Prótesis Erick

Jefe de proyecto

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Margarita Yate

Presentación

Erick es un niño de 14 años y habita en la ciudad de Bogota, en el pasado ha sido beneficiario de la fundación con una protesis mecanica personalizada con motivo del personaje Optimus Prime de la pelicula Transformers. En este proyecto se desarrollará una prótesis mioeléctrica para su brazo izquierdo, la cual le servirá para mejorar su movilidad y será la plataforma de entrenamiento para futuras prótesis mas avanzadas.

Recursos

Para llevar a cabo la producción de esta solución se deben tener en cuenta los siguientes perfiles profesionales y el tiempo requerido para hacer entrega de la prótesis en un tiempo no mayor a 30 días.

• Psicólogo
• Fisioterapeuta
• Ingeniero Mecatrónico
• Ingeniero Electrónico
• Diseñador Industrial
• Artista Gráfico

Desarrolladores

Maker	Photo	Profile
Bustos Fabian (Diseño Electrónico, Mecánico y Programación)		English .
Duran Miguel (Impresión 3D y Ensamble)		English .
Sebastian Martinez (Diseño 3D y Documentación )		English .

Etapas

Evaluación Psicológica

Erick y su madre nos cuentan que la Fundación ya ha construido una prótesis para el muchacho hace algunos años, con motivo del robot Optimus Prime de la serie Transformers, nos han explicado que a causa de un incendio la protesis lamentablemente ya no existe y Erick necesita su protesis para mejorar su desempeño en las tareas diarias.

Evaluación Antropométrica

Presenta malformación al nivel de la muñeca. Por petición del beneficiario la prótesis que se va a producir sera corta, empezando en la parte media del antebrazo, y deberá ejecutar al menos 3 posiciones diferentes en la mano. Utilizará un sensor electromiográfico para controlar los movimientos de la mano.

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  Medidas Erick Campos

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  Captura de Scan Original

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  Modelo Procesado de Extremidad

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  Medidas en modelo final

Se ha tomado el scan 3D con un sensor tipo Kinect, el modelo resultante presenta imperfecciones en la superficie y se debe recortar para obtener solamente la superficie sobre la que se diseñara la prótesis, se utilizó el software Rhinoceros 6 para limpiar el modelo y se elimino la malla no necesaria.

• Link scan 3D Extremidad: [[1]]

Diseño de Prótesis

Tomando como base el Scan 3D y las medidas tomadas el día Sabado 21 de Septiembre, hemos hecho un modelo base de la prótesis sobre el cual se empezarán a diseñar los componentes de esta solución, bajo solicitud del beneficiario se respetará la superficie exterior del socket y se conservará un diámetro no mayor a ___mm para que su utilización con la ropa sea una experiencia más comoda comparada con su anterior prótesis, hasta el momento el único elemento que puede aumentar el tamaño del brazo es la batería, se hara lo posible por mantener las tolerancias de volumen dentro del límite permitido.

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  Diseño de Socket

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  Vista Previa de Ensamble

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20/11/2019

Erick ha elegido el estilo que quiere para su prótesis, se trata de el modelo de brazo biónico futurista presentado por 3D Systems en Junio de 2015, en la imagen de la derecha se puede apreciar el modelo de prótesis mecánica diseñada para beneficiarios con extremidad a nivel medio de la mano, se tomarán los datos de la evaluación antropométrica para escalar los modelos de los dedos, palma y brazo a las medidas reales, se modificará el diseño original de la palma para alojar los actuadores y el circuito electrónico, la batería se posicionará a la altura del brazo o se definirá si es más viable dejarla para conectar y cargarla en el bolsillo mientras esta alimenta la prótesis por medio de un cable, esto se hace pensando en la facil utilización e interacción con las vestiduras , se utilizarán materiales rígidos y flexibles en diferentes zonas de la protesis dependiendo del análisis mecánico.

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  Modelo base de la prótesis

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Analisis Mecánico

Esta prótesis sera mioelectrica y tendra un movimiento de agarre progresivo, se trata de una estrategia cinemática con la que es posible tener varios niveles de agarre con una sola señal de entrada y un solo actuador mecanico, de este modo la prótesis al recibir un estimulo electromiográfico de nivel bajo, el motor realizaria un agarre tipo pinza tripode (dedos pulgar, indice y medio) y en el momento de recibir una señal de biopotencial mas alto el mecanismo engrana los dedos restantes (dedos anular y meñique), para terminar en una posicion de agarre cilíndrica/esférica, con esto se espera que el beneficiario con un poco de control sobre su actividad muscular en la extremidad, pueda tomar y sostener tanto objetos pequeños utilizando la punta de los tres dedos iniciales o objetos no mayores a la palma de la mano y de un peso no mayor a 150gr. Es posible dejar un grado de libertad de inclinación de 45 grados de extensión en la muñeca, este avance sera opcional dependiendo del espacio que tengamos disponible para un motor adicional.

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  Agarre Pinza Trípode

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  Agarre Esférico

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  Posición de Servos Dactilares

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  Movimientos