Download Datos Generales Nombre del Proyecto Pinza robótica controlada

Datos Generales
Nombre del
Proyecto
Pinza robótica controlada con EMG
Semillero
GIEM
Área del
Proyecto
Ingenierías
Subárea del
Ingeniería Biomédica
Proyecto
Tipo de
Proyecto
Proyecto de Investigación
Subtipo de
Proyecto
Investigación en Curso
Grado
Séptimo Sem
Programa
Académico
Ingeniería Electrónica
Email
[email protected]
Teléfono
3118224850
Nodo
Tolima
Integrantes :
[1106333718-KAROL VIVIANA QUINTERO GALLEGO]
[93407442-HENRY AGUSTIN BOCANEGRA ]
Instituciones a las que pertenece :
[890704382-UNIVERSIDAD DE IBAGUE]
Datos Específicos del Proyecto
Introducción
Este proyecto pretende diseñar e implementar una pinza robótica, de bajo costo, para niños entre 8
y 10 años de edad, accionada mediante la bioseñal proveniente de la contracción del antebrazo y
cuyo control se realizará a partir de un microcontrolador y sensores de proximidad y presión que
permiten determinar el ángulo exacto de apertura de la pinza, para sujetar objetos sin importar su
tamaño. La necesidad de desarrollar dispositivos que mejoren la calidad de vida de las personas
discapacitadas y las políticas pos-conflicto del gobierno, hacen evidente la necesidad de que los
grupos de investigación desde sus semilleros, desarrollen dispositivos de bajo costo para este tipo
de población vulnerable. El semillero GIEM del programa de Ingeniería Electrónica de la
Universidad de Ibagué, ha venido desarrollando prototipos para emulación de movimientos del
brazo, como ayuda a fisioterapia y quiere incursionar en el desarrollo de prótesis de bajo costo.
Planteamiento del Problema
El conflicto armado en Colombia, ha dejado miles de niños discapacitados, que sumados a los
problemas congénitos, según las últimas cifras oficiales del DANE, las personas discapacidad en
cuerpo, manos brazos y piernas a nivel nacional suman 260.003, de los cuales 16.127 son niños
entre 5 y 14 años. Las políticas del gobierno que tienden a la inclusión y a la reconciliación, hacen
inminente que Universidades y entes gubernamentales desarrollen políticas y junto con ellas,
dispongan los recursos necesarios para desarrollar dispositivos que ayuden a mejorar la calidad de
vida de esta población vulnerable en situación de discapacidad. El semillero de estudiantes del
programa de Ingeniería electrónica de la Universidad de Ibagué, GIEM, perteneciente al grupo de
investigación D+TEC, viene desarrollando dispositivos electrónicos de ayuda funcional y de
recuperación (terapia) para extremidades superiores; comenzando con el diseño de un brazo
robótico que emula los movimientos de brazo y de mano, y ahora pretende incursionar en el
desarrollo de prótesis simples de bajo costo. El prototipo de pinza robótica que se plantea en esta
investigación, responde a la inquietud, de si es posible diseñar una ayuda funcional para ser
utilizada por un niños de entre 8 y 10 años que ya sea por amputación, trauma o daño congénito,
han perdido sus extremidades superiores (manos); prototipo con diseño y materiales locales y que
tenga como características fundamentales: el bajo costo, la eficiencia en la tarea de garra, la
capacidad de sujetar objetos de diferentes tamaños, con sensores que ayuden a mejorar esta tarea, y
la optimización en la adquisición (a partir de electrodos desarrollados por el semillero) y
minimización del sistema de control. Gracias a la pinza, los niños podrán suplir necesidades básicas
de su diario vivir, como por ejemplo sostener de un vaso o algún otro objeto que se emplee
diariamente, de esta manera se lograría mejorar su calidad de vida. La pinza es funcional debido a
que a pesar que el niño no tenga una extremidad, aún puede emplear y/o contraer otros músculos
que serían usados para generar señales electromiográficas (EMG); estas señales se utilizarán con el
fin de accionar la pinza robótica que contará con sensores adicionales para permitir su control.
Objetivo General
Diseñar una pinza tipo garra, para un niño de entre 8 y 10 años, que permita la sujeción controlada
de objetos, y su respectivo desplazamiento, a partir de la captura de la señal electromiográfica y de
sensores que determinan el grado de apertura y cierre de la misma de acuerdo con el objeto que se
pretende sujetar.
Objetivo Específicos
- Diseñar y construir una pinza tipo garra con materiales económicos para fisionomía de un niño de
entre 8 y 10 años. - Desarrollar electrodos semi-secos para mejor prestación de la pinza. - Diseñar
los circuitos de amplificación y filtrado y procesamiento y control con un nano-arduino y diseñar el
circuito impreso para la misma. - Diseñar una base cómoda, para que sirva como unión entre la
pinza y el niño. - Realizar pruebas con un niño, para validar el diseño de la prótesis.
