“Diseño, prototipado y programación de una prótesis de mano mediante impresión 3D”

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería de Electrónica Industrial y Automática “Diseño, prototipado y programación de una prótesis de mano mediante impresión 3D” Autor: Calle del Río, Carlos Tutor: Mansilla Gallo, Alberto Dpto. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Expresión Gráfica en la Ingeniería, Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría, Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Procesos de Fabricación DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 1 Resumen preliminar El objetivo del presente proyecto es el modelado, la fabricación y el control de una prótesis de mano robótica controlada por un sistema de sensores mioeléctricos, para amputaciones de miembro superior hasta el codo. Para ello, se dividirá todo el trabajo en tres partes diferenciadas. Se comenzará con el estudio y la selección de los componentes que tendrá la prótesis, en función de unas especificaciones concretas. Seguidamente, se procederá al diseño y fabricación de las piezas que conformarán la prótesis usando la técnica de impresión 3D. Y, por último, la última parte consistirá en la programación del sistema electrónico tanto para tratar las señales mioeléctricas como para configurar los movimientos que deberá realizar la prótesis. Palabras clave: prótesis, diseño, impresión 3D, mano, sensor EMG. Abstract The aim of this Project is the modelling, production and control of a robotic prosthetic hand, controlled by a myoelectric sensors system, for upper limb amputations until the elbow. In order to do this, all the work will be divided into three different steps. First of all, the study and selection of all the components the prosthetic hand will have, according to a series of concrete specifications. Then, we will proceed to the design and production of the parts involved in the prosthetic hand, using the 3D printing technique. Finally, the last step will consist of the programming of the electronic system to both handle the myoelectric signals and configure the movements the prosthetic hand must do. Key words: prosthetics, design, 3D printing, hand, EMG sensor. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 2 Agradecimientos: A mi tutor, Alberto Mansilla, por su ayuda y recursos a la hora de realizar este proyecto A mis padres, Abel y Marta, a mi hermana, y a mi pareja, por mostrarme siempre su apoyo constante e incondicional A todos los miembros del Laboratorio, y en especial a Víctor Manuel, por su ayuda e ingenio para algunas de las partes de este proyecto. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 3 Índice de contenidos 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS DEL PROYECTO .......................................................... 9 1.1 Introducción ............................................................................................... 10 1.2 Objetivos .................................................................................................... 11 2. ESTADO DE LA TÉCNICA............................................................................................ 12 2.1 Antecedentes.............................................................................................. 13 2.2 Modelos actuales ........................................................................................ 18 3. ANATOMÍA Y FISIONOMÍA DE LA MANO ................................................................ 23 3.1 Partes anatómicas de la mano .................................................................... 24 3.1.1 Huesos ....................................................................................................... 24 3.1.2 Músculos ................................................................................................... 26 3.1.2.1 Mano ................................................................................................. 26 3.1.2.2 Antebrazo .......................................................................................... 28 3.2 Tipos de agarre ........................................................................................... 30 4. DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................................................... 34 4.1 Especificaciones técnicas de la prótesis ....................................................... 35 4.2. Elección del conjunto motor ....................................................................... 46 4.2.1 El motor de corriente continua ................................................................ 46 4.2.2 La reductora .............................................................................................. 50 4.2.3 Modelos comercializados ......................................................................... 52 4.2.3.1 Fabricante Maxon ................................................................................. 52 4.3 Elección de la controladora ......................................................................... 78 4.4 Modelado e impresión 3D de la mano ......................................................... 82 4.4.1 Etapa de diseño ........................................................................................ 82 4.4.1.1 Piezas fijas ............................................................................................. 84 4.4.1.2 Piezas móviles ....................................................................................... 86 4.4.2 Etapa de impresión ................................................................................... 94 4.4.3 Ensayos preliminares de carga ................................................................. 99 4.5 Conexiones y programación ...................................................................... 104 4.5.1 Elección de la placa máster .................................................................... 104 4.5.2 Conexiones entre las placas ................................................................... 108 4.5.2.1 Conexión del motor a la controladora ................................................ 108 4.5.2.2 Conexión de la placa máster ............................................................... 111 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 4 4.5.3 Programación de la controladora .......................................................... 116 4.5.3.1 Configuración de la controladora ....................................................... 116 4.5.3.2 Código de la controladora ................................................................... 125 4.5.4 Programación de la placa máster .......................................................... 128 4.6 Ensayos y resultados ................................................................................. 133 5. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS ....................................................................... 137 5.1 Conclusiones ............................................................................................. 138 5.2 Líneas futuras de trabajo .......................................................................... 140 6. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 141 7. ANEXOS ................................................................................................................... 148 7.1 Diagrama de conexiones ........................................................................... 149 7.2 Código completo ....................................................................................... 150 7.2.1 Código de la placa Raspberry Pi Pico ..................................................... 150 7.2.2 Código de la controladora ...................................................................... 151 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 5 Índice de figuras Fig. 1. Dedo Protésico de madera. [3] .............................................................................. 13 Fig. 2. Mano de hierro de Götz Von Berlinchingen [4]. .................................................... 14 Fig. 3. Prótesis diversas diseñadas por Ambroise Pare. [5] .............................................. 15 Fig. 4. Pierna de Anglesey. [7] ........................................................................................... 16 Fig. 5. Primera prótesis mioeléctrica. [8] .......................................................................... 17 Fig. 6. EletroHand 2000 de Ottobock. [9] ......................................................................... 18 Fig. 7. Hero Arm de Open Bionics. [10] ............................................................................. 19 Fig. 8. Brazo Michelangelo de Ottobock. [11] .................................................................. 20 Fig. 9. Mano i-Limb de Össur. [12] .................................................................................... 21 Fig. 10. Luke Arm de DARPA y Dean Kammen. [13] ......................................................... 22 Fig. 11. Vista de la distribución de los huesos en la mano. [17] ....................................... 24 Fig. 12. Vista de la distribución de los huesos del brazo. [18] .......................................... 25 Fig. 13. Vista de la musculatura de la mano derecha. [20] ............................................... 26 Fig. 14. Vista anterior y posterior de la musculatura del antebrazo. [21] ........................ 28 Fig. 15. Las 4 formas de pinza bidigitales: a) Pinza por oposición terminal. b) Pinza por oposición subterminal. c) Pinza por oposición subterminolateral. d) Pinza por oposición interdigital laterolateral. ................................................................................................... 30 Fig. 16. Ejemplos de pinzas pluridigitales: a) Pinza tridigital. b) Pinza tetradigital. c) Pinza pentadigital. ...................................................................................................................... 31 Fig. 17. Tipos de agarre cilíndrico. a) Con uso de pulgar. b) Sin uso de pulgar. ............... 32 Fig. 18. Tipos de agarre esférico. a) Uso de los 5 dedos. b) Uso de 3 dedos. ................... 32 Fig. 19. Presa contra gravedad. ........................................................................................ 33 Fig. 20. Otros tipos de presas. a) Presa centrada. b), c) Presas con acción. ..................... 33 Fig. 21. Medidas de la prótesis ElectroHand 2000. .......................................................... 36 Fig. 22. Diferentes medidas de las manos de niños y niñas. [23] ..................................... 37 Fig. 23. Tabla con distintos datos de fuerza y grados de apertura de diferentes modelos de prótesis. [24] ................................................................................................................ 39 Fig. 24. Modelo 2D del prototipo de nuestra prótesis realizado en Working Model. ...... 40 Fig. 25. Selección del par motor en el modelo. ................................................................ 41 Fig. 26. Simulación de agarre en el modelo. ..................................................................... 42 Fig. 27. Tabla de velocidades promedio para movimientos de mano. [26] ..................... 