Universidad Veracruzana. Facultad de Instrumentación Electrónica. P.E. Ingeniería en Instrumentación Electrónica. E.E.: Tópicos avanzados 2 (Instrumentación Biomédica) Proyecto Integrador: Prótesis Bioelectrónica controlada con señales EMG Académico: Luis Julián Varela Lara. Integrantes: Eddi Alberto García Sánchez. Martín Garcés Méndez. Charly Uriel Triana Hernández. Pedro Gonzalo Pérez Méndez. Juan José Chigo Rodríguez. Fecha de entrega: 11/12/2018 Desarrollo 1. Objetivo. Diseñar y desarrollar el prototipo de una prótesis biónica que pueda ser manipulada mediante el uso de biopotenciales generado en fibras musculares (EMG). 2. Planteamiento del problema y solución. Problema: ¿Qué músculos serían esenciales para controlar idealmente la prótesis?, ¿El usuario debe realizar un entrenamiento con la misma? Propuesta de solución: Para el desarrollo de la prótesis bioelectrónica debemos considerar que grupo de músculos son los adecuados para la manipulación de la prótesis. Tomando en cuenta, que en un futuro el paciente puede poseer o no la extremidad que la prótesis pueda remplazar. Se sugiere utilizar un grupo de músculos, que no se utilicen mucho, o bien que puedan llevar a cabo una secuencia de movimientos a modo suave y sencillo. Como los músculos del abdomen, de cara y cuello, o bien de alguna extremidad. 3. Materiales 2 Servo-motores SG90. Una tarjeta de Arduino Uno, con el microcontrolador ATmega 328. 3 electrodos. 1 INA 128. 1 TL084. Resistencias de diferentes valores: 7 de 220Ω, 1 de 1MΩ, 2 de 10kΩ Capacitores de diferentes valores: 1 de 100nf y 1 de 10nf. 1 display de 7 segmentos. Software Atmel Studio. Cartón gris. Madera mdf. 4. Procedimiento. Paso 1. Obtención de señales de biopotencial. La señal de biopotencial se obtiene a partir de la contracción de determinado tejido muscular, por lo tanto, es indispensable elegir un tejido óptimo para que dicha señal sea tanto viable, como de magnitud considerable. Al tener en cuenta los parámetros previamente mencionados, se procede sobre los diferentes tejidos, teniendo en cuenta nuevamente su disponibilidad en el paciente. Al considerar la facilidad de adquisición, se puede recurrir a los músculos de alguna extremidad. Esto es por la comodidad del usuario y la ventaja que dichos tejidos presentan en términos de magnitud. Los músculos de la pierna proporcionan los parámetros ideales para el procedimiento a realizar. En este caso, el músculo a proceder se denomina: tibialis anterior. Ubicado en la parte frontal inferior, debajo del muslo. La adquisición se realiza a partir de un amplificador de instrumentación con ganancia de 1800 v/v. Dicha ganancia es proporcionada por una RG de 28Ω, dada por la relación: 𝑅𝐺 = 50 𝐾 = 27.7777Ω 1800 Paso 2. Filtrado Se lleva a cabo un proceso de filtrado digital en Matlab para el ancho de banda de la señal de EMG. El ancho de banda correspondiente es de 10 Hz a 120 Hz. Esto para garantizar adecuadamente la adquisición de las muestras. Dado que el voltaje de alimentación es proporcionado por una fuente lineal, es decir, que requiere elementos como el transformador, que proporcionan una frecuencia de ruido similar a la de la red eléctrica: 60Hz. Este filtro se realizó de manera digital en Matlab. De topología rechaza banda. Al estar los electrodos sometidos al movimiento del músculo y al del cuerpo en sí, la línea base de la señal de EMG se ve seriamente afectada, para ello, se implementa un filtro pasa altas con una frecuencia de corte de 1.59Hz. Conectado al amplificador de instrumentación como se muestra a continuación. Como último proceso de filtrado, se llevó a cabo la implementación de un filtro pasa bajas anti aliasing. La frecuencia de corte es de la mitad de la frecuencia de muestreo, es decir, de 150 Hz. 𝑅1 = 100 𝑘Ω 𝐶1 = 10 𝑛𝑓 Offset Se produce un offset de 2.5v después de la etapa de filtrado. Colocando un divisor de voltaje con ambas resistencias iguales. Paso 3. Construcción de la prótesis bioelectrónica Los sistemas biónicos deben ser capaces de responder efectiva y ligeramente. Proporcionando ante todo una precisión en los movimientos y una dinámica adecuada en su campo de trabajo. Para fijar una precisión y un movimiento adecuado, se necesita un sistema electromecánico que disponga dichos elementos. En este caso se recurrió a servomotores. Es indispensable de igual modo, hacer la construcción del prototipo a partir de materiales ligeros. En este caso se empleó cartón tipo gris y para la base del prototipo: madera mdf. Construcción de los elementos para el brazo y la base. Base: 1 pieza: 2 piezas: 17 cm. 30 cm. 5 cm. 3 cm. Antebrazo: 2 piezas: 6 piezas: 2.5 cm. 2.5 cm. 13 cm. 0.7cm Brazo: 2 piezas: 4 piezas: 2.5 cm. 21 cm. 4.5 cm. 3 cm. Fijación de los servos. Paso 4. Algoritmo y programación de la prótesis Para la programación de la prótesis, se utilizó el software Atmel Studio 6.2, que proporciona las herramientas necesarias para programar el siguiente código en el microcontrolador ATmega 328. 5. Resultados. FIGURE 1. ESTRUCTURA EQUIVALENTE A UN BRAZO. FIGURE 2. PROTOTIPO FINAL. 6. Análisis de resultados. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios. Tomado en cuenta, que, para el uso y manipulación de la prótesis biónica, se debe tener un adestramiento adecuado. Un defecto que encontramos en la misma fue, la dificultad que poseía el servomotor inferior para moverse, sin embargo, asociamos que esto se debía, al peso de la estructura. Esto se comprueba, al remover la estructura que manipula el servomotor superior. 7. Conclusiones. Juan José: Finalmente, los conocimientos adquiridos durante este proyecto dan a resaltar la funcionalidad de una prótesis biónica y la importancia del desarrollo de las mismas. El uso de un microcontrolador como un canal de comunicación entre el usuario y la prótesis, le dan un peso importante, ya que demuestra los conocimientos adquiridos durante diferentes experiencias educativas. Así como los alcances y limitaciones que pueden poseer el desarrollo de este tipo de proyectos. Termino satisfecho de esta actividad, porque demuestra la parte teórica de los conocimientos adquiridos durante clases, aplicados a un sistema real y funcional. Pedro Gonzalo: Todo instrumento biomédico, tiene como principal propósito 3 vertientes: tratamiento, diagnóstico o reemplazo. Un sistema que tenga la capacidad de ser manipulado a partir de señales de electromiografía es indispensable para cumplir mínimo una de las 3 vertientes: el reemplazo. Lo que se pretende con este prototipo, es llevar a cabo una prótesis que funja como una extremidad controlada a partir de los movimientos en otra. Si no se lleva a cabo algún tipo de secuencia para concretar dicha acción, el sistema por sí mismo va a presentar movimientos no deseados, por ello, este sistema se puede decir que es único en su tipo, ya que no se encuentran en el mercado prótesis que dispongan este entrenamiento en el usuario. Una de las acciones que ratifican y concluyen la efectividad de este prototipo es la facilidad de uso y sobretodo la capacidad de implementar sistemas con los conocimientos adquiridos previamente en clase, así como en experiencias educativas pasadas. 8. Referencias. 9. Firma