Referente Teórico
Señal EMG: Este trabajo se centrará en los biopotenciales generados por el antebrazo. Cuando se
produce una contracción muscular se genera una pequeña señal eléctrica, llamadas
electromiograma (EMG), que está entre 0.1 y 5mV. Esta señal debe de ser filtrada y amplificada a
niveles de voltios, para garantizar que el procesamiento sea más fácil de desarrollar y así obtener un
buen control de la pinza. 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 son
demasiado débiles, por lo que se hace necesario un procesamiento previo, que incluye filtraje y
amplificación antes de su análisis. AMPUTACIÓN: Es la remoción o resección total o parcial de
una extremidad seccionada a través de uno o más huesos, en forma perpendicular al eje longitudinal
del miembro. En relación al mecanismo de producción puede ser de dos tipos: Amputación
Primaria o Traumática (producida por un agente traumático) y Amputación Secundaria o
Quirúrgica (programada para ser realizada por medio de un acto quirúrgico). La amputación es
irreversible; ningún miembro artificial posee percepción sensitiva, de manera que es importante no
eliminar una extremidad que tenga intacta su sensibilidad (aunque con dolor tolerable), aun cuando
haya desaparecido la función motora. Tipos de Prótesis Prótesis mecánicas: Basan su
funcionamiento en la apertura y cerrado de la mano, limitada al agarre de objetos grandes y
movimientos imprecisos. Prótesis eléctricas: Las prótesis eléctricas se basan en el uso de motores
eléctricos, que pueden ser controlados por medio de servo-controles, pulsantes o interruptores.
Prótesis mioeléctricas: Se basan en la obtención de señales musculares, obtenidas mediante el uso
de electrodos que permiten la extracción de la señal que es amplificada, procesada y filtrada y
llevada al control para el manejo de la prótesis. Este es el tipo de prótesis que se diseñará en este
proyecto.
Metodología
La metodología implementada, consta de cuatro fases para lograr el prototipo a diseñar. La primera
fase se basa en el diseño mecánico de la mano y su construcción; la segunda fase está encaminada a
la adquisición de la bioseñal, a partir de la exploración de materiales para el diseño de sensores
semi-secos y la parte de preprocesamiento de la señal adquirida en el musculo. La fase tres por su
parte, se centra en el control electrónico de la pinza a partir de la señal capturada y de los sensores
para control de sujeción y presión, empleando un dispositivo electrónico que permita versatilidad,
funcionalidad con bajo consumo y reduciendo al máximo la cantidad de componentes electrónicos
adicionales. La fase final se compone de dos partes, el diseño del acople de la pinza al muñón y las
pruebas en un niño real con discapacidad, para validar el diseño mecánico y realizar ajustes en el
control electrónico.
Resultados
- Se han diseñado electrodos semisecos, basados en acero inoxidable, que ayudan a mejorar la
eficiencia en la adquisición de la señal EMG. - Se diseñaron los circuitos de amplificación y
filtrado de la señal EMG, que es acondicionada con un disparador, para determinar el control del
motor que acciona la pinza. - Se está trabajando con un nano-arduino para minimizar el espacio que
requiere el sistema de control electrónico. -Se ha diseñado una pinza de bajo costo, tipo garra, con
acrílico, que mediante una contracción muscular, se acciona de manera que se pueden agarrar
objetos y soltarlos a voluntad. - Para el control, la pinza se acciona con un motor DC reductor, que
al girar hacía un extremo, hace que la pinza se abra, y al realizar el movimiento contrario, la pinza
se cierra. A la pinza robótica se le agregaron pulsadores que realizan la función de sensar cuando
un objeto es agarrado por la pinza
Conclusiones
- Se tiene una pinza de bajo costo, realizada en material acrílico que se rediseñará para impresión
3D y así mejorar estética y peso. -La pinza se acciona mediante una contracción muscular de
manera que se pueden agarrar objetos de diferentes tamaños y soltarlos a voluntad a partir de una
segunda contracción. - Los circuitos de Adquisición, amplificación y filtrado se han optimizado en
tamaño y consumo para mejorar el peso y control de la pinza. - Se han diseñado electrodos
semisecos, basados en acero inoxidable, que ayudan a mejorar la eficiencia en la adquisición de la
señal EMG. - El control con un nanoarduino permite un diseño más compacto.
Bibliografía
? Brito Jofre L. y otros, Estudio del estado del arte de las prótesis de mano. Ingenius, Revista
Ciencia y Tecnología. 2013. Vol 9. pag 57-64. ? DANE Colombia. Estadisticas.
http://www.dane.gov.co/index.php/esp/poblacion-y-demografia/discapacidad/119demograficas/discapacidad/2848-discapacidad-por-departamentos ? J. Pelletier, ?Touch bionics ilimb prostheses,? Biomedical Engineering, vol. Second Presentation, April 2013. [Online].
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And others. Development of a quasi-dry electrode for EEG recording, Sensors and Actuators A:
Physical, Volume 199, 1 September 2013 ? C. A. Silva Castellanos, J. E. Muñoz Riañoz, D. A.
Garzón Alvarado, N. S. Landínez Parra, and O. Silva Caicedo, ?Diseño mecánico y cosmético de
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Jan./Mar. 2011.