Abstract
The following paper discusses robotic hand prosthesis in the field of biomechanics, as well as an introduction to bioengineering to better understand the classification of the same up to the biomechanics. Finally there was a study on the structure, types and applications of this type of prosthesis today.
Índex Terms – Bioingeniería, Biomecánica, Biónica, Mano Robótica.
Introducción
En la actualidad hay personas en todo el mundo que sufren amputaciones en miembros superiores, en particular producidos por debajo del codo, lo que da como resultado una importante pérdida de la funcionalidad en estas personas, afectando a su calidad de vida. Por lo que las prótesis de estos miembros superiores han tenido un gran avance en su desarrollo a partir de los años 60, y aun así se estima que un gran porcentaje de la población en los países subdesarrollados con estos problemas utilizan solo simples ganchos pasivos; lo que es evidente que en los países de tercer mundo ni siquiera usan ninguna clase de prótesis. En la actualidad existen campos de la ciencia que se dedican al estudio de las prótesis de miembros como de las prótesis de mano, es así que para entender sobre estas prótesis es necesario conocer el campo en el que están inmersas como lo es la bioingeniería y la biomecánica, la primera es la "ciencia que surge de la aplicación de los conocimientos de la ingeniería en las ciencias biológicas" [3], y la segunda es la ciencia que estudia las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente del cuerpo humano, apoyándose en diversas ciencia biomédicas con conocimientos de ingeniería, anatomía entre otras para resolver problemas de las diversas condiciones en las que están involucrados.[1], [2], [3], [16]
Marco teórico
2.1 BIOINGENIERÍA
La bioingeniería o biomédica es la ciencia en la que las herramientas y principios de la ingeniería, así como la ciencia y la tecnología se aplican para resolver problemas presentados por la medicina y por ende la biología. [4]
En otras palabras la bioingeniería es dar solución a problemas en el ámbito de la salud aplicando métodos tecnológicos y modernos. [4]
La bioingeniería comprende campos que se pueden clasificar en: [4]
Ingeniería Biomédica
Biomecánica
Bioelectrónica
Ingeniería Hospitalaria
Ingeniería Clínica
Biosensores
Biomateriales
Órganos Artificiales
Procesamiento de Señales Biológicas
Telemedicina
Tecnología Médica
Entre varios de los beneficios de la bioingeniería están la construcción de prótesis, o el tratamiento de algunos tipos de cánceres mediante micro-robots que podrían atacar a las células cancerígenas; es así que la biomecánica o también llamada biónica es la que se encarga del estudio diferentes prótesis. [5]
2.2 BIOMECANICA
La biomecánica como se dijo anteriormente está ligada a la biónica es la ciencia que estudia desde el punto de vista de la ingeniería, los mecanismos que utilizan los seres vivos, es decir está orientada a la biología humana, para el diseño, construcción e implementación de prótesis; además tiene una vinculación con la robótica ya que esta aporta con los manipuladores que pueden ser sustituidos por los mecanismos humanos. [6], [7], [18]
2.2.1 APLICACIONES DE LA BIOMECÁNICA
Existen diferentes tipos de Aplicaciones de la biomecánica como las mostradas a continuación: [6]
Biomecánica Médica
Biomecánica Deportiva
Biomecánica Ocupacional
Biomecánica Industrial
Biomecánica Ambiental
El la figura 1 se puede ver un ejemplo de la aplicación de la biomecánica en la creación de una prótesis de mano.
Figura 1. Prótesis de Mano [8]
En la figura 2 se puede apreciar un ejemplo de un tipo de prótesis de rodilla llamada 3R49 TI eje sencillo.
Figura 2. Prótesis 3R49 TI eje sencillo elaborada por la empresa Otto Bock. [9]
2.3 PRÓTESIS
Una prótesis es una extensión artificial que puede reemplazar a una parte faltante del cuerpo. [10] [14]
2.3.1 RESEÑA HISTÓRICA
Desde tiempos inmemorables el hombre ha tratado de reemplazar algunas extremidades de su cuerpo faltantes por algún otro tipo de prótesis para sustituir la misma. [11]
Es así que una de las primeras prótesis de un miembro superior de remonta al año 2000 A.C., cuya prótesis fue encontrada en una momia egipcia. [12]
El hombre ante la presencia de los problemas de amputaciones y gracias al manejo del hierro, pudo construir prótesis de manos resistentes, como es el caso de la primera mano de hierro registrada, la cual fue fabricada por un general romano Marcus Sergius en el año 218-202 A.C. [12]
Una de las manos fabricadas de hierro fue la llamada "alt-Ruppin" en el año 1400, la cual constaba de un pulgar rígido y dedos flexibles, además de una muñeca movible, la cual era fijada por mecanismos de trinquete. Esta se puede apreciar en la figura 3. [12]
Figura 3. Mano de alt-Ruppin construida con hierro en el año 1400 [12]
En el siglo XVI, un médico militar francés Ambroise Paré, fabricó la primera prótesis de brazo artificial móvil llamada "Le petit Loraine". Esta tenía una función de abrir y cerrar los dedos así como flexionar todo el miembro. En la figura 4 se puede ver este tipo de prótesis. [12]
Figura 4. Primera prótesis artificial móvil [12]
Para los años posteriores estas prótesis fueron desarrollándose de diferente manera en muchos países.
