Protesis SMA

Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Letras – Escuela de Ingeniería Desarrollo de habilidades comunicativas para ingenieros Entrega II proyecto de curso: introducción + críticas a las líneas de acción Matías Ramírez 1. Contexto y antecedentes del desarrollo de prótesis mioeléctricas en el mundo Los avances en el área de la robótica aplicada han permitido remplazar las extremidades humanas en pacientes amputados. En la actualidad, las prótesis robóticas están basadas en actuadores eléctricos en forma de motores que presentan diversos inconvenientes para remplazar funcionalmente las extremidades amputadas, pues fundamentan los movimientos en secuencias de conmutación de motores, ajeno a la topología sistémica de los tejidos musculares. La investigación de aleaciones de memoria de forma ha extendido las posibilidades de innovar en la recreación de tejido muscular artificial. “Su bajo peso, poco volumen, alta resistencia mecánica, excelente relación entre la fuerza generado al contraerse y su longitud /grosor, son algunas de las ventajas más destacas” (Colorado 2011, p. 386). Si se aprovecha la capacidad de generar fuerza mediante extensión y contracción de las aleaciones de memoria de forma, es posible reconstruir las funcionalidades motoras de una extremidad artificial. En el siguiente trabajo, se analizará las desventajas que presentan las prótesis artificiales de mano para pacientes amputados en todo el mundo en la actualidad. Estas se fundamentan principalmente debido a que las prótesis presentan un alto consumo de energía, lenta velocidad de acción y baja amplitud de movimiento. Se investigará las características funcionales de las aleaciones de memoria, con el objetivo de implementar un diseño de prótesis robótica de mano con bajo consumo energético, rápida polarización reactiva y flexibilidad mecánica, que permita recrear con fidelidad una extremidad amputada para mejorar la movilidad y suficiencia de pacientes amputados. La investigación de la aplicación médica de aleaciones de memoria de forma marca un precedente en la utilización de elementos inorgánicos como remplazo de unidades celulares. La importancia recae en construir un marco técnico relativo al control autónomo de las aleaciones de memoria de forma, para así poder expandir su aplicación a diferentes tejidos con potencial remplazo, tales como el corazón y pulmones. De esta forma, se podría ayudar a pacientes con diferentes patologías morfológicas y fisiológicas. 2. Crítica a la línea de acción Para caracterizar los problemas que presentan las prótesis mioeléctricas en la actualidad, primero se describirá el diseño fundamental de una prótesis mecatrónica de mano y luego se analizara su rendimiento basado en tres parámetros: consumo energético, amplitud de movimiento y velocidad de reacción. Esto con el fin de dilucidar las deficiencias que las prótesis artificiales exhiben en su diseño. Prótesis mioeléctricas En la actualidad las prótesis robóticas están basadas en los principios fundamentales de la mecatrónica aplicada. Para ejercer fuerza y movimiento se utilizan entre uno y seis motores eléctricos de corriente continua como unidades funcionales. Las prótesis mioeléctricas utilizan la actividad electromiográfica (EMG), una señal eléctrica proveniente del movimiento voluntario de

Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Letras – Escuela de Ingeniería Desarrollo de habilidades comunicativas para ingenieros los músculos. Las señales EMG que controlan el flujo de energía son captadas a través de la superficie de electrodos. La amplitud de la señal EMG es proporcional a la contracción del músculo residual. Luego de amplificar y transmitir la señal, el sistema mioeléctrico activa el motor eléctrico para operar el dispositivo terminal. Van der Riet (2013) señala que los desafíos de diseño se fundamentan en que la prótesis debe ser independiente, basarse solamente en los actuadores, alimentarse internamente, ser controlada inteligentemente y retroalimentada por sensores mientras permanece compacta y liviana. Las prótesis deben ser altamente funcionales y permitir al usuario un amplio rango de movimiento con una larga duración de la batería. Consumo de energía Debido a la limitación de los ejes de los rotores, las prótesis robóticas requieren al menos de tres unidades motoras para conceder total libertad de movimiento. Esta característica de diseño requiere triplicar el peso incluido por concepto de unidad motriz, lo cual presenta una serie de desventajas debido a que tenemos que aplicar una mayor fuerza nominal y torque desde las unidades para compensar el peso ejercido naturalmente por el sistema. Este esfuerzo adicional se ve particularmente reflejado en el inicio y detención del accionamiento motor, y es por tal razón que dependiendo del perfil de movimiento, puede llegar a tomar una relevancia preponderante a la hora de medir la razón entre energía y desplazamiento. La razón energía-desplazamiento es una medida de la eficiencia que tiene un sistema para convertir energía eléctrica en movimiento. Un mayor valor de esta métrica indica que se requiere una menor cantidad de electricidad para ejercer un determinado movimiento. Debido a que los motores convencionales tienen un mayor peso natural de su estructura requieren un mayor consumo energético para funcionar correctamente. Amplitud de movimiento Por otro lado, los motores eléctricos que se utilizan en el campo de la mecatrónica aplicada son de naturaleza stepper de corriente continua sin escobillas. Millstein (1986) indica que los motores stepper se caracterizan por tener un movimiento dividido en pasos iguales que depende del número de bobinas presentes en el rotor y en el estator. La fragmentación estricta de la rotación implica que el actuador está limitado en los grados de movimiento que es capaz de entregar, por lo tanto, las prótesis actuales están impedidas de alcanzar la total amplitud motriz. La funcionalidad de la prótesis se ve reducida ya que no es un fiel remplazo de la extremidad amputada. Pese a que los motores stepper de corriente continua sin escobillas impiden entregar todos los ángulos en su eje de rotación, son ampliamente utilizados debido a que no requieren un control retro-alimentado para concretar un movimiento con precisión. Estos son robustos para los ángulos que pueden entregar y nunca sobre estiman o subestiman sus movimientos. Velocidad de acción Las señales EMG deben ser codificadas en secuencias de movimiento para los motores ya que estas no están adaptadas naturalmente para la topología de diseño de la prótesis, y por lo tanto, deben ser procesadas previamente. Durante este proceso se introduce un retardo entre la señal

Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Letras – Escuela de Ingeniería Desarrollo de habilidades comunicativas para ingenieros proveniente del músculo y el movimiento del motor, lo cual disminuye considerablemente el tiempo de reacción del mecanismo robótico.

Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Letras – Escuela de Ingeniería Desarrollo de habilidades comunicativas para ingenieros Referencias bibliográficas COLORADO, Julián, Antonio BARRIENTOS y Claudio ROSSI, 2011. Músculos inteligentes en robots biológicamente inspirados: modelado, control y actuación. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial. 8(4), 385-396. ISSN 1697-7912. MILLSTEIN, Sean, Henry HEGER y Gabriel HUNTER, 1986. Prosthetic use in adult upper limb amputees: a comparison of the body powered and electrically powered prostheses. Revista Prosthetics and Orthotics International. 10(1), 27-34. ISSN 0309-3646. JARRASÉ, Nathanael, Marina MAESTRUTTI, George MOREL y Agnes ROBY-BRAMI, 2015. Robotics prosthetics: moving beyond technical performance. IEE Technology and Society Magazine. 34(2), 71-79. ISSN 0278-0097. VAN DER RIET, Drew, Riaan STOPFORTH y Glen BRIGHT, 2013. An overview and comparison of upper limb prosthetics. En: IEEE. IEEE AFRICON Conference. X. Pointe-Aux-Piments, Mauricio. 0912 septiembre 2013.