Prótesis Robóticas Universidad Politécnica Salesiana Ingeniería en Electrónica y Sistemas Industriales
RESUMEN En el presente artículo se hace una revisión de la sustitución de la pérdida de algún miembro humano por prótesis robóticas. Se presenta algunos argumentos argumentos para justificar el desarrollo de mejores y fiables prótesis robóticas. También se nombra algunos ejemplos de prótesis desarrolladas exitosamente, y de algunas investigaciones realizadas hasta el momento.
Palabras
clave:
Robots, Prótesis, Actuadores, Materiales inteligentes.
ABSTRACT This article is a review of the replacement of the loss of a human limb by robotic prostheses. We present some arguments to justify the development development of better and reliable robotic prostheses. Also named examples of prosthesis successfully developed, and some research done so far.
Keywords: Robotics, Prosthesis, Actuators, Myoelectric, Intelligent materials.
INTRODUCCION Una prótesis es un elemento que sustituye un órgano o una parte faltante del cuerpo, han existido desde hace miles de años, su propósito principal es el brindarle una mejor calidad de vida al usuario, ya sea como un apoyo en tareas que requieran de la parte del cuerpo faltante, o solo como accesorio estético influyendo directamente en el aspecto psicológico. Entonces se puede definir a una prótesis robótica, como un elemento artificial dotado de cierta autonomía e inteligencia capaz de realizar una función de una parte faltante del cuerpo. Dicha autonomía e
inteligencia se logra al integrar sensores, procesadores, procesadores, actuadores, actuadores, y complejos algoritmos de control. De acuerdo a esta definición, las prótesis de uso cosmético quedan completamente excluidas, como por ejemplo los ojos de vidrios, las piernas de madera, etc. El desarrollo de prótesis, involucra la necesidad de fusionar conocimientos de la fisiología y biomecánica humana, mecanizado de materiales y prototipado de mecanismos, interfase interfas e hombre- máquina.
LA ROBÓTICA APLICADA AL SER HUMANO: BIÓNICA La biónica es, de acuerdo a una definición dada en 1960 por Jack Steele, de la U.S. Air Force, el análisis del funcionamiento real de los sistemas vivos y, una vez descubiertos sus secretos, materializarlos en los aparatos. Esta definición nos podría indicar que el primer ingeniero biónico fue Leonardo Da Vinci, quien estudió los principios de funcionamiento de los seres vivos para aplicarlos en el diseño de máquinas. Dado que las prótesis se utilizan para sustituir la extremidad perdida de una persona, los principios de funcionamiento funcionamiento que se deben estudiar para reproducirlos son precisamente precisamente los que tiene dicha extremidad, por lo que el diseño de prótesis es inherentemente una actividad de la ingeniería biónica. Existen varias configuraciones de robots, de acuerdo al tipo de movimientos que pueden realizar. Los robots pueden ser “cartesianos”, es decir que se mueven en línea recta y su volumen de trabajo es un prisma rectangular, rectangular, los robots “cilíndricos” que se utilizan principalmente para
ensamble y su volumen de trabajo es un cilindro. Los robots “esféricos” tienen un volumen de trabajo en forma de una sección una esfera. Los robots industriales más atractivos y que más se conocen son los que simulan los movimientos de un brazo humano, por lo que se les conoce como “brazos articulados”, y sus aplicaciones son muy amplias debido a la facilidad que tienen para realizar movimientos complicados. El brazo mecánico constituye la parte física que vemos del robot, es decir, el conjunto de mecanismos y motores que forman el brazo. El brazo está controlado por medio de una computadora que mueve cada una de las articulaciones para llevar la mano del robot a los lugares deseados. El robot cuenta con sensores que le indican a la computadora el estado del brazo mecánico, de manera que estas señales le indican la posición de las articulaciones. La unidad de potencia externa suministra de energía a los actuadores del robot. El órgano terminal es la herramienta que se fija al brazo para desarrollar una tarea específica.
entrenamiento, concentración, y esfuerzo, lo cual resulta en un movimiento que no es fluido ni preciso. En las prótesis de pierna existen aún algunos problemas, por ejemplo, los amputados que utilizan prótesis mecánicas requieren entre 10-60% más energía metabólica que las personas tienen el miembro real. Por otra parte, en los últimos años se han desarrollado con gran éxito diversas prótesis visuales que han permitido a personas ciegas percibir objetos y determinar su posición. Estas prótesis están aún lejos de devolver la vista a las personas ciegas, sin embargo tienen un enorme potencial, y se irán haciendo más útiles a medida que mejore la tecnología.