43 Fig. 28. Conjunto de pilas recargables AA de ion - litio. ................................................... 44 Fig. 29. PLA de 1,75 mm suministrado por Smart Materials. [26] .................................... 45 Fig. 30. Motor de corriente continua. [31] ....................................................................... 46 Fig. 31. Aspectos constructivos de una máquina de corriente continua. ......................... 47 Fig. 32. Máquina de c.c. en régimen de motor. [30] ........................................................ 48 Fig. 33. Ejemplo de curva intensidad/velocidad para un conjunto motor-reductora Maxon. [32] ....................................................................................................................... 49 Fig. 34. Sistema de marchas de una bicicleta. [33] ........................................................... 50 Fig. 35. Ejemplo de relación de engranajes. [34] .............................................................. 51 Fig. 36. Tren planetario en una reductora. [35] ................................................................ 51 Fig. 37. Renderizado de una reductora Maxon. [36] ........................................................ 52 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 6 Fig. 38. Primer modelo de Maxon: DCS16S (escobillas de metal precioso). [36] ............. 53 Fig. 39. Segundo modelo de Maxon. DCX16S (escobillas de grafito). [36] ....................... 54 Fig. 40. Tercer modelo de Maxon: DCS19S (escobillas de metal precioso). [36] ............. 55 Fig. 41. Cuarto modelo de Maxon: DCS19S (escobillas de grafito). [36] .......................... 56 Fig. 42. Quinto modelo de Maxon: DCX22S (escobillas de metal precioso). [36] ............ 57 Fig. 43. Sexto modelo de Maxon: DCX22S (escobillas de grafito). [36] ............................ 58 Fig. 44. Primera reductora Maxon: GPX16 (modelo estándar y cerámico). [36] .............. 59 Fig. 45. Modelo High Power de la reductora Maxon GPX16. [36] .................................... 60 Fig. 46. Segunda reductora Maxon: GPX19 (modelos estándar y cerámico). [36] ........... 61 Fig. 47. Modelo High Power de la reductora GPX19. [36] ................................................ 62 Fig. 48. Tercera reductora Maxon: GPX22 (modelos estándar y cerámico). [36]............. 63 Fig. 49. Modelo High Power de la reductora Maxon DCX22. [36] .................................... 64 Fig. 50. Tabla de combinaciones de Maxon. ..................................................................... 65 Fig. 51. Primera reductora descartada: GPX16. [36] ........................................................ 68 Fig. 52. Segunda reductora descartada: GPX19 (sólo versión estándar y cerámica). [36] 68 Fig. 53. Tercera reductora descartada: GPX22 (versión estándar). [36] .......................... 69 Fig. 54. Opciones de relación de reducción para reductora GPX19 HP. [53] ................... 74 Fig. 55. Coste de la gama de reductoras GPX19 HP. [32] ................................................. 74 Fig. 56. Coste de los motores DCX19S (escobillas de metal precioso y de grafito). [32] .. 75 Fig. 57. Encoder ENX16 EASY incremental. [36] ............................................................... 75 Fig. 58. Conexiones y pinout del encoder ENX16 EASY. [36] ............................................ 76 Fig. 59. Combinación motor – reductora – encoder final. [32] ........................................ 77 Fig. 60. EPOS 4 Compact 50/5 de Maxon. [36] ................................................................. 79 Fig. 61. IPOS-3602 MX-CAN de Technosoft. [39] .............................................................. 80 Fig. 62. Capitan XCR CANOpen de Novanta Drives. [38] .................................................. 81 Fig. 63. Impresora CR-10S de Creality. [41] ...................................................................... 82 Fig. 64. Modelo de cuadrilátero articulado. ..................................................................... 83 Fig. 65. Identificación de los elementos del cuadrilátero articulado de la figura 63 en la prótesis ElectroHand 2000. [9] ......................................................................................... 83 Fig. 66. Primera pieza del conjunto fijo: soporte. ............................................................. 84 Fig. 67. Segunda pieza del conjunto fijo: envolvente. ...................................................... 85 Fig. 68. Conjunto fijo. ........................................................................................................ 85 Fig. 69. Medida de los tornillos que fijarán la reductora a la pieza. [46] ......................... 86 Fig. 70. Pulgar y soporte del motor. ................................................................................. 87 Fig. 71. Temperaturas máximas del conjunto motor. [36] ............................................... 87 Fig. 72. Pieza movida por el husillo del motor. ................................................................. 88 Fig. 73. Dedo índice. .......................................................................................................... 89 Fig. 74. Dedo medio. ......................................................................................................... 89 Fig. 75. Unión del ensamblaje de los dedos con la pieza enganchada al husillo. ............. 90 Fig. 76. Junta de unión. ..................................................................................................... 90 Fig. 77. Tapa de la pieza soporte del motor. .................................................................... 91 Fig. 78. Prototipo completo. ............................................................................................. 92 Fig. 79. Simulación del movimiento de apertura. ............................................................. 93 Fig. 80. Simulación del movimiento de apertura. ............................................................. 93 Fig. 81. Parámetros de impresión. .................................................................................... 94 Fig. 82. Piezas impresas del conjunto fijo de la prótesis. ................................................. 95 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 7 Fig. 83. Pieza del soporte del motor y pulgar impresa. .................................................... 95 Fig. 84. Pieza de los dedos índice y medio impresa. ......................................................... 96 Fig. 85. Piezas Junta de unión y tapa impresas. ................................................................ 96 Fig. 86. Prótesis completa impresa y ensamblada. ........................................................... 97 Fig. 87. Vista del ángulo de apertura de la prótesis impresa. ........................................... 97 Fig. 88. Vista del ángulo de cierre de la prótesis impresa. ............................................... 98 Fig. 89. a) Comparación de la prótesis con el conjunto motor Maxon. ............................ 98 Fig. 90. Pesas utilizadas en el ensayo. .............................................................................. 99 Fig. 91. a) Peso para el primer ensayo de carga sobre el pulgar. b) Zona de la fractura. ........................................................................................................................................ 100 Fig. 92. Nervio colocado en la unión entre la sujeción del pulgar al motor y el inicio de éste. ................................................................................................................................. 100 Fig. 93. a) Momento del ensayo a 1,4 kg. b) Nueva zona de fractura. ........................... 101 Fig. 94. Operación de aumento de grosor y empalme en el pulgar. .............................. 102 Fig. 95. Momento del tercer ensayo aplicando una masa de 4.2 kg. ............................. 103 Fig. 96. Placa Raspberry Pi Zero. [42] ............................................................................. 105 Fig. 97. Placas Arduino Nano y Arduino Nano Every. [43] .............................................. 105 Fig. 98. Familia de placas Raspberry Pi Pico. De izquierda a derecha: Pico, Pico H, Pico W y Pico WH. [42] ................................................................................................................ 106 Fig. 99. Características de la familia Raspberry Pi Pico. [42] .......................................... 106 Fig. 100. Características de la familia Arduino Nano. [43] .............................................. 107 Fig. 101. Diferenciación de los lados de los pines en la IPOS-3602. [39] ........................ 108 Fig. 102. 1ºa parte del esquema de conexiones provisto por Technosoft. [39] ............. 109 Fig. 103. 2ºa parte del esquema de conexiones provisto por Technosoft. [39] ............. 109 Fig. 104. Cables encargados de la alimentación de la placa y el motor. ........................ 110 Fig. 105. Cables encargados de la conexión del motor a la controladora. ..................... 110 Fig. 106. Adaptador de conexión RS232 a USB. .............................................................. 111 Fig. 107. Esquema de pines de la placa Raspberry Pi Pico. [42] ..................................... 112 Fig. 108. Sensor mioeléctrico 13E200 de Ottobock. ....................................................... 113 Fig. 109. Esquema de las partes de una neurona. [45] ................................................... 114 Fig. 110. Proceso de transmisión de un impulso nervioso a través del axón de una neurona. [44] .................................................................................................................. 115 Fig. 111. Interfaz principal del software Technosoft. ..................................................... 116 Fig. 112. Configuración de los parámetros del motor. ................................................... 117 Fig. 113. Configuración de parámetros de la controladora. ........................................... 118 Fig. 114. Tabla de conversión de frecuencia PWM en función de la constante L/R. ...... 119 Fig. 115. Datos de Resistencia e inductancia en bornes. [112] ...................................... 119 Fig. 116. Opciones de control y realización del tuning. .................................................. 120 Fig. 117. Parámetros del tuning de corriente. ................................................................ 121 Fig. 118. Gráfica de la respuesta del motor a una entrada escalón de corriente. ......... 122 Fig. 119. Resultado del tuning automático de posición. ................................................. 123 Fig. 120. Gráfica de la respuesta de posición del motor a una entrada trapezoidal. ..... 124 Fig. 121. Gráfica de la respuesta de posición del motor a una entrada escalón. ........... 124 Fig. 122. Fragmento de declaración de variables de la controladora. ........................... 125 Fig. 123. Fragmento de configuración de entradas. ....................................................... 125 Fig. 124. Interfaz de la curva del movimiento de cierre. ................................................ 126 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 8 Fig. 125. Interfaz de la curva del movimiento de abertura ............................................ 