- Resumen
- Introducción
- Justificación de la robotización
- Dificultades en la elaboración
- Clasificación de las prótesis
- Conclusiones
- Referencias
Resumen
En este artículo se hace una revisión de las prótesis robóticas para personas. Además en este trabajo se presentan algunos argumentos que justifican el desarrollo de las mismas, y los principales retos que existen para crear prótesis fiables para un alto rendimiento que emulen apropiadamente el comportamiento de los miembros que se sustituyen. Por ultimo se presentan algunos ejemplos de prótesis robóticas exitosas.
NOMENCLATURA
Fisiología, Biomecánica, Mioelectrica, metabólica, mecatrónica, neurociencia, actuadores, giroscopio, microprocesador, unidireccional, Wi-Fi, retina.
Introducción
La palabra prótesis proviene del griego: pros (p???) 'por añadidura', 'hacia' the-sis (??s??) 'disposición' [1]. El diccionario de la Real Academia Española adopta como definición: Procedimiento mediante el cual se repara artificialmente la falta de un órgano o parte de el; o como el aparato o dispositivo destinado a esta reparación. [2].
En términos generales una prótesis (dentro del ámbito medico), es una extensión artificial que reemplaza una parte faltante del cuerpo.
Considerando las definiciones citada en el párrafo anterior, podemos 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, 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.
Existen ejemplos de usos de prótesis en la antigüedad como la mano de acero utilizada por Gotz von Berlichingen (1504 d.C.) [3], o la pierna de Bronce de Capua (300 a.C.) [4], o lo que hasta la fecha es la prótesis hallada mas antigua "el dedo gordo del Cairo", perteneciente a una momia egipcia (entre 1069 a.C. y 664 a.C) [5]. (figura 1).
Figura 1: [1] Primeras prótesis
Si bien, el uso de prótesis es consecuencia de accidentes, cáncer, males formaciones, etc., el factor determinante que ha impulsado el desarrollo de las mismas fue la necesidad de mejorar la calidad de vida de los sobrevivientes de guerras.
El desarrollo de prótesis, involucra la necesidad de fusionar conocimientos de la fisiología y biomecánica humana, mecanizado de materiales y prototípico de mecanismos, interface hombre– maquina.
En este artículo se muestra las prótesis actuales y los desarrollos recientes de prótesis robóticas, por ultimo se presentan algunos argumentos que justifican el desarrollo de prótesis robóticas, y los principales retos que existen para crear prótesis fiables.
Justificación de la robotización
Las prótesis 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. Después de la segunda guerra mundial, se creo la mano mioelectrica, sin embargo esto no cambio el hecho de que las prótesis eran difíciles de manejar.
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 mas sofisticados se puede rotar la muñeca.
Esto contrasta con un brazo humano que tiene mas de 25 grados de libertad y por lo tanto una mayor destreza, además de la habilidad de determinar si algo esta frio o caliente. Por otro lado, en las prótesis de pierna existen aun algunos problemas, por ejemplo, los amputados que utilizan prótesis mecánicas requieren entre 10-60% mas energía metabólica que las personas tienen el miembro real, dependiendo de la velocidad de caminado, el estado físico de la persona, la causa de la amputación, el nivel de amputación, y las características de la prótesis. Además, los amputados caminan entre 10-40% más lento que las personas intactas
[9]. Tales problemas clínicos son en parte generados por las prótesis actuales. Las prótesis comerciales actuales comprimen estructuras de resortes que almacenan y liberan energía durante cada periodo de estancia. Debido a su naturaleza pasiva, estas prótesis no pueden generar mas energía mecánica que la que es almacenada durante cada paso. Al contrario, el tobillo humano genera trabajo neto positivo y tiene mayor potencia pico durante el periodo de estancia.
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 aùn 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.
Dificultades en la elaboración
Hacer una prótesis robótica de una calidad aceptable requiere de un enorme esfuerzo, no solo en el campo de la mecatrónica si no también en neurociencia, ingeniería electrónica, ciencias cognitivas, procesamiento de señales, diseño de baterías, nano-tecnología, y ciencias del comportamiento.
Para obtener una prótesis que emule en buena forma la dinámica del miembro amputado es necesario que el diseño satisfaga ciertas especificaciones, como lo son:
Tamaño y Masa: Las dimensiones de la prótesis deben ser las mismas que las del miembro que sustituyen. Por otro lado, la masa debe ser igual o menor a la del miembro amputado para que el portador pueda manipularla con facilidad y no haga esfuerzos extraordinarios que puedan dañar los músculos que soportan la prótesis.