Justificación De La Robotización Las prótesis de brazos datan desde 1912, estas prótesis tenían la forma de gancho que podía ser cerrado o abierto encogiendo los hombros y mediante una cuerda que pasaba por la espalda. Actualmente, las prótesis con forma de gancho han sido mejoradas en apariencia a través de moldes de mano hechos de plástico y con una apariencia casi realista. Sin embargo, estas prótesis no mejoran la capacidad del usuario para controlarlas y realizar tareas más sofisticadas. Las prótesis de brazo tienen como mucho tres grados de libertad: se puede abrir y cerrar el gancho, se puede extender y retraer el codo, y con los modelos más sofisticados se puede rotar la muñeca. Aun así, esos movimientos sencillos requieren de
Figura1.- Primeras prótesis
Uso de materiales “inteligentes” en las
prótesis Hoy en día, el término “inteligente” se ha adoptado como un modo válido de calificar y describir una clase de materiales que presentan la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (rigidez, viscosidad, forma, color, etc.) en presencia de un estímulo concreto. Para controlar la respuesta de una forma predeterminada presentan mecanismos de control y selección de la respuesta. El tiempo de respuesta es corto. El sistema
comienza a regresar a su estado original tan pronto como el estímulo cesa. Dentro de las aleaciones con memoria de forma (SMA), se encuentran los llamados alambres musculares, estos son alambres delgados de alta resistencia mecánica, construidos con una aleación de Níquel y Titanio llamada comercialmente “Nitinol”. Figura 2: Prótesis MyoHand
La adecuada selección de los actuadores durante el diseño de una prótesis, es una parte esencial para el éxito de ésta. Por tal motivo después de un análisis de las especificaciones de diseño requeridas en una prótesis de miembro superior, se observó que los alambres musculares podrían satisfacer las necesidades de los actuadores
Ejemplos de prótesis robotizadas. Mano Mio-eléctrica (Otto Bock).- Esta mano tiene una fuerza de agarre (100N) y una velocidad (300 mm/s), se pueden agarrar objetos rápidamente y con precisión. Se puede seleccionar un total de 6 programas diferentes con ayuda del MyoSelect 757T13 y ajustarlos a la indicación del cliente como corresponda. Permiten una adaptación óptima a las necesidades y capacidades del usuario de la prótesis.
Power Knee (Ossur).- La Power Knee es fabricada por la componía Ossur. Es la primera prótesis de rodilla que remplaza la función muscular perdida a través de una fuente activa de potencia (un actuador eléctrico) que permite generar la propulsión necesaria para el caminado y también en actividades como lo son levantarse de una silla de ruedas o subir las escaleras.
La Power Knee contiene un arreglo de sensores, incluyendo giroscopos, células de presión, celdas de cargas, sensores angulares y el Modulo de Propriocepción Artificial en la Pierna de sonido( utiliza un sensor de sonido que permite conocer el ritmo de la pierna sana). El Power Knee esta limitado para amputados de una sola pierna, que pesen menos de 100 kg.
La supresión del sensor de los pulgares permite al cliente agarrar de forma activa y consciente. Los objetos se fijan y se colocan mediante señales musculares, ya que el sistema electrónico de la MyoHand no reajusta automáticamente la fuerza de agarre. Esta prótesis se recomienda a pacientes activos con un nivel de amputación bajo. Figura 3.- Power Knee instalado
Prótesis Bionica I-Limb.La prótesis I-imb es una mano biónica cuyos dedos son controlados independientemente y por lo tanto permiten una gran cantidad de movimientos. Esta mano es capaz de hacer
agarres de precisión y de potencia de diferentes formas. La mano I-limb ya ha sido implantada en pacientes de varios países.
Apariencia.- Aunque existen proyectos de prótesis que tienen una notable diferencia con la forma de la mano humana, la mayoría de prótesis buscan mantener un alto grado de antropomorfismo, e incluso utilizan guantes cosméticos para lograr una apariencia aún más real.