126 Fig. 126. Fragmento de llamada a la variable definida como etiqueta. ......................... 127 Fig. 127. Esquema general de componentes de la parte electrónica. ............................ 127 Fig. 128. 1º Fragmento del código de la placa máster. .................................................. 128 Fig. 129. 2º Fragmento del código de la placa máster. .................................................. 129 Fig. 130. Posición relajada de la mano y gráfica de la señal leída. ................................. 130 Fig. 131. Posición en flexión de la mano y gráfica de la señal recibida. ......................... 131 Fig. 132. Posición en extensión de la mano y gráfica de la señal recibida. .................... 132 Fig. 133. Conjunto de la prótesis conectada a todos los demás componentes. ............ 133 Fig. 134. Fijación de la prótesis al perfil de aluminio y a la mesa de trabajo. ................ 134 Fig. 135. Momento del ensayo de fuerza realizado sobre la prótesis. ........................... 134 Fig. 136. Momento del ensayo de fuerza sobre la mano ElectroHand 2000. ................ 135 Fig. 137. Movimiento de flexión sobre la prótesis. ........................................................ 136 Fig. 138. Movimiento de extensión sobre la prótesis. .................................................... 136 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 15 Aparte de estos ejemplos aislados, en esta época es cuando destaca la enorme contribución del cirujano francés Ambroise Pare (1510 – 1592), quien es considerado como el padre de la cirugía de amputación y del diseño protésico moderno. Introdujo numerosas innovaciones, tanto en cirugía (implementó la técnica de la ligadura de las arterias para reducir hemorragias, sustituyendo el método que se había usado hasta ahora: la cauterización del muñón sangrante con un hierro candente) como en protésica: diseñó una prótesis de miembro inferior que permitían al paciente arrodillarse (mediante el control de la flexión de la rodilla), prótesis de pie con posición fija, o arneses ajustables. El progresivo auge del uso de mecanismos en las prótesis se debe a las aportaciones tecnológicas de un gremio en particular que seguiría avanzando en este ámbito pasada la Edad Moderna: los relojeros. En esta época surgieron, además de innovaciones en el diseño, innovaciones en el ámbito de los materiales, sustituyendo poco a poco el hierro por otros materiales más ligeros, como el cuero o el papel. La Edad Contemporánea supuso un avance precipitado en la protésica, debido a que este tiempo estuvo marcado por las guerras tanto naciones como mundiales. Fig. 3. Prótesis diversas diseñadas por Ambroise Pare. [5] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 16 En 1800, el londinense James Pott desarrolló una prótesis de pierna que consistía en una articulación de rodilla hecha de acero, y un pie articulado controlado por cuerdas de tripa de gato a modo de tendones, que iban desde la rodilla hasta el tobillo, con el objetivo de que cuando el paciente flexionase la rodilla, causase, a su vez, la dorsi-flexión del pie. Esta prótesis fue popularizada por el marqués de Anglesey, quien perdió la pierna en la batalla de Waterloo, por lo que esta prótesis fue conocida como “la pierna de Anglesey”. Más tarde, en 1839, William Shelpo compró y llevó esta prótesis a los Estados Unidos, donde se conoció como “pierna Shelpo”. Dejando aparte estos ejemplos más o menos aislados, el verdadero avance en materia de prótesis fue a partir de la guerra civil norteamericana (1861 – 1865). Con ella, el número de amputados incrementó de manera muy considerable, por lo que en EE. UU se produce un cambio social pionero en esa época: se garantizó el acceso a elementos protésicos por parte del Estado. Hasta ese momento, no existía ningún tipo de guía científica, o de organización que prescribiera estos elementos. Más adelante, en 1912, se crea la primera prótesis de aluminio, fabricada por un piloto inglés. Fig. 4. Pierna de Anglesey. [7] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 17 Durante la Segunda Guerra Mundial, el número de amputados a nivel mundial volvió a experimentar un gran crecimiento, sobre todo en Europa. Se alcanzó un punto en el que la tecnología protésica de los europeos superaba a la de los norteamericanos. Debido a esto, el gobierno de EE. UU encarga a la Academia Nacional de Ciencias la investigación en el campo de las prótesis, y, en 1946, un grupo de expertos son llevados a Norteamérica con el objetivo de desarrollar la protésica tal y como la conocemos actualmente. El estudio en tecnología de materiales dio lugar a innovaciones en la fabricación, como las resinas. Se empezó a experimentar también con los materiales poliméricos. Las prótesis empezaron a ser más ligeras y adaptadas a cada paciente. Aparte, se empiezan a incorporar componentes electrónicos, por lo que las prótesis pasaron de ser pasivas a convertirse en activas. En 1960, en Rusia, aparece la primera prótesis mioeléctrica. Fig. 5. Primera prótesis mioeléctrica. [8] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 18 2.2 Modelos actuales Ahora que ya se ha presentado el contexto histórico en el que se encuentra el campo de las prótesis, en este apartado se expondrán algunos de los diferentes modelos que existen en la actualidad, ya estén comercializados o se encuentren aún en desarrollo. Cabe decir que sólo se expondrán modelos de prótesis de miembro superior. • ElectroHand 2000 Desarrollada y comercializada por la empresa alemana Ottobock (líder europeo en diseño de prótesis): • Consiste en una prótesis mioeléctrica pediátrica con un solo grado de libertad (actuada mediante un solo motor). • Está diseñada para que los dos dedos de la parte superior roten en oposición con el dedo de la parte inferior alrededor del mismo eje, con el objetivo de crear un movimiento de pinza (análogamente al dedo pulgar de una mano real). • Viene incluido un soporte hueco que simula parte del brazo a medida dependiendo del nivel de amputación de cada paciente, además de dos sensores mioeléctricos (uno para captar el movimiento de flexión, y otro para captar el movimiento de extensión). • Su precio oscila los 8000 €. Fig. 6. EletroHand 2000 de Ottobock. [9] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 19 • Hero Arm Desarrollada por la empresa británica Open Bionics: • Consiste en una prótesis mioeléctrica ligera con 5 actuadores lineales, uno por cada dedo. • Está fabricada con el polímero de impresión 3D Nylon PA12, que es la causa de su bajo peso. • Permite hasta 6 modos de agarre, soportando un peso máximo de 13 kg. Permite además un giro de 180º de la mano respecto del brazo, a modo de muñeca pasiva. • La estructura del brazo posee imanes, lo que permite al modelo llevar cubiertas magnéticas intercambiables. Su uso está disponible tanto para adultos como para niños. El precio varía entre los 10750 € y los 14300 €, dependiendo de la duración del entrenamiento con la prótesis. Fig. 7. Hero Arm de Open Bionics. [10] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 20 • Michelangelo Desarrollada por la empresa Ottobock: • Consiste en una prótesis mioeléctrica de bajo peso, accionada por dos motores: uno que permite el movimiento de los dedos índice y medio, y otro que permite el posicionamiento electrónico del dedo pulgar. • Permite, además de los típicos agarres de oposición de pulgar, un agarre de abducción de índice y medio. • El material de fabricación es una combinación de polímeros rígidos (sobre todo para la parte del brazo), y blandos (para las partes móviles de la mano y la muñeca). • Cuenta también con un sistema de desbloqueo manual que separa la parte de la mano de la parte del brazo, además de una muñeca ajustable a diversas posiciones con posibilidad de fijación. Sale a la venta por un precio de unos 50.000 €. Fig. 8. Brazo Michelangelo de Ottobock. [11] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 21 • i-Limb Desarrollada por la empresa islandesa Össur, • Es una mano mioeléctrica multiarticulada. Sus 5 dedos están actuados de forma individual, e incluye una rotación monitorizada para el dedo pulgar. • Se puede fabricar en diferentes tamaños, y, al igual que otras prótesis, viene incluido un soporte a medida a modo de brazo, dependiendo del nivel de amputación del paciente. • Permite un total de 36 tipos de agarres, soportando pesos de hasta 90 kg en las versiones grandes. • El material de fabricación es una combinación de polímero y titanio. Además, es posible personalizar los movimientos de la mano gracias a una aplicación desarrollada para esta mano. El precio es cercano a unos 50.000 € Fig. 9. Mano i-Limb de Össur. [12] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 22 • Luke Arm Desarrollada por los ingenieros de la Universidad de Utah, esta prótesis mioeléctrica, actualmente en proceso de mejora para poder funcionar de forma autónoma, incorpora una tecnología que dota al paciente de una sensibilidad relativa, como si se tratase de una mano real. Mediante un sistema de sensores, es posible detectar la textura y la rigidez de los objetos manipulados, y transmitir la información al usuario en forma de señales eléctricas mediante cables conectados a sus extremidades. El módulo entero (brazo y mano) está actuado mediante un total de 10 motores: • 2 correspondientes al hombro (abducción – aducción, flexión – extensión). • 3 correspondientes al brazo y antebrazo (rotación humeral, flexión – extensión del codo, y pronación – supinación de muñeca) • 1 correspondiente a la flexión – extensión de muñeca. • 4 correspondientes a la mano (abducción – aducción, y flexión – extensión del pulgar; flexión – extensión del dedo índice; y flexión – extensión de los demás dedos). Su precio está estimado en más de 50.000 €. Fig. 10. Luke Arm de DARPA y Dean Kammen. [13] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 23 3. ANATOMÍA Y FISIONOMÍA DE LA MANO DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 24 Antes de proceder con el contenido relativo al proyecto, se ha considerado recomendable introducir un estudio básico acerca del funcionamiento de la mano humana, así como las partes anatómicas que la componen, y el rango de movimientos que es capaz de realizar. 3.1 Partes anatómicas de la mano La mano constituye una de las estructuras más complejas que posee el cuerpo humano. Su capacidad de prensión, gracias a la oposición del dedo pulgar, sumada con la coordinación y precisión, han permitido desarrollar una motricidad que ha significado un avance evolutivo sin el cual nuestra historia y cultura hubiese sido completamente impensable. La mano humana está compuesta por un total de 27 huesos, 39 músculos, y 36 articulaciones. Esto, sumado a una combinación de nervios, tendones y vasos sanguíneos. La interacción de todas estas partes es lo que da lugar a la inmensa variedad de movimientos de los que disponemos. 