Diseño e implementación de una prótesis para miembro superior controlada por señales electromiográficas
A partir del modelamiento de una mano humana, se diseña y construye una prótesis robótica fabricada en impresora 3D, la cual posee un mecanismo interno que simula los movimientos de cierre y apertura. Además, viene integrado a un sensor de posición que brinda en tiempo real el estado de rotación, un...
- Autores:
-
Castaño Ocampo , Juan Carlos
Orozco Bernal , Andrés Felipe
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad Tecnológica de Pereira
- Repositorio:
- Repositorio Institucional UTP
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- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/11059/14631
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- 620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingeniería
Diseño de protesis
Robotica para discapacitados
Tecnología de protesis
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Protesis
Servomotor
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A partir del modelamiento de una mano humana, se diseña y construye una prótesis robótica fabricada en impresora 3D, la cual posee un mecanismo interno que simula los movimientos de cierre y apertura. Además, viene integrado a un sensor de posición que brinda en tiempo real el estado de rotación, un sensor EMG acondicionado, el cual detecta una diferencia de potencial en los músculos del brazo y se transmite como referencia y un Servomotor, encargado de transmitir el movimiento hacia el mecanismo final. Finalmente, se implementaron dos sistemas de control robustos que son analizados de forma independiente, los cuales deben cumplir unos parámetros básicos de funcionamiento. |
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[1] M. Suarez Garcia, «Adaptacion de la protesis de mano basada en Soft-Robotics PrExHand para la evaluacion con usuarios no patologicos en pruebas funcionales,» Bogota, 2021. [2] F. Medica, «FM,» 17 Enero 2018. [En línea]. Available: https://www.formulamedica.com.co/noticias-formula-medica/pacientes-amputados no-han-sido-evaluados-por-un-cirujano-vascular/. [Último acceso: 25 Septiembre 2021]. [3] M. Mejia, J. Morales y A. Gomez, «Diseño de un soporte en transporte publico para amputados de miembro superior,» 2012. [4] J. L. Brito Guaricela y M. X. Quinde Abril, «Diseño, Construccion e implementacion de una protesis biomecanica de mano derecha,» Cuenca, 2013. [5] P. Kyberd, Making Hands, A History of Prosthetic Arms, Project Manager, 2022. [6] A. Bautista Rodriguez, K. Guillen Juarez, J. De la Tejera, R. Bustamante Bello, F. Guzman Roman y F. Sosa Luviano, «Myoelectric Hand Prosthesis with Haptic System,» Ciudad de Mexico, 2021. [7] B. HK y M. JW, Atlas of Limb Prosthetics, Digital Resource Foundation, 2002. [8] S. A. Raurale, «Acquisition and Processing Real-time EMG signals for Prosthesis Active Hand Movements,» Government College of Engineering, Amravati. [9] W. Craelius, Prosthetic Designs for Restoring Human Limb Function, Piscataway, NJ: Springer, 2022. [10] S.-y. Jung, S.-K. Kang y I. Moon, «Design of Biomimetic Hand Prosthesis with Tendon-driven Five Fingers,» Scottsdale, 2008 [11] A. J. Abougarair, A. M. Elmelhi, N. A. Ambark Shashoa y H. M. Gnan, «Real Time Classification for Robotic Arm Control Based Electromyographic Signal,» Tripoli, 2022. [12] N. A. Andrade, G. A. Borges, F. De O. Nascimento, A. Romariz y A. F. da Rocha, «A new biomechanical hand prosthesis controlled by surface electromyographic,» Lyon, 2007. [13] M. Gopal, Digital Control and State Variable Methods Conventional and Intelligent Control Systems, vol. IV, Madipur: Tata McGraw, 2012. [14] K. Ogata, Sistemas de Control en Tiempo Discreto, vol. II, Ciudad de Mexico: Prentice Hall, 1996. [15] D. Giraldo Buitrado y E. Giraldo Suarez, Teoria de Control Digital, I ed., Pereira: Produmedios, 2012. [16] K. J. Astrom y B. Wittenmark, Adaptive Control, vol. II, New York: Dover Publications INC, 2008. [17] G. C. Goodwin y k. Sang Sin, Adaptive Filtering Prediction and Control, New York: Dover Publications INC, 2009. [18] J. C. Castaño Ocampo y A. F. Orozco, «Diseño de una Protesis de Miembro Superior controlado mediante el Software Matlab,» Pereira, 2022. [19] «3D Printed Colombia,» [En línea]. Available: https://www.print3dcolombia.com/impresoras-3d-de-filamento-fdmfff/443-creality ender-3-s1.html. [Último acceso: Diciembre 10 2022] [20] N. GmbH, «3D Jake,» 2010. [En línea]. Available: https://www.3djake.es/creality impresoras-3d-y-piezas-de-recambios/ender-3-s1. [Último acceso: 12 Diciembre 2022]. [21] «Arapack,» 2 Julio 2021. [En línea]. Available: https://www.arapack.com/que-es-el plastico-pla-y-para-que-se-utiliza/. [Último acceso: 5 Enero 2023]. [22] N. HmbH, «3D Jake,» 2010. [En línea]. Available: https://www.3djake.es/3djake/ecopla-negro. [Último acceso: 10 Diciembre 2022]. [23] «Shopee,» [En línea]. Available: https://shopee.com.co/fss.