REVISTA JUVENTUDYCIENCIASOLIDARIA: Enelcaminodelainvestigación Diseñodecircuitodeprótesisdemanorobótica JoedFranciscoVillagómezSaverio,CésarAlejandroGonzálezCarriel,SebastiánRicardoVélezVera,LuisAlbertoAtupañaGualli Minombrees JoedFranciscoVilla- gómezSaverio ,tengo17añosyestudioen elquintoañoBGUdelaUnidadEducativa SalesianaFiscomisionalDomingoComín. Megustadibujaryenlauniversidadquiero estudiardiseñográfico. Minombreses CésarAlejandro GonzálezCarriel ,tengo17añosy estudioenelquintoañoBGUdela UnidadEducativaSalesianaFiscomisional DomingoComín.Megustaentrenaryen launiversidadquieroestudiarmecatrónica. Minombrees SebastiánRicardo VélezVera ,tengo17añosyestudioenel quintoañoBGUenlaUnidadEducativa SalesianaFiscomisionalDomingoComín. Megustaelfútbolyenlauniversidad quieroestudiaringenieríacivil. LuisAlbertoAtupañaGualli ,tengo17 añosyestudioenelquintoañoBGUenla UnidadEducativaSalesianaFiscomisional DomingoComín.Megustaelfútbolyen launiversidadquieroestudiaringenieríaen sistemas. Resumen Esteartículopresentaeldiseñodeuncircuitopara unaprótesisdemanorobótica,conelenfoquede mantenerlaaparienciadelsistemasincomprometer sufuncionalidad.Paralograresto,seredujeronlos gradosdelibertaddelamanoasolo15yseuti- lizóunmecanismoparacadadedoquepermitela flexión,extensiónehiperextensión.Losmovimientos deabducciónyaduccióndelosdedosylapalma fueronomitidos.Elsistemadiseñadopermiteagarrar objetosconunagarrelateral,cilíndricoyesférico,pro- porcionandolaprecisiónnecesariaparadiversastareas. 7
8 JuventudyCienciaSolidaria Palabrasclave: prótesis,discapacidad,mano robótica Explicacióndeltema Segúndiversasinvestigaciones,laspersonascondis- capacidadenfrentantasasmásaltasdedesempleoy menoresingresosencomparaciónconaquellassindis- capacidad[1]. Duranteaños,sehaintentadosustituirunmiembro faltantedelcuerpoconotroquecumplaunafunción similar.Enestecontexto,lacreacióndedispositivos artificialesesunprocesoprofundoycomplicado,ylos resultadosobtenidosnoalcanzanaigualarcompleta- menteelcomportamientonaturaldelcuerpo[2]. Elmiembrosuperioresunsistemaúnicocon propiedadesfísicasexcepcionalesycaracterísticases- pecialesqueactualmentesonimposiblesdereproducir porcompleto[3]. Así,losinteresadospuedensolicitarlarealización deunaprótesiscomounaopciónparamejorarlacali- daddevida.Anteriormente,lasprótesisseutilizaban principalmenteconfinesestéticos;sinembargo,hoyen día,graciasalosavancesdeinvestigadoreseingenieros queestándesarrollandoprototiposdemanosybrazos conmovilidad,elmercadodelasprótesistienemucho futuro.Sefabricanprótesisparaelbrazo,lamano,la cadera,entreotraspartesdelcuerpo. Además,unaprótesisquereemplazaaunaparte delcuerpo,comounamano,debesercapazdedesarro- llarfuncionesesencialespararealizarinnumerables operaciones,loquelaconvierteenunaherramienta especializadaconcaracterísticasespecíficasquede- mandanaltaprecisiónenlarealizacióndeoperaciones. “Paradesarrollareintroducirpropiedadessimilares alossustitutosfuncionalesnaturales,existenvarios desafíosrelacionadoscondiferentescamposdelainge- niería”[4]. Medianteelusodeunaprótesis,elpacientetiene laoportunidadderegresarasusactividadesdiariasy adquirirciertasfuncionesqueleayudaránadesarro- llarsedíaadíaymejorarlapercepcióndesucuerpo. Unapersonadebeutilizarunavariedaddemétodos paraobtenerlasdimensionesexternaseinternasdelos sistemasnaturalesantesdepoderutilizarunaprótesis ensuvidadiaria.Estosmétodosincluyenanálisisde rayosX,videodecapturademovimiento,elementos desonidoyreconstruccióntridimensional[5]. Porestarazón,sedecidiódesarrollareldiseñode uncircuitoparaunamanorobótica,destinadoaper- sonascondificultadesenelmiembrosuperior.Esta iniciativatienecomoobjetivoaplicarlosconocimientos demecatrónicayrobóticaparadiseñarunaprótesis