Movilidad.-
Figura 4.- Mano I-limb
Las Prótesis Del Futuro La prótesis ideal es la que reúne las necesidades del usuario, es simple, fácil de aprender, confiable, se adapta bien, fácil de poner y quitar, ligera, ajustable, se ve y huele normal, fácil de limpiar, resistente a las manchas, de rápida fabricación, modular y de precio accesible. Sin embargo esto dista un poco de la realidad, se antoja difícil que la prótesis del futuro comparta algunas de las características descritas. Por ejemplo será difícil que la prótesis tenga las características que satisfagan las necesidades de todos los usuarios debido a que, las tareas que se realizarán con ella dependerán del tipo de usuario. Se definirá dicha prótesis mediante la descripción de las características más importantes que deberá cumplir.
Peso.- Una prótesis de mano debe pesar cuando mucho 500g. En la actualidad se han utilizado materiales resistentes pero ligeros, mecanismos sencillos, pocos actuadores, esto ha permitido en muchos casos estar por debajo de este requerimiento. Se espera que en los siguientes años este logro no se pierda, las prótesis seguirán mejorando sus características de movilidad, actuación, adaptabilidad, resistencia y demás, pero sin comprometer el peso.
La movilidad involucra principalmente a los actuadores y a los mecanismos encargados de producir el movimiento de los dedos y muñeca. La movilidad es una característica que hasta ahora no se ha resuelto satisfactoriamente, lo ideal sería que el usuario pueda mover los dedos de su prótesis independientemente y a voluntad, pero no se ha logrado esto es debido a que no se cuenta con la suficiente cantidad de señales biológicas para controlar a cada uno de los actuadores. Se espera que los avances en adquisición de señales biológicas permitan controlar más actuadores y de mejor manera, logrando que la prótesis tenga movimientos de flexión, extensión, rotación.
Precisión y fuerza. En la actualidad las prótesis tienen suficiente precisión en los movimientos para esto se requieren mecanismos adecuados como, actuadores, sensores precisos, y controladores eficientes, se puede decir que en el rubro de la precisión se va avanzando por buen camino. Cosa diferente sucede con la fuerza en las prótesis, dado que los investigadores han destinado gran parte de sus recursos a lograr movimientos más naturales y precisos, se ha dejado a un lado la fuerza que proporciona la prótesis. Hasta ahora las prótesis con más fuerza sólo pueden generar poco más de la tercera parte de la que se ha considerado como la fuerza mínima para realizar ciertas tareas muy específicas La prótesis del futuro contará con la suficiente precisión para sujetar objetos tan pequeños
como una aguja, ayudándose por recubrimientos o materiales que le permita un cierto grado de amortiguamiento, y contarán además con motores más potentes y eficientes que le permitirán tener la suficiente fuerza de prensión para lograr realizar la gran mayoría de tareas cotidianas.
Destreza.- Entenderemos destreza como la capacidad de la prótesis para manipular objetos.
Consumo y almacenamiento de energía.A pesar que en la actualidad no se ha prestado la atención que se merece, en un futuro el almacenamiento de energía para su uso en prótesis no será un problema debido a que por un lado los actuadores serán más eficientes y requerirán menos energía para su funcionamiento, y por otro lado se implementarán sistemas de recarga que podrán reabastecer el depósito de energía durante el transcurso del día.
Materiales.- En prótesis el uso de materiales con características más específicas se ha enfocado primordialmente a la estructura externa de la prótesis. En un futuro se continuará con esta tendencia, los materiales nuevos serán utilizados sólo para fabricar la estructura externa de la prótesis, y lo que se buscará en estos materiales será una buena relación resistencia-peso.
Otros aspectos.- Además de sensores que alimenten con señales al sistema electrónico, contarán con dispositivos que brinden al paciente buena noción de la fuerza que se está ejerciendo, o saber si un objeto está frío o caliente.
CONCLUSIONES • En el diseño de una prótesis se tienen que analizar todas las características que posee, como movilidad, precisión, fuerza, destreza, pero existen también otras características importantes que no se pueden generalizar debido a que dependerán de los requerimientos del usuario y del uso que éste le dé a su prótesis. Así pues, para cada persona en particular será más o menos importante una u otra característica. • Los diferentes avances como sensores actuadores o materiales inteligentes que se han ido implementando en la construcción de las prótesis ha permitido abaratar costos de manera que sean un poco más accesibles para quienes lo necesitan. • Legar a tener una prótesis ideal debe ser el objetivo principal para muchos diseñadores aunque distará un poco de lo real, ya que existen restricciones que difícilmente podrán ser superadas. Sin embargo la prótesis podrá brindar al paciente gran parte de las funciones que una extremidad o parte cualquiera del cuerpo humano puede realizar.
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