Velocidad y Torque. La prótesis debe capturar completamente el comportamiento torque velocidad del miembro que sustituye.
Baterías. La duración de las baterías de una prótesis robótica debe permitir un funcionamiento de al menos 16 hrs para que el usuario no tenga problemas de insuficiencia de energía durante las actividades diarias.
Ancho de Banda del Torque. El ancho de banda de
una prótesis es la frecuencia a la que se debe actualizar el torque aplicado en el mecanismo de accionamiento de tal manera que el caminado sea natural.
Una de las principales limitaciones por la cual el desarrollo
de prótesis robóticas comerciales no se a realizado se debe a el pequeño número de personas que lo necesitan. Debido a eso puede resultar que una prótesis de elevado numero de grados de libertad sea muy costosa y prácticamente incosteable para la mayoría de la gente.
Clasificación de las prótesis
De acuerdo a la bibliografía consultada, a continuación se proponen una serie de clasificaciones basadas en la función
que realiza, los elementos que emplea para realizar su función y la metodología empleada para su control.
Figura 2: [5] Clasificación de las prótesis
PRÒTESIS COMERCIALES
PRÒTESIS ROBOTIZADAS
En esta subsunción se presentan algunas prótesis robotizadas que ya son comerciales y otras que están en fase de investigación.
Aquí se caracterizan como prótesis robóticas aquellas que tiene una fuente de energía propia, un actuador, y sensores que permiten leer los movimientos deseados por el usuario. Por lo tanto también se requiere un sistema de procesamiento de esas señales (aun en su forma mas básica) para poder convertir esas señales en movimientos de los actuadores. En esta definición no es necesario que el sistema provea de retroalimentación al
usuario.
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 optima a las necesidades y capacidades del usuario de la prótesis.
Figura 3: [4] Prótesis MyoHand
8.1 Mano electrónica (Otto Bock).- Esta mano tiene el Control Dinámico de Modo (DMC en ingles) la velocidad y la fuerza de aprehensión se regulan de forma proporcional a la fuerza de la señal muscular. Este control también se caracteriza por un nuevo tipo de modo de seguridad: Después de agarrar una vez con la máxima fuerza, se requiere una señal EMG ligeramente mas alta para abrir la mano. Esto evita que la mano se abra debido a una contracción involuntaria del musculo. El control Digital Twin combina en una sola mano ambos controles clásicos: el digital y el control por doble canal.
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Figura 4: [10] Prótesis MyoHand
8.2 Codo-Antebrazo ErgoArm (Otto Bock).- ErgoArmR, ErgoArmR plus, ErgoArmR Hybrid plus y ErgoArmR Electronic plus son cuatro componentes de codo que facilitan el tratamiento myoelectrico en altos niveles de amputación.
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Figura 5: [10] Prótesis Codo-Antebrazo
Cuanto mas alto es el nivel de amputacion, mayores son las demandas en la tecnica de protetizacion. El montaje tanto del ErgoArmR Electronic plus como del ErgoArmR Hybrid facilitan la protetizacion myoelectrica en niveles altos de amputacion.
El 12K44 ErgoArmR Hybrid plus se recomienda para protesis hibridas con una mano myoelectrica y una articulacion de codo con cable de traccion. Gracias a la conexion facil "EasyPlug", todos los cables eléctricos desaparecen en el interior de la protesis para que pasen desapercibidos y esten protegidos.
8.3 Prótesis Bionica I-Limb.- Es una mano biónica cuyos dedos son controlados independientemente y por lo tanto permiten una gran cantidad de movimientos. La mano I-limb ya ha sido implantada en pacientes de varios países [12].
Figura 6: [4] Mano I-limb
8.4 El Brazo de Luke.- Ha sido diseñado para que posea cuatro características como lo son: ligero, ágil y contener múltiples controladores. El diseño modular permite configura la prótesis para cada amputado (dependiendo del nivel de amputación). El peso del brazo es el de una mujer promedio El brazo de Luke tiene 24 grados de libertad. Además, tiene 12 microprocesadores y contiene sensores de realimentación de fuerza para mejorar el control.
El brazo se puede mover con señales nerviosas, musculares, o utilizando sensores de presión en la planta del pie [7].
El brazo de Luke es producto de un plan estrategico para el desarrollo de protesis roboticas iniciado por la DARPA en EU que a invertido al menos $71.2.
Figura 15: [7] Brazo de Luke
8.5 Prótesis de rodilla Power Knee (Ossur).- Es la primera prótesis de rodilla que remplaza la función muscular perdida a través de una fuente activa de potencia (un actuador electrico) 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 giroscopios, células de presión, celdas de cargas, sensores angulares y el Modulo de propia recepción Artificial en la Pierna de sonido (utiliza un sensor de sonido que permite conocer el ritmo de la pierna sana).
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Figura 16: [4] Prótesis de rodilla instalada.
El sistema contiene un microprocesador que utiliza la información de los sensores para lograr un caminado similar al humano.
La información proveida por sistema sensorial del sonido lateral permite regenerar la verdadera cinemática del caminado mientras anticipa la función requerida cuando las condiciones de caminado cambian.
8.6 Prótesis de pie Propio foot (Ossur).- Los acelerómetros miden en tiempo real el movimiento a una velocidad de 1600 ciclos por segundo. Siguiendo la ruta del tobillo a través del espacio, el sistema define las características del caminado y los eventos, incluyendo el golpe del talón y el movimiento para dejar el suelo.
Una tarjeta de control recibe un flujo constante de señales del sistema de inteligencia artificial. El controlador comanda a un actuador lineal para que las fuerzas y posiciones del pie se adecuen durante el caminado.
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Figura 17: [10] Propio Foot
Como se puede ver el la figura, existen 5 elementos principales del sistema mecánico: un motor de d.c., una transmisión, un resorte en serie, un resorte en paralelo unidireccional, y una prótesis del pie de plástico. Los tres primeros elementos son combinados forman un sistema llamado Actuador Elástico en Serie (SEA).
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Figura 18: [10] Esquema del tobillo
8.7 Prótesis Visuales.- Las prótesis visuales pueden crear una sensación de visión activando eléctricamente las celulas nerviosas del sistema de visión. Las prótesis pueden convertir imágenes desde una cámara en patrones de estimulación eléctrica aplicada a una membrana mediante un estimulador neuronal implantado.
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Figura 19: [11] Prótesis de retina con videocámara
En la figura 19 se puede ver el concepto de una prótesis de retina que captura una imagen con una cámara de video. La información de la imagen se procesa y es transmitida vía Wi-Fi al estimulador implantado, el cual estimula la retina en un patrón.
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Figura 20: [11] Concepto de una prótesis de retina.
Conclusiones
En este artículo se presento una revisión de las prótesis robóticas actuales. Se realizo una clasificación de los tipos de prótesis, por funcionamiento, actuación y modo de control.
Se explica porque es útil el desarrollo de prótesis robóticas, y los principales retos que existen para crear prótesis fiables y de alto rendimiento que emulen apropiadamente el comportamiento de los miembros que sustituyen.
Una de las principales limitaciones por la cual el desarrollo de prótesis robóticas comerciales no se ha arraigado es el relativamente pequeño número de personas que lo necesitan
El camino por recorrer aun es largo, ya que la tecnología de los componentes de una prótesis robótica es cara y el número de personas amputadas es relativamente bajo, dificultando así el desarrollo de productos comerciales.
El Brazo de Luke es un ejemplo de la tecnología existente que permite el desarrollo de prótesis con un alto grado de destreza y robustez, y en el futuro a medida que se haga más económica la tecnología es muy posible que prototipos como este se conviertan en productos comercialmente atractivos y de uso generalizado.
Referencias
[1] Diccionario medico-biológico, histórico y etimologico,
[2] Diccionario de la Real Academia Española, www.buscon.rae.es
[3].www.britannica.com/EBchecked/topic/62054/Gotz-von-Berlichingen
[4]Roman artificial leg, 300 BC,
www.sciencemuseum.org.uk/objects/classical_and_medieval_medicine
[5] The Cairo www.news.bbc.co.uk/2/hi/health/6918687.stm
[6] Matt Bristol, VAnguard, U.S. Department of Veteran Afair, May/June 2005, pp.19-21. www.va.gov
[7] Jonathan Kuniholm "Open Arms",IEEE SPECTRUM March 2009. 17, Issue 7, November/December 2007.
[9] Samuel K. Au and Hugh M. Herr, Powered Ankle-Foot Protesis IEEE Robotics & Automation Magazine, 2008
[10] Otto Bock Company, www.ottobock.com.
[11] Ossur Company, www.ossur.com.
Autor:
Paúl Santiago Saldaña Caldas.
Ingeniería Electrónica
Electrónica Analógica II