queofrezcaunasoluciónefectivaaestanecesidad. Unaprótesisdemanorobóticaesundispositivo diseñadoparareemplazaromejorarlafunciónde unamanoausente.Estasprótesisutilizantecnología robóticaavanzadaparareplicar,lomásfielmenteposi- ble,lasfuncionesdeunamanohumana.Eldiseñoy funcionamientodelaprótesispuedenvariarsegúnlas necesidadesdelusuarioylastecnologíasdisponibles. Sinembargo,generalmenteincluyenlossiguientescom- ponentes: Servomotores Elservomotoresunmotordecorrientecontinuade altaprecisión,diseñadoparacontrolarlaposición,la velocidadyeltorque[2].Funcionamediantepulsos eléctricos,esdecir,señalesdevoltajebajoquedeter- minanelángulodeposicióndelejedelmotor.Elservo puederecibirunpulsocada20milisegundos. Laduracióndelpulsodeterminaelmovimientodel motor;porejemplo,unpulsode1.5msllevaráelmotor aunaposiciónde90grados(posiciónneutra).“Siel pulsoesmenorde1.5ms,elmotorsemoveráhacia los0grados.Sielpulsoesmayorde1.5ms,elejese desplazaráhacialos180grados”[6],Verfigura1. Figura1. ServomotoresFuente:Autores
Enelcaminodelainvestigación 9 Flexorresistencias Elsensordeflexiónesuntipoderesistenciacuya variacióndependedelacurvatura.Esdecir,ame- didaquelaresistenciasecurva,susvaloresóhmicos cambian:laresistenciaeléctricadisminuyeconuna menorcurvaturayaumentaconunamayorcurvatura. Estossensoresseutilizanenguantesparadetectar elmovimientodelosdedos,enlaconduccióndeau- tomóviles,enproductosdefitnessy,enestecaso,para permitirmovimientoscontrolados,entreotrosusos. Sinembargo,sucostopuedeserbastanteelevadoen elmercadolocal[7],VerFig2. Figura2. FlexorresistenciaFuente:[10] ArduinoUno Estaesunaplacadedesarrolloelectrónicabasada enelmicrocontroladorATmega328P.Espopularpara proyectosdeprototipado,electrónicayautomatización. Tiene14pinesdigitales,6pinesanalógicosysepuede programaratravésdeuncableUSB.Operaa5V,tiene 32KBdememoriaflashyesidealparaprincipiantes yproyectosdebricolaje. Enlafigura3,sepuedeverelcircuitoconundiseño electrónicodeunaprótesisdemanorobótica.Cadaele- mentotienesufuncióneneldiagrama.Loselementos usadosson:ArduinoUno,cablesdeconexión,sensores flexibles,servomotores,resistencias. Realizareldiseño3Dconlasdimensionesade- cuadasesfundamentalparaquelaprótesisseajustea lasnecesidadesespecíficasdelapersona.Elmodelado 3Dsehaconvertidoenunaherramientaesencialen todaslasetapasdelanálisisydiseñodesustitutos artificialesparaaplicacionesmédicascomplejas[8].De estamanera,permitealosmédicoseingenierosde- sarrollarnuevaspropuestasfundamentadasenestas tecnologías,loqueresultaenopcionesmásaccesibles yeconómicasquepuedenrestaurarciertosgradosde funcionalidadenlospacientes. Figura3. DiagramadelcircuitodelamanorobóticaFuente:Autores Losgradosdelibertaddeunamanoserefierenala cantidadtotaldemovimientosquelamanorobótica puederealizarensuconjunto.Enestecaso,lamano tieneunnúmerolimitadodegradosdelibertad,loque significaquelosmovimientosestánoptimizadospara ciertasfuncionesclave,comolostiposdeagarreslate- ral,cilíndricoyesférico.Porotrolado,cadadedotiene múltiplesgradosdelibertad,loquepermitemovimien- tosmásdetalladosyespecíficos,comolaseparación yelacercamientodelosdedos.Eldiseñodelcircuito, quesepuedeintegraralaprótesis,estábasadoen15 gradosdelibertadparalosdedosymuñeca,simulando elmovimientodeunaarticulaciónnormal[9]. Lafigura4muestraeldiseñoenTinkercaddeuna prótesisdemanocompatibleconeldiseñodecircuito propuestoparasufuncionamiento,dadoquesetomó 15gradosdelibertad. Figura4. DiseñodemanorobóticaFuente:Autores