En la actualidad existen diferentes tipos de prótesis de mano algunas limitadas al cierre y apertura de los dedos, otras con un control específico para realizar funciones de una mano real. [12]
Entre los países en los cuales se presentan un mayor avance tecnológico de estas prótesis son Estados Unidos, Alemania, Francia, Inglaterra y Japón. [12]
2.4 PRÓTESIS DE MANO ROBÓTICA
A partir del concepto de lo que es una prótesis podemos decir que una prótesis robótica es un elemento o como se dijo una extensión artificial la cual a diferencia de una prótesis normal esta posee y está dotada de cierta inteligencia capaz de realizar en cierta forma la función de una parte faltante del cuerpo en este caso de la mano. Esta prótesis robótica puede lograse al integrar diferentes componentes como sensores, micro controladores, actuadores e incluso complejos algoritmos de control. [10] [14]
La mano realiza básicamente dos funciones elementales como lo son: la función mecánica o de presión y la función sensitiva o de tacto, las dos están ligadas ya que sin el sentido de tacto se nos haría difícil medir la fuerza al manipular la misma. [12], [13]
La función del tacto depende de la constitución biológica de la mano, la cual como se puede apreciar en la figura 4, está formada por zonas con terminales nerviosas presentes en los dedos, la cual es la fuente de información táctil. De esta manera se subdivide en tres partes: metacarpo de la cual surgen los dedos y la muñeca; teniendo así la mano catorce falanges que son los huesos de los dedos, cinco metacarpianos y ocho carpianos. [13]
Figura 5. Falanges de los dedos [13]
2.4.1 MODOS DE FUNCIONALIDAD DE UNA MANO ROBÓTICA
Una prótesis de mano robótica tiene modos en los que puede funcionar, esto dependiendo ya que algunas son más desarrolladas que otras. A continuación se puede ver un ejemplo de los modos de funcionamiento de una mano robótica tipo i-LIMB:
a) Modo de Presión
Este modo el dedo pulgar y el índice se unen para cuando se necesita precisión. Este modo se puede ver en la figura 6 a). [15]
b) Modo Índice
Este modo es aplicado para tener en una posición deseada un dedo para realizar alguna aplicación como por ejemplo para pulsar teclas. Este modo que se puede ver en la figura 6 c). [15]
c) Modo Posicionamiento del Pulgar
Este modo se lo puede apreciar en la figura 6 d), el cual trata sobre la función para abrir y cerrar la palma de la mano. [15]
d) Modo Potencia
En este modo la mano forma un puño que se utiliza para llevar objetos. En la figura 6 d), se puede ver este modo. [15]
e) Modo Llave
En este modo el pulgar cierra sobre el dedo índice, para poder agarrar objetos como platos o tarjetas, como se ve en la figura 6 e). [15]
Figura 6. Modo funcionalidad de la mano robótica i-Limb: a) Precisión, b) Índice, c) Posicionamiento del Pulgar, d) Potencia, e) Llave [15]
2.4.2 PROCESO PARA LA SUJECIÓN DE UN OBJETO DE UNA PROTESIS DE MANO ROBÓTICA
El proceso que sigue una mano robótica es muy variado, esto dependiendo del tipo y finalidad para el cual fue fabricada.
En este punto presentaremos un ejemplo del proceso que sigue un prototipo de mano robótica antropométrica a partir del análisis de procesamiento de imágenes Tomográficas Computarizadas, presentado por estudiantes de posgrados de una importante universidad de México. [11]
El proceso a seguir presentado en la figura 6 consta de etapas y procesos muy importantes como lo son: una señal de entrada, un suministro de energía, un sensor que es de vital importancia, una etapa de control en la cual están presentes procesos como la interpretación, procesamiento y ejecución, los cuales van hacia un actuador que es el tipo de elemento ya sea mecánico hidráulico u eléctrico que finalmente por medios de transmisión van a ejecutar trayectorias y movimientos en la mano robótica. [11]
Figura 7. Ejemplo del proceso para lo sujeción de un objeto de una mano robótica Antropométrica sub-actuada [11]
2.4.3 FUNCIONAMIENTO POR MEDIO DE SEÑALES MIOELÉCTRICAS
Por lo general la gran mayoría de prótesis de manos robóticas usan un control de sensores mioeléctricos para su funcionamiento. [19]
Las señales mioeléctricas son señales producidas por un músculo al contraerse y flexionarse, que produce una pequeña señal eléctrica que también se la llama también Electromiograma que es el resultado de una reacción química que produce el cuerpo. [12], [20], [21]
Para la recopilación de estas señales se utilizan los sensores llamados electrodos los que van pegados a la piel y su contacto con la misma nos permite registrar la señal para ser utilizada como la señal de control para el movimiento de la mano. [17], [20]
En la figura 8 podemos ver un ejemplo de un control mioeléctrico en el cual la señal es captada por medio de los electrodos, esta es amplificada y después procesada por medio de un sistema de control el cual va a conmutar todos los elementos actuadores para producir el movimiento. [19], [20], [21]
Figura 8. Ejemplo de un Control Mioeléctrico [19]
2.4.4 ACTUAORES Y MECANISMOS DE TRANSISIÓN UTILIZADOS EN LAS PROTESIS DE MANO
Como se dijo anteriormente las prótesis de mano pueden usar varios mecanismos para su movimiento, siendo estos denominados sistemas de actuación. Es así que se los puede clasificar en tres tipos: [14]
a) Actuadores Eléctricos
Estos actuadores son los más usados ya que poseen una alta eficiencia, disponibilidad y tamaños compactos. En este tipo de actuadores están los motores de corriente continua, servomotores, aleaciones con memoria de forma y motores ultrasónicos. [14], [22]
b) Actuadores Neumáticos
Este tipo de actuadores neumáticos no son muy utilizados ya que son de difícil control porque requieren de un sistema de comprensión de aire y además se podrían dar posibles fugas del fluido. [14]
c) Actuadores Hidráulicos
Estos son desarrollados a partir de bombas hidráulicas o también con electroválvulas, son muy factibles para producir unos movimientos suaves y lineales, requiriendo así un sistema de bombeo. [14]
2.5 TIPOS DE PRÓTESIS DE MANOS ROBÓTICAS
En la actualidad existen gran variedad de prótesis de mano robótica algunas ya realizando la función para la cual fueron creadas otras están en investigación y muchas de ellas son prototipos que se espera estén pronto a la disponibilidad de los que así lo requieran. Es así que a continuación se presenta algunas manos robóticas de diferente tipo y funcionalidad:
CYBERHAND
Esta mano creada en el 2005 consta de 5 dedos y un total de 6 motores que controlan la mano, como se puede apreciar en la figura 9. [23]
Figura 9. CyberHand [23]
SENSORHAND
Es una mano rápida que tiene una velocidad de 15 a 300 milímetros por segundo en su cierre y apertura, diseñada para superar cualquier resistencia y eficaz a temperaturas bajas. En la figura 10 se puede ver este tipo de mano robótica. [25], [30]
Figura 10. SensorHand [24]
I-LIMB
Posee cinco dedos y está diseñada para funcionar con señales mioeléctricas. Está disponible en el mercado desde el 2007 que fue introducido por la empresa escocesa Touch Bionics. Esta se muestra en la figura 11. [26]
Figura 11. I-LIMB [26]
DLR HAND II
Esta mano consta de cuatro dedos con cuatro articulaciones y cuatro grados de libertad. Además ocupa un sistema de actuadores con motores de escobillas que a diferencia de los de corriente continua los electroimanes no se mueven, es decir la armadura permanece constante y los magnetos permanentes rotan. Es una mano bien flexible y se ajusta fácilmente para la manipulación y agarre de objetos. Esta se presenta en la figura 12. [14], [27]
Figura 12. DLRHAND [27]
SHADOW HAND
Esta mano robótica usa un tipo de actuador neumático lo que la hace lograr movimientos suaves, pero este tipo no se ha implementado debido al peso y volumen del sistema de comprensión de aire. Este tipo se lo puede ver en la figura 13. [14], [28], [29]
Figura 13. SHADOW HAND [28]
Conclusiones
La biónica es la ciencia encargada del estudio, diseño e implementación de prótesis para las personas.
Las prótesis de manos son hoy en día una de las más importantes ya que son extensiones que pueden reemplazar al miembro faltante obteniendo la misma función a partir de cierta inteligencia que puede estar formada por diferentes componentes y sistemas de control, por lo que es de vital ayuda para personas que sufren amputaciones, ya que un gran porcentaje no usa ningún tipo de prótesis.
Es así que en la actualidad se están desarrollando nuevas tecnologías sobre este tipo de prótesis a partir de complejos sistemas de control y de diferentes mecanismos para su funcionamiento ya sean eléctricos, hidráulicos o neumáticos.
La prótesis que hoy en día está siendo implementada y mejorada es la que tiene como fuente de control las señales mioeléctricas para su funcionamiento lo que hace de esta la más versátil cuando las personas con amputaciones así lo requieran.
La tecnología de las prótesis de mano robótica tiene un costo relativamente alto por lo que la mayoría de estas solo se presentan en prototipos. Se espera que las desarrolladas actualmente sirvan de ayuda en el futuro para el desarrollo de prótesis que puedan ser fácilmente comercializadas en el mercado al alcance de personas que las necesitan.
Referencias
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Autor:
Oscar Lema Galarza
Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca
Electrónica Analógica II