-m%C3%B3dulo-de sensor-de-se%C3%B1al-muscular-profesional-m%C3%B3dulo-de-sensor-emg duradero-para-kit-de-accesorios-de-controladores-arduino i.490656683.13912415134. [Último acceso: 5 Diciembre 2022]. [24] «Pololu,» [En línea]. Available: https://www.pololu.com/product/2726. [Último acceso: 10 Diciembre 2022]. [25] A. Technologies, «Musculo diferencial de tres derivaciones/Electromiografia Sensor para aplicaciones de microcontrolador,» 2013. [26] M. electronics, «Arduino,» [En línea]. Available: https://arduino.cl/producto/arduino mega-2560/. [Último acceso: 11 Febrero 2023]. Arduino, «Arduino.cc,» [En línea]. Available: https://store.arduino.cc/products/arduino-nano. [Último acceso: 15 Noviembre 2021]. «AllDatasheet AD620,» [En línea]. Available: https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Datasheet%20ad620&gclid=C j0KCQiAhf2MBhDNARIsAKXU5GTaWefaZXdyhGy9jL3_uhD0rBeUy9C1rUuUZzZr L4K0QLeLtAjr6T8aAoD7EALw_wcB. [Último acceso: 15 Noviembre 2021]. «Alldatasheet MG995,» [En línea]. Available: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/1132435/ETC2/MG995.html. [Último acceso: 15 Noviembre 2021] |
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Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 dehttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://purl.org/coar/access_right/c_abf2info:eu-repo/semantics/openAccessMarín López , Angelo AntonioCastaño Ocampo , Juan CarlosOrozco Bernal , Andrés Felipe2023-04-18T14:58:44Z2023-04-18T14:58:44Z2023https://hdl.handle.net/11059/14631Universidad Tecnológica de PereiraRepositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereirahttps://repositorio.utp.edu.co/homeA partir del modelamiento de una mano humana, se diseña y construye una prótesis robótica fabricada en impresora 3D, la cual posee un mecanismo interno que simula los movimientos de cierre y apertura. Además, viene integrado a un sensor de posición que brinda en tiempo real el estado de rotación, un sensor EMG acondicionado, el cual detecta una diferencia de potencial en los músculos del brazo y se transmite como referencia y un Servomotor, encargado de transmitir el movimiento hacia el mecanismo final. Finalmente, se implementaron dos sistemas de control robustos que son analizados de forma independiente, los cuales deben cumplir unos parámetros básicos de funcionamiento.From the modeling of a human hand, a robotic prosthesis is designed and built using a 3D printer, which has an internal mechanism that simulates the closing and opening movements. In addition, it is integrated with a position sensor that provides in real time the state of rotation, a conditioned EMG sensor, which detects a potential difference in the muscles of the arm and is transmitted as a reference and a Servomotor, responsible for transmitting the movement to the final mechanism. Finally, two robust control systems were implemented and analyzed independently, which must meet some basic operating parameters.TABLA DE CONTENIDO AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................8 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................9 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................10 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................11 OBJETIVOS...................................................................................................................12 OBJETIVO GENERAL................................................................................................12 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.......................................................................................12 CAPÍTULO I ANTECEDENTES Y MODELO PRÓTESIS ROBÓTICA...........................13 1.1. PRÓTESIS...........................................................................................................13 1.2. TIPOS DE PRÓTESIS:........................................................................................13 1.2.1. PRÓTESIS ANTROPORMÓRFICAS:...........................................................14 1.2.2. DISPOSITIVOS ALIMENTADOS POR EL CUERPO:...................................14 1.2.3. DISPOSITIVOS ALIMENTADOS EXTERNAMENTE: ...................................15 1.3. FABRICACIÓN DE PRÓTESIS: ..........................................................................16 1.4. MECANISMOS DE LAS PRÓTESIS:...................................................................17 1.4.1. NÚMERO DE DEDOS DE TRABAJO: ..........................................................18 1.4.2. NÚMERO DE ARTICULACIONES POR DEDO:...........................................18 1.4.3. MOVIMIENTO DEL PULGAR EN RELACIÓN CON LOS DEDOS:...............18 1.4.4. CABLES O ENLACES:..................................................................................18 1.4.5. NÚMERO DE UNIDADES SEPARADAS: .....................................................18 1.4.6. FUERZA DE AGARRE FRENTE A VELOCIDAD DE PRESIÓN:..................19 1.4.7. RESTRICCIÓN DEL TAMAÑO: ....................................................................19 1.4.8. BLOQUEO DEL AGARRE: ...........................................................................20 1.4.9. LADO Y TAMAÑO:........................................................................................20 1.5. EXTREMIDAD SUPERIOR..................................................................................20 1.6. ANATOMIA DE LA MANO: ..................................................................................21 1.7. FUENTES DE ENTRADAS DEL CUERPO A LOS CONTROLADORES DE PRÓTESIS..................................................................................................................23 1.7.1. CONTROL MIOELÉCTRICO: .......................................................................24 1.7.2. ADQUISIÓN DE SEÑALES EMG:.................................................................25 CAPÍTULO II ESTIMACIÓN Y CONTROL .....................................................................27 4 2.1. HISTORIA Y CLASIFICACIÓN DEL CONTROL:.................................................27 2.2. SISTEMAS DE CONTROL EN TIEMPO DISCRETO: .........................................28 2.3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES EN CONTROL DIGITAL:..............................28 2.4. ESTABILIDAD DE ENTRADA CERO: .................................................................29 2.5. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD EN SISTEMAS DE LAZO CERRADO: .................30 2.5.1. ESPECIFICACIONES DE LA RESPUESTA TRANSITORIA: .......................32 2.6. CONTROLADORES PID SINTONIZABLES: .......................................................33 2.6.1. CONTROLADORES PID DIGITALES:..........................................................33 2.7. PRECISIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO: ......................................................34 2.8. SISTEMAS DE CONTROL NO LINEALES:.........................................................35 2.8.1. NO LINEALIDADES COMUNES EN LOS SISTEMAS DE CONTROL: ........36 2.9. DISEÑO DE CONTROL NO LINEAL:..................................................................37 2.9.1. TÉCNICA DE PRUEBA Y ERROR:...............................................................37 2.9.2. LINEALIZACIÓN POR RETROALIMENTACIÓN: .........................................37 2.9.3. CONTROL DE MODO DESLIZANTE DE ESTRUCTURA VARIABLE:.........38 2.9.4. CONTROL ADAPTATIVO: ............................................................................38 2.9.5. CONTROL INTELIGENTE: ...........................................................................38 2.10. SISTEMAS ADAPTATIVOS:..............................................................................39 2.10.1. PROGRAMACIÓN DE GANANCIA:............................................................39 2.10.2. CONTROL ADAPTATIVO DE MODELO DE REFERENCIA:......................39 2.10.3. REGULADORES AUTOAJUSTABLES: ......................................................39 2.10.4. CONTROL DUAL: .......................................................................................40 2.11. CARACTERISTICAS DEL CONTROL ADAPTATIVO: ......................................41 2.11.1. ALGUNAS CONSIDERACIONES DE IMPLEMENTACIÓN: .......................41 2.12. ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS EN TIEMPO REAL:.....................................42 2.13. MÍNIMOS CUADRADOS CON MODIFICACIÓN DE COVARIANZA:................42 2.14. ALGORITMO DE PROYECCIÓN: .....................................................................43 2.15. ELECCIÓN DEL ALGORITMO DE ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS:............44 CAPÍTULO III DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA PRÓTESIS...................................45 3.1. DISEÑO:..............................................................................................................45 3.2. CONSTRUCCIÓN:...............................................................................................46 3.2.1. ELECCIÓN DEL MODELO DE IMPRESORA Y MATERIAL UTILIZADO: ....46 3.2.1.1. CARACTERÍSTICAS DE ENDER 3 S1: .................................................47 5 3.2.1.2. CARACTERISTICAS DEL PLÁSTICO PLA:...........................................48 3.2.2. PIEZAS FABRICADAS:.................................................................................50 CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO Y RESULTADOS............................54 4.1. IMPLEMENTACIÓN DEL SENSOR DE POSICIÓN PARA EL BRAZO ROBÓTICO:................................................................................................................54 4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL SENSOR EMG: ..........................................................55 4.3. CENTRAL DE CONTROL:...................................................................................57 4.5. CONSTRUCCIÓN DE FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA A PARTIR DE ESTIMACIÓN FUERA DE LÍNEA...............................................................................61 4.6. SISTEMAS DE CONTROL APLICADOS:............................................................62 4.6.1. CONTROLADOR PID TIPO 2: ......................................................................62 4.6.2. COMPORTAMIENTO DEL CONTROLADOR PID TIPO 2 CON EL FUNCIONAMIENTO DEL BRAZO ROBÓTICO: .....................................................63 4.6.2.1. ANÁLISIS DE LA GRÁFICA PRINCIPAL: ..............................................64 4.6.3. CONTROLADOR POLINOMIAL GENERALIZADO CON ACCIÓN INTEGRAL: .............................................................................................................65 4.6.4. COMPORTAMIENTO DEL CONTROLADOR POLINOMIAL GENERALIZADO CON ACCIÓN INTEGRAL CON EL FUNCIONAMIENTO DEL BRAZO ROBÓTICO:...............................................................................................66 4.6.4.1. ANÁLISIS DE LA GRÁFICA PRINCIPAL: ..............................................67 5. CONCLUSIONES.......................................................................................................68 6. ANEXOS ....................................................................................................................70 7. BIBLIOGRAFÍA ..........................................................................................................73PregradoIngeniero(a) Mecatrónico(a)74 Páginasapplication/pdfspaUniversidad Tecnológica de PereiraIngeniería MecatrónicaFacultad de TecnologíasPereira620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingenieríaDiseño de protesisRobotica para discapacitadosTecnología de protesisImpresora 3DProtesisServomotorDiseño e implementación de una prótesis para miembro superior controlada por señales electromiográficasTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis[1] M. Suarez Garcia, «Adaptacion de la protesis de mano basada en Soft-Robotics PrExHand para la evaluacion con usuarios no patologicos en pruebas funcionales,» Bogota, 2021.[2] F. Medica, «FM,» 17 Enero 2018. [En línea]. 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[Último acceso: 15 Noviembre 2021]PublicationORIGINALTRABAJO DE GRADO.pdfTRABAJO DE GRADO.pdfapplication/pdf1813063https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/e0a66f36-9ff0-4c69-8b6a-ededf9fd85a4/download6672a7e4bad2ef1107d1509773d48abaMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-814828https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/37979d9b-09b5-45da-88d6-e17ed72163d0/download2f9959eaf5b71fae44bbf9ec84150c7aMD52TEXTTRABAJO DE GRADO.pdf.txtTRABAJO DE GRADO.pdf.txtExtracted texttext/plain117086https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/5d3e99be-39f3-4d4f-820d-44dcd5adb2e8/download9b129ad4b723d2a1d03f9e81a89669a5MD53THUMBNAILTRABAJO DE GRADO.pdf.jpgTRABAJO DE GRADO.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg6027https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/9bc57c8b-c129-42f6-b3ee-3fd3edcae768/download325e1c3f9215cf75ca33d51a69287a75MD5411059/14631oai:dspace7-utp.metabuscador.org:11059/146312024-09-05 16:57:37.368https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 deopen.accesshttps://dspace7-utp.metabuscador.orgRepositorio de la Universidad Tecnológica de 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