10 JuventudyCienciaSolidaria Unadelasventajasdeldiseñodelaprótesisde brazoesquesirveparacargarobjetospesadosyllevar- losacualquierlugar.Sinembargo,sedebenconsiderar algunasprecauciones,comoevitarqueelbrazosemoje, yaqueloscablespodríancausaruncortocircuito. Además,esimportantemantenerelvoltajeadecuado; sielvoltajeesbajo,larespuestadelaprótesisserá máslentaalejecutarlasórdenes.Apesardeestaslimi- taciones,lasprótesissonunaopciónparamejorarla calidaddevidadelaspersonasconalgúnmiembrofal- tante.Porello,esfundamentalseguirexplorandotodas lasalternativasqueestasnuevastecnologíasofrecen,ya quebrindaunaopciónfuncionalpararecuperarparte delamovilidadycapacidaddelmiembroperdido.Si bienestediseñoesunapropuestaquepuedeserparte deunmodelointegral,esteprototipoporsisoloesuna ejemplodeloquesepuedellegarahacerenprótesis funcionales. Conclusiones Eldesarrollodelcircuitoparaunaprótesisrobótica representaunavancesignificativoenlaintegraciónde tecnologíaparamejorarlacalidaddevidadepersonas querequieranunaprótesisdemano. Aunquerecrearcompletamentelascapacidades deunamanohumanasiguesiendoundesafío,este proyectodemuestraqueesposibleacercarseaeseob- jetivomedianteundiseñooptimizadode15gradosde libertad. Estediseñopermiterealizarmovimientosesenciales yprecisoscomolaseparaciónyelacercamientodelos dedos,brindandounafuncionalidadmáscercanaalanatural. Lacombinacióndeservomotores,sensoresdeflexión ylaplataformaArduinoUnoeneldiseñodelcircuito ofreceunasoluciónaccesibleyadaptable,queresponde alasnecesidadesfuncionalesbásicasdelosusuarios. Estediseñonosolofacilitalarealizacióndetareas cotidianas,sinoquetambiénpromuevelainclusión social. Apesardelaslimitacionesinherentesalastec- nologíasactuales,comolanecesidaddeevitarelcon- tactoconaguaoladependenciadeunsuministro deenergíaconstante,lasventajasdeestesistemasu- peranlosdesafíos,proporcionandounaherramienta valiosaparalarehabilitaciónyelempoderamientode losusuarios. Referencias [1]J.M.Dorador-GonzalezyD.González, «Robóticayprótesisinteligentes»,ene.2005. [2]O.D.EstradaApolo,«Diseñoyconstrucción deunaprótesisergonómicadeantebrazoymano derechapormediodetecnologíasdeescaneo3D, modeladoCADeimpresión3D»,mar.2020,Acce- dido:26deseptiembrede2024.[Enlínea]. Disponibleen:https://shorturl.at/1r6Qo [3]G.CutipayF.Williams,«Diseño,implementación ycontroldeunexoesqueletopararehabilitación deextremidadessuperiores»,sep.2017.Accedido: 26deseptiembrede2024.[Enlínea].Disponible en:https://shorturl.at/xI1kd [4]J.G.MejíaEspinosayC.A.Zapata,«Diseño eléctricomóduloservomotor»,2015,Accedido:26 deseptiembrede2024.[Enlínea].Disponibleen: https://shorturl.at/t8RvQ [5]M.Pérez,G.Urriolagoitia,L.Hernández,A. Velázquez,yC.T.SanMiguel,«Relevanciadel estudiocinemáticodeunamanorobóticamultiarti- culadaaplicablecomoprótesis»,en 5toCongreso CientíficoTecnológicodelaCarreradeIngeniería MecánicaEléctrica,México ,2010,pp.1-5. [6]M.Pérez,A.Velázquez,G.Urriolagoitia,H.Hernán- dez,G.Urriolagoitia,yO.Juárez,«Antecedentes históricosdelasprótesisdeextremidadsuperior», XVConv.CientíficaIng.Arquit.CUJAECuba ,pp. 1-5,2010. [7]J.Pfaeffle,B.Blankenhorn,K.Stabile,J.Imbriglia, R.Goitz,yD.Robertson,«Developmentandvali- dationofacomputedtomography-basedmethodo- logytomeasurecarpalkinematics», J.Biomech. Eng. ,vol.127,n. o 3,pp.541-548,jun.2005,doi: 10.1115/1.1894370. [8]J.ReynosoVillaverde,«Diseñoycontrolde unamanorobóticaparafunciónmotoradeper- sonasdiscapacitadas», Univ.Cont. ,2021,Acce- dido:26deseptiembrede2024.[Enlínea]. Disponibleen:https://shorturl.at/I4CD7 [9]E.Ruíz,J.Beltrán,R.Rodríguez,L.Hernández, G.Urriolagoitia,yG.Urriolagoitia,«Técnicasde
Enelcaminodelainvestigación 11 modeladoen3Daplicadoacasosdevértebrasporci- naspormediodeunescáner3Dytomografías»,en XXVCongresoNacionaldeInvestigación Biomédica ,2009,pp.1-10. [10]LuneGate,«Tutorial:Aprenderausarunsensor FlexconArduino»,Lunegate-BlogdeRobótica. Accedido:27deseptiembrede2024.[Enlínea]. Disponibleen:https://shorturl.at/DAjVx