3.1.1 Huesos Fig. 11. Vista de la distribución de los huesos en la mano. [17] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 31  Pinzas pluridigitales: Pinza en la que intervienen, aparte del pulgar, 2 o más dedos. Esto permite un agarre de pinza más fuerte que en el caso de la pinza bidigital. • Prensiones palmares: Son aquellos tipos de agarre en los que, además de los dedos, interviene la palma de la mano. Es el agarre en el que más fuerza de prensión puede aplicarse. Dependiendo del objeto que se agarre, existen dos tipos de esta prensión:  Prensión palmar cilíndrica: Los objetos a agarrar tienen forma cilíndrica. A los 4 dedos se oponen la palma de la mano y, en caso de que también actúe, el pulgar. a) b) c) Fig. 16. Ejemplos de pinzas pluridigitales: a) Pinza tridigital. b) Pinza tetradigital. c) Pinza pentadigital. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 32  3Prensión palmar esférica: Los objetos que se agarran tienen forma de esfera. En este agarre pueden intervenir tres, cuatro, o cinco dedos (más la palma). En este último caso, el quinto dedo, al apoyarse en una de las caras laterales. • Presa contra la gravedad: En este agarre, la mano sirve de soporte para el objeto. Aquí, se requiere una supinación íntegra, ya que la mano necesita una orientación completa hacia arriba. a) b) a) b) Fig. 17. Tipos de agarre cilíndrico. a) Con uso de pulgar. b) Sin uso de pulgar. Fig. 18. Tipos de agarre esférico. a) Uso de los 5 dedos. b) Uso de 3 dedos. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 33 • Otros tipos de presas: Este grupo engloba aquellas posiciones de agarre en las que, mientras algunos dedos agarran un objeto, otro u otros dedos se encargan de realizar alguna acción, ya sea dirigir el objeto o hacer prensión obre alguna parte del objeto. a) b) a) b) c) Fig. 19. Presa contra gravedad. Fig. 20. Otros tipos de presas. a) Presa centrada. b), c) Presas con acción. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 34 4. DESARROLLO DEL PROYECTO DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 35 4.1 Especificaciones técnicas de la prótesis Antes de proceder al diseño de la prótesis y a la elección de sus componentes, es necesario establecer cuáles con los requisitos técnicos, tanto mecánicos, eléctricos, y de tamaño. Para ello, primero definiremos nuestro objetivo principal: la fabricación de una prótesis pediátrica de bajo coste. Lo que esto significa es que las principales restricciones que se van a imponer al proyecto van a ser de tamaño, y de precio, lo que se traduce en una disminución de la cantidad de componentes (actuadores, controladoras, baterías, etc.) que se pueden utilizar. Por esta razón, la principal decisión que se ha tomado es que la prótesis tenga 1 grado de libertad. Eso supondrá que la prótesis sólo tenga dos movimientos: flexión y extensión. Para una prótesis pediátrica, son los movimientos más importantes, ya que los demás, aunque útiles, son secundarios en comparación, y su implantación se traduciría en un aumento significativo del coste de fabricación. Ahora enumeraremos todos los aspectos a tener en cuenta: • Tamaño: Como se ha mencionado antes, la prótesis va a estar dirigida a un entorno pediátrico, luego el tamaño de la mano va a ser, en un principio, algo más reducido que las prótesis normales (aunque posteriormente esas medidas se adaptarán a la magnitud de los componentes requeridos (motor y controladora). Para tener unas medidas de referencia, podemos usar el modelo de Ottobock “ElectroHand 2000”, modelo 8E51 L6, cuyas medidas son las siguientes: DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 36 Por otra parte, también se tiene la opción de consultar tablas antropométricas pediátricas, las cuales proporcionan medidas estadísticas de diferentes partes del cuerpo humano en función de sexo y edad. En este caso concreto, se consultarán las medidas correspondientes a un rango de edades comprendido entre los 10 y los 17 años, tanto sexo masculino como femenino. Para ello, se han elegido las tablas antropométricas de los autores Rosalio Avila-Chaurand, Elvia Luz González-Muñoz y Lilia R. Prado-León [23], que determinan las medidas de la población de México, Colombia, Cuba y Chile. La razón de esta elección ha sido debido a la gran escasez de este tipo de tablas para la población de España. Estas tablas especifican las siguientes medidas para niños y niñas con edades comprendidas entre los 6 a los 17 años: Fig. 21. Medidas de la prótesis ElectroHand 2000. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 37 Siendo: La media (entre ambos sexos) de estas medidas es: o 6 a 8 años: o 9 a 11 años: 39 Longitud de la mano 134,7 mm 40 Longitud de la palma 76,2 mm 41 Anchura de la mano 74,15 mm 42 Anchura de la palma 61 mm 43 Diámetro empuñadura 27,9 mm 39 Longitud de la mano 152,4 mm 40 Longitud de la palma 86,15 mm 41 Anchura de la mano 82,9 mm 42 Anchura de la palma 67,7 mm 43 Diámetro empuñadura 32,7 mm Fig. 22. Diferentes medidas de las manos de niños y niñas. [23] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 38 o 12 a 14 años: o 15 a 17 años: Dadas estas medidas, se podrá adecuar el tamaño de la mano protésica dentro de estas franjas de valores, aunque, como ya se ha comentado anteriormente, el tamaño vendrá dado principalmente por los componentes que vayamos a utilizar. • Fuerza: El otro aspecto principal que modelar en la mano protésica es la fuerza de prensión (en el movimiento de flexión) que será capaz de realizar. En las prótesis comerciales, esta magnitud suele variar en función del modelo, del número de actuadores que posea la mano, Para tener una idea del valor promedio que suelen tener los modelos actuales, se ha consultado una comparación de los valores promedio de fuerza que realizan la mano humana, y diferentes modelos de prótesis. Esto determinará el par motor necesario que nuestro motor tendrá que realizar. En nuestro caso, compararemos 11 modelos que se encuentran actualmente en el mercado. 39 Longitud de la mano 168,7 mm 40 Longitud de la palma 95,7 mm 41 Anchura de la mano 90,7 mm 42 Anchura de la palma 75,35 mm 43 Diámetro empuñadura 39,5 mm 39 Longitud de la mano 178,2 mm 40 Longitud de la palma 102,5 mm 41 Anchura de la mano 95,5 mm 42 Anchura de la palma 79,3 mm 43 Diámetro empuñadura 41,35 mm DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 39 Según estos datos, vemos que las fuerzas de un agarre de precisión van variando entre 7 y 60 N de fuerza, aproximadamente, mientras que los agarres de potencia poseen una magnitud mucho mayor en comparación. Como ya hemos dicho, si las prótesis tienen varios actuadores, estos dos tipos de agarre pueden variar bastante. En nuestro caso, al tener sólo un actuador, no distinguiremos entre agarre de precisión y agarre de potencia. Si se realiza la media entre las fuerzas de los agarres de precisión, se obtiene un resultado de 20,78 N. Combinando este resultado con la media de los valores de fuerza del agarre de potencia que disponemos (52,33 N), obtenemos un resultado promedio de unos 35 N. El valor que se ha elegido por ser acorde a una mano pediátrica es de unos 30 N. Ahora bien, ya se dispone de una magnitud para la fuerza de agarre, pero para poder elegir las prestaciones de nuestro motor, necesitamos traducir el valor de la fuerza a valor de par motor (torque). Para ello, se ha hecho uso de la herramienta de software de diseño 2D “Working Model”. Mediante un modelo sencillo, podemos simular el comportamiento de nuestro supuesto motor ante una fuerza correspondiente a nuestra elección. Fig. 23. Tabla con distintos datos de fuerza y grados de apertura de diferentes modelos de prótesis. [24] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 40 El mecanismo de apertura y cierre del modelo está basado en la prótesis ElectroHand 2000, que consiste en un cuadrilátero articulado. Este tipo de articulaciones presentan la ventaja de no incluir engranajes para realizar algún giro, ya que es el propio movimiento relativo entre las partes del mecanismo el que permite girar una parte de la mano. El resultado es el siguiente: Mediante este modelo, podemos simular la fuerza de prensión que se podría obtener en los extremos de los dedos en función del par (torque) que tendría el futuro motor. Ahora es cuestión de ajustar el valor del par motor hasta obtener una fuerza aproximada de unos 30 N. Fig. 24. Modelo 2D del prototipo de nuestra prótesis realizado en Working Model. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 47 • Rotor: La parte móvil. Aquí se encuentra el circuito inducido, que consiste en discos de chapa de acero ranuradas donde va el devanado de cobre, y el colector de delgas. El principio de funcionamiento es el siguiente: Cuando el rotor de la máquina comienza a girar, en su devanado (conectado en anillo) se induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) en las caras exteriores, dado que los conductores de dichas caras son cortados por el flujo magnético del estator. En nuestro caso particular, que es cuando la máquina está funcionando como motor (podría funcionar como generador), se alimenta con c.c. al devanado del inducido, lo que provoca la aparición de unas corrientes en los conductores del devanado en ambos sentidos, según mostramos en la figura 29. La interacción de estas corrientes con el flujo magnético del devanado inductor origina un par de rotación, que hace girar el rotor de la máquina. Al hacer esto, se originan una f.e.m. en el inducido, que se opone a la corriente que circula por los conductores. Fig. 31. Aspectos constructivos de una máquina de corriente continua. Los componentes (1), (2), (3), (4), (5), (8), (9) y (13) pertenecen al estator de la máquina, mientras que los componentes (6), (7), (10), (11) y (12) pertenecen al rotor. [30] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 48 El movimiento del motor se mantendrá siempre que el par electromagnético de rotación sea superior al par resistente que ejerce la carga mecánica. Ahora que ya se tiene una noción básica del aspecto y funcionamiento del motor de c.c., ya podemos avanzar a los conceptos que van a determinar la elección de nuestro motor. • Voltaje de alimentación En función del tamaño y longitud de los bobinados del motor, éste puede requerir un voltaje mayor o menor para alimentarlos. En el rango en que nos encontramos (motores pequeños), dichos voltajes van a ir desde 1.5 V para los motores más pequeños, hasta los 60 V para los grandes. En el caso de las grandes máquinas industriales, podemos encontrar tensiones de alimentación cercanas a los 1000 V. • Par motor El otro parámetro que debemos estipular para nuestro motor es el par que es capaz de vencer. Como aclaramos en el apartado 4.1, el valor de referencia que tenemos es de 1.7 Nm. Como los motores eléctricos del calibre que estamos manejando no alcanzan este par por sí mismos, habrá que incorporar al motor un componente denominado reductora, del cual se hablará más adelante. Fig. 32. Máquina de c.c. en régimen de motor. [30] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 49 • Intensidad consumida Otra especificación eléctrica que interesa conocer es la intensidad consumida por los bobinados del motor, ya que este parámetro es el que va a regular casi todos los demás. Es decir, cuando los requerimientos mecánicos de nuestro motor aumenten (velocidad o par resistente), el motor va a responder consumiendo más intensidad para aumentar sus prestaciones. Obviamente, cada motor tiene un valor máximo de intensidad que puede llegar a consumir de forma segura, ya que, si sobrepasamos dicho valor, la temperatura del motor podría superar la máxima de operación, y deformar los bobinados. La relación entre la velocidad alcanzada y la intensidad consumida por el motor (y el par que realiza) se puede modelar mediante la siguiente gráfica: • Tamaño del conjunto Aunque este dato no será fundamental a la hora de elegir el conjunto motor, ya que se dará prioridad al cumplimiento de los requerimientos mecánicos (par y velocidad), se considerará una restricción a la hora de comparar modelos, dado que cuanto más pequeño sea el motor, más pequeña será la prótesis, y el modelo tendrá más acceso al uso en niños pequeños. Fig. 33. Ejemplo de curva intensidad/velocidad para un conjunto motor-reductora Maxon. [32] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 50 4.2.2 La reductora Una reductora es un mecanismo necesario en el caso de que la aplicación precise un par de rotación elevado. Consta de un sistema de engranajes que transforman la velocidad de rotación en par mecánico. El ejemplo más común de esta clase de engranajes es el sistema de marchas que incluyen las bicicletas. El funcionamiento se debe a la relación de engranajes. En función del número de ruedas dentadas de ambos engranajes, varía la velocidad de salida respecto a la de entrada de forma proporcional, siguiendo la fórmula: 𝜏𝜏=𝜔𝜔1 𝜔𝜔2 =𝑍𝑍1 𝑍𝑍2 Siendo 𝜔𝜔1 la velocidad angular de entrada, 𝜔𝜔2 la velocidad de salida; 𝑍𝑍1 y 𝑍𝑍2 el número de dientes de las dos ruedas dentadas. Fig. 34. Sistema de marchas de una bicicleta. [33] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 51 En nuestro caso, el tipo de reductora que vamos a incorporar a nuestro motor utiliza el sistema denominado sistema planetario, en el que uno o más engranajes externos rotan sobre un engranaje central. Lo más común es que los engranajes externos se monten sobre un brazo móvil que rote en relación con el engranaje central. Este tipo de sistema es muy útil para transmitir pares elevados. El aspecto de la reductora que incorporaremos a nuestro motor tendrá el siguiente aspecto. Fig. 35. Ejemplo de relación de engranajes. [34] Fig. 36. Tren planetario en una reductora. [35] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 52 4.2.3 Modelos comercializados Ahora que ya se conocen los diferentes parámetros y aspectos que debemos tener en cuenta, podemos establecer diferentes comparaciones entre distintos modelos que existen actualmente en el mercado. Si bien es cierto que la gran mayoría de la oferta de motores de corriente continua consiste actualmente en motores industriales (de gran tamaño), o motores con sistemas electrónicos integrados (servomotores), aún se puede encontrar fabricantes potentes de motores de tamaño y par pequeños. 4.2.3.1 Fabricante Maxon El primer fabricante que vamos a examinar es el grupo Maxon. Debido a su amplio catálogo especializado en motores de tamaño reducido, puede considerarse el fabricante líder en el sector. Nota: Se han remarcado los modelos alimentados a 4.5, 6 y 9 V, dado que los de menor voltaje no cumplen a primera mano nuestros requerimientos, y los de mayor voltaje exceden los límites máximos que marcan las normativas (aparte de que dificultarían enormemente la búsqueda de baterías adecuadas). Fig. 37. Renderizado de una reductora Maxon. [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 53 • DCX 16S 3/5W; 8680 rpm Este primer modelo tiene: • Una velocidad nominal de: 3300 rpm con alimentación 4,5 V, 3760 rpm a 6 V, y 3270 rpm a 9 V. • Un consumo de intensidad de 0.784, 0.65 y 0.389 A, respectivamente (en operación continua, que es lo que nos interesa, dado que los tiempos de trabajo del motor no están definidos). • Un diámetro de 16 mm, y un tamaño de 33 mm aprox. Incluyendo el husillo. Fig. 38. Primer modelo de Maxon: DCS16S (escobillas de metal precioso). [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 54 • DCX16S 5/10 W, 17 000 rpm Este segundo modelo tiene: • Una velocidad nominal de: 9400 rpm con alimentación tanto a 6V como a 9V. • Un consumo de intensidad de 1.28 y 0.847 A (en operación continua, que es lo que nos interesa, dado que los tiempos de trabajo del motor no están definidos). • Un diámetro de 16 mm, y un tamaño de 33 mm aprox. Incluyendo el husillo. Fig. 39. Segundo modelo de Maxon. DCX16S (escobillas de grafito). [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 55 • DCX19S 5/8 W, 7500 rpm Este tercer modelo tiene: • Una velocidad nominal de: 5080 rpm con alimentación 4,5 V, 4540 rpm a 6 V, y 4350 rpm a 9 V. • Un consumo de intensidad en operación continua de 1,20, 1.20 y 0.829 A, respectivamente. • Un diámetro de 19 mm, y un tamaño de 44.2 mm aprox. Incluyendo el husillo. Fig. 40. Tercer modelo de Maxon: DCS19S (escobillas de metal precioso). [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 56 • DCX19S 11/17 W, 16 000 rpm Este cuarto modelo tiene: • Una velocidad nominal de 10900 rpm a 9 V. • Un consumo de intensidad de 1,81 A en operación continua. • Un diámetro de 19 mm, y un tamaño de 44.2 mm aprox. Incluyendo el husillo. Fig. 41. Cuarto modelo de Maxon: DCS19S (escobillas de grafito). [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 63 • GPX22 (versión estándar y cerámica) Pasamos a la última gama de reductoras que tendremos en consideración para los motores elegidos. Al ser esta la de mayor diámetro, tendremos los mayores valores de par motor alcanzado, pero a costa de aumentar el peso y el tamaño. • En la versión estándar: 0.50 Nm con 1 etapa, 0.70 con 2 etapas, 1.20 con 3 etapas, y 1.50 con 4 etapas. • En la versión cerámica: 0.80 Nm con 1 etapa, 1.20 con 2 etapas, 2.00 con 3 etapas, y 2.50 con 4 etapas. Fig. 48. Tercera reductora Maxon: GPX22 (modelos estándar y cerámico). [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 64 • GPX22 (versión High Power) En la versión High Power: 2.40 Nm con 2 etapas, 3.30 con 3 etapas, y 3.70 con 4 etapas. Y, por último, esta gama de reductoras sería compatibles con la gama de motores DCX22S. Ahora, mediante una serie de tablas, podremos establecer la comparación entre las posibles combinaciones de las que podemos disponer.Se comparará la velocidad nominal, el par alcanzado, la intensidad consumida, el tamaño y el peso. También se indicarán los cálculos necesarios para obtener algunos datos. De forma resumida, las posibles combinaciones de motores y reductoras que tenemos se resumen en la siguiente tabla: Fig. 49. Modelo High Power de la reductora Maxon DCX22. [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 65 A continuación, enumeraremos las ecuaciones que necesitamos para calcular algunos datos, como la intensidad que consumirá el motor en cada combinación. 1. Par realizado por el motor para par máximo de la reductora: 𝑇𝑇𝑚𝑚á𝑥𝑥_𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 =𝑇𝑇 𝑚𝑚∙ 𝑋𝑋 ∙ 𝜂𝜂𝑚𝑚𝑚𝑚𝑥𝑥 → 𝑇𝑇𝑚𝑚=𝑇𝑇𝑚𝑚á𝑥𝑥_𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑋𝑋 ∙ 𝜂𝜂𝑚𝑚𝑚𝑚𝑥𝑥 Siendo: 𝑇𝑇𝑚𝑚á𝑥𝑥_𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 : Par máximo de la reductora. 𝑇𝑇 𝑚𝑚 : Par realizado por el motor. 𝑋𝑋 : Relación de reducción (X:1). 𝜂𝜂𝑚𝑚𝑚𝑚𝑥𝑥 : Rendimiento máximo de la reductora. 2. Intensidad consumida por el motor en función del par realizado 𝐼𝐼𝑚𝑚=𝑇𝑇 𝑚𝑚 𝐾𝐾𝑇𝑇 Siendo: 𝐼𝐼𝑚𝑚 : Intensidad consumida por el motor. Motores Reductoras DCX16S Escobillas de grafito GPX16 (versión estándar, cerámica y High Power) DCX16S Escobillas de metal precioso DCX19S Escobillas de grafito GPX19 (versión estándar, cerámica y High Power) DCX19S Escobillas de metal precioso DCX22S Escobillas de grafito GPX22 (versión estándar, cerámica y High Power) DCX22S Escobillas de metal precioso Fig. 50. Tabla de combinaciones de Maxon. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 66 𝐾𝐾𝑇𝑇 : Constante de par del motor. 3. Velocidad realizada por el conjunto 𝑛𝑛𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 =𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐_𝑙𝑙𝑐𝑐𝑚𝑚𝑟𝑟 𝑋𝑋 Siendo: 𝑛𝑛𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 : velocidad del conjunto. 𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐_𝑙𝑙𝑐𝑐𝑚𝑚𝑟𝑟 : velocidad sin carga del motor. Este cálculo se realiza con este parámetro porque durante el movimiento de la mano el motor no tendrá que soportar ninguna carga. Aplicando estas ecuaciones a las combinaciones motor – reductora que tenemos, obtenemos la intensidad que consumiría cada uno en función del par máximo que puede aguantar su correspondiente reductora. Realizaremos el cálculo con la primera combinación a modo de ejemplo: De la figura 36 y de la figura 42, obtenemos los siguientes datos: • Para el motor: o 𝐾𝐾𝑇𝑇= 8,53 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐴𝐴 o Torque nominal: 𝑇𝑇 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚 = 5,36 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 o Velocidad nominal: 𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑚𝑚 =6610 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚 • Para la reductora: o 𝑇𝑇𝑚𝑚á𝑥𝑥𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 0.45 𝑚𝑚𝑚𝑚 o 𝑋𝑋=243: 1 (versión estándar) o 𝜂𝜂𝑚𝑚𝑚𝑚𝑥𝑥 =65% o 𝑇𝑇𝑚𝑚á𝑥𝑥𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 0.60 𝑚𝑚𝑚𝑚 o 𝑋𝑋=406: 1 (versión cerámica) o 𝜂𝜂𝑚𝑚𝑚𝑚𝑥𝑥 =65% DCX16S 6V Escobillas de metal precioso GPX16 versión estándar y cerámica DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 67 Sustituyendo en las ecuaciones previas: 𝑇𝑇 𝑚𝑚=0.45 𝑚𝑚𝑚𝑚 243 ∙0.65 = 2.85 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 En combinación con la reductora GPX16 versión estándar con relación de reducción 243:1, el motor tendría que realizar como máximo 2,85 mNm. Ahora veamos la intensidad que consumiría. Sustituyendo en la segunda ecuación: 𝐼𝐼𝑚𝑚=2,85 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 8,53 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚/𝐴𝐴= 0,33 𝐴𝐴 Y , además, podemos comprobar que este valor es menor que la máxima intensidad que consume en operación continua: 0.65 A. Y en cuanto a la velocidad que realizaría el conjunto: 𝑛𝑛𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 =6610 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚 243 =27.202 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚 Cabe señalar que la controladora es quien se va encargar de que se cumplan estas restricciones, ya que, si se aporta más intensidad al motor, el par realizado por la reductora sería mayor que su valor máximo, lo que podría reducir su vida útil, o incluso dañarla. Si aplicamos nuestros requisitos a las combinaciones mencionadas anteriormente, vemos que algunas pueden descartarse debido a que no alcanzan el parámetro del par motor a primera vista, por lo que no resulta necesario calcular los demás datos de esas combinaciones. Las versiones de las reductoras que son descartadas debido a esto se muestran a continuación, junto con las gráficas que muestran la limitación de su par motor dependiendo de las etapas que tenga. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 68 Fig. 51. Primera reductora descartada: GPX16. [36] Fig. 52. Segunda reductora descartada: GPX19 (sólo versión estándar y cerámica). [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 69 A partir de la versión High Power de la reductora GPX19, el par motor entra dentro de nuestros requerimientos. Dicho esto, se irán calculando los parámetros de las diferentes combinaciones, los cuales se recogerán en las tablas siguientes: • Combinaciones DCX19S Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒄𝒄(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 19S EB (4.5 V) + GPX19 HP 243:1 2.274 26.5 2.00 75.2 113 406:1 1.361 15.86 679:1 0.814 9.48 913:1 0.605 7.05 1526:1 0.362 4.22 Fig. 53. Tercera reductora descartada: GPX22 (versión estándar). [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 70 Las diferentes opciones de reducción están marcadas por colores. El sombreado rojo indica que la intensidad que consumiría el motor para alcanzar el par máximo de la reductora supera el límite en operación continua, por lo que no nos serviría. Por el contrario, el verde indica que entra dentro del límite. Ahora procederemos con las siguientes combinaciones. Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒄𝒄(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 19S EB (6 V) + GPX19 HP 243:1 1.680 26.13 2.00 75.2 113 406:1 0.931 14.46 679:1 0.602 9.35 913:1 0.448 6.96 1526:1 0.268 4.96 Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒄𝒄(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 19S EB (9 V) + GPX19 HP 243:1 1.110 25.76 2.00 75.2 113 406:1 0.663 15.42 679:1 0.397 9.22 913:1 0.295 6.86 1526:1 0.177 4.10 Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒄𝒄(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 19S GB (9 V) + GPX19 HP 243:1 2.274 53.09 2.00 75.2 113 406:1 1.361 31.77 679:1 0.814 19.00 913:1 0.605 14.13 1526:1 0.362 8.45 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 71 • Combinaciones DCX22S Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 22S EB (9 V) + GPX22 Ceramic 243:1 0.854 24.16 (2.00) 90.2 184 406:1 0.511 14.46 679:1 0.306 8.65 913:1 0.227 6.43 1526:1 0.136 3.85 Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 22S EB (6 V) + GPX22 Ceramic 243:1 1.282 24.16 (2.00) 90.2 184 406:1 0.767 14.46 679:1 0.459 8.65 913:1 0.341 6.43 1526:1 0.204 3.85 Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 22S GB (6 V) + GPX22 Ceramic 243:1 2.489 46.91 (2.00) 77.2 155 406:1 1.490 28.08 679:1 0.891 17.79 913:1 0.663 12.49 1526:1 0.396 7.47 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 72 Los valores del par que se encuentran entre paréntesis significa que, aunque el conjunto es capaz de realizar más par motor, los cálculos se han realizado con este valor, ya que es el que se ha elegido como cercano al máximo teórico que ha de alcanzar el motor operando en la mano. Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 22S GB (6 V) + GPX22 HP 243:1 3.00 46.91 (2.00) 78.2 129.2 406:1 1.788 28.08 679:1 1.069 17.79 913:1 0.795 12.49 1526:1 0.476 7.47 Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 22S EB (9 V) + GPX22 HP 243:1 1.025 24.16 (2.00) 91.2 190 406:1 0.613 14.46 679:1 0.367 8.65 913:1 0.272 6.43 1526:1 0.163 3.85 Combinación Reducción 𝑰𝑰𝒎𝒎 (𝑨𝑨) 𝒏𝒏𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒄𝒄 (𝒓𝒓𝒓𝒓𝒎𝒎) 𝑻𝑻𝒎𝒎á𝒙𝒙(𝑵𝑵𝒎𝒎) Tamaño (mm) Peso(g) DCX 22S EB (6 V) + GPX22 HP 243:1 1.538 24.16 (2.00) 91.2 190 406:1 0.921 14.46 679:1 0.550 8.65 913:1 0.409 6.43 1526:1 0.245 3.85 DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 79 • Módulo EPOS4 Compact de Maxon Este primer modelo posee un voltaje nominal de 10 a 50 V, además de proporcionar una intensidad de hasta 5 A. En cuanto a las prestaciones, se tienen las siguientes: • 4 entradas y 2 salidas digitales. • 2 entradas y una salida STO (Safe Torque Off). • 2 entradas y 2 salidas analógicas, con una resolución de 12 bit. • Entrada para encoder incremental digital de hasta 3 canales (nuestro caso). • Entradas para encoder incremental analógico, encoder SSI absoluto • Interfaz de comunicación para los siguientes protocolos: o USB 2.0 y 3.0 o RS232 (Comunicación por puerto serie) o CAN Bus o EtherCAT • Un peso de 57 gramos. • Dimensiones 55.0 x 40.0 x 31.1 mm. • Un precio de 536.93 € Fig. 60. EPOS 4 Compact 50/5 de Maxon. [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 80 • Módulo IPOS-3602 de Technosoft Este segundo modelo que entrará en la comparación consiste en una controladora con un voltaje nominal de 7 a 36 V, proporcionando una intensidad de 2 A de forma continua, y 3.2 A de pico. Sus prestaciones son: • 5 entradas y 3 salidas digitales. • 1 entrada analógica, con una resolución de 12 bit. • Entrada para encoder incremental digital de hasta 3 canales (nuestro caso). • Entrada para encoder incremental analógico. • Interfaz de comunicación para los siguientes protocolos: o RS232 (Comunicación por puerto serie) o CAN Bus o TMLCAN • Un peso de 8 gramos. • Dimensiones 50.0 x 26.4 x 13.1 mm (incluyendo la longitud de los pines). • Un precio de 265 €. Fig. 61. IPOS-3602 MX-CAN de Technosoft. [39] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 81 • Módulo Capitan XCR de Ingenia/Novanta Este tercer y último modelo de controladora posee un voltaje nominal de 8 a 60 V, y es capaz de suministrar una intensidad de hasta 10 A de forma continua y picos de hasta 20 A. Sus prestaciones son: • 4 entradas y 4 salidas digitales. • 2 entradas STO (Safe Torque Off). • Entrada para encoder incremental digital de hasta 3 canales (nuestro caso). • Entrada para encoder incremental analógico, encoder SSI absoluto. • Interfaz de comunicación para los siguientes protocolos: o CAN Bus o EtherCAT • Un peso de 31 gramos. • Dimensiones 42.0 x 29.0 x 19.4 mm (incluyendo la longitud de los pines). • Un precio de 598 €. Teniendo en cuenta la intensidad nominal que va a consumir motor el motor elegido (0,829 A), su voltaje, y las entradas y salidas que se van a necesitar (2 digitales en un primer momento), el modelo que, en cuanto a prestaciones, y precio, se ajusta a nuestra aplicación, es el IPOS-3602 MX-CAN, de Technosoft. Fig. 62. Capitan XCR CANOpen de Novanta Drives. [38] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 82 4.4 Modelado e impresión 3D de la mano 4.4.1 Etapa de diseño Ahora que ya se han escogido todos los componentes que se encargarán del movimiento y control eléctrico de la prótesis, se va a proceder con el diseño y el prototipado de la prótesis. Como software de modelado, se va a utilizar el programa Inventor 2022, del grupo Autodesk. En cuanto al software de impresión (el cual se encargará de configurar la impresión en función de los parámetros que aportaremos), se utilizará el programa Cura 3D. Y, por último, para a impresión de las piezas, la impresora utilizada será la CR-10S, de la marca Creality. Debido a los cálculos que se han obtenido usando los modelos realizados en Working Model mostrados en apartados anteriores, nuestro diseño va a basarse en ellos, de manera que se asemeje al diseño de la mano comercializada ElectroHand 2000. Como ya se vio anteriormente, el mecanismo de giro de esta prótesis sigue el concepto de cuadrilátero articulado. Éste consiste en 4 puntos (de los cuales 2 están fijos, y 2 son móviles) unidos por 4 barras (de las cuales 3 pueden Fig. 63. Impresora CR-10S de Creality. [41] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 83 moverse, y una está fija, debido a que es la que une los dos puntos fijos). A la hora del movimiento, los dos puntos fijos se comportan como rótulas. Ahora se procederá a identificar en la prótesis los elementos de dicho modelo mecánico: Así pues, después de identificar los elementos de la prótesis, se puede proceder a modelarlos. Para ello, hemos dividido su construcción en 4 partes diferenciadas: Fig. 64. Modelo de cuadrilátero articulado. Los puntos A y B están libres, mientras que los puntos O2 y O4 const ituyen rótulas fijas. La barra 1 está fija, mientras que la 2, la 3 y la 4 están móviles. [63] Fig. 65. Identificación de los elementos del cuadrilátero articulado de la figura 63 en la prótesis ElectroHand 2000. [9] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 84 • Las piezas que se mantendrán fijas. • El soporte donde irá el motor (y donde se encontrará el dedo pulgar). • La pieza concéntrica con el soporte, que se moverá impulsada por el husillo del motor (donde se modelarán los dedos índice y medio en oposición con el motor). • La junta de unión. 4.4.1.1 Piezas fijas La parte fija de la prótesis consiste en dos piezas: • La primera se encarga de unir la mano con el soporte del antebrazo para formar la prótesis, además de rodear parcialmente el dedo pulgar. • La segunda forma una envolvente cuando se fija a la primera pieza, para permitir el giro del dedo pulgar. Fig. 66. Primera pieza del conjunto fijo: soporte. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 85 Unidas, forman el siguiente conjunto: Fig. 67. Segunda pieza del conjunto fijo: envolvente. Fig. 68. Conjunto fijo. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 86 Las dos piezas quedarán fijadas mediante tornillos gracias a los dos pasantes que poseen. Además, la segunda pieza (la envolvente) presenta otro pasante en el que se engarzará la junta de unión (que se mostrará a continuación). 4.4.1.2 Piezas móviles Ahora empezaremos a modelar las partes móviles. Para enlazar con el conjunto fijo descrito anteriormente, empezaremos modelando la pieza que contendrá el dedo pulgar, y que servirá como soporte para el motor. Para ello, tendremos que tener en cuenta: • El diámetro del conjunto motor (19 mm). • El diámetro de la región del pulgar que se irá engarzada de forma concéntrica en el conjunto fijo. • La refrigeración del motor. Además de forma adicional, tendremos que modelar 6 agujeros pasantes en la parte superior, de forma que el conjunto quede fijado a la pieza, mediante unos tornillos de métrica 2, así como indica el catálogo de la reductora: Así pues, tenemos el siguiente resultado: Fig. 69. Medida de los tornillos que fijarán la reductora a la pieza. [46] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 87 Como se ha explicado antes, se han modelado los 6 agujeros pasantes para los tornillos de métrica 2 (fig. izquierda), el agujero central, que será donde pasará el husillo, y otra serie de agujeros que servirán para disipar el calor que genere la intensidad que consuma el motor. Hay que tener en cuenta que el fabricante indica una temperatura máxima de operación segura. Sobrepasar dicho valor podría tener consecuencias, tales como la deformación de los bobinados del motor, o la disminución de algunas propiedades mecánicas. Para este modelo, lo que indica Maxon es: Y, por último, se ha modelado el dedo pulgar para que vaya adjunto al soporte. Fig. 70. Pulgar y soporte del motor. Fig. 71. Temperaturas máximas del conjunto motor. [36] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 88 A continuación, se ha modelado la pieza que será movida por el husillo del motor, y que también contendrá los dedos índice y medio. Además, esta pieza incluirá un pequeño pasante externo, ideado para que la junta, antes mencionada, pueda unir la parte fija de la mano junto con esta pieza. De esta manera, el mecanismo del cuadrilátero articulado se habrá completado. Empezaremos por la pieza que enganchará con el husillo del motor. Tal y como se puede apreciar, la pieza incluye el pasante externo para que la junta pueda unir esta pieza con la parte fija, como se mencionó antes. Además, en la imagen derecha puede verse el agujero por donde pasará el husillo, además de un pasante que atraviesa la pieza, por si se quiere incluir algún prisionero. Ahora pasaremos al modelado de los dedos índice y medio. Loas aspectos que se han de tener en cuenta son: • La oposición que han de realizar al dedo pulgar para que se produzca el movimiento de agarre. • El modelo realizado en Working Model, para que las simulaciones en cuanto a fuerza aplicada sean similares. Comenzaremos con el índice. Fig. 72. Pieza movida por el husillo del motor. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 95 El resultado de la impresión es el siguiente: Comenzamos con la parte fija, consistente en las dos piezas que se mostraron anteriormente (envolvente y soporte). Ambas quedan unidas mediante dos tornillos, dejando el hueco en forma de circunferencia, por donde pasará en dedo pulgar. Continuamos con el soporte del motor, y el dedo pulgar: Fig. 83. Pieza del soporte del motor y pulgar impresa. Fig. 82. Piezas impresas del conjunto fijo de la prótesis. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 96 Después, con la pieza que contiene a los dedos índice y medio: Y, finalmente, se finaliza la etapa de impresión con la junta de unión, y con la tapa del soporte: Fig. 84. Pieza de los dedos índice y medio impresa. Fig. 85. Piezas Junta de unión y tapa impresas. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 97 La unión de todas las piezas, de la misma forma que se mostró en la etapa de diseño, resulta en la prótesis deseada: En ambas imágenes, pueden observarse todas las piezas unidas y ensambladas. De manera más específica, la segunda imagen muestra la forma en que la junta une la parte movida por el husillo del motor con la parte fija. Si se mueve la mano hasta su máxima amplitud, tanto en el movimiento de apertura como en el de cierre, obtenemos un resultado muy similar al que teníamos en el programa de modelado: Fig. 86. Prótesis completa impresa y ensamblada. Fig. 87. Vista del ángulo de apertura de la prótesis impresa. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 98 Fig. 88. Vista del ángulo de cierre de la prótesis impresa. Fig. 89. a) Comparación de la prótesis con el conjunto motor Maxon. b) Prótesis con el motor introducido. a) b) DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 99 4.4.3 Ensayos preliminares de carga En este apartado se mostrarán los resultados ensayos de carga aplicados sobre los primeros diseños de las piezas que conforman la prótesis, vitales a la hora de conformar el diseño y las mejoras que se han visto en el apartado anterior. El objetivo principal es verificar que las piezas con más compromiso mecánico puedan soportar, al menos, la carga que tendrán que ser capaces de aplicar cuando sea movida por el motor. Para ello, el ensayo más sencillo (y el que se ha realizado) consiste en aplicar peso de manera manual (mediante pesas de igual masa), ir aumentando dicho peso hasta que la pieza fracture, y, posteriormente, aplicar refuerzo en las zonas donde fracturó (que van a ser donde las tensiones se acumulen). Las pesas que se usarán serán piezas cilíndricas de unos 200 g cada una: La pieza con más requisito mecánico de todas es el pulgar, debido a que su longitud lo aleja del centro de masas de la mano, lo que va a resultar en un mayor momento al aplicar una carga puntual en su extremo. Por tanto, los primeros ensayos van a realizarse sobre la pieza del pulgar. La idea es ir añadiendo pesas de 200 g hasta que la pieza fracture. Fig. 90. Pesas utilizadas en el ensayo. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 100 1º Ensayo: límite de 1,4 kg Con una aplicación de 1,4 kg, la pieza del pulgar fracturó en el comienzo de la estructura de unión con el pulgar, tal y como se muestra en la imagen. Solución: incorporar un nervio en esa unión, de la misma manera que el que se observa a lo largo de la curvatura: Fig. 91. a) Peso para el primer ensayo de carga sobre el pulgar. b) Zona de la fractura. Fig. 92. Nervio colocado en la unión entre la sujeción del pulgar al motor y el inicio de éste. a) b) DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 101 2º Ensayo: límite de 2,6 kg Realizado el cambio descrito anteriormente, puede repetirse el ensayo para comprobar cuánto aguanta la pieza del dedo hasta fracturar: Como podemos observar, la zona de fractura ha cambiado, y se ha trasladado a la frontera entre la zona de engarce con la parte fija, y la zona soldada al soporte del motor. Como, además, el peso límite ha aumentado, puede señalarse que el cambio que se ha realizado ha contribuido de forma positiva. Sin embargo, el límite de peso soportado todavía no es suficiente para resistir la fuerza aplicada teóricamente por el motor, así que habrá que realizar más cambios. Dado que la zona de fractura consiste en un cambio brusco de grosor entre una zona y otra, un posible cambio es realizar un empalme, y aumentar el grosor de la zona soldada al soporte del motor. Fig. 93. a) Momento del ensayo a 1,4 kg. b) Nueva zona de fractura. a) b) DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 102 Realizar este cambio hará que las tensiones que antes se acumulan en este borde, ahora se repartan entre las dos zonas. Después de este cambio, se puede repetir el ensayo para comprobar si las prestaciones mejoran. 3º Ensayo: máximo peso aplicado: 4,0 kg a) b) Fig. 94. Operación de aumento de grosor y empalme en el pulgar. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 103 Este último ensayo aplicado sobre la pieza del pulgar ha finalizado con la aplicación de un peso de 4,2 kg sin que ésta llegue a fracturar, por lo que podemos concluir que el diseño mecánico de esta mano resiste de sobra la fuerza que va a realizar el motor. Con este ensayo, ya se tiene la seguridad de que nuestra prótesis va a resistir mecánicamente los esfuerzos de la carga y del motor. Por tanto, ya se puede comenzar con la parte de programación. Fig. 95. Momento del tercer ensayo aplicando una masa de 4.2 kg. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 104 4.5 Conexiones y programación En este apartado se va a tratar todo lo relacionado con los aspectos electrónicos que rodean a la prótesis, tales como: • La elección del tipo de placa máster. • Las conexiones entre el motor, la controladora esclava y la placa máster. • El tuning del motor. • La programación de la controladora. • La programación de la placa máster. Como ya se comentó en apartados anteriores, el esquema electrónico de la prótesis va a consistir en una placa máster equipada con sensores mioeléctricos, la cual da órdenes a una controladora esclava que recibe y manda señales del encoder del motor. Cabe decir que, en el caso de que alguno de estos aspectos no se trate con demasiada profundidad en este apartado, se hará en los Anexos de esta memoria. 4.5.1 Elección de la placa máster Antes comenzar a realizar las conexiones entre los dispositivos, hay que elegir qué tipo y marca de placa máster vamos a utilizar. Las principales opciones que se nos presentan son las marcas Raspberry, y Arduino, principales proveedores de placas programables. La diferencia entre ellos es que Arduino sólo diseña microcontroladores programables, mientras que Raspberry además diseña ordenadores embebidos, con obvia diferencia de prestaciones y de precio entre ellas. Eso sí, para ir filtrando los catálogos de ambas marcas, impondremos el parámetro del tamaño y del peso a la hora de elegir, dado que las prestaciones entre las placas del mismo tipo sufren mínimas variaciones. El primer ejemplo típico que considerar de Raspberry es la familia de placas Raspberry Pi Zero: DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 111 3º Conexión al PC: La conexión al ordenador se realiza mediante una interfaz RS232 (serial), por lo que ha sido necesario adquirir un adaptador de RS232 a USB (tal y como se observa en la imagen). El diagrama detallado de todas las conexiones de esta placa se tratará en los anexos de este proyecto 4.5.2.2 Conexión de la placa máster Ahora procederemos a mostrar las conexiones de la placa máster (Raspberry Pi Pico), las cuales van a resultar más sencillas que en el caso anterior. Para empezar, tenemos las entradas correspondientes a los dos sensores mioeléctricos, las salidas que se dirigen a la controladora esclava, y la conexión al ordenador. En primer lugar, se ha consultado el manual de usuario para saber la función de cada pin en la placa: Fig. 106. Adaptador de conexión RS232 a USB. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 112 Los pines que nos interesan son los siguientes: • Pines ADC (entradas analógicas) para la señal que proporcionarán los sensores. Pines 31, 32 y 34. • Pines GPIO en forma de salidas digitales (para mandar órdenes a la controladora). Todos los pines menos los GND, los del control de sistema, y los de alimentación. • Pin VBUS (proporciona 5V). Los sensores que se van a utilizar son los sensores MyoBock 13E200 , suministrados por la empresa Ottobock. Su función es la de detectar a través de la piel la señal nerviosa enviada al músculo, para posteriormente filtrarla y amplificarla. Presentan el siguiente aspecto y esquema de conexión: Fig. 107. Esquema de pines de la placa Raspberry Pi Pico. [42] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 113 Tomando como referencia la cara azul del cableado (tal y como se ve en la imagen), de izquierda a derecha: • Pin 1: Salida de la señal detectada y amplificada (en una codificación de valor máximo 3.3 V). • Pin 2: GND (toma de tierra). • Pin 3: +5V (alimentación). El principio de funcionamiento es el siguiente: Los músculos del cuerpo humano muevan las articulaciones debido a su capacidad de contracción, la cual se activa gracias a los impulsos nerviosos generados por el cerebro (en el caso de los movimientos voluntarios), por el cerebelo y el bulbo raquídeo (en el caso de los involuntarios), y para los reflejos, la médula espinal. Para el proyecto presente, los que interesan son los voluntarios. Cuando el cerebro envía un impulso nervioso a un músculo, ésta viaja a través de los nervios en forma de señal eléctrica. Las células nerviosas (neuronas) son las encargadas de transmitirla. Cada neurona está compuesta de tres partes diferenciadas: el núcleo, con su cuerpo celular, las dendritas, y el axón. El aspecto esquemático de estas células es el siguiente: Fig. 108. Sensor mioeléctrico 13E200 de Ottobock. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 114 Las neuronas cumplen con su función de comunicación de la siguiente manera: Una neurona adyacente, (a través de las terminaciones de su axón), envía a las dendritas de otra neurona unas señales químicas mediante los llamados neurotransmisores, los cuales tratan de excitar la neurona hasta un cierto umbral. Si lo logran, la neurona se activará, y la señal viajará a través del axón de la neurona en forma de impulso eléctrico. Esto se consigue gracias a la existencia de una diferencia de potencial en la membrana plasmática, llamado potencial de membrana. Cuando la célula está inactiva, la carga de la membrana se mantiene en valores negativos (en torno a unos -70 mV). Sin embargo, si el potencial de membrana se despolariza más allá de un valor umbral (~60 mV), la célula dispara un potencial de acción, que consiste en un cambio de la polaridad de la membrana de negativo a positivo, y a negativo de nuevo, en un ciclo que dura unos milisegundos. Aparte, todo el axón (excepto la parte terminal) se encuentra recubierta de una sustancia que actúa como aislante, llamada mielina, la cual ayuda a la rapidez de la transmisión. Tras viajar por el axón, el impulso llega al extremo del axón, el cual se ramifica en estructuras llamadas terminales nerviosos, los cuales conectan con otras neuronas para seguir transmitiendo la señal, a través de los neurotransmisores (de esa manera, el ciclo comienza de nuevo Fig. 109. Esquema de las partes de una neurona. [45] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 115 Mediante todo este proceso, la señal nerviosa puede viajar a través del nervio, siendo retransmitida por cada neurona. Viendo este proceso, podría pensarse que la única manera de detectar estos impulsos es midiendo esta diferencia de potencial directamente del nervio. Pero no es así, ya que ese potencial también viaja a través de la piel. La piel humana posee una resistencia que puede variar desde los 100 Ω hasta los 100000 Ω, dependiendo de la zona del cuerpo. Sin embargo, hay factores que la reducen en bastante cantidad. Por ejemplo, el sudor (que no deja de ser una solución electrolítica, al tratarse de agua y sales) es capaz de reducirla en unos 3000 Ω. Por tanto, los sensores mioeléctricos utilizados son capaces de detectar estos impulsos. Obviamente, para traducirlos en una señal de voltaje útil, es necesario un filtrado de la señal, y una amplificación posterior (procesos que ya están integrados en el sensor). El diagrama de conexiones completo se detallará en los Anexos del proyecto. Fig. 110. Proceso de transmisión de un impulso nervioso a través del axón de una neurona. [44] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 116 4.5.3 Programación de la controladora Ahora que ya disponemos de todos los dispositivos correctamente conectados entre sí, ya podemos comenzar con la configuración y programación de la controladora. Para ello, este apartado se va a dividir en dos partes: la configuración de la placa (incluyendo el tuning del motor), y el correspondiente código de programación. 4.5.3.1 Configuración de la controladora Antes de proceder a programar los movimientos del motor, primero hay que especificar los parámetros que usa el motor a la controladora, además de configurar las protecciones, y las respuestas que otorga el motor a diferentes entradas. Tanto para la configuración como para la programación, se utilizará el software propio de Technosoft, el EasyMotion Studio. Fig. 111. Interfaz principal del software Technosoft. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 117 • Configuración de los parámetros del motor El primer paso que el software requiere es especificar los parámetros principales que posee el motor que se va a utilizar. Los encontramos en el catálogo de Maxon. Como nuestro motor no está en la base de datos por defecto de Technosoft, especificamos un nombre y lo guardamos, junto con todos sus datos, tanto del motor como del encoder. Nota: Aunque el dato de la inercia del rotor aparece determinado en el catálogo, es preferible marcar la opción de que es desconocida. De esta manera, controlador la calculará automáticamente a la hora de analizar la respuesta. Fig. 112. Configuración de los parámetros del motor. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 118 • Configuración de los parámetros de la controladora Después de configurar el motor, el siguiente paso es parametrizar el rango de operación de la controladora. El primer paso es especificar los parámetros de operación de la controladora (recuadro amarillo). De los tres que hay, el más importante es el límite de la intensidad de corriente, ya que nos permite decidir a qué valor la controladora va a detener el consumo de corriente del motor, y así protegerlo de posibles daños. Como se especificó en el apartado de elección del conjunto motor, la intensidad que requiere el motor para alcanzar el par máximo que soporta la reductora era de 0,609 A. El siguiente paso es realizar el tuning del motor. Pero antes, es necesario modificar algún parámetro de control, como, por ejemplo, la frecuencia PWM, Fig. 113. Configuración de parámetros de la controladora. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 119 ya que nos depende de dos datos del motor: la inductancia, y la resistencia de bornes: De nuestra hoja de datos, obtenemos que: Si calculamos la constante eléctrica, nos sale un valor de 56,2 µs, los cuales corresponden a un valor aproximado de 90 kHz. Aparte, hay que considerar una condición: como estamos utilizando un conjunto motor – reductora, el software no va a poder realizar los tests de respuesta a corriente, ya que, para ello, es necesario mantener el husillo del motor bloqueado, y, debido a la holgura existente entre la reductora y el motor (parámetro conocido: 1.4º), esto no va a ser posible. Debido a esto, el tuning de corriente no se va a poder efectuar de forma automática, y hay que hacerlo de forma manual (se indica en el apartado Tuning, tal y como se observa en la figura) Fig. 114. Tabla de conversión de frecuencia PWM en función de la constante L/R. Fig. 115. Datos de Resistencia e inductancia en bornes. [112] DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 120 Ahora ya se puede realizar el tuning de corriente del motor. Fig. 116. Opciones de control y realización del tuning. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 127 Por último, se programa una llamada de función, la cual vuelve a la parte de la secuencia de código a partir de la marca que creamos: Así pues, queda definida toda la parte eléctrica que incumbe a la prótesis. El esquema de la figura ofrece una visión global de la misma: Fig. 126. Fragmento de llamada a la variable definida como etiqueta. Fig. 127. Esquema general de componentes de la parte electrónica. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 128 4.5.4 Programación de la placa máster La función del código de la placa Raspberri Pi se va a dividir en dos partes. La primera, leer la señal emitida por los dos sensores mioeléctricos. La segunda, emitir una señal digital de salida en función del valor de la señal leída. Dicha señal digital va a ser leída, a su vez, por la controladora, como orden principal para poner en marcha el motor de la mano. El entorno que se ha elegido para la programación es el IDE Thonny, el cual está preparado el lenguaje MicroPython, el cual también utilizaremos. De acuerdo con el fabricante Raspberry, para que la placa acepte este lenguaje, primero hay que incorporar a la memoria RAM con un firmware que se obtendrá de la página oficial. Cuando ya se ha realizado esta operación, ya se puede empezar a programar: El primer paso, como ya se ha comentado, es preparar a los pines analógicos para que lean la señal de los sensores, y también los digitales para que emitan la señal de salida: Como las entradas analógicas de la placa tienen una resolución de 16 bits, en un principio la lectura que obtendremos será una cifra desde 0 a 65535. Como lo que queremos es el valor de voltaje de la señal, se tendrá que usar un factor Fig. 128. 1º Fragmento del código de la placa máster. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 129 de conversión para convertir el valor codificado a uno que se encuentre en el intervalo de 0 a 3,3 V (valor máximo de los sensores). El siguiente paso es leer la señal, y especificar un valor umbral (2,5 V) a partir del cual se considerará que la señal nerviosa detectada representa una contracción o una extensión. Si se supera, la placa enviará a través de los pines específicos una señal de salida de nivel alto (y a la vez pondrá a nivel bajo la otra entrada, para evitar que los dos movimientos se activen a la vez). Si se hace una prueba de la lectura de estos sensores, y se representa el valor de la señal a lo largo del tiempo, el resultado es el siguiente: Fig. 129. 2º Fragmento del código de la placa máster. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 130 Mano relajada: Fig. 130. Posición relajada de la mano y gráfica de la señal leída. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 131 Mano en flexión: Fig. 131. Posición en flexión de la mano y gráfica de la señal recibida. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 132 Mano en extensión: Fig. 132. Posición en extensión de la mano y gráfica de la señal recibida. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 133 4.6 Ensayos y resultados Tras haber completado toda la configuración requerida para la parte electrónica, el aspecto de todos los componentes es el mostrado en la figura. El primer ensayo va a consistir en la comprobación de la fuerza que debe realizar el motor. Para ello, se realizará la misma prueba que se hizo en el apartado de ensayos preliminares: se incorporarán pesos medidos hasta conseguir una carga determinada, la cual deberá levantar la prótesis. Debido a la complicación de sujetar la mano mientras levanta el peso, se ha tenido que diseñar e imprimir una pieza preparada para anclarla a un perfil de aluminio. De esta manera, dicho perfil puede también anclarse a la mesa de trabajo mediante un sargento o mordaza, y así hacer el ensayo un poco más preciso. El resultado ha sido el siguiente: Fig. 133. Conjunto de la prótesis conectada a todos los demás componentes. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 134 Dicho esto, se puede empezar a cargar peso. Los pesos utilizados son los mismos que los del apartado 4.4.3 (200 g). La carga que se ha escogido como umbral para considerar la prótesis como válida ha sido de 2 kg: Fig. 134. Fijación de la prótesis al perfil de aluminio y a la mesa de trabajo. Fig. 135. Momento del ensayo de fuerza realizado sobre la prótesis. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 135 Tras hacer este ensayo, se ha procedido a comparar esta prueba con una similar realizada con la prótesis de Ottobock Electrohand 2000, para comprobar si también es capaz de levantar dicho peso. El resultado obtenido ha sido insatisfactorio: la mano de Ottobock no ha sido capaz de levantar esa carga. Después, se han ensayado los movimientos de la mano mediante los sensores mioeléctricos. Primero, realizamos el movimiento de cierre de la mano (flexión). Fig. 136. Momento del ensayo de fuerza sobre la mano ElectroHand 2000. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 136 Y, después, el movimiento de abertura (extensión). Fig. 137. Movimiento de flexión sobre la prótesis. Fig. 138. Movimiento de extensión sobre la prótesis. DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D Pág. 143 [10] Open Bionics: “Hero Arm”. https://openbionics.com/en/heroarm/ [11] Ottobock: “Michelangelo”. https://shop.ottobock.us/Prosthetics/Upper-LimbProsthetics/Michelangelo-Axon-Bus-System/Michelangelo-HandAxonHook/Michelangelo-Hand/p/8E500~5L-M [12] Össur: “iLimb”. https://www.ossur.com/eses/protesica/miembro-superior/i-limb-quantum [13] University of Utah: “Luke Arm”. https://www.mobiusbionics.com/luke-arm/ [14] Prices for bionic hands. https://bionicsforeveryone.com/bionichand-price-list/ [15] Dimitris Rodríguez Ramírez, Carlos Eduardo Ruiz Moreno, Miguel Ángel, Nieto Bayona, Sergio Alejandro Leuro Torres, Miguel Ángel Gómez Rueda: “La mano. Aspectos anatómicos I. Generalidades, osteología y artrología.” Morfolia – Vol. 12 – nº1 – 2020. [16] NETTER, Frank H. Atlas de anatomía humana. 2ª edición Porto Alegre: Artmed, 2000. 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