo

sarcoplásmico

Túbulos T

Túbulos T

Líneas Z Líneas I Líneas H Músculo

contraído

Músculo

relajado

Líneas

…A

c)

Endomisio

Endoneuro

Ca+

Ca+

Ca+

Líneas Z

Filamento de Actina

Filamento de

Miosina

b) a)

Capítulo II 21



Figura II.4.- Funcionamiento de la bomba Ca++- ATP, la cual se encarga de mantener en niveles

bajos de Ca al sarcómero para evitar su saturación

II.2.1.- Funcionamiento de los músculos

El músculo liso se encuentra en órganos, que también están formados por otros tejidos, como el

corazón e intestino, que contienen capas de tejido conjuntivo. El músculo esquelético suele

formar haces que componen estructuras musculares cuya función recuerda a un órgano. Con

frecuencia, durante su acción retraen la piel de modo visible. Tales estructuras musculares tienen

nombres que aluden a su forma, función e inserciones. Por ejemplo, el músculo trapecio del dorso

se llama de este modo porque se parece a la figura geométrica de este nombre y el músculo

masetero de la cara debe su nombre a su función masticatoria. Las fibras musculares se han

clasificado, por su función, en fibras de contracción lenta y de contracción rápida. La mayoría de

los músculos esqueléticos están formados por ambos tipos de fibras, aunque uno de ellos

predomine. Las fibras de contracción rápida, de color oscuro, se contraen con más velocidad y

generan mucha potencia. Las fibras de contracción lenta, más pálidas, están dotadas de gran

Sarcómetro

Potencial de acción

Sarcolema

Bomba de Calcio

Ca

+ Ca

+

Ca+ Ca+

ATP

Filamentos de Actina Filamentos de Miosina

Capítulo II 22



resistencia. La contracción de una célula muscular se activa por la liberación de Calcio del

interior de la célula, en respuesta probablemente a los cambios eléctricos originados en la

superficie celular.

Los músculos que realizan un ejercicio adecuado reaccionan a los estímulos con potencia y

rapidez, y se dice que están dotados de tono. Como resultado de un uso excesivo pueden

aumentar su tamaño (hipertrofia), consecuencia del aumento individual de cada una de las células

musculares. Y debido a una inactividad prolongada los músculos pueden disminuir su tamaño

(atrofia) y debilitarse. En ciertas enfermedades, como ciertas formas de parálisis, el grado de

atrofia puede ser tal que los músculos quedan reducidos a una parte de su tamaño normal [II.4].

Figura II.5.- Fijación de un músculo esquelético involucrado en la flexión del antebrazo

Los principales movimientos de los músculos son [I.4]:

Flexión.- Flexiona alguna articulación aproximando los segmentos que se unen a la

articulación.

Extensión.- Extiende alguna articulación alejando los segmentos que la forman.

Aducción.- Acercan una extremidad hacia el eje del cuerpo.

Abducción.- Alejan una extremidad del eje del cuerpo.

Origen

Tendones

Vientre muscular

Tendón

Inserción

Capítulo II 23



Supinación.- La palma de la mano o del pie giran hacia arriba

Pronación.- La palma de la mano o del pie giran hacia abajo

Circunducción.- Movimiento que engloba varios de los anteriores y que se realiza

buscando la máxima amplitud.

Rotación.- Puede ser interna o externa. Es un giro sobre el eje longitudinal de

cualquiera de las articulaciones.

Figura II.6.- Contracción del codo.

a) Contracción isométrica. b) Contracción concéntrica. c) Contracción excéntrica.

Los músculos esqueléticos realizan dos acciones: contracción y relajación. Al ser estimulado el

músculo por un impulso motor, éste se contrae; cuando el impulso se interrumpe, el músculo se

relaja. Durante la actividad deportiva, los músculos realizan tres tipos de contracciones:

Contracción isométrica

Contracción muscular sin

movimiento

Contracción Concéntrica

El músculo se acorta

Contracción Excéntrica

El músculo se alarga

a)

b)

c)

Movimiento

Movimiento

Capítulo II 24



isotónicas, isométricas, e isokinéticas. Las primeras contracciones (isotónica, isométrica) se

realizan con tres variaciones: concéntricas, excéntricas y pliométricas.

II.2.2.- Mecanismo molecular de la contracción muscular

En estado relajado, los extremos de los filamentos de actina que derivan de dos discos sucesivos

apenas se solapan entre sí, mientras que sí se superponen completamente a los de miosina. Por

otra parte, cuando están en contracción, los filamentos de actina se han desplazado entre los de

miosina, de forma que ahora se solapan entre sí en mayor grado. Además, los filamentos de

actina han tirado de los discos Z hacia los extremos de la miosina. De hecho, los filamentos de

actina pueden ser atraídos juntos tan intensamente que los extremos de los filamentos de miosina

llegan a arquearse durante una contracción muy intensa. Así pues, la contracción muscular tiene

lugar por un mecanismo de deslizamiento de filamentos.

Las fuerzas mecánicas generadas por la interacción de los puentes cruzados entre los 38

filamentos de actina y miosina. En condiciones de reposo, estas fuerzas se hallan inhibidas, pero

cuando un potencial de acción viaja por la fibra muscular se produce la liberación de gran

cantidad de iones Calcio hacia el sarcoplasma que baña las miofibrillas. A su vez, los iones

Calcio activan las fuerzas entre los filamentos y la contracción comienza. También es preciso que

exista energía para el proceso contráctil: se obtiene de los enlaces de alta energía del ATP, que se

degrada a adenosina difosfato (ADP) para liberar la energía necesaria [II.4].

II.3.- Señales mioeléctricas (EMG)

Las señales EMG superficiales (EMG´S), son esencialmente un patrón unidimensional. Por lo que

cualquier técnica de procesamiento de señales para extracción de características y reconocimiento

de patrones se puede aplicar a este tipo de señales. La información extraída de las señales

EMG´S, es seleccionada de tal manera que se minimice el error en el control de los sistemas

robóticos. La necesidad de una rápida respuesta limita la longitud de las muestras de la señal

sobre las cuales se extraen las características.

Capítulo II 25



Figura II.7.- Detección de señales mioeléctricas

II.3.1.- Adquisición de señales mioeléctricas

Las señales EMGS, son colectadas típicamente mediante electrodos bipolares de superficie,

ubicados sobre la piel, como se observa en la figura II.7. Estas han sido utilizadas para el control

de prótesis de miembros superiores desde 1948 [II.5]. Estas señales proveen información sobre la

actividad neuromuscular que las origina, siendo esencial esta información en: diagnóstico clínico,

rehabilitación y como fuente de control para dispositivos activos y esquemas de estimulación

eléctrica funcional [II.6]. En [II.7], realizaron un trabajo comparativo de clasificación con señales

EMG superficiales e intramusculares, concluyendo que la información extraída en las dos clases

de señales es igualmente valiosa, sin encontrar diferencias significativas en su capacidad de

clasificación. Este resultado es importante, ya que brinda la seguridad de continuar utilizando las

señales EMG´S en futuros trabajos de investigación aplicada.

Las señales EMG´S son generadas por la contracción muscular, por lo que su adquisición requiere

de una correcta identificación de las regiones musculares comprometidas en la ejecución de los

movimientos a clasificar. Debido a la elevada resistencia eléctrica natural de la piel, se

recomienda la aplicación de un gel que mejore la conductividad además de lograrse una buena

superficie de contacto y adherencia con los electrodos. A pesar de estas disposiciones, las señales

recogidas serán demasiado débiles, por lo que se hace necesario un procesamiento previo de

filtraje y amplificación antes de su análisis. Estos aspectos se detallan a continuación.

Positivo

Negativo

Amplificador

Tierra

Capítulo II 26



Figura II.8.- Sistema básico de adquisición de señales EMG

II.3.1.1.- Captura

Las señales mioeléctricas son capturadas típicamente mediante electrodos bipolares de superficie,

ubicados sobre la piel [II.8]. Aunque en algunas prótesis se utilizan electrodos implantados

cuando se tiene el prototipo final. En ésta etapa se debe identificar el músculo generador de la

señal mioeléctrica. Para lo cual, se recomienda la asistencia de personal médico especializado,

quienes pueden identificar con mayor precisión las regiones musculares con mayor compromiso

en la ejecución de los movimientos de interés y debe realizarse particularmente con cada paciente

[II.9] debido a que las señales mioeléctricas son propias de cada quien; también identificar el

número de electrodos a utilizar, analizar la posición de los electrodos e identificar la distancia

entre éstos.

Según Sarmiento en [II.10] se identifica el músculo activador con los electrodos artificiales y su

respectiva referencia hasta lograr un umbral que sea superado durante la contracción muscular;

ubicados en el flexor común de los dedos, aunque Dorador en [II.11] identificó que la ubicación

de los electrodos superficiales para la captura de las señales mioeléctrica es en la zona de los

bíceps.

Paciente Electrodos Pre-

Amplificación Filtrado

Amplificación Filtrado

Rechaza

Conversor

Análogo

Capítulo II 27



Alfaro y asociados [II.12] para el momento de la captura de la señal mioeléctrica utilizaron

electrodo superficial de tipo seco. Esto quiere decir de contacto directo con la piel del paciente y

en configuración bipolar, cada uno de ellos tiene las dos superficies de contacto que proveen la

señal en forma diferencial y una tercer superficie que constituye la referencia o masa.

Es importante tener en cuenta que el número de electrodos corresponde al número de canales a

procesar y éste es un parámetro esencial en el desempeño del clasificador y en el número de

movimientos a identificar [II.9]. Mista en [II.13] describe que para el desarrollo de su

investigación utiliza tres electrodos activos, hechos con barra de plata 1000 de 2 mm de ancho y

10 mm de largo y una separación de 10 mm; por lo contrario, Aguilar en [II.14] utilizó dos

electrodos para tomar la señal y otro de referencia.

Figura II.9.- Localización de electrodos. a) Electrodos colocados en el músculo flexor radial del

carpo, b) electrodo de referencia en la muñeca

II.3.1.2.- Amplificación

Según Sarmiento en [II.10] se identifica el músculo activador con los electrodos artificiales y su

respectiva referencia hasta lograr un umbral que sea superado durante la contracción muscular;

ubicados en el flexor común de los dedos, aunque Dorador en [II.11] identificó que la ubicación

de los electrodos superficiales para la captura de las señales mioeléctrica es en la zona de los

bíceps.

Las señales producidas por fenómenos mioeléctricos son potenciales eléctricos relativamente

pequeños de (1mV-10mV) y requieren sofisticados amplificadores para facilitar su cuantificación.

a) b)

Capítulo II 28



El propósito principal del amplificador es incrementar el nivel de la señal que se obtiene con los

electrodos excluyendo cualquier tipo de interferencia [II.8]. En esta etapa se aplica el proceso de

amplificación a las señales mioeléctricas capturadas, para producir niveles adecuados de las señal

para análisis futuros. Según Vidal-Silva y Pavesi-Farriol [II.8] por lo menos una amplificación de

1000 y según Romo y asociados [II.9] unas 500 veces. Se utilizan amplificadores operacionales o

sistemas de amplificación que permitan aumentar la magnitud de éstas.

Vélez en [II.15] utilizan una etapa de amplificación de señales mioeléctricas a partir de un

circuito no-inverso, aplicado a un amplificador operacional, igualmente en [II.16] utilizó un

amplificador de instrumentación con una ganancia de 130 y de respuesta lineal en el rango desde

0,05 Hz hasta 1000 Hz. Así como, Orosco y colaboradores [II.17] se basaron en un amplificador

de instrumentación de entrada diferencial AD624AN. Barreda y asociados [II.18] por medio de

un amplificador de unidad de procesamiento como lo es el INA114, que a su vez permite variar el

factor de amplificación con la modificación de un juego de resistencias. Mientras que, Aparicio y

colaboradores [II.19] por medio de un amplificador de instrumentación AD620 diseñaron un

circuito de amplificación con una ganancia de 1000.

El control de potenciales mioeléctricos en un codo se da a partir de un acondicionamiento de

amplificación a la señal análogamente por medio de un circuito amplificador de

bioinstrumentación, de manera que pueda ser procesada posteriormente en un computador

después de transmitirla a través de una tarjeta de adquisición de datos [II.20].

II.3.1.3.- Filtrado

En esta etapa las señales biológicas del cuerpo humano se somete a un proceso de depuración o

filtro de información por medio de diferentes métodos que permitan seleccionar las mejores

frecuencias de un espectro a partir de la etapa de amplificación. Los orígenes de ruido que más

interfieren en la señal mioeléctrica son: la interferencia capacitiva debido al cuerpo del paciente,

la interferencia capacitiva debido al equipo de medición, que se produce por la fuente de

alimentación del equipo al cual llegan las señales electrocardiográficas y la interferencia

Capítulo II 29



inductiva, que es causada por la red eléctrica, la cual produce campos magnéticos que varían con

el tiempo. Que a su vez inducen voltajes en la red formada por los electrodos del paciente [II.8].

Según Cifuentes [II.21] durante su etapa de filtrado para señales mioeléctricas construyó filtros

analógicos para obtener los mejores registros posibles. Estas señales se presentan en el rango de

frecuencia de 10 a 500Hz.

Una técnica para evitar el ruido de la toma de corriente y del ambiente es anexar un filtro rechaza

bandas de muesca de 50 o 60Hz [II.22] y Muñoz-Burbano y asociados [II.16] por medio de filtro

Notch se bloquea la señal de 50/60Hz de una red eléctrica. Un manipulador robótico industrial en

2D, utiliza un filtrado pasa banda activo de cuarto orden entre 10 y 500Hz para la depuración de

señales mioeléctricas [II.23]. Vélez [II.15] utilizó un filtro rechaza banda, el cual se encarga de

rechazar exclusivamente el ruido de 60Hz para entregar a la salida una señal completamente pura

de distorsiones, además de este aplica un filtro pasa bajos el cual limita las entradas de frecuencia

mayor a 1,3Hz y un filtro pasa altos el cual las señales de entrada con valores de continua. Vidal-

Silva y Pavesi-Farriol [II.8] implementaron filtros digitales utilizando un filtro pasa alto sencillo,

la mayor parte de estos filtros se denominan Filtros de Lynn y son descritos en [II.24]. Aplicados

al procesamiento de señales electrocardiográficas los Filtros de Lynn tienen una versión Pasa

Alto y Pasa Bajo [II.25 y II.26]. Por lo contrario Escudero y colaboradores [II.27] dejaron a un

lado la etapa de filtro ya que los electrodos utilizados, entregan señales definidas que no

necesitan de este proceso, en la figura II.10 se ejemplifica de manera general, el cambio

respectivo en la etapa de filtrado de la señal censada.

Figura II.10.- Señal bioeléctrica censada, a) sensor, b) adecucaión de la señal, y c) procesador

V

t

0

V

-

V

+

t

V

0

V

t 0

V

-

V

+

a) b) c)

Capítulo II 30



II.3.2.- Electrodos

Al observar la medida de un electrocardiograma (ECG) o el resultado de alguna otra forma de

potencial bioeléctrico, se puede determinar fácilmente la conclusión de que los electrodos de

medida son sencillamente puntos de contacto o terminales con los que se obtienen tensiones

eléctricas en la superficie del cuerpo, además, la pasta electrolítica o gel empleado

frecuentemente en tales medidas podría considerarse que se aplica solo con la finalidad de reducir

la impedancia de la piel para disminuir la impedancia total de entrada del sistema. Sin embargo,

esta conclusión es incorrecta y no satisface la teoría que explica el origen de esos potenciales

bioeléctricos.

Hay que tener en cuenta, que los potenciales bioeléctricos generados en el organismo son

potenciales iónicos producidos por flujos de corrientes iónicas. La medida eficiente de esos

potenciales iónicos requiere que sean convertidos en potenciales electrónicos antes de que se

puedan medir con métodos convencionales.

Fue la realización de este hecho lo que llevo al desarrollo de los instrumentos de medidas

modernas, estables, libres de ruido, de que se dispone actualmente.

Los dispositivos que convierten los potenciales iónicos en potenciales electrónicos se denominan

electrodos. La teoría de electrodos y los principios que rigen en su diseño son inherentes a una

compresión de la medida de potenciales bioeléctricos. Esta misma teoría también se aplica a los

electrodos utilizados en transductores químicos, como los empleados para medir el pH, Po2 y Pco2

de la sangre. Para medir fenómenos bioeléctricos se pueden utilizar una amplia variedad de

electrodos pero casi todos se pueden clasificar como pertenecientes a uno de tres tipos básicos:

Micro electrodos.- Electrodos utilizados para medir potenciales bioeléctricos cerca o

dentro de una célula.

Electrodos superficiales.- Electrodos utilizados para medir potenciales ECG, EEG y

EMG en la superficie de la piel.

Capítulo II 31



Electrodos de aguja.- Electrodos utilizados para atravesar la piel y registrar

potenciales EEG en una región local del cerebro o potenciales EMG en un grupo de

músculos específicos.

Figura II.11.- Electrodos superficiales

II.4.- Control inteligente

El incremento de las demandas tecnológicas en la actualidad, ha generado sistemas muy

complejos que requieren controladores altamente sofisticados para asegurar alto desempeño

dentro de condiciones adversas. Estas y otras condiciones de control no se pueden cumplir con

controladores convencionales, debido principalmente a la falta de conocimiento preciso acerca

del proceso que desea controlar. La adquisición de conocimiento adecuado del sistema en

ocasiones es problemática o impráctica debido a la complejidad del sistema y al hecho de que la

estructura y los parámetros en muchos sistemas cambian de manera significativa e impredecible

con el tiempo. Es bajo estas condiciones en donde se utilizan las técnicas del control inteligente.

El control inteligente es una generalización del concepto de control y se puede ver como un

campo dentro de la disciplina de control. El control inteligente [II.28] es la disciplina donde los

métodos de control se desarrollan para emular algunas características importantes del ser

humano. Estas características incluyen adaptación y aprendizaje, planeación bajo gran

incertidumbre y el trabajo con gran cantidad de datos.

Las metodologías de control inteligente están siendo aplicadas a la robótica, las comunicaciones,

la manufactura, el control de tráfico, por mencionar algunas pocas. Las áreas donde se está

Capítulo II 32



realizando trabajo alrededor del control inteligente son: redes neuronales, control difuso,

algoritmos genéticos, sistemas de planeación, sistemas expertos y sistemas híbridos.

Un sistema de control inteligente debe ser autónomo; esto significa que tiene el poder de

autogobernarse. Existen varios grados de autonomía: un controlador totalmente autónomo debería

tener la habilidad de aún reparar su propio hardware si uno de sus componentes falla. Un control

fijo convencional se considera con un bajo grado de autonomía; un control adaptivo convencional

tiene un alto grado de autonomía. La autonomía es el objetivo en los sistemas de control

complejos y los controladores inteligentes son una manera de lograrlo.

Los sistemas de control convencionales se diseñan usando los modelos matemáticos de sistemas

físicos. Se selecciona un modelo matemático que captura el comportamiento de la dinámica de

interés y entonces se aplican las técnicas de diseño. Tal vez ayudados por sistemas CAD, para

diseñar el modelo matemático apropiado del controlador. Luego se realiza el controlador ya sea

en hardware o en software en el sistema físico. Este procedimiento puede llevar varias iteraciones

hasta lograr el mejor comportamiento. El modelo matemático de la planta deberá ser “bastante

simple” para que pueda ser analizado con técnicas matemáticas disponibles y “bastante exacto”

tal que describe los aspectos importantes y relevantes del comportamiento de la planta se

aproxima en las vecindades de un punto de operación para hacer más sencillo el diseño del

controlador.

Esto significa que los controladores pueden diseñarse para cumplir las especificaciones alrededor

de un punto de operación, donde el modelo lineal es válido. En sistemas de control con alto grado

de autonomía se necesita incrementar significativamente el rango de operación.

La complejidad del modelo de un sistema dinámico y la demanda creciente de funcionamiento,

hacen necesario el uso de controladores más complejos y sofisticados. La forma en cómo se

incrementa la complejidad de un controlador se puede describir de la forma siguiente.

Capítulo II 33



En el nivel más bajo, el control retroalimentado determinístico basado en la teoría de control

convencional se utiliza para las plantas que pueden ser representadas con modelos lineales más

simples que son esencialmente, buenas aproximaciones al comportamiento real. Si se incrementa

la complejidad de la planta, los controladores necesitarán estimadores de estado. Si se incrementa

la señal de ruido, se necesitan filtros Kalman u otros tipos de filtros. Si se requiere completar una

tarea de control en un tiempo mínimo, se utilizan técnicas de control óptimo. Cuando hay

características cuantificables estocásticas en la planta, se usa la técnica de control estocástico. Si

hay variaciones significativas en los parámetros de la planta, tal que la teoría del control robusto

sea inapropiada, se emplean técnicas de control adaptivo.

Para plantas aún más complejas es necesario usar control de aprendizaje o auto-organizado

[II.29]. En el nivel más alto de jerarquía, la complejidad de la planta es tal y las especificaciones

son tan demandantes que se usan técnicas de control inteligente. Se cambia a controladores más

sofisticados solamente si los simples no pueden lograr los objetivos buscados. La necesidad de

usar control autónomo inteligente se origina de la necesidad por incrementar la habilidad de

tomar decisiones autónomas para ejecutar tareas complejas de control.

Aunque el proceso donde se aplicarán estos controladores, en este trabajo de tesis, no es un

proceso muy complejo, tiene algunos elementos no lineales que pueden ser un buen ejercicio para

aplicar los esquemas de control inteligente.

II.5.- Prótesis Electromecánicas de Mano

Las primeras prótesis mioeléctricas que se fabricaron para pacientes amputados del antebrazo,

tienen origen en Rusia en el año de 1960, las cuales lograban una fuerza prensora de 2kg. Años

más tarde, fueron Jacobson, Wood y Biggers quienes en 1984, desarrollaron la mano robótica

UTAH-MIT, que contaba con un sistema de cilindros neumáticos para los movimientos del pulgar

y los tres dedos restantes que poseía, contando con cuatro grados de libertad para cado dedo

[II.30].

Capítulo II 34



Figura II.12.- Prótesis UTAH-MIT

En el año 2001 el prototipo presentado por Butterfab, Hirzinger, Grebenstein y Liu, presentaba

una estructura de esqueleto abierto por lo que se disponía de mayor facilidad para acceder a los

circuitos electrónicos de la mano. La palma poseía actuadores, sensores y torque para cada dedo,

figura II.13 [II.31].

Figura II.13.- Prótesis DLL-HAND II

Capítulo II 35



En 2003, fue presentada la mano de Canterbury la cual cuenta con 2.25 grados de libertad en

cada dedo, utiliza motores de corriente directa; sin embargo el mecanismo extensor de los dedos

es común para los cuatro exceptuando el pulgar, de ellos que sus grados de libertad se expresen

con un 0.25 adicional [II.32].

Figura II.14.- Prótesis de Canterbury

En 2004 fue desarrollado por Pylatiuk y colaboradores el diseño de un sistema hidráulico con 8

actuadores en las articulaciones de los dedos, permitiendo la sujeción puntual, gancho lateral y la

operación de un teclado con el dedo índice extendido [II.33].

Figura II.15.- Prótesis desarrollada por Pylatiuk y colaboradores

Capítulo II 36



Un año más tarde Ueda, Ishida, Kongo y Ogasawara desarrollaron la prótesis de mano NAIST

con sensores táctiles y un control de fuerza de agarre por margen de deslizamiento que era

controlada por tres motores [II.34].

Figura II.16.- Prótesis NAIST

Desde 2007, una mano biónica totalmente funcional, controlada con la mente y músculos del

paciente se encuentra en el mercado. La prótesis es capaz de mover el pulgar y los dedos de la

misma forma que una mano humana. Llamada I-Limb, su diseño y fabricación se atribuyen a

TouchBionics, y ha sido probada por diversos soldados estadounidenses que perdieron miembros

en la guerra de Irak. Las señales mioeléctricas son captadas mediante electrodos de superficie,

por lo que no requiere métodos invasivos para la ejecución de los movimientos.

Figura II.17.- Prótesis I-Limb

Capítulo II 37



Posteriormente, se presentó la versión mejorada, llamada I-Limb Ultra, la cual, al igual que la

anterior, consta de un pulgar y muñeca que giran manualmente, dedos articulados activados de

manera individual que ejercen una fuerza proporcional a la señal de entrada. Las innovaciones en

este dispositivo son: una fuerza de agarre variable dígito a dígito, selección de gestos que permite

al paciente crear gestos personalizados, posee un modo de entrenamiento, modo automático de la

mano y evaluación de señales. Cuenta con cambio de posición automático a su posición natural,

después de un tiempo de inactividad, ahorro de energía que permite extender el uso diario de la

batería hasta en un 25% [II.35].

Figura II.18.- Prótesis I-Limb Ultra

Sin embargo en México, desde 1940 los llamados mecánicos ortopedistas se centraban en la

producción y adaptación de elementos protésicos que eran destinadas a la población nacional de

pacientes amputados, debido a la demanda, en 1959 se fundó el Instituto Mexicano de

Rehabilitación que ofrecía la carrera de Formación de Técnicos en el Diseño, Fabricación y

Adaptación de Prótesis y Aparatos Ortopédicos, posteriormente se fundó la Asociación de

Prótesis y Ortesistas de la República Mexicana A. C. que desde 1997 tomó el nombre de

Sociedad Mexicana de Ortesistas y Protesistas A. C. [II.36].

Capítulo II 38



La primera institución escolar que incluyó la carrera de Ingeniería Biónica, fue el Instituto

Politécnico Nacional en 1996, al fundar la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y

Tecnologías Avanzadas (UPIITA), permitiendo así el desarrollo de tecnología e investigación a

nivel nacional; prueba de ellos es la empresa mexicana Probionics cuyo director general es

egresado de dicha institución escolar y ha logrado desarrollar un brazo biónico con la ejecución

de los movimientos de pronación, supinación y agarre en forma de pinza [II.37].

Figura II.19.- Prótesis desarrollada por Probionics

Por su parte, en el Centro de Diseño Mecánico e Innovación Tecnológica de la Facultad de

Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, desarrolló en 2003 una prótesis que

se basa en los tres arcos que se forman en la extremidad cuando ésta se mueve y posee un

mecanismo para la oposición y flexión del pulgar. Todos los movimientos de la mano son

combinaciones básicas de cinco prensiones: en gancho, en punta fina, en bola, y en puño. En

todas las posiciones, el pulgar se queda fijo o se encuentra con los demás dedos [II.38].

Capítulo II 39



Figura II.20.- Prótesis diseñada en la UNAM

Siendo estos casos los precursores del diseño de prótesis mioeléctricas en México y base para las

investigaciones posteriores. Se considera de suma importancia el conocimiento de las técnicas

actuales y tecnologías en desarrollo, para tener una visión clara de los alcances del proyecto, así

como para ofrecer al paciente una alternativa viable en su adaptación después de algún incidente

que lleve a la pérdida del miembro superior.

II.6.- Sumario

En este capítulo se abordan los fundamentos del proceso biológico en los músculos que genera

los pulsos eléctricos necesarios para el movimiento del músculo. Así como, las etapas de captura,

y procesamiento de dichas señales electromiográficas para su posterior utilización.

Capítulo II 40



II.7.- Referencias

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señales electrocardiográficas; Revista de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de

Tarapacá, Vol. 13, No. 1, pp 39-46, 2005.

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y prótesis inteligentes, Revista Digital Universitaria UNAM, Vol. 6, No. 1, pp 1-15, 2004.

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Capítulo II 41



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Capítulo II 42



23.- López, N., Soria, C., Orosco, E., di Sciascio, F. y Valentinuzzi, M., Control mioeléctrico

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Capítulo II 43



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38.- Dorador-González, J. M., Robótica y prótesis inteligentes, Revista Digital Universitaria, Vol.

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El capítulo inicia

describiendo el concepto

de creación de prototipos

mediante la impresión de

modelos 3D por medio de

manufactura asistida por

computadora. Muestra la

forma de diseñar cada

una de las piezas que

darán en conjunto la

forma a la prótesis de la

mano.

CAPÍTULO III

Diseño a Detalle de la

Prótesis de Mano

Capítulo III 45



III.1.- Diseño a detalle de la prótesis de mano

El objetivo del presente capítulo es mostrar el diseño del prototipo a partir del uso de programas

computacionales especializados. El diseño asistido por computadora conocido por sus siglas en

inglés como CAD (Computer Aided Design) es utilizado recurrentemente en los distintos ramos

de la ingeniería. En la actualidad existe una gran variedad de opciones de programas de cómputo

al momento de realizar un diseño.

En el diseño de una prótesis se debe tomar en cuenta el aspecto funcional, eléctrico y mecánico,

así como la cuestión estética y económica, ya que se trata de un elemento que acompañará al

paciente en su vida cotidiana. Por lo que es de suma importancia que la prótesis sea cómoda y

útil, además de que permita su recuperación psicológica del paciente debido al traumatismo y su

reinserción a sus labores cotidianas de manera exitosa.

Dentro del diseño de modelos esquemáticos de manos multi-articuladas, la posición relativa que

representa la orientación de los dedos permite desarrollar con mayor eficiencia los diferentes

tipos de agarres, (tipo cilíndrico, puntual, de gancho, palmar, esférico y lateral).

III.2.- Requisitos de diseño

Posteriormente al traumatismo sufrido por la pérdida de un miembro, gran parte de la

recuperación del paciente se debe a la movilidad que aporte la prótesis, para ello, es necesario

considerar el número de grados de libertad con el que cuenta la prótesis, sin dejar de lado el peso

de la misma, ya que cuanto más ligera sea, el paciente requerirá menos fuerza para su

manipulación y así se evita cansancio y que la prótesis se vuelva un miembro más estorboso que

funcional.

De acuerdo al nivel de amputación se pueden encontrar distintos tipos de prótesis, para

amputaciones a nivel pulgar o cualquiera de los demás dedos, de la mano completa, por debajo o

por arriba del codo, en este caso de estudio se tomará una amputación de la mano completa a

nivel de la muñeca. La mano tiene 7 movimientos (abducción, aducción, flexión, extensión,

pronación, supinación y oposición). Y 6 configuraciones de agarres propuestas por Schlesinger

Capítulo III 46



en 1919, quien las clasificó como agarre cilíndrico (Cylindrical Grasp), de punta (Tip), de gancho

(Hook o Snap), de plama (Palmar), esférico (Spherical Grasp) y de lado (Lateral) [III.1].

Figura III.1.- Tipos de agarre de la mano

Al hablar de construcción de prótesis, se habla de una amplia gama de materiales para su

elaboración. En el mercado se encuentran prótesis de poliuretano, titanio, madera, aluminio,

Agarre

De precisión De fuerza

Prensil

Agarre lateral Circular

Oblicuo Puntual

Esférico

Palmar Gancho

Agarre de potencia

Prismático

Cilíndrico completo

Cilíndrico parcial

Capítulo III 47



silicona, polietileno, polipropileno, neopreno, entre otros materiales livianos y resistentes que

permiten ser moldeados y adaptados a las necesidades del paciente, esto con el fin de no causar

molestias, alergias o roces en la piel con el dispositivo que sea colocado.

Otro aspecto de suma importancia en la selección de materiales que se debe considerar son las

propiedades mecánicas, debido a que el sistema músculo-esquelético, junto con el movimiento,

promueven fuerzas considerables para la prótesis. Debido a que las superficies de la articulación

están en contacto, y tienen un movimiento relativo entre ellas. Una de las consecuencias del

desgaste en las superficies de los implantes es la generación de partículas de desecho. La

acumulación de estas partículas en los tejidos circundantes de la articulación puede causar

inflamación y dolor [III.2].

III.3.- Proceso de diseño de la parte mecánica del prototipo de la prótesis

Una forma de facilitar la fabricación de piezas complejas es por medio de impresión 3D, técnica

que emplea un grupo de tecnologías para la fabricación por medio de la sucesiva adición de capas

de material, la cual a diferencia de las técnicas comunes por arranque de viruta, utilizan la

aproximación de las superficies de los modelos previamente creados en computadora para su

exportación en los equipos de impresión.

Figura III.2.- Ejemplo de prótesis de mano elaboradas con impresoras 3D

Capítulo III 48



En los últimos tiempos, ha tenido un auge increíble la construcción de diferentes dispositivos

elaborados con impresoras 3D debido al su bajo costo de producción, y las prótesis no han sido la

excepción de incursionar en diseños elaborados en dichas impresoras tridimensionales,

principalmente las exoprótesis de alguna extremidad del cuerpo. Ya que estas no necesitan de una

gran compatibilidad biológica con el paciente ya que su colación es superficial. Esta

característica principal en cuanto al bajo costo es la razón por la que en este proyecto se tomará

como materia prima el uso de la impresora 3D, así como su ligereza, rigidez y facilidad de

moldear.

III.3.1.- Modelado del prototipo por computadora

Observando un modelo anatómico de la mano humana y tratando de imitar las medidas

antropomórficas de dicha extremidad, se generaron los diseños por separado de cada una de las

piezas necesarias para dar forma a la prótesis. Contando cada uno con las medidas deseadas,

tomando como consideración la mano de un paciente adulto. El modelado de la mano fue

realizado mediante el software Solid Works® 2014 versión estudiantil.

La creación de los planos de diseño para cada una de las piezas, permiten que cualquier persona

ajena al proceso de elaboración del prototipo logre entender el montaje y funcionamiento del

dispositivo completo. Este proceso involucra el plasmar a detalle cada una de las partes que

conforman el mecanismo, pieza por pieza y elemento por elemento, que conformaran el prototipo

final, especificando las dimensiones de cada una de ellas, para permitir definir completamente su

geometría. Así como también, se debe de tomar en cuenta el seleccionar el conjunto de vistas

necesarias para poder mostrar las características de cada pieza, logrando hacer uso de vistas

auxiliares de superficies no descritas en las vistas principales, que revelen una complicada

construcción interior.

Para la agilización de este trabajo, se tomó como base el modelo realizado por Aguilar en [III.3]

en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica unidad Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional (SEPI ESIMEZ IPN);

optimizando la geometría antropométrica para generar un mayor realismo y exactitud de los

agarres de mano, que la prótesis puede generar.

Capítulo III 49



Figura III.3.- Planos de la prótesis de la mano 3D

III.4.- Modelado de los dedos índice, medio, anular y meñique de la prótesis de mano

Para la realización de manera simplificada el modelo total de la mano, se decidió tomar como

base un solo modelo correspondiente a cada falange de los dedos índice, medio, anular y

meñique. Así con una sola pieza y eslabones de unión solucionadas, se podría generar los de los

cuatro dedos en cuestión, únicamente repitiendo el mismo modelo. Para emular de manera un

poco más cercana a las dimensiones de la realidad y poder generar de manera más simétrica los

agarres realizados por los dedos de la mano, se buscó la diferencia de cada dedo en la altura a la

que están sujetos en la zona palmar, así aunque en dimensiones de piezas son similares, en el

espacio del ensamble final, cada dedo tendrá su propia referencia de altura.

Capítulo III 50



Simplificando en el modelo de los dedos índice, medio, anular y meñique, se decidió tomar como

una sola pieza unida e inmóvil las falanges distal y medial entre sí, proporcionando únicamente

un ligero ángulo de contracción entre ellas de 20° con respecto al eje de la falange anterior.

Figura III.4.- Diseño de la falange distal y medial para el dedo índice, medio, anular y meñique

Para dar movimiento a los dedos se unieron las falanges mediante eslabones sujetos a las

articulaciones entre estas, simulando los tendones biológicos de los dedos, repitiendo este

elemento en cada uno de los demás dedos. En la falange proximal se utilizó el mismo sistema de

unión mediante eslabones para conectarlo con la estructura del dorso, y los actuadores que

generarán el movimiento de cada uno de los dedos de manera independiente, a excepción del

dedo pulgar, ya que este tiene un sistema de movimiento diferente al de los demás dedos.

Figura III.5.- Sistema de sujeción y movimiento de las falanges

Pasadores de

movimiento Pasadores de

sujeción

Capítulo III 51



III.4.1.- Diagrama geométrico del ensamble de dedo índice, medio, anular y meñique para

la prótesis de mano

Para poder determinar el espacio geométrico ideal que puede ser alcanzado por un conjunto de

eslabones que formarán las distintas dimensiones antropométricas de una mano y compararlas

con respecto al modelo geométrico computarizado que permitirá dimensionar cada uno de los

componentes dentro de la prótesis de la mano, fue empleado como base el procedimiento

sistemático para describir la estructura articulada constituida por articulaciones con un solo grado

de libertad, propuesta por Denavit & Hartenberg. Donde a cada articulación se le asigna un

sistema de referencia local con un origen en un punto Qi y ejes ortonormales Xi, Yi, Zi,

comenzando con un primer sistema de referencia fijo e inmóvil anclado en un pinto fijo de la

base sobre la que está montada toda la estructura de la cadena [III.4].

Figura III.6.- Ejemplo de estructura junto con sus articulaciones y sus ejes de rotación

La solución del problema cinemático directo consiste en encontrar las relaciones matemáticas que

permiten establecer la localización espacial del extremo de la cadena cinemática del robot a partir

de los valores de sus coordenadas articulares en cualquier momento [III.5]. En general, una

cadena cinemática de n grados de libertad se encuentra formada por n eslabones unidos entre sí

por n articulaciones, de manera que cada conjunto de articulación- eslabón constituye un grado

de libertad (GDL) [III.6].

Articulación 1

Articulación 6

Articulación 5

Articulación 3

Articulación 2

Articulación 4

Base

Z0

Z3

Z2

Z1

Z6

Z5

Capítulo III 52



Las articulaciones se numeran desde 1 hasta n. A la articulación i-ésima se le asocia con su

propio eje de rotación como Eje Zi-1, de forma que el eje de giro de la primera articulación es Z0.

Es importante tomar en consideración que el conjunto de parámetros que determinan totalmente

el sistema de referencia de la articulación son:

ϴj: Es el ángulo que indica una rotación a lo largo del eje Z.

αj: Es el ángulo que indica una rotación a lo largo del eje X.

dj: Permite indicar una distancia a lo largo del eje Z.

aj: Permite indicar una distancia a lo largo del eje X.

Donde j representa el número de la articulación o cuerpo.

Además de que este método indica si la articulación es activa (tiene movimiento independiente de

las demás articulaciones) o pasiva (si su movimiento es limitado por el movimiento de alguna

otra articulación), con el símbolo µj.

Tomando en cuenta el modelo simplificado le prótesis de la mano el cual se basa del dedo índice

al meñique en igualdad de medidas en sus mecanismos y la fijación entre la falange distal y

medial, se tiene que los cálculos de la síntesis del mecanismo será similar para los dedos índice,

medio, anular y meñique, teniendo una rotación nula en la falange distal y medial con ángulo fijo

despreciable, ya que se evaluará como un solo eslabón completo a estas dos falanges.

Figura III.7.- Sistema de referencias de los eslabones en el modelo del dedo diseñado

L1

L3 L2

Capítulo III 53



III.4.2.- Síntesis del mecanismo para los dedos índice, medio, anular y meñique

Un mecanismo se define como un conjunto de elementos rígidos llamados eslabones,

ensamblados entre ellos por medio de uniones que les permiten generar movimientos relativos

entre sí, denominados pares cinemáticos. [III.7]. La síntesis de mecanismos, por tanto, consiste en

la correcta elección de los eslabones y los pares de unión entre ellos para que en conjunto realicen

el trabajo previsto.

Existen diversos tipos de síntesis de mecanismos como la síntesis de tipo, de número o

dimensional, la cual tiene otras sub-clasificaciones como síntesis de generación de funciones, de

generación de trayectorias, de puntos de precisión, y síntesis de guiado de cuerpo rígido. Debido

a que el dedo es ya en si un mecanismo natural sintetizado no es necesario realizar un proceso

complejo para la síntesis de algún modelo protésico de dedo, únicamente dimensionar

debidamente, localizar y señalar correctamente las articulaciones y sus ejes y rotaciones. Por lo

que para el modelo tridimensional del mecanismo del dedo en este trabajo, el sistema de

referencias quedaría ejemplificado en la siguiente figura.

Figura III.8.- Representación geométrica para el dedo índice, medio, anular y meñique

Donde Li representa la longitud del eslabón i, y ϴi el ángulo de la articulación i.

ϴ3

ϴ4

ϴ2

X3

X0, X1

Z3

Z1

Z2

Z4

X2

X4

L4

L3

L2

ϴ0

Z0

Capítulo III 54



III.4.3.- Solución al modelo cinemático directo mediante el uso del sistema matricial de

Denavit & Hartenberg para los dedos índice, medio, anular y meñique del modelo protésico

Con la representación geométrica de los eslabones del mecanismo del dedo, es posible completar

la tabla de los valores necesarios para la resolución del método matricial.

Tabla III.1.- Parámetros de Denavit & Hartenberg

Articulación

j µj θj αj dj aj

1 1 θ0 90° 0 0

2 1 θ1 0 0 L1

3 0 θ2 0 0 L2

4 0 θ3 0 0 L3

Utilizando la representación de Denavit-Hartenberg, la matriz de transformación homogénea

para un mecanismo de 4 GDL mostrado en el sistema geográfico [III.8], se define como:

𝑇40 = 𝐴1

0𝐴21𝐴3

2𝐴43 III.1

Donde 𝐴𝑗𝑗−1

representa la matriz de transformación del eslabón i-1 a 1, por lo que siguiendo el

procedimiento descrito por Denavit-Hartenberg, se realiza la transformación de acuerdo a:

𝐴𝑗𝑗−1

= T(Z, θj)T(0,0, dj)T(aj, 0,0)T(x, αj) III.2

Estas transformaciones básicas consisten en una sucesión de rotaciones y traslaciones que

permitan relacionar el sistema de referencia del elemento i con el sistema del elemento i-1. Las

transformaciones en cuestión son las siguientes:

Rotación alrededor del eje Zi-1 con un ángulo θ1.

Traslación a lo largo de Zi-1 una distancia di; vector di (0, 0, di).

Traslación a lo largo de Xi una distancia ai; vector ai (ai, 0, 0).

Capítulo III 55



Rotación alrededor del eje Xi con un ángulo α1.

De esta manera la representación de las matrices 𝐴𝑗𝑗−1

, serán las siguientes:

𝐴𝑗𝑗−1

= [

cos θ −cos α sin θsin θ cos α cos θ

sin α sin θ ai cos θ−sin α cos θ ai sin θ

0 sin α0 0

cos α di

0 1

] III.3

Finalmente las matrices para cada eslabón son:

Eslabón 0 𝐴10 = [

C0 0S0 0

𝑆0 0−𝐶0 0

0 10 0

0 00 1

] III.4


C1 −S1

S1 C1

0 L1C1

0 L1S1

0 00 0

1 00 1

] III.5


C2 −S2

S2 C2

0 L2C2

0 L2S2

0 00 0

1 00 1

] III.6


C3 −S3

S3 C3

0 L3C3

0 L3S3

0 00 0

1 00 1

] III.7

Donde Cn = cos θn, Sn = sin θn, con n = 0,1,2,3

Lo que finalmente permite obtener la representación del modelo cinemático directo, definido por

la matriz de transformación 𝐴40.

Capítulo III 56



Abreviando los términos de la matriz 𝐴40 para una visualización y resolución más cómoda, se

tiene que:

𝐶12 = cos(θ1 + θ2) III.8

𝐶123 = cos(θ1 + θ2 + θ3) III.9

𝑆12 = sin (θ1 + θ2) III.10

𝑆123 = sin (θ1 + θ2 + θ3) III.11

𝐴30 = 𝐴1

0𝐴21𝐴3

2𝐴43 = [

C0C123 −C0S123

S0C123 −S0S123

S0 C0(𝐿1𝐶1 + 𝐿2𝐶12 + 𝐿3𝐶123)

−C0 S0(𝐿1𝐶1 + 𝐿2𝐶12 + 𝐿3𝐶123)S123 C123

0 00 𝐿1𝑆1 + 𝐿2𝑆12 + 𝐿3𝑆123

0 1

] III.12

De esta manera la matriz de transformación está representada como:

𝑇30 = 𝐴1

0𝐴21𝐴3

2 = [𝑛 𝑜 𝑎 𝑝] = [

𝑛𝑥 𝑜𝑥

𝑛𝑦 𝑜𝑦

𝑎𝑥 𝑝𝑥

𝑎𝑦 𝑝𝑦

𝑛𝑧 𝑜𝑧

0 0𝑎𝑧 𝑝𝑧

0 1

] III.13

Donde el vector de posición está definido por los elementos de p, la matriz de rotación la

constituyen los componentes o y a. Teniendo que:

𝑛𝑥 = cos θ0 cos(θ1 + θ2 + θ3) III.14

𝑛𝑦 = sin θ0 cos(θ1 + θ2 + θ3) III.15

𝑛𝑧 = sin(θ1 + θ2 + θ3) III.16

𝑜𝑥 = − cos θ0 sin(θ1 + θ2 + θ3) III.17

𝑜𝑦 = − sin θ0 sin(θ1 + θ2 + θ3) III.18

𝑜𝑧 = cos(θ1 + θ2 + θ3) III.19

𝑎𝑥 = sin θ0 III.20

𝑎𝑦 = −cos θ0 III.21

Capítulo III 57



𝑎𝑧 = 0 III.22

𝑝𝑥 = cos θ0 [𝐿1 cos θ1 + 𝐿2 cos(θ1 + θ2) + 𝐿3cos(θ1 + θ2 + θ3)] III.23

𝑝𝑦 = sin θ0 [𝐿1 cos θ1 + 𝐿2 cos(θ1 + θ2) + 𝐿3cos(θ1 + θ2 + θ3)] III.24

𝑝𝑧 = 𝐿1 sin θ1 + 𝐿2 sin(θ1 + θ2) + 𝐿3sin(θ1 + θ2 + θ3) III.25

Esta ecuación final III.13, se representa la cinemática directa del conjunto de eslabones que

componen a los dedos meñique al índice, será utilizada como base de estudio para el ensamble

del dedo adaptando a los valores del modelo de la prótesis de mano, recordando que para este

modelo protésico únicamente se maneja un eje rotacional equivalente al movimiento de

contracción y flexión de los dedos con respecto a la palma de la mamo, el modelo diseñado en

este trabajo, no cuenta aún con el sistema móvil que permita el movimiento de abducción y

aducción entre los dedos de la mano.

III.4.4.- Solución al modelo de cinemática inversa para los dedos índice, medio, anular y

meñique del modelo protésico

El objetivo del problema cinemático inverso consiste en encontrar los valores que deben de

adoptar las coordenadas articuladas del mecanismo 𝑞 = [𝑞1, 𝑞2, 𝑞3, … , 𝑞𝑛]𝑇 para que su extremo

se posicione y oriente según una determinada localización espacial [III.9].

Para obtener el modelo cinemático inverso se usa de un enfoque algebraico utilizando el método

de las matrices de transformación homogénea. Partiendo de una matriz de transformación de toda

la cadena cinemática T, que expresa las coordenadas articuladas del sistema, comúnmente deben

ser invertidas para obtener la solución al problema, frecuentemente las soluciones no son únicas.

Se desacoplan sus términos por medio de la siguiente operación:

(𝐴10)−1𝑇4

0 III.26

Se tiene como inicio la matriz de rotación del eslabón unido a la base, es designada como su

matriz de transformación inversa, tomando el ángulo θ0 como el ángulo fijo con respecto a la

base del dedo

Capítulo III 58



(𝐴10)−1 = [

C0 S0

0 00 01 0

𝑆0 −𝐶0

0 00 00 1

] III.26

Abreviando los términos de la matriz 𝑇40 para una visualización y recordando que Cn =

cos θn, Sn = sin θn, con n = 0,1,2,3, se tiene que:

(𝐴10)−1𝑇3

0 = [

C123 −S123

𝑆123 𝐶123

0 𝐿1𝐶1 + 𝐿2𝐶12 + 𝐿3𝐶123

0 𝐿1𝑆1 + 𝐿2𝑆12 + 𝐿3𝑆123

0 00 0

1 00 1

] III.27

De la matriz anterior se obtienen los ángulos θ0, θ1, θ2, θ3, mediante las ecuaciones de la cuarta

columna, ya que θ0 es fijo, se despreciara el cálculo de este ángulo para este caso de estudio. A

partir de la resolución de las siguientes ecuaciones:

𝐶0𝑝𝑋 + 𝑆0𝑝𝑦 = 𝐿1𝐶1 + 𝐿2𝐶12 + 𝐿3𝐶123 III.28

𝑝𝑧 = 𝐿1𝑆1 + 𝐿2𝑆12 + 𝐿3𝑆123 III.29

A partir de la resolución de estas ecuaciones y haciendo uso de las identidades trigonométricas se

senos y cosenos, obtenida la siguiente consideración:

[𝑝𝑍 − 𝐿3𝑆123]2 + [𝐶0𝑝𝑋 + 𝑆0𝑝𝑦 − 𝐿3𝐶123]2

= 𝐿32 + 2𝐿2𝐿3𝐶2 + 𝐿2

2 III.30

Despejando y deduciendo que:

𝑆2 = √1 − 𝐶22 III.31

Se puede expresar que:

Capítulo III 59



𝜃2 = tan−1 (𝑆2

𝐶2) III.31

Para calcular 𝜃1. Se aplicará las mismas ecuaciones solo que se reordenan para poder obtener la

ecuación deseada, lo cual al finalizar la resolución y despeje de la ecuación, se obtiene que:

𝐶1 =[𝐿2𝐶2+𝐿1][𝐶0𝑝𝑋+𝑆0𝑝𝑦−𝐿3𝐶123]+[𝑝𝑍−𝐿3𝑆123][𝐿2𝐶2]

[𝐿2𝐶2+𝐿1]2+[𝐿22𝑆2

2] III.32

Por lo que 𝜃1 se expresa como:

𝜃1 = tan−1 (𝑆1

𝐶1) III.33

Por último, para obtener el ángulo 𝜃3 se despeja de la siguiente formula 𝜃123 = 𝜃1 + 𝜃2 + 𝜃3 y

el valor de 𝜃3se representa con la ecuación:

𝜃3 = 𝜃123 − 𝜃2 − 𝜃1 III.34

Como ya se mencionó, se observa que 𝜃123 puede tomar diferentes valores para una misma

posición. Lo que representa que no existe una solución única para el problema de la cinemática

inversa, por lo tanto, para una posición dad es posible obtener múltiples soluciones para los

ángulos de articulación.

III.4.5.- Esquema del espacio de trabajo para el mecanismo de los dedos índice, medio,

anular y meñique

El espacio de trabajo de un sistema de eslabones móvil es considerado como el volumen

resultante del giro de cada una de las uniones del ensamble, limitado únicamente por su

geometría y el tipo de uniones que lo componen. Dentro de la definición de espacio de trabajo

existen algunos puntos importantes a tomar en consideración, tales como son:

Capítulo III 60



Espacio de trabajo permisible: Es el conjunto de posibles configuraciones que puede

adoptar el ensamblaje para alcanzar un punto en el espacio. Éste existe únicamente para

geometrías idealizadas, ya que los manipuladores reales tienen limitaciones de

movimiento debidas a diversos factores como el tamaño de los componentes, el espaciado

real y bordes de construcción o ensamblaje.

Máximo espacio de trabajo: Integrado por las posiciones límite que puede alcanzar la

estructura en análisis debido a sus limitaciones geométricas o mecánicas.

Espacio de trabajo general: Dentro de este espacio de trabajo se encuentra el conjunto

de orientaciones que son alcanzadas normalmente.

Utilizando las ecuaciones obtenidas mediante el cálculo de la cinemática directa para el ensamble

del dedo y tomando en consideración las restricciones de movimiento naturales de los ángulos de

los dedos de la mano, ejemplificados en la imagen, se obtuvo el diagrama del espacio de trabajo

para el ensamble protésico de dedo.

Figura III.9.- Representación espacial de las restricciones naturales en el movimiento del dedo

índice

Figura III.10.- Comparación de la representación del espacio de trabajo alcanzable por el

modelo con una articulación fija (color rojo), con respecto a la configuración espacial ideal

(color verde) [III.3]

90° 110° 45°

Capítulo III 61



Como se aprecia en la comparativa de espacio de trabajo, la diferencia entre el modelo con la

falange distal y medial unida, su margen de error con respecto al ideal es aceptable para este

proyecto y su simplificación, además considera que el ángulo es de 20 grados proporcionado

entre estas dos falanges es el que proporciona un sistema espacial más cercano al ideal.

Figura III.11.- Vista explosionada del modelo del dedo

III.5.- Diseño del modelo del dedo pulgar para la prótesis de mano

Para el dedo pulgar se dieron forma a las dos falanges, las cuales se controlan igualmente por un

servomotor para el proceso de contracción y retracción, y el hueso metacarpo que tiene como

diferencia que no utiliza el sistema de movimiento mediante arrastre de eslabones, sino un

sistema de dos engranes cónicos, previamente calculados en otros trabajos [III.10], los cuales

proporcionan el giro necesario para el cierre y apertura del dedo pulgar. Dentro de la pieza que

representa al hueso metacarpo, se encuentra un motoreductor 1000:1, que será el generador de

movimiento de contracción entre las falanges del pulgar. El uso del sistema de engranes utilizado

en las prótesis de dedo pulgar, hace necesario el uso de este motoredcutor para transformar el giro

horizontal a su posición, en un torque vertical y se logre el movimiento deseado de la prótesis.

Capítulo III 62



Figura III.12.- Prototipo de ensamble del dedo pulgar

Figura III.13.- Vista explosionada del dedo pulgar

La colocación de este dedo es muy importante, ya que proporciona el 40% de funcionalidad de la

mano. Para la unión con el dorso de la palma, es importante considerar su eje rotacional propio,

el cual tendrá su propio sistema de movimiento mediante un servomotor, lo cual emulara el

movimiento de la oposición natural del pulgar, necesario para los diferentes tipos de agarres

básicos de la mano.

Figura III.14.- Sistema para movimiento de las falanges dedo pulgar

Motoreductor Sistema de

engranaje

Capítulo III 63



Figura III.15.- Sistema para movimiento de oposición del dedo pulgar

III.6.- Diseño del dorso y sistemas para la transición de movimiento y colocación de los

servomotores

El dorso de la mano tiene además de la función de dar soporte y estabilidad a los dedos de la

mano, servir como almacén de los servomotores y actuadores que darán el movimiento a los

dedos índice, medio, anular y meñique de la prótesis.

Los servomotores utilizados para generar el movimiento de los dedos, fueron dispuestos de

acuerdo al giro del motor, es decir, se colocaron en posición tal que se opusiera la menor

resistencia por parte de los actuadores y los mecanismos para obtener movimientos firmes sin

forzar al motor, realizándose diversas pruebas para observar la posición adecuada y precisar el

mejor funcionamiento en la simulación de los movimientos naturales de la mano.

Cada sistema de actuador y servomotor fue dibujado, también en el modelo CAD, para

especificar dimensiones y así diseñar el compartimiento que los sostendría, especificar su

ubicación y generar el dorso de la mano a razón de contener dichos elementos vitales para el

movimiento de la prótesis.

Flecha que transmite el

movimiento de

oposición del pulgar

Capítulo III 64



Figura III.16.- Esquema del compartimento para ensamble del actuador y servomotores

Figura III.17.- Esquema del ensamblaje de actuadores y servomotores

III.6.1.- Sistema de transmisión de movimiento

El dedo índice y medio de una mano humana ejercen una fuerza promedio de 50 a 60 N, mientras

que los dedos anular y meñique ejercerían una fuerza promedio de 25 a 35 N tal como se reporta

en [III.11]. Por otra parte, otro estudio realizado por Alcalde en General Motors® en España

demuestra que el dedo pulgar puede llegar a ejercer una fuerza promedio de 91 a 101.6 N [III.12].

La fuerza máxima ejercida por un dedo de manera individual por tanto disminuye en proporción

directa a los otros dedos participantes durante el agarre (Tabla III.2) [III.13].

Eslabones que

transmiten el

movimiento Eslabón conectado al

servomotor que genera

el movimiento

Capítulo III 65



Tabla III.2.- Fuerza promedio ejercida por los dedos en diferentes tipos de agarres

Tipo de agarre Fuerza ejercida (N)

Agarre puntual 23-73 N

Agarre lateral 37-106 N

Agarre cilíndrico

Con 1 dedo 30-109 N

Con 2 dedos 7-38 N

Con 3 dedos 23-73 N

Recurriendo al catálogo de servomotores de la compañía Hitech®, se reproducen a continuación

las características de los equipos accesibles al momento de realizar el presente trabajo.

Tabla III.3.- Comparativa entre servomotores disponibles en el mercado nacional

Modelo de

servomotor

Torque máximo

(kg*cm) Peso (g) Dimensiones (mm)

6 V 4.8 V Largo Ancho Espesor

HD-1711MG 3.5 3.0 19.5 29.5 11.6 30.2

HD-1160A 2.7 2.0 17 28 13.2 29.6

HD-1900A 1.5 1.2 9 22.9 12 27.3

HD-1440A 1.0 0.8 4.3 20.2 22.2 8.5

Tomando como datos de referencia los mostrados en la Tabla III.3, para el diseño de la prótesis

se utilizó el micro-servomotor análogo de propósito general, marca Power HD®, modelo HD-

1900A, principalmente por sus características de tamaño y fuerza, ver anexo A.

Figura III.18.- Servomotor HD-1900A de la marca Power HD®

Capítulo III 66



Figura III.19.- Plano acotado del servomotor HD-1900A

Tabla III.4.- Datos técnicos del servo-motor HD-1900A

Características Voltaje de trabajo

4.8 V 6.0 V

Corriente máxima sin carga 130 mA 140 mA

Corriente máxima con carga 670 mA 830 mA

Velocidad de operación 0.11 s/60° 0.08 s/60°

Torque máximo 1.2 kg-cm 1.5 kg-cm

Ángulo máximo de operación 180°±10°

Peso 9 gr

Rango del ancho de pulso 800->2000 µsec

De manera similar se recurrió al catálogo de micro-motoreductores de la marca Polulu® el cual

ofrece los siguientes modelos:

Tabla III.5.- Comparativa entre micro-motoreductores disponibles en el mercado nacional

Relación de

reducción

Velocidad

(R.P.M.)

Peso (g) Torque

(kg*cm)

Dimensiones (mm)

Largo Ancho Espesor

10:1 3000 10 0.28 24 10 12

30:1 1000 10 0.6 24 10 12

Capítulo III 67



50:1 625 10 1 24 10 12

100:1 320 10 1.8 24 10 12

150:1 200 10 3.2 24 10 12

250:1 120 10 4.3 24 10 12

298:1 45 10 2.9 24 10 12

1000:1 14 10.48 5 27.5 10 12

Fue utilizado un micro-motoreductor con una relación de engranes 1000:1 debido a que es el

motoreductor con mayor torque ofrecido comercialmente y cuyas especificaciones técnicas se

reproducen a continuación:

Tabla III.6.- Datos técnicos del micro-motoreductor 1000:1

Características Voltaje de trabajo

6.0 V

Velocidad de giro 14 rpm

Corriente máxima de operación

sin carga 40 mA

Corriente máxima de operación

con carga 360 mA

Torque máximo 5 kg-cm

Peso aproximado 11 g

El micro-motoreductor se escogió debido a las dimensiones geométricas que posee sin cercanas a

las dimensiones antropomórficas del pulgar, y a las dimensiones sintetizadas para el mecanismo.

Figura III.20.- Motoreductor utilizado 1000:1

Capítulo III 68



III.6.- Modelo tridimensional del prototipo de prótesis de mano

Una vez que fue determinado el número de piezas necesarias, así como el diseño individual de

cada una de ellas, fue necesario realizar el ensamble tridimensional, esto con el fin de detectar

posibles fallas en los ensambles, desfases de perforaciones o tolerancias erróneas entre las piezas.

Figura III.21.- Modelo tridimensional del ensamble de la prótesis de mano

Figura III.22.- Modelo tridimensional de la prótesis de mano comparado con mano real

Capítulo III 69



A continuación se ejemplifican diferentes tipos de agarres de la vida cotidiana con el prototipo

diseñado.

Figura III.23.- Emulación de agarre tipo gancho, utilizado para cargar cosas con asa

Figura III.24.- Emulación de agarre tipo lateral, utilizado al escribir

Capítulo III 70



Figura III.25.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar

Figura III.26.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar

Figura III.27.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener un vaso

Capítulo III 71



En la tabla III.7 y las figuras III.28 y III.29 se relacionan y describen las piezas necesarias para la

fabricación de modelo diseñado de la prótesis de mano.

Figura III.28.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano diseñada

1

2

4

3

5 8

9

11

18

12

19

21

17

20

22

23

28

30 29

35 33

34

42

45

49

48

Capítulo III 72



Figura III.29.- Vista explosionada del modelo completo de la prótesis de mano diseñada

Tabla III.7.- Listado de las piezas que comprenden el modelo diseñado

Número de señalización en el

esquema

Nombre de la pieza Número de piezas requeridas

1 Soporte Vertical 1

6

7

10

31

14

13

15

16

26

27

25

24

32

32

37

38

40

39 41

43

44

46

50

47

Capítulo III 73



2 Remache Servo 4

3 Servomotores 4

4 Círculo 4

5 Flecha Med 4

6 Perno A 2

7 Perno B 2

8 Tapa A 2

9 Tapa C 2

10 Deslizadera A 2

11 Deslizadera B 1

12 Deslizadera C 1

13 Conector Índice 1

14 Conector Medio 1

15 Conector Anular 1

16 Conector Meñique 1

17 Palma Modificada 1

18 Base Dedo 4

19 Nudillo 4

20 Remache C1 8

21 Remache C2 8

22 Tornillo A 10

23 Barra Conector 4

24 Remache A 4

25 Remache B 4

26 Remache D 4

27 Remache E 4

28 Proximal 4

29 Medio 4

30 Distal 4

31 Tapa Derecha 1

Capítulo III 74



32 Remache F 12

33 Soporte Carpo 1

34 Soporte Carpo Abajo 1

35 Servomotor HS 55 1

36 Círculo Carpo 1

37 FlechaCruzHS55 1

38 Pulgar Base 1

39 Tubo Carpo 1

40 Remache Pulgar Carpo 1

41 Pulgar Soporte MR 1

42 MR1000_1 1

43 Pulgar Engrane Proximal 1

44 Pulgar Eje 1

45 Pulgar Centro 1

46 Pulgar Proximal 1

47 Pulgar Union 1

48 Remache P1 1

49 Remache P2 1

50 Pulgar Distal 1

En el modelado tridimensional es importante considerar la creación de los remaches que servirán

de sujeción y posicionamiento del ensamble, pero en el modelo real estos remaches no pueden ser

impresos por las características de la impresora que no permite la impresión de piezas demasiado

pequeñas, por lo que se sustituyeron por pasadores de dimensiones similares a las de los

diseñados.

III.7.- Sumario

El capítulo inicia describiendo el concepto de creación de prototipos por medio de la impresión

de modelos 3D por medio de manufactura asistida por computadora. Muestra la forma de diseñar

cada una de las piezas que darán en conjunto la forma a la prótesis de la mano. Asimismo, se

Capítulo III 75



describe el porque de la simplificación de las falanges y del modelado de los dedos para índice,

medio, anular y meñique, así como los cálculos de la cinemática directa e inversa para este

modelo de ensamble. Se hace mención de los procesos de selección de los elementos de

transmisión de movimiento como motoreductores y servomotores a utilizar, y se describe el

diseño de los sistemas de eslabones que transmitirán el torque generado por los dispositivos

eléctricos. Por último, se ejemplifica algunos agarres disponibles con el modelo de la prótesis de

la mano.

Capítulo III 76



III.8.- Referencias

1.- Taylor, C. L. y Schwartz, R. J., The anatomy and mechanics of the human hand, National

Library of Medicine National Institutes of Health, Vol. 2 No. 2, pp 22-35, 1955.

2.- Ortega-Saenz, J. A., Álvarez-Vera, M. y Hernández-Rodríguez, M. A. L., Biotribological

study of multilayer coated metal-on-metal hip prostheses in a hip joint simulator, Wear of

materials, Vol. 301, Issues 1-2, pp 234-242, 2013.

3.- Aguilar-Pérez, L. A., Optimización de la Geometría de una Prótesis de Miembro Superior,

Tesis de Licenciatura, Instituto Politécnico Nacional, pp 56-57, 2011.

4.- Craig, J. J., Robótica, 3ª Edición, Ed. Prentice Hall, pp 10-43, 2006.

5.- Chang, L. Y. y Yoky, M., A kinematic thumb model for the ACT hand, IEEE International

Conference on Roboticts and Autmation, pp 1000-1005, 2006.

6.- Gongliano, G., Gruver, W. A. y Qian, X., A robot hand mechanism with rotating fingertips

and motor-tendon actuation, IEEE International Conference on Systems, Man and

Cybernetics, Vol. 2, pp 1023-1028, 1991.

7.- Aguilar-Pérez, L. A., Torres-San Miguel, C. R., Urriolagoitia-Sosa, G., Salcedo-Fernández, L.

F., y Morales-Chavarría, J. A., Influencia del ángulo kappa en un simulador experimental de

dedo índice, XIII Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, pp 1-7,

2012.

8.- Lewis, F. L., Dawson, D. M. y Abdallah, C. T., Robotic Manipulator Control Theory and

Practice, 2ª Edición, Marcel Dekker Inc, pp 21-100, 2004.

9.- Barrientos, A., Peñin, L. F., Balaguer, C. y Aracil, R., Fundamentos de Robótica, 1ª Edición,

McGraw Hill, pp 10-129, 1997.

10.- Aguilar-Pérez, L. A., Diseño de una Prótesis para Dedo Pulgar, , Tesis de Maestría,

Instituto Politécnico Nacional, pp 65-74, 2013.

11.- Gregory, R. W., Biomechanics and Control of Torque Production During Prehension, Tesis

Doctoral, College of Health and Human Development, The Pensnsylvania State University, pp

31-38, 2002.

12.- Alcalde-Lapiedra, V., Álvarez-Zárate. J. M., Bascuas-Hernández, J., García-Felipe, A.,

Germán-Armijo. A. y Rubio-Calvo. E., La carga física de trabajo en extremidades superiores,

los límites del sistema mano-brazo, Mapfre Seguridad, No. 101, pp 30-39, 2006.

Capítulo III 77



13.- Li, Z. M, Latash, M. L. y Zatsiorsky, V. M., Force sharing among fingers as a model of the

redundancy problem, Experimental Brain Research, No. 119, pp 276-286, 1998.


describe el proceso de

ensamble del prototipo de

la prótesis de mano. La

manufactura por medio

de impresoras

tridimensionales, así

como las principales

técnicas de impresión

tridimensional y la forma

en como estos procesos se

relacionan para generar

en conjunto un ensamble

útil para la realización de

este trabajo. Se hace

mención de los tipos de

piezas utilizadas en el

modelo protésico y su

unión para formar el

mecanismo completo que

da vida a la prótesis

mioeléctrica.

CAPÍTULO IV

Impresión

Tridimensional y

Ensamblaje de la

Prótesis de Mano

Capítulo IV 79

Implementación de señales mioeléctricas en un sistema de control para generar movimientos en una prótesis personalizada de mano

IV.1.- Impresión tridimensional y ensamblaje de la prótesis de mano

La manufactura de piezas, tecnológicamente hablando es la aplicación de procesos químicos y

fiscos mediante los cuales se altera la geometría, las propiedades físico-químicas, o el aspecto de

un determinado material, con la finalidad de elaborar partes o productos finales. Dichos procesos

llegan a involucrar una combinación de máquinas y herramientas, así como consumo de energía

eléctrica y trabajo manual. [IV.1]. La correcta elección de los procesos involucrados durante la

creación de las piezas, se determinan con base a las características y propiedades del material, la

forma y el tamaño de la pieza; así como los requerimientos en la tolerancia dimensional y el

acabado superficial, los requerimientos de funcionamiento, el volumen de producción y la

rapidez en terminar proceso. [IV.2].

Habiendo terminando los modelos debidamente acotados, se procedió a elaborarlas en la

impresora tridimensional, pieza por pieza, para su posterior ensamblaje, tratando de darle

estructura y vista a la mano, haciendo que los dedos queden en una posición lo más natural y

parecida a la de una mano humana.

IV.2.- Impresión tridimensional del prototipo de prótesis de mano

Los actuales sistemas de impresión 3D permiten obtener modelos conceptuales sin importar el

grado de complejidad, a partir de los datos previamente generados por programas de cómputo

especializados en el diseño, permitiendo obtener las piezas físicas en solo cuestión de horas.

Estos sistemas basan su funcionamiento en los procesos de adición de material o MIM del inglés

Meterial Incress Manufacturing.

Figura IV.1.- Impresión tridimensional por deposición de hilo fundido

Capítulo IV 80


Existen diversas técnicas para la manufactura en impresoras tridimensionales, pero todas tienen la

característica en común de agregar material en capas para generar el modelo en 3D, esta

característica permite que las restricciones geométricas de las piezas diseñadas no ocasionen

complicaciones en su construcción. La única limitante en este proceso es el requerimiento final

del uso de la pieza y de los materiales a utilizar. A continuación se describen los principales tipos

de técnicas de impresión 3D:

Aparatos de Estereolitografía (StereoLithography Apparatus SLA): Por medio de esta

técnica la pieza CAD es creada a partir de un fotopolímero líquido, el cual reacciona

frente a la aplicación de rayos UV, solidificando las superficies creadas por medio de un

rayo láser que incide sobre este, y por medio del cual se crea el objeto 3D [IV.3].

Proceso de fraguado en sólido (Solid Ground Curing SGC): Es una técnica que permite

obtener piezas de mayor tamaño a partir de la sucesiva solidificación de capas de

fotopolímeros expuestos a luz ultravioleta. Las mayores desventajas de esta técnica son

las dimensiones y el peso de la máquina de impresión, así como el complejo proceso de

manufactura.

Deposición de hilo fundido (Fused Deposition Modeling FDM): Por medio de esta

técnica las piezas son construidas a partir de la extrusión del material fundido en capas.

Las principales ventajas que involucra su uso son: la ausencia de materiales tóxicos para

su fabricación, por lo que pueden ser utilizados en entornos no especializados como

laboratorios. Por otro lado, la principal desventaja de esta técnica es el uso necesario de

un material de soporte para el modelo cuando este tiene vacíos internos, esto aumenta el

uso de consumibles por medio de esta técnica [IV.4].

Sinterización selectiva láser (Selective Laser Sintering SLS): Desarrollada por el

departamento de ingeniería mecánica de la universidad de Texas, utilizando como materia

prima polvos de diversos materiales esparcidos sobre una plataforma por un rodillo,

siendo sinterizadas áreas por medio de un rayo láser, lo cual ocasiona que las partículas de

polvo sean solidificadas. La principal diferencia entre esta técnica y la estereolitografía es

que este proceso atraviesa por dos fases de transición de sólido a fluido y de fluido a

sólido.

Capítulo IV 81


Fabricación de objeto laminado (Laminated Object Manufacturing LOM): Las partes

laminadas se producen a partir de plástico, papel, papel de aluminio o compuestos de

hojas, todos recubierta con un adhesivo activado térmicamente. El material se suministra

en un rollo que se coloca sobre un eje de entrega, desenrollado a través de la parte

superior de la superficie de trabajo y se recoge en el otro lado de la impresora, con un

proceso intermedio de cortado por medio de un láser [IV.5].

Tabla IV.1.- Comparativa de las especificaciones geométricas entre diferentes tecnologías de

impresión 3D

Tecnología Área máxima

(pulgadas)

Mínimo tamaño de

las características

Extensión de

archivos

SLA 0.008” .STL, .SLC

SLA-190/20 7.5×7.5×10

SLA-250/30 10×10×10

SLA-500/30 20×20×23

SGC 0.006” horizontal,

0.024” vertical

.STL

Soldier 5600 20×14×20

Soldier 4600 14×14×14

3D Printing 0.007” .STL

DSPC (Soligen) 10×8×8

FDM .STL

FDM-1600 9.5×9.5×10 0.01-0.1”

3D Modeler 12×12×12 0.01-0.125”

SLS .STL

Sinteristation 2000 12” cilíndricas * 14 0.015” PC, nylon

0..03” cera

LOM 0.01” .STL

LOM-1015 14.5×10×14

LOM-2030 32×22×20

Capítulo IV 82


Tabla IV.2.- Comparación de las capacidades de impresión por formas de piezas, de las

tecnologías de impresión 3D

Proceso

Esfera hueca

Esfera hueca

con

respiradero y

desagüe

Dos anidados,

Esferas

perforadas

Tubo de

Hilbert

Mecanismo

octo-engranaje

pre-

ensamblado

SLA F B C B C

SGC F A A A A

3D P F B A A B

FDM B B C B C

SLS F B A A B

LOM F F C B C

Una calificación de “A” indica que la tecnología dada no debería tener problemas con esta

geometría. Una calificación de "B" indica que los soportes posiblemente necesarios para esta

geometría, podrían ser difíciles de eliminar, o que la eliminación del exceso de polvo podría ser

difícil. Una calificación de "C" indica que los soportes interiores obligatorios para esta geometría

pueden ser difíciles o imposibles de eliminar. Una calificación de "F" indica que la tecnología

dada no sería capaz de fabricar esta geometría.

Con base en la tabla IV.2 y tomando en cuenta la maquinaría de impresión 3D disponible en la

SEPI ESIMEZ IPN, el método de impresión utilizado es por medio de la deposición de hilo

fundido (FDM), de manera que el prototipo generado es construido por medio de alambres de

distintos materiales. Como se hace mención en la tabla IV.1, la extensión de los archivos de

cómputo compatibles con este método de impresión tridimensional, son los .STL (Standard

Triangulation Language to Layer).

Capítulo IV 83


IV.2.1.- Creación de los archivos STL

Los archivos Standard Triangulation Language to Layer permiten describir objetos 3D mediante

la descomposición de los objetos en superficies en forma de malla de triangulación o facetas,

introduciendo inevitablemente un error entre la superficie deseada y la superficie generada. Para

reducir este error y hacer una aproximación más real de la superficie, se deberá aumentar el

número de triángulos en las superficies curvas de la pieza.

Figura IV.2.- Comparativa de menor número de triángulos por superficie, a mayor número de

triángulos por superficie y su afectación en la geometría real de la pieza

Dependiendo del origen de las piezas a transformar en un archivo STL, se puede generar de dos

maneras, ya se creando el modelo 3D a partir de funciones geométricas definidas y permitiendo

que el programa genere un mallado no controlado de la superficie de triangulación. O mediante el

uso de técnicas de ingeniería inversa mediante la exploración de la superficie del objeto deseado

a través de herramientas especiales que permitan interpretar la nube de puntos que definen una

superficie del área de escaneo e interpretarlas como superficies 3D, siendo comúnmente

utilizados este proceso en el escaneo de objetos reales.

IV.2.2.- Exportación de los archivos STL

Independientemente de la tecnología utilizada para generar los prototipos de las piezas físicas,

todas ellas utilizan como principales archivos de adquisición de datos el formato .STL. Este tipo

de archivo se puede generar en dos tipos de formato: binario y ASCII, donde la calidad del

archivo resultante está definida por el número de facetas y es independiente del formato. La

principal diferencia entre ambos tipos de formatos es el tamaño del archivo, logrando llegar a ser

entre 10 a 15 veces más pesado un formato ASCII que un formato en binario.

10mm 10mm 10mm 10mm

Capítulo IV 84


En el programa Solid Works® 2014 versión estudiantil se pueden exportar las piezas diseñadas

simplemente guardando el archivo con una extensión .STL.

Figura IV.3.- Ventada de opción de guardar archivo STL en Solid Works®

En la figura IV.4 se muestran los valores modificables en las opciones de guardado del archivo

.STL, tales como el formato binario o ASCII, la resolución de malla de triangulación, el control de

la desviación y del ángulo entre facetas, logrando con estos valores modificar la tolerancia del

error entre la superficie teórica de la geometría y las caras de las facetas, así como determinar el

ángulo máximo de barrido entre los triángulos al momento de adaptarse a una superficie curva

respectivamente.

Figura IV.4.- Valores modificables para generar la malla de triangulación de la pieza

Capítulo IV 85


Al finalizar el proceso de guardar el archivo del programa computacional de diseño, se genera un

cuadro de dialogo, informando al usuario el número de triángulos que se utilizaron en la

discretización de la pieza, el tamaño en bytes del archivo, el formato y la dirección donde quedo

almacenado el archivo .STL para su utilización en la impresora tridimensional.

Figura IV.5.- Ventana de diálogo que indica el número de triángulos en la malla de la pieza

IV.2.3.- Importación de los archivos STL

En esta fase del proceso previo a la impresión tridimensional, se tiene el archivo en el formato

deseado y con la mejor calidad posible para el prototipo final, se debe recurrir al apoyo

nuevamente de otra herramienta computacional. El cual permite definir diversas características

acerca de la impresión de la pieza, entre ellas, la resolución entre las capas de material, además

de definir si la pieza a imprimir será completamente sólida o si las dimensiones generales de la

pieza le permiten sea hueca. Otra característica importante a definir es el tipo de recubrimiento

que tendrá la pieza al momento de construirla con respecto al material de soporte, ofreciendo el

programa 3 tipos de recubrimiento:

Capítulo IV 86


Recubrimiento sencillo, donde únicamente se imprimirá una capa de material de soporte

que permita despegar la pieza generada de manera sencilla dejando la pieza

completamente libre de material de soporte.

Recubrimiento completo, donde la pieza es recubierta en su totalidad por el material de

soporte.

Recubrimiento Smart, donde el material de soporte será colocado únicamente en

aquellas partes que sean consideradas por medio de la programación interna como débiles.

La última característica modificable en la fase previa a la impresión que se debe de considerar, es

la interpretación de las unidades del archivo STL, siendo posible modificar de manera manual la

escala a la que se encuentra el archivo, ya sea pulgadas o milímetros.

Dependiendo del modelo de la impresora 3D el proceso para importar el archivo varía. En el

presente trabajo se utilizó la impresora modelo Dimension SST 1200-es, que utiliza el método de

la deposición de hilo fundido, de manera que el prototipo es generado por medio de alambres de

dos distintos materiales, por lo que para la correcta importación de modelos .STL se utilizó el

programa CatalystEX©,.

Figura IV.6.- Impresora 3D Dimension SST 1200-es

Capítulo IV 87


Dentro de la herramienta computacional de importación para los archivos STL, se puede

especificar la posición de la pieza con respecto a la orientación general de la máquina, es posible

especificar la rotación sobre el eje X, Y o Z. Lo cual permite determinar la cantidad de material

que será utilizado durante la impresión a partir de la interpretación de la malla importada desde el

archivo STL, como se muestra en la figura IV.7.

Figura IV.7.- Pieza importada en el programa CatalystEX®

También es importante a considerar el acomodo de las piezas a imprimir no solo de manera

individual, sino en su conjunto para evitar amontonamiento, errores de impresión y facilitar el

desmolde al finalizar el proceso de impresión. El recurso computacional apoya en esta tarea,

mostrando un mapa ilustrativo del acomodo modificable de las piezas a imprimir por etapa.

Figura IV.8.

Figura IV.8.- Mapa del espaciado de piezas en el programa CatalystEX® para la impresión

Capítulo IV 88


Figura IV.9.- Proceso en el programa CatalystEX® para la impresión

IV.2.4.- Obtención de las piezas impresas

En función del tamaño del objeto y de la altura con la base de la bandeja de la impresora, la fase

de impresión puede durar varias horas, por eso es que la organización y la orientación de las

piezas debe de ser elegidas de manera cuidadosa para agilizar el proceso y gastar el menor

material posible.

Figura IV.10.- Piezas impresas del prototipo en la Dimension SST 1200-es

Durante el proceso de impresión, se genera un material de soporte de las piezas que ayudara a la

impresora a dar forma a las piezas, este material deberá ser removido al finalizar la impresión

según recomendaciones del propio distribuidor de suministros, de manera manual la mayor

cantidad de material de soporte evitando dañar o forzar demasiado las piezas, para posteriormente

sumergir la pieza completa en una solución de hidróxido de sodio en una proporción de una

botella por cada 6.8 litros de agua. Para acelerar la reacción química entre la solución de

STL CatalystEX® Pieza

Impresa

Capítulo IV 89


hidróxido de sodio y agua con el material de soporte, el tanque recircula la solución y eleva la

temperatura de la misma, hasta alcanzar cerca de los 60°±10°.

Figura IV.11.- Piezas impresas aun con material de soporte removible

Figura IV.12.- Piezas impresas ya sin material de soporte

IV.2.5.- Propiedades del material utilizado en la impresión

El método de impresión por medio de la deposición de hilo fundido se realiza utilizando material

de polímeros termoplásticos de tipo Acrilonitrilo, Butadieno y Estireno (ABS), los cuales tienen

importantes propiedades útiles en la ingeniería de diseño, como buena resistencia mecánica y al

impacto combinado con facilidad para el procesado. El amplio rango de propiedades que exhibe

el ABS es debido a las propiedades que presentan cada uno de sus componentes [IV.6].

El Acrilonitrilo proporciona:

Resistencia térmica

Resistencia química

Resistencia a la fatiga

Material de soporte

Capítulo IV 90


Dureza y rigidez

El Butadieno proporciona:

Ductilidad a baja temperatura

Resistencia al impacto

Resistencia a la fusión

El Estireno proporciona:

Facilidad de procesado (fluidez)

Brillo

Dureza y rigidez

El proceso de la impresión consiste en fundir el material ABS para con él dar forma a las piezas

modeladas, para fines específicos del proyecto de la prótesis de mano, no es necesario hacer

énfasis en el conocimiento detallado de las propiedades mecánicas, térmicas, y eléctricas del

material, ya que la prótesis de mano no estará bajo condiciones que pongan a prueba las

propiedades. Para conocer más a detalle de la mecánica del material, ver anexo B.

IV.3.- Ensamble del modelo de la prótesis de mano

Una vez obtenidas todas las piezas del modelo de la prótesis, es importante identificar cada una

de ellas para comenzar el ensamblaje. Ya que algunas de las piezas son de dimensiones

milimétricas, es necesario cuidar que el área de trabajo se encuentre limpia para evitar el extravío

de alguna de las piezas.

Las articulaciones de la mano protésica, fueron fabricadas como articulaciones de tipo cilíndrica,

las cuales son mecanismos de enlace que dejan ciertas libertades de movimiento a las piezas

ensambladas. Las articulaciones de tipo cilíndrica, permiten un giro con respecto a su eje

transversal, las cuales pueden ser de tipo voladizo, o de horquilla [IV.7], como las utilizadas en el

modelo de la prótesis de mano.

Capítulo IV 91


Figura IV.13.- Articulaciones tipo horquilla en el ensamble de la prótesis

Para la sujeción de estas articulaciones se hizo uso de pasadores cilíndricos no normalizados, los

cuales son varillas metálicas que sirven para inmovilizar la pieza en relación con otra, pasador de

sujeción, en algunos casos del ensamble y en otros de ellos como pasador de posición, que

asegura la pieza a una posición relativa de dos piezas pero permitiendo un movimiento de

articulación entre las piezas.

Figura IV.13.- Pasador cilíndrico a) de sujeción y b) de posición

Básicamente el ensamblado de las piezas es muy sencillo ya que se compara con el armado de un

rompecabezas, debido a que la mayor parte de los errores de tolerancia e intersecciones de las

piezas fueron resueltos durante el proceso de dibujo asistido por computadora, gracias a la ayuda

de los programas especializados para estas tareas; únicamente se deben de seguir los modelos

tridimensionales computarizados como si se estuviera leyendo un instructivo de armado. La única

a) b)

Pasadores de sujeción

Pasador de posición

Capítulo IV 92


dificultad encontrada en el ensamblaje es que los orificios diseñados para los pasadores ya sea de

sujeción o de posición, debido a las escalas milimétricas pueden llegar a tener tanto discrepancias

con los diámetros del modelo en CAD, y los diámetros reales de la pieza, lo cual se puede

resolver al realizar las perforaciones en el material de la pieza para aproximar el diámetro al

deseado.

IV.3.1.- Acoplamiento de los servomotores

El acoplamiento de los servomotores al ensamblaje de la prótesis, resulta bastante sencillo,

tomando en cuenta que el diseño del modelo tridimensional se generó con el espacio necesario

para crear un compartimiento que resguardara los servomotores y mantuviera los giros necesarios

de manera controlada, por lo que únicamente se concentró en la correcta colocación de las piezas

que comprenden el ensamblaje para generar el movimiento por medio de los servomotores.

Figura IV.14.- Compartimiento para los servomotores que generan el movimiento de los dedos

En el caso del motoreductor y el servomotor que dan vida a los movimientos de flexión y

deflexión del pulgar y de oposición, respectivamente, ocurre la misma situación ya que el modelo

diseñado en la computadora tomó en cuenta estas incorporaciones de los dispositivos que

generarán el movimiento y se diseñaron con el espacio suficiente y adecuado para insertarlos u

complementar el ensamblaje.

Capítulo IV 93


Figura IV.15.- Ensamblaje de los sistemas que generan movimiento en el dedo pulgar, a) flexión

y extensión b) oposición

IV.3.2.- Ensamblaje final del prototipo de prótesis de mano

Una vez finalizado el ensamblaje de todas las piezas necesarias para la prótesis de la mano, con

los debidos pasadores de sujeción y de posición, se debe de verificar el libre movimiento de las

articulaciones que así lo necesiten y la correcta sujeción de las piezas fijas. Con el ensamblaje ya

terminado se puede configurar de manera manual los agarres de la mano previamente simulados

en el modelo tridimensional, esto con la finalidad de verificar que el ensamblaje real tenga

disponible los grados de libertad necesarios para generar los diferentes agarres de la mano

previamente estudiados.

Figura IV.16.- Ensamblaje final de la prótesis de mano

a) b)

Capítulo IV 94


Figura IV.17.- Ensamblaje final de la prótesis de mano comparado con mano real

Figura IV.18.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo índice y pulgar

Capítulo IV 95


Figura IV.19.- Emulación de agarre tipo puntual entre el dedo medio y pulgar

Figura IV.20.- Emulación de agarre tipo cilíndrico parcial, utilizado para sostener un vaso

Capítulo IV 96


IV.4.- Sumario

En este capítulo se describe el proceso de ensamble del prototipo de la prótesis de mano. La

manufactura por medio de impresoras tridimensionales, así como las principales técnicas de

impresión tridimensional y la forma en como estos procesos se relacionan para generar en

conjunto un ensamble útil para la realización de este trabajo. Se hace mención de los tipos de

piezas utilizadas en el modelo protésico y su unión para formar el mecanismo completo que da

vida a la prótesis mioeléctrica.

Capítulo IV 97


IV.5.- Referencias

1.- Goover, M. P, Fundamentos de la Manufactura Moderna: Materiales, Procesos y Sistemas,

1ª Edición, Ed. Prentice Hall, pp 3-42, 1997.

2.- Torres S.-M.C.R., Diseño y Manufactura de Endoprótesis Personalizadas, Tesis Doctoral,

Sección de Estudios de Posgrado, ESIME Zacatenco, Instituto Politécnico Nacional, pp 100-

195, 2010.

3.- McMains, S. A., Rapid Prototyping of Solid Three-Dimensional Parts, Tesis de Maestría,

Computer Science Division, University of California, pp. 2-38, 1995.

4.- Garay-del Avellanal, F. J, Análisis Técnico-Económico del Proceso de Prototipado Rápido de

Modelos Geométricos de Gran Tamaño, Tesis de Licenciatura, Universidad Pontificia Colillas

Madrid, pp 18-76, 2012.

5.- Zhang, X., Quality enhancement and model layout optimization of rapid prototyping, Tesis de

Maestría, Department of Mechanical Engineering, University of Calgary, pp 26-51, 1991.

6.- Stratasys® Inc, ABS-M30 Production-Grade Thermoplastic for Fortus 3D Production

Systems, Manual de especificaciones, Stratasys® Production Series, pp 1-2, 2015.

7.- Chevalier, A., Dibujo Industrial, Editorial Limusa, pp 143-168, 2005.

En este apartado se dio

una descripción de los

dispositivos a utilizar en

el sistema de adquisición

y procesamiento de las

señales EMG que se

implementan, así como

una descripción de sus

principales

características y etapas

que la conforman. Se

determinó la metodología

a utilizar en el proyecto,

desde la ubicación de los

músculos para detectar

dichas diferencias de

potencial, hasta el

procesamiento de las

señales

electromiográficas

captadas de dicho

músculo, para generar

los movimientos de la

mano.

CAPÍTULO V

Diseño del Sistema de

Adquisición y

Procesamiento de las

Señales Mioeléctricas

Capítulo V 99



V.1.- Diseño del sistema de adquisición y procesamiento de las señales mioeléctricas

En este apartado se describirá la metodología utilizada para la adquisición y procesamiento de las

señales mioeléctricas y los diversos equipos electrónicos de apoyo así como los materiales

empleados. Detallando los procesos de adaptación de las señales mioeléctricas obtenidas del

músculo del antebrazo, haciendo énfasis en la parte de la captación de las señales, esto con la

finalidad de que el éxito de una prótesis mioeléctrica radica en obtener una buena señal

electromiográfica.

Otro aspecto importante en el procesamiento de las señales EMG, es considerar las diversas

etapas de filtrado y amplificación, para obtener la señal más pura y exacta, y tener una señal de

fácil lectura para los dispositivos de control.

V.2.- Etapa de adquisición de las señales mioeléctricas

El bloque de adquisición, está integrado por transductores y en específico por electrodos que

convierten la señal mioeléctrica que se genera en el músculo del brazo, en una señal eléctrica que

se procesará. Para medir los potenciales mioeléctricos se necesita de un transductor capaz de

convertir potenciales y corrientes iónicas, en potenciales y corrientes eléctricas.

Aunque en algunos tipos de células se pueden hacer medidas de los potenciales de acción

individuales, dichas medias son difíciles por cuanto exigen una precisa colocación de un

electrodo dentro de la célula. La forma más común de medir los biopotenciales es el con el efecto

combinado de una gran cantidad de potenciales de acción tal y como aparecen en la superficie del

cuerpo humano, o en uno o más electrodos insertados en el músculo, nervio o alguna zona del

cuerpo que se esté estudiando [V.1].

V.2.1.- Selección de los electrodos

De acuerdo a los tipos de captación de señales EMG, se puede utilizar el método intrusivo y no

intrusivo, utilizando para este caso de estudio el método no intrusivo, debido a que así no se

requerirá de cirugía ni conocimientos médicos especializados, aunque es necesario tener un

conocimiento de la ubicación de los músculos que generan el movimiento de la mano y la

biomecánica del miembro superior.

Capítulo V 100



Disco de Plata-Cloruro de Plata

Soporte y separador de

plástico o goma

Cable de conexión

Superficie de la piel Espacio para el gel del electrodo

Existen variedades de electrodos de superficie como son: planos, de succión, multipuntuales,

suspendidos, miniatura, entre otros. Los cuales pueden ser fabricados en diferentes tipos de

metales con la capacidad de conducir los potenciales eléctricos producidos por el cuerpo, como

Plata, siendo el más utilizado, Oro, Platino y Acero inoxidable, Tantalio Aluminio, etc. Los

electrodos de Plata-Cloruro de Plata (Ag/AgCl), son los mejores para disminuir las fluctuaciones

en las mediciones, ya que al estar inmerso en una solución salina, presentan un potencial de

contacto mucho más estable que lo observado con los demás electrodos, por lo que este tipo de

electrodos Ag/AgCl son utilizados con mucha frecuencia en el registro de señales mioeléctricas en

la superficie corporal [V.2].

En los electrodos dispuestos en la superficie del cuerpo, para facilitar el contacto eléctrico, es

decir la conducción de corriente entre el metal del electrodo y el interior del cuerpo, es habitual

utilizar un gel conductor que penetre la epidermis. Sin embargo, si este gel se desparrama se

pueden cortocircuitar con electrodos que estén cercanos, y dado que el gel se va secando, no son

adecuados para monitorizaciones prolongadas [V.3].

Figura V.1.- Diagrama de electrodo superficial flotante

El electrodo actúa propiamente como transductor porque las corrientes dentro del cuerpo son

iónicas mientras que las corrientes de entrada del amplificador de tensión, y las corrientes de

salida del generador de señales empleado para inyectar una corriente en el cuerpo para medir

bioimpedancia, son electrónicas. Para que la diferencia de potencial entre las dos terminales de

entrada del amplificador sea la misma que hay entre los dos puntos del cuerpo donde están

aplicados los electrodos, es necesario que la corriente a través de éstos sea tan pequeña que la

Capítulo V 101



caída de tensión en ellos sea inapreciable. La diferencia de potencial medida entre dos electrodos

tiene entonces sólo dos componentes: la señal bioeléctrica deseada y la diferencia de potenciales

de semipila entre electrodos (tensión de offset). Según el metal del electrodo, este offset puede

ser de centenares de milivoltios, es decir, mucho mayor que la señal deseada, cuyo valor de pico

a pico en el caso de biopotenciales suele ser inferior a 1 mV. Éste es el caso de los electrodos

Ag/AgCl, que fueron los primeros de amplio uso debido a su baja impedancia y alta estabilidad

del potencial de semipila.

El valor de los componentes que modelan la impedancia no es constante sino que depende de la

frecuencia, pero en cualquier caso la impedancia prácticamente constante a frecuencias bajas,

incluida la de 50/60 Hz de la red eléctrica, y decrece conforme aumenta la frecuencia, hasta que

se estabiliza a partir de cierta frecuencia, que depende mucho del tipo de electrodo. Los

electrodos secos tienen una impedancia mucho mayor que los electrodos con gel.

Figura V.2.- Modelo eléctrico para electrodos conductores

Los electrodos que no establecen un contacto galvánico con la piel consisten en una superficie

metálica que se coloca cerca del cuerpo para formar un condensador con el medio interno, que

también es conductor, y por esto se denominan electrodos capacitivos. Si no hay corriente a

través del electrodo, su potencial será el de la zona del cuerpo donde esté colocado. Entonces no

hay potencial de semipila, ni resistencia en serie, pero según haya o no contacto mecánico con el

cuerpo, y según el material entre el electrodo y la piel cuando hay contacto, las pérdidas de dicho

Electrodo

Epidermis

Dermis y capa

subcutánea

RP

Enc

RS

CP

Electrodo

Electrolitos orgánicos

Capítulo V 102



condensador pueden ser considerables. Por lo tanto, el modelo más adecuado consiste

simplemente en la red RP||CP mostrada en la Figura V.2 [V.4].

Dado que la medida de los potenciales bioeléctricos requiere de dos electrodos, ya que la tensión

medida en realidad es la diferencia de potenciales instantáneos de los dos electrodos, a

continuación se muestra en la figura V.3 el circuito equivalente a la medida de los biopotenciales

con dos electrodos [V.5].

Figura V.3.- Modelo eléctrico para dos electrodos

Si los dos electrodos son del mismo tipo, la diferencia de potenciales es por lo general pequeña y

depende esencialmente de la diferencia real del potencial iónico entre los dos puntos del cuerpo

en los que se esté realizando las medias.

Las redes de resistencia y capacitancia mostradas en las figuras V.2 y V.3, representan la

impedancia de los electrodos, unas de las características más importantes. Lamentablemente, la

impedancia no es constante., depende de la frecuencia debido al efecto de la capacidad. Además,

tanto el potencial del electrodo como la impedancia varían por un efecto denominado

polarización [V.6].

Electrolitos orgánicos

RP2

Enc2

RS2

CP2

Electrodo2

RP1

Enc1

RS1

CP1

Electrodo1

Capítulo V 103



Para minimizar el efecto de la impedancia de la piel sobre los electrodos, se han desarrollado

diversas pastas y geles que reciben el nombre de electrolitos. Tomando en consideración todos

estos conocimientos sobre los electrodos de tipo superficiales, se seleccionó la mejor opción

dentro del mercado disponible que son los 3MTM

Red DotTM

2239 [V.7]. Anexo C.

Figura V.4.- Electrodo superficial utilizado en la etapa de adquisición de las señales a) vista

superior, y b) vista inferior

V.2.2.- Identificación de los músculos que generan los diversos movimientos de la mano

La manera en que los electrodos son colocados en la piel para detectar los potenciales de acción

de un músculo es el papel más importante y más complicado. Al colocar los electrodos en la piel

se tiene que tener bien definido cuál será el músculo que proporcionará el potencial de acción. Se

debe estudiar el músculo y conocer exactamente donde se encuentra ya que si se coloca un

electrodo en un músculo y el otro cerca de otro músculo, cabe la posibilidad de obtener un

potencial muy débil o solamente ruido. Es por esta razón, que es importante seleccionar el

tamaño de los electrodos ya que se puede confundir las señales de un músculo u otro. Para poder

obtener un PUM (Pulso de Unidad Muscular) de alto voltaje, los electrodos deben de estar

colocados exactamente en el músculo deseado, la superficie de la piel debe de estar limpia, y los

electrodos totalmente adheridos a la piel del paciente.

Los músculos de miembro superior se pueden clasificar en base a distintos criterios. La

clasificación debería ser lógica y garantizar una visualización general lo más amplia posible. Los

criterios de clasificación son:

Metal de Plata-

Cloruro de Plata

Gel Superficie adhesiva

Capítulo V 104



Origen

Topografía

Función

Inervación muscular

En la tabla V.1 y V.2 se muestra una combinación entre los puntos de vista topográficos y

funcionales, así como su inervación de los músculos del antebrazo y la mano, involucrados en el

movimiento de los dedos.

Tabla V.1- Musculatura del antebrazo

Nervio al que se encuentra inervado

Músculos dorsales del antebrazo

--Extensores superficiales

Músculo extensor de los dedos Nervio radial

Músculo extensor del meñique Nervio radial

Músculo extensor cubital del carpo Nervio radial

--Extensores profundos

Músculo supinador Nervio radial

Músculo abductor largo del pulgar Nervio radial

Músculo extensor corto del pulgar Nervio radial

Músculo extensor largo del pulgar Nervio radial

Músculo extensor del índice Nervio radial

Músculos ventrales del antebrazo

--Flexores superficiales

Músculo pronador redondo Nervio radial

Músculo flexor superficial de los dedos Nervio radial

Músculo flexor radial del carpo Nervio radial

Capítulo V 105



Músculo flexor cubital del carpo Nervio cubital

Músculo palmar del carpo Nervio radial

--Flexores profundos

Músculo flexor profundo de los dedos Nervio mediano y cubital

Músculo flexor largo del pulgar Nervio mediano

Músculo pronador cuadrado Nervio mediano

Músculos radiales del antebrazo

--Grupo radial

Músculo braquiorradial Nervio radial

Músculo extensor largo del carpo Nervio cubital

Músculo extensor corto del carpo Nervio cubital

Tabla V.2- Musculatura de la mano

Nervio al que se encuentra inervado

Musculatura del metacarpo

--Músculos lumbricales I-IV Nervio cubital

--Músculos interóseos dorsales I-IV Nervio cubital

--Músculos interóseos palmares I-III Nervio cubital

Musculatura tenar

--Músculo abductor corto del pulgar Nervio mediano

--Músculo abductor del pulgar Nervio cubital

--Músculo flexor corto del pulgar Nervio mediano

--Músculo oponente del pulgar Nervio mediano

Musculatura hipotenar

--Músculo abductor del meñique Nervio cubital

--Músculo flexor del meñique Nervio cubital

Capítulo V 106



--Músculo oponente del meñique Nervio cubital

--Músculo palmar corto Nervio cubital

En las figuras VI.5 a la figura VI.9 se muestra la composición biológica de los músculos que

generan los movimientos de los dedos de la mano. Esto para tener comprensión necesaria sobre la

anatomía del antebrazo, necesarios para la correcta localización de los electrodos [VI.8].

Figura V.5.- Visión general de los flexores superficiales

Músculo flexor superficial de los dedos

Origen: Cabeza humeral

Cabeza cubital

Cabeza radial

Inserción: A los lados de la falange media de los dedos 2°-

5°

Función: Articulación del codo: Ligera flexión

Articulaciones de la muñeca,

metacarpofalángicas e interfalángicas

proximales de los dedos 2°-5°: Flexión

Capítulo V 107



Figura V.6.- Vista general de los flexores profundos

Músculo extensor radial largo del carpo

Origen: Cara lateral y distal del húmero, tabique intermuscular lateral

Inserción: Cara dorsal de base de hueso metacarpiano II


Articulaciones de la muñeca: Extensión (colaboración

con el cierre del puño), abducción radial

Músculo extensor radial corto del carpo

Origen: Epicóndilo lateral del húmero

Inserción: Cara dorsal de base de hueso metacarpiano III


Articulaciones de la muñeca: Extensión (colaboración

con el cierre del puño), abducción radial

Figura V.7.- Visión general de la musculatura radial

Músculo flexor profundo de los dedos

Origen: 2/3 proximales de la cara flexora del cúbito y regiones

adyacentes de la membrana interósea

Inserción: Cara palmar de las falanges distales de los dedos 2°-5°

Función: Articulaciones de la muñeca, metacarpofalángicas e

interfalángicas proximales de los dedos 2°-5°: Flexión

Músculo flexor largo del pulgar

Origen: Cara anteromeidal del radio, regiones adyacentes de la

membrana interósea

Inserción: Cara palmar de la falange distal del pulgar

Función: Articulación de la muñeca: Flexión y abducción radial

Articulaciones sellar del pulgar: Oposición

Articulaciones metacarpofalángica e interfalángica

del pulgar: Flexión

Capítulo V 108



Figura V.8.- Vista general de los extensores superficiales

Músculo extensor de los dedos

Origen: Cabeza común (epicóndilo lateral del húmero)

Inserción: Aponeurosis dorsal de los dedos 2°-5°

Función: Articulación de la muñeca: Extensión

Articulaciones metacarpofalángicas,

interfalángicas distal y proximal de los

dedps 2°-5°: Extensión y abducción de los

dedos

Inervación: Nervio radial

Músculo extensor del meñique

Origen: Cabeza común (epicóndilo lateral del húmero)

Inserción: Aponeurosis dorsal del 5° dedo

Función: Articulación de la muñeca: Extensión y

abducción cubital

Articulaciones metacarpofalángicas,

interfalángicas distal y proximal del 5° dedo:

Extensión y abducción del 5° dedo

Inervación: Nervio radial

Capítulo V 109



Figura V.9.- Visión general de los extensores profundos

Músculo abductor largo del pulgar

Origen: Superficies dorsales del radio y cúbito, membrana

interósea

Función: Articulación de la muñeca: Abducción radial

Articulación sellar del pulgar: Abducción

Músculo extensor corto del pulgar

Origen: Superficies dorsales del radio y membrana interósea

Inserción: Base de la falange proximal del pulgar

Función: Articulación de la muñeca: Abducción cubital

Articulaciones sellar del pulgar y metacarpofalángica:

Extensión

Músculo extensor largo del pulgar

Origen: Superficies dorsales del cúbito y membrana interósea

Inserción: Base de la falange distal del pulgar

Función: Articulación de la muñeca: Extensión y abducción

radial

Articulación sellar del pulgar: Aducción

Articulaciones metacarpofalángica e interfalángica:

Extensión

Músculo extensor del índice

Origen: Superficies dorsales del cúbito y membrana interósea

Inserción: Aponeurosis dorsal del 2° dedo

Función: Articulación de la muñeca: Extensión

Articulaciones del índice: Extensión y abducción

Capítulo V 110



Una vez localizado la zona donde se colocarán los electrodos, para disminuir los posibles factores

que afecten a la hora de captar las señales EMG, tales como el sudor, el bello y la variación de la

impedancia de la piel del paciente; se debe de limpiar la zona, ya sea con alcohol o con pastas

especiales e inmediatamente después colocar el gel para electromiografías, el cual ayuda a la

conducción de las señales captadas en la superficie de la piel hacia el circuito implementado.

V.2.3.- Posicionamiento de los electrodos para la captación de las señales EMG

La posición de los electrodos es muy importante en la recolección de registros con propósitos de

control mioeléctrico. Por ello, se recomienda la asistencia de personal médico especializado,

quienes pueden identificar con mayor precisión las regiones musculares con mayor compromiso

en la ejecución de los movimientos de interés. En [V.9], Hargrove, demostró que unas regiones

son mejores que otras para la ubicación de los electrodos aunque, la generalización de dichas

posiciones no es recomendable para todos los pacientes, así que el procedimiento de

identificación de las regiones musculares deben realizarse particularmente con cada paciente.

El número de electrodos corresponde al número de canales a procesar y este es un parámetro

esencial en el desempeño del clasificador y en el número de movimientos diferentes a identificar.

Para desarrollar una prótesis mioeléctrica multifuncional, es necesario extraer la mayor cantidad

de información de cada canal, o asignar una función de control a una combinación específica de

señales del sistema multicanal [V.10]. De esta forma, es posible aumentar el número de

movimientos diferentes a ejecutar en un sistema de prótesis a partir de la disposición de un mayor

número de canales.

Sin embargo, entre mayor sea el número de canales mayor será el retardo en la respuesta de la

prótesis, debido a la gran cantidad de información a procesar y mayor será también la

interferencia entre canales por la cantidad significativa de diafonía (crosstalk), entre los músculos

debido a factores como: el arreglo geométrico de los músculos y la propagación dispersiva de la

señal en el volumen conductor entre otros [V.11]. Estos podrían ser fenómenos que en lugar de

mejorar la clasificación podrían empeorarla, obligando a buscar un adecuado compromiso entre

precisión, multifuncionalidad y velocidad de respuesta.

Capítulo V 111



Debido a lo anterior, se ha decidido utilizar sólo 2 canales, un canal por músculo elegido, los

cuales regirán una señal independiente, una para cada activación de los servomotores a

implementar en el proyecto de forma demostrativa.

Otro aspecto importante que se debe de tomar en cuenta como se hizo mención en el capítulo 2,

es el de tener un tercer electrodo, que sirva como referencia en el sistema. El problema de no

utilizar el tercer electrodo, implica la eliminación del circuito que permite cerrar las corrientes de

polarización. Los amplificadores de tres electrodos son el sistema utilizado más habitual porque

presenta poca interferencia. El tercer electrodo permite reducir la señal en modo común a la que

está sometido el paciente. Esto será posible si la impedancia del tercer electrodo es pequeña, así

la tensión en modo común también será menor y, por lo tanto, las interferencias derivadas de ella

también serán menores.

Figura V.10.- Posicionamiento de los electrodos

V.2.4.- Lectura de las señales EMG del grupo de músculos del paciente

Para simplificar la obtención de las señales mioeléctricas, una vez seleccionado la correcta

posición de los electrodos dentro del antebrazo del paciente, se tomaron lectura de las señales

EMG, para la flexión de todos los dedos en conjunto, agarres de tipo prensil esféricos, haciendo

al paciente cerrar el puño al grado máximo y obteniendo la medición del pulso EMG generado.

Además de medir las señales en la etapa de relajación del músculo, con un pulso del músculo y el

incremento gradual de la fuerza en el cierre de la mano.

La parametrización se obtuvo con la ayuda de un osciloscopio digital TDS 1002 de la marca

Tektronix®. En la siguiente tabla se pueden observar los valores obtenidos para cada medición

realizada.

Electrodo 1

Electrodo 2

Electrodo de referencia

Capítulo V 112



Tabla V.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del paciente

Medición Músculo a medio

esfuerzo

Músculo a esfuerzo

máximo

Esfuerzo gradual del

músculo

Vpp 2.16 V 8.40 V 6.00 V

Vmax 1.04 V 3.60 V 3.00 V

Vmin -1.12 V -4.80 V -3.00 V

Periodo 15.00 ms 26.00 ms 24.00 ms

Frecuencia 66.66 Hz 38.46 Hz 41.66 Hz

Ancho Positivo 1.67 s 17.00 ms 628.00 ms

Ancho Negativo 560.00 ms 8.00 ms 80.00 ms

Tiempo de Subida 6.00 ms 17.00 ms 80.00 ms

Tiempo de Bajada 268.00 ms 5.00 ms 54.00 ms

Ancho 3.77 s 42.00 ms 815.00 ms

En las siguientes imágenes se muestra el procedimiento de la obtención de las señales

mioeléctricas mediante el osciloscopio.

Figura V.11.- Lectura de las señales EMG del antebrazo, con el músculo en reposo

Figura V.12.- Lectura de las señales EMG, esfuerzo gradual y el esfuerzo máximo músculo

Capítulo V 113



V.3.- Etapa de acondicionamiento de las señales mioeléctricas

El bloque que sirve para la adecuación de las señales, está integrado por tres distintas etapas, en

la primera etapa de pre-amplificación, donde se utiliza un amplificador de instrumentación

AD620, el cual tiene la tarea de adquirir la señal de forma diferencial de los electrodos

conectados al cuerpo del paciente. Posteriormente, esta señal se filtra por medio de diferentes

filtros, siendo un filtro pasa bandas Butterworth de orden uno, así como un filtro pasa altas y un

filtro pasa bajas. Para finalmente, amplificar la señal por la relación que hay a través de la

resistencia de ganancia.

Figura V.13.- Diagrama eléctrico del circuito de adecuación de las señales EMG, a) amplificador

de instrumentación, b) etapa de pre-amplificación, c) etapa de filtrado, y c) etapa de

amplificación

El circuito de acondicionamiento de las señales EMG completo, así como todos los demás

circuitos de las etapas individuales, se simularon en el programa NI MultisimTM

13.0 de National

Electrodo 1

Electrodo 2

Electrodo 3

(Referencia)

+Vcc

-Vcc

R1

R2

R4

R5 R3 R8 R7

R6

R9

C1

C2

+Vcc

-Vcc

a)

b) c) d)

Salida

Capítulo V 114



InstrumentsTM

, para verificar el correcto funcionamiento del dispositivo electrónico diseñado,

previo a su fabricación.

V.3.1.- Amplificador de instrumentación

Este amplificador de instrumentación se utilizó debido a que los potenciales biológicos

extracelulares son de baja amplitud, y para elimina el ruido electromagnético que existe en todos

los dispositivos electrónicos.

El amplificador de instrumentación AD620, obtiene la señal en sus entradas con una alta

impedancia en forma diferencial, cuando se obtienen estas señales se hace una operación de suma

entre ellas, ya que la señal que se encuentra en la terminal no inversora, es muy similar a la señal

que se encuentra en la señal inversora, para este caso se dice que tiene una referencia en modo

común. Se hace una suma de señales, donde cada una tiene un signo opuesto a la otra, con esto se

obtiene un valor sin ruido.

Posteriormente, esta señal se amplifica por la relación que hay a través de la resistencia de

ganancia RG, como se puede detallar en el diagrama eléctrico del amplificador utilizado, (Ver

anexo D).

Figura V.14.- Diagrama eléctrico del amplificador instrumental

Es necesario que el amplificador instrumental de la señal contengan las siguientes características:

Ser un amplificador de instrumentación

Debe poseer un elevado rechazo al modo común preferentemente mayor a 80 decibeles

para disminuir la interferencia diferencial debida a la red y para evitar la distorsión del

biopotencial.

RG -

+

Capítulo V 115



Poseer impedancias de entrada muy elevadas mayores a 1 MΩ y así poder captar señales

de bajo nivel.

Baja corriente de polarización a la entrada.

La exigencia de impedancias de entrada elevadas requiere de un tercer electrodo que

permita el cierre a un punto de referencia de las corrientes de polarización a través del

sujeto en observación.

Para eliminar los potenciales comunes en los tres electrodos, como ruido ambiental y la alta

impedancia proveniente de la piel, se aplicó la amplificación diferencial. Para obtener la

ganancia deseada que es para este caso de estudio de 500, la cual permitirá una mejor

visualización de las señales mioeléctricas, elevando su valor de miliVolts o microVolts a valores

comunes en unidades base, Volts, son utilizadas las fórmulas preestablecidas para dicho

componente:

𝑅𝐺 =49.4 𝐾Ω

𝐺−1 V.1

Así, sustituyendo la ganancia deseada equivalente a 500, resulta conveniente utilizar una

resistencia comercial de 100Ω.

Figura V.15.- Diagrama del amplificador de instrumentación

Electrodo 1

Electrodo 2

Electrodo 3

(Referencia)

+Vcc

-Vcc

RG

AD620

Capítulo V 116



V.3.2.- Etapa de filtrado de las señales electromiográficas

Para el diseño de la etapa de filtrado fue necesario utilizar una etapa de pre-amplificación la cual

se logra con una CI TL074, para consultar más características de este circuito integrado vea

anexo E. A continuación se ejemplifica el circuito electrónico de la etapa de pre-amplificación y

una simulación de su función con una señal generada de 200 mV, a razón de una frecuencia de 5

Hz, mediante un generador de funciones con una onda senoidal, la cual simula el músculo al

máximo esfuerzo, según las mediciones tomadas en el ejercicio de captura de las señales

electromiográficas, con fines demostrativos del funcionamiento de la etapa de pre-amplificación.

Figura V.16.- Diagrama de la etapa de pre-amplificación

+Vcc

-Vcc

R2

Generador de funciones Osciloscopio

R3

Capítulo V 117



Figura V.17.- Señal obtenida a la salida de la etapa de pre-amplificador de instrumentación

(azul), comparada con la señal de entrada (roja)

En la gráfica, se observa que la señal de entrada con un pico de 200 mV, llega a un pico de 2.2 V,

después del proceso de amplificación, lo cual l hace más reconocible al proceso de filtrado y a los

dispositivos de control que se emplearán al final el proceso de procesamiento de las señales.

Debido a la interferencia posible producida en el medio ambiente, el rango óptimo de frecuencia

será de 20 a 500 Hz. Con la finalidad de limitar el rango de frecuencias entre 0 y 500 Hz, se

utilizó un filtro pasa bandas Butterworth de orden uno.

Como se explica en el capítulo II, el rango útil de medida se encuentra entre los 10 y 20 Hz, para

lo que se utiliza un filtro pasa altas, y hasta los 500 y por menos de 1500 Hz, filtro pasa bajos.

[V.12]. El filtro pasa alto es necesario para eliminar el ruido proveniente de músculos aledaños, y

otros movimientos musculares (artifacts), así como potenciales de repolarización de los músculos

Capítulo V 118



que tienen componentes de baja frecuencia, típicamente < 10 Hz. El filtro pasa bajo es necesario

para eliminar componentes de alta frecuencia y evitar la generación de falsas frecuencias

(aliasing).

V.3.2.1.- Filtro pasa altas

La frecuencia establecida para este filtro será de 20 Hz, y se utilizará un capacitor del valor

comercial más común (0.1µF), por lo que de la ecuación para calcularla frecuencia se despejara

la resistencia a utilizar y se buscara el valor comercial más cercano:

𝐹𝐻 =1

2𝜋𝑅𝐶 V.2

𝑅 =1

2𝜋∗20∗0.1µ𝐹= 79.58 𝐾Ω V.3

Por lo que para el diseño del filtro pasa altas se utilizara una resistencia 82KΩ.

V.3.2.2.- Filtro pasa bajas

La frecuencia deseada para este filtro es de 500 Hz, tomando un capacitor de mismo valor que el

filtro pasa altas, se tiene que calcular nuevamente la resistencia a utilizar en el circuito, la cual se

tiene debería de ser de 3.18KΩ, en el caso del cual se utilizará la de valor comercial más cercano,

3.3KΩ.

𝐹𝐻 =1

2𝜋𝑅𝐶 V.4

𝑅 =1

2𝜋∗500∗0.1µ𝐹= 3.18 𝐾Ω V.5

A continuación se muestra el diagrama de la etapa de filtrado, así como las simulación de la señal

obtenida en esta etapa, utilizando los valores obtenidos mediante los cálculos de las resistencias

necesarias para el diseño de los filtros.

Capítulo V 119



Figura V.18.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas

Figura V.19.- Señal obtenida a la salida de la etapa de filtrado (azul), comparada con la señal de

entrada (roja)

+Vcc +Vcc

-Vcc -Vcc

C2

C1

R4

R6

R5 R7

Capítulo V 120



V.3.3.- Etapa de amplificación de las señales mioeléctricas

Una vez obtenida la señal filtrada, se realizó una nueva etapa de amplificación, por medio de un

circuito TL074, del cual se realizó su simulación con la herramienta computacional, para verificar

su funcionamiento. Esta es la etapa final del proceso de adecuación de las señales EMG, por lo

que la simulación se realizó del diseño completo del circuito de adquisición y procesamiento de

las señales, obteniendo las siguientes gráficas demostrativas para el músculo en esfuerzo

máximo.

Figura V.20.- Diagrama de la etapa de filtrado de las señales electromiográficas

Generador de funciones

R2

R4

R5 R3

R8 R7

R6

R9

C1

C2 +Vcc

-Vcc

Capítulo V 121



Figura V.21.- Señal obtenida a la salida del circuito final de procesamiento de señales (azul),

comparada con la señal de entrada (roja)

De esta última gráfica se obtienen los valores finales que arroja el sistema de adquisición y

procesamiento de la señal, esta simulación se debe de repetir para cada uno de los movimientos

de la mano, y verificar con los valores obtenidos en la medición real, ya con el circuito armado y

comparar la cercanía entre ambas, se debe recordar que a pesar de contar las etapas de filtrado, la

captura de las señales puede llegar a tener pequeñas variaciones incontrolables por el sistema, las

cuales provienen por ejemplo del estado de ánimo del paciente.

Con las simulaciones para el músculo en un agarre de presión a medio y esfuerzo máximo, así

como en reposo, se obtuvieron los siguientes valores, demostrados en la tabla V.4.

Capítulo V 122



Tabla V.4- Datos para la simulación de las señales EMG del paciente

Simulación Músculo a medio

esfuerzo

Músculo a esfuerzo

máximo

Esfuerzo gradual del

músculo

Vpp 2.48 V 6.86 V 5.858 V

Vmax 1.24 V 3.43 V 2.929 V

Vmin -1.24 V -3.43 V -2.929 V

Frecuencia de

simulación 5 Hz 5 Hz 5 Hz

Debido a que la lógica de control será por trenes de pulsos se tienen que obtener parámetros que

permitan establecer una lógica a la información que se programara en el sistema de control a

implementar.

Figura V.22.- Circuito eléctrico del sistema de adecuación de las señales

V.4.- Sistema de control

El sistema de control es el encargado de energizar los servomotores que generan el movimiento

de los dedos del prototipo de la prótesis de mano, el sistema de control activará dichos

servomotores mediante la contracción de los músculos extensores o flexores, según sea el caso.

Debido al límite de tiempo y las dificultades presentadas en la realización de este trabajo, para

simplificar el sistema de control, se complementa con una tarjeta MegaADK de ArduinoTM

,

específicamente diseñada para controlar servomotores mediante un script de programación.

Capítulo V 123



También tiene la posibilidad de configurar entradas para sensores, botones o utilizar los puertos

de comunicación serial con otros programadores externos.

Lo que se busca es realizar un sistema de control que tenga la posibilidad de ser modificado

mediante programación de mediano nivel. En este sistema se podrá realizar un cambio de

programación solamente retirando la tarjeta y mediante un cable USB-MiniUSB poder modificar

los parámetros tales como; velocidad, aceleración, libertad de movimiento de los servos, y hasta

la lógica misma de los pulsos electromiográficos.

Figura V.23- Tarjeta utilizada para el control de las señales

V.5.- Sumario

En este apartado se dio una descripción de los dispositivos a utilizar en el sistema de adquisición

y procesamiento de las señales EMG que se implementan, así como una descripción de sus

principales características y etapas que la conforman. Se determinó la metodología a utilizar en el

proyecto, desde la ubicación de los músculos para detectar dichas diferencias de potencial, hasta

el procesamiento de las señales electromiográficas captadas de dicho músculo, para generar los

movimientos de la mano.

Capítulo V 124



V.6.- Referencias

1.- Muñoz-Moner, A. F, Díaz, J. L. R. y Gómez, J. A. C, Nuevos modelos nanotecnológicos en el

diseño de piel artificial con nanopartículas para el recubrimiento de prótesis de mano y perna

en discapacitados, Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada, Vol. 2, No. 20, pp 136-

143, 2012.

2.- Ferrero-Corral, J. M., Ferrero y de Loma-Osorio, J. M., Saiz-Rodríguez, F. J., y Vives, A. A.,

Bioelectronica: Señales Bioelectricas, 1ª Edición, Editorial de la Univsersidad Politecnica de

Valencia, pp 496-618, 1994.

3.- Bergey, G. E, Squires, R.D., y Sipple, W. C., Electrocardiogram recording with pasteless

electrodes, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol 18, Issue 3, pp 205-211, 1971.

4.- Betts R. P., y Brown, B. H., Method for recording electrocardiograms with dry electrodes

applied to unprepared skin, Medical and Biological Engineering, Vol 14, Issue 3, pp 313-315,

1976.

5.- Hernández-Colín, S. y Olmedo-Flores, Diseño y Construcción de un Dispositivo Electrónico

para Adquisición de Señales Bioeléctricas, Tesis de Licenciatura, Instituto Politécnico

Nacional, pp 52-87, 2014.

6.- Lim, Y. G., Kim K. K., y Park S., ECG measurement on a chair without conductive contact,

IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 53, Issue 5, pp 956-959, 2006.

7.- 3MTM

, Catálogo de Electrodos, 3M Salud, pp 1-3, 2014.

8.- Gilroy, A. M., MacPherson, B. R., y Ross, L. M., Atlas de Anatomía, 2a Edición, Editorial

Panamericana, pp 211-250, 2011.

9.- Hargrove L. J., Fredericton, N. B., Englehart, K., y Hudgins, B., A Comparison of surface and

intramuscular myoelectric signal classification, Biomedical Engineering IEEE, Vol. 54, Issue

5, pp 847-853, 2005.

10.- Hudgins B., Parker., P y Scott, R. N., new strategy for multifunction myoelectric control,

IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 40, No. 1, pp 82 94, 1993.

11.- Lowery, M. M., Stoykov, N. S., Taflove, A. y Kuiken T. A., A multiplelayer finiteelement

model of the surface EMG signal, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 49, No.

5, pp.446454, 202

12.- Merletti, R., Standards for reporting EMG data, Journal of Electromyography and

Kinesiology, Vol 9, No. 1, pp 3-4.


abordan las lecturas de

las señales

electromiográficas y su

simulación en el equipo

de cómputo. Así mismo,

se explica el

funcionamiento y la

importancia del uso de un

recortador de la señal de

salida del circuito de

filtrado. Y por último, se

hace un análisis de costos

del diseño del proyecto.

CAPÍTULO VI

Análisis de Resultados y

Conclusiones

Capítulo VI 126



VI.1.- Análisis de Resultados y Conclusiones

En este capítulo se analizan las señales obtenidas del músculo y se propone un protocolo de

activación para servomotores.

Se analizarán también las señales obtenidas para distintos movimiento naturales del brazo que

podrían interferir en la medición final de la señal, ya que, como se conoce, los músculos aledaños

también generan un impulso eléctrico, éste podrían filtrarse hacia el circuito y accionar el motor

sin que el usuario haya querido accionarlo. El protocolo de bloqueo de estas señales aledañas se

simulara al circuito del sistema de procesamiento de las señales EMG, descrito en el capítulo V,

para verificar su funcionamiento de manera ideal.

Por otra parte, se hará un análisis de costos, el precio unitario de los componentes, las horas de

ingeniería, se mostrará también el costo del material del prototipo. Y se concluirá si es

conveniente continuar con futuras investigaciones o si sólo se queda como un proyecto de

investigación.

VI.2.- Señales EMG obtenidas

A continuación en la figura VI.1 se muestra la parametrización de las señales EMG obtenidas,

para el esfuerzo medio del músculo, donde la sección por división es de la misma forma 250ms

en el eje X y 2 V por división en el eje Y, y en la tabla VI.1 se describen los principales

parámetros que comprenden a esta señal.

Figura VI.1.- Señal EMG del músculo a esfuerzo medio

Capítulo VI 127



Tabla VI.1- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del paciente

Medición Magnitud

Vpp 2.16 V

Vmax 1.04 V

Vmin -1.12 V

Periodo aprox. 15 ms

Frecuencia aprox. 66.66 Hz

Tiempo de Subida 6 ms

Tiempo de Bajada 268 ms

En la figura VI.2 se muestra la señal de un pulso normal del músculo, donde la sección por

división es de la misma forma 250ms y 2 V por división, en la tabla VI.2 se ejemplifican los

parámetros de esta señal.

Figura VI.2.- Señal EMG de un pulso del músculo

Capítulo VI 128



Tabla V1.2- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del paciente

Medición Magnitud

Vpp 8.4 V

Vmax 3.60 V

Vmin -4.80 V





Ahora en la figura VI.3 se muestra una señal donde el esfuerzo del músculo es gradual, es decir,

que el músculo empieza a ejercer presión sobre algún objeto hasta apretarlo con fuerza y después

empezar a des energizar al músculo poco a poco hasta su reposo. En la tabla VI.3 se muestran los

parámetros obtenidos donde la sección por división es de 500 ms y 2 volts por división.

Figura VI.3- Señal EMG del músculo con un incremento gradual del esfuerzo

Capítulo VI 129



Tabla VI.3- Datos obtenidos de la lectura de las señales EMG del antebrazo del paciente

Medición Magnitud

Vpp 6 V

Vmax 3 V

Vmin -3 V





Ahora, debido a que el protocolo de activación será a través de pulsos, se tiene que hacer, de la

señal antes analizada y simulada un pulso uniforme que permita identificarlo como un botón de

activación para el sistema de control propuesto, y además este podrá servir como protección

contra picos de voltaje que se pueden generar cuando exista un máximo esfuerzo en el músculo.

Para esto se implementó un circuito integrado 74HC14, mejor conocido como Schmitt Trigger,

así, este circuito mandará una señal analógica cuando reciba una excitación mayor a 1.38 V y la

mantendrá en 5 V hasta que dicha excitación esté por debajo de 1.38 V. De esta manera, poder

manipular de buena manera la señal para la activación de la tarjeta y al mismo tiempo protegerla

de altos pulsos provenientes de mucho esfuerzo en el músculo.

Figura VI.4.- Diagrama del Schmitt Trigger

El uso de este sistema de recorte de la señal se debe a como se puede observar en las gráficas de

las lecturas de las señales EMG obtenidas del músculo, en las figuras VI.1, VI2 y VI.3; existen

algunos picos de voltaje, los cuales pueden crear interferencias en la conversión de la señal

eléctrica en movimiento, e incluso llegar a dañar al circuito de control, a continuación se muestra

la gráfica de la señal EMG utilizando el Schmitt Trigger.

Capítulo VI 130



Figura V1.5.- Simulación del sistema Schmitt Trigger

En la figura VI.5 se muestra la gráfica en color rojo es la señal EMG y la señal en color azul, es la

señal del Schmitt Trigger en positivo, la cual limitará la salida del circuito a únicamente lo que se

encuentre dentro de su rango de trabajo.

VI.3.- Comparación de las lecturas del músculo, con la simulación del circuito de

adquisición de las señales EMG

A raíz de los datos obtenidos del músculo se realizó la simulación del circuito para determinar el

rango de valores necesarios para la activación de los servomotores.

Para el caso del músculo sometido a un esfuerzo medio se tiene un voltaje medido en el músculo

de 1.04 V en la zona positiva para lo que se necesita un rango de 10 mV ± 2 mV en la señal

simulada, para obtener esa ganancia final, necesaria para la activación de los servomotores. En la

figura VI.6 se muestra la gráfica de la simulación del músculo a medio esfuerzo.

Capítulo VI 131



Figura V1.6.- Simulación de la señal del esfuerzo medio

Para el caso de un pulso en el músculo, se tiene un voltaje medido en el músculo de 3.6 V en la

zona positiva para lo que se necesita un rango de 30 mV ± 2 mV en la señal simulada, para

obtener esa ganancia final, necesaria para la activación de los servomotores. En la figura VI.7 se

muestra la gráfica de la simulación de un impulso en el músculo.

Capítulo VI 132



Figura V1.7.- Simulación de la señal a un pulso del músculo

Por último, para el músculo sometido a un esfuerzo gradual se tiene un voltaje promedio medido

en el músculo de 3 V en la zona positiva para lo que se necesita un rango de menor a 26 mV en la

señal simulada, para obtener esa ganancia final, necesaria para la activación de los servomotores.

En la figura VI.8 se muestra la gráfica de la simulación del músculo con incremento gradual en

el esfuerzo, comparada con la de la lectura del músculo.

Capítulo VI 133



Figura V1.8.- Simulación de la señal en un esfuerzo gradual del músculo

Las señales de la simulación se presentan como una onda completa de tipo senoidal, esto ya que

no presentan una interferencia externa, como en la lectura de las señales de manera directa en el

músculo.

VI.4.- Activación de los servomotores

Como ya se ha mencionado, los servomotores se activan por medio de un pulso a la entrada de

estos, es decir, que cuando se excite al músculo, es sistema de control generará una señal en

Volts, la cual activará la tarjeta utilizada en el desarrollo del proyecto. La tarjeta activará a los

Capítulo VI 134



servomotores para realizar el movimiento de cierre de los dedos. Los servos se desactivarán

cuando la tarjeta deje de detectar al pulso de activación.

Debido al límite de tiempo y las dificultades presentadas en la realización de este trabajo, para

simplificar el sistema de control, se complementa con una tarjeta MegaADK de Arduino. La cual

tiene la función de detectar el pulso generado en el circuito de adquisición de señales y si este

pulso es mayor al valor establecido de activación, es decir, que el músculo se encuentre en

actividad, la tarjeta activará servomotores que se encuentren en sus salidas 0, 1, 2, 3, 4 con la

instrucción pre-instalada de la tarjeta (servo), antecedida de la dirección de la salida de la tarjeta.

Pero, si se detecta la señal y no es mayor al valor establecido de activación, los servos se

quedarán en la posición inicial de Home.

VI.5.- Análisis de costos

En el siguiente tema, se analizarán los costos del proyecto, se mencionarán precios de materiales

y de instrumentación que se consideran convenientes para el prototipo.

Tabla VI.4- Análisis de costos del proyecto

Cantidad Precio Unitario Precio Total

Gastos electrónicos

Hardware Osciloscopio

Tektronix ®

1 7,000.00 7,000.00

Computadora Intel®

CORETM

i7

1 22,000.00 22,000.00

Software NI MultisimTM

13.0 1 año de

licencia

54,380.00 54,380.00

Dispositivos

Electrónicos

Resistencias SMD 8 5.00 40.00

Capacitores SMD 2 7.00 14.00

TL074 SMD 1 15.00 15.00

74HC14 SMD 1 25.00 25.00

Capítulo VI 135



AD620 SMD 1 200.00 200.00

Tablilla doble cara 1 20.00 20.00

Soldadura 1 35.00 35.00

Servomotores

HD-1900A

4 200.00 800.00

Servomotor HS 55 1 150.00 150.00

Motoreductor 1000:1 1 290.00 290.00

Tarjeta Arduino

Mega ADK

1 600.00 600.00

Hora de Ingeniería 360 hrs 200 c/hr 72,000.00

Diseño de la prótesis

Software SolidWorks 1 año de

licencia

88,000.00 88,000.00

Hardware Computadora Intel®

CORETM

i7

1

Impresora 3D

Dimension SST 1200-

es

1 30,000.00 30,000.00

Hora de Ingeniería 620 hrs 150 c/hr 93,000.00

Termoplásticos ABS 1 rollo 850.00 850.00

Costo Total del Prototipo $369,419.00

VI.6.- Conclusiones

Mediante el trabajo presentado, se muestra una metodología que permite estudiar las señales

mioeléctricas generados en el antebrazo de una persona, recurriendo para ello a la descripción de

los procesos que comprenden las etapas de procesamiento de las señales EMG, desde su lectura

en el músculo, hasta la etapa final del proceso de adecuación de la señal para su posterior

utilización.

Capítulo VI 136



Se abordan las lecturas de las señales electromiográficas y su simulación en el equipo de

cómputo. Así mismo, se explica el funcionamiento y la importancia del uso de un recortador de la

señal de salida del circuito de filtrado.

Durante el desarrollo del trabajo, se expuso la teoría necesaria acerca de la síntesis y análisis de

las señales electromiográficas y su uso para generar movimientos en la prótesis personalizada de

mano. Dicho prototipo de prótesis también se encuentra desarrollado en este trabajo, pariendo de

la simplificación de mecanismos y análisis para la cinemática directa e inversa de cada uno de los

dedos involucrados en los agarres generados por la mano humana.

La unión de estas dos partes, la mecánica con el diseño de la prótesis y la eléctrica con el diseño

del dispositivo de adquisición y procesamiento de las señales EMG, generan un modelo de una

prótesis no convencional que permite al paciente, portar un artefacto con mayor utilidad a los

convencionales existentes en el mercado nacional. Es importante mencionar que la etapa de

adquisición y el procesamiento de las señales es la parte más compleja del trabajo, ya que se

requieren de conocimientos de otras áreas como anatomía y medicina.

Se deben de realizar diversos y repetitivos análisis de las señales generadas en el músculo,

teniendo en cuenta que nunca se obtendrá un resultado igual, ni si quiera en el mismo paciente de

prueba, esto a los agentes externos que se ven involucrados en el proceso y que en su mayoría son

incontrolables, por lo que se necesitan de estudios más a detalle del análisis de estas señales y

lograr adecuarlas de manera más precisa y encontrar la correlación entre la fuerza o torque, con la

señal electromiográfica relativo a los valores de contracción máxima voluntaria, para con ellas

generar un algoritmo de control más complejo, que pueda reducir los errores y completar las

deficiencias presentadas en este trabajo.

Los estudios realizados en este trabajo sobre las señales mioeléctricas, sirvieron como base para

la realización del artículo Use of Myoelectric Signals in Hand Prosthesis, publicado en

Noviembre de 2014 en la revista internacional Journal of Chemical, Biological and Physical

Sciences, en la sección Development of Biotechnological Process.

TRABAJOS FUTUROS

138



VI.1.- Trabajos Futuros

Acoplar los movimientos de abducción y aducción para los dedos de la prótesis

Se propone que a partir de lo analizado en el diseño de la prótesis de mano, se rediseñe el

mecanismo de la base de los dedos índice, medio, anular y meñique con su inserción en la palma

de la mano para generar el movimiento de abducción y aducción de los mismos. Así como,

generar una mejora en el diseño protésico que genere el movimiento de abducción y aducción en

el pulgar, para poder con ello generar otro tipo de agarres con la prótesis de la mano.

Estandarizar las señales mioeléctricas del paciente

En el aspecto de las señales mioeléctricas es conveniente diseñar el sistema de control inteligente

que sirva como generador de movimiento para la prótesis de la mano. Para lo que se propone,

generar una tabulación con los valores de voltajes en la señal electromiográfica interrelacionada

con el posicionamiento de los mecanismos de la prótesis de repetidas iteraciones del proceso de

lectura de las señales mioeléctricas, y con ellas poder posteriormente generar una tabla de verdad

y un algoritmo de matrices para tomar decisiones por medio de un sistema de control inteligente.

Ya que dentro de este trabajo se usó un control únicamente mediante pulsos eléctricos a los

servomotores, producidos por una tarjeta controladora, por lo que se recomienda sustituir esta

tarjeta por un sistema de control más avanzado.

Tratando de estandarizar las señales EMG y el proceso de adquisición mediante las normas

descritas por la American National Standard / Association for the Advancement of Medical

Instrumentation (ANSI/AAMI).

Diseñar el socket para adaptar la prótesis al paciente

Otro aspecto importante a considerar es el diseño del socket, que es el vínculo entre el miembro

del paciente y la prótesis, donde deberá tomarse en cuenta un compartimiento para almacenar los

circuitos, sensores y fuentes de alimentación necesarios para el procesamiento de las señales

electromiográficas.

ANEXOS

ANEXOS

Anexo A

ANEXOS

Anexo B

ANEXOS

Anexo C

ANEXOS

Anexo D

ANEXOS

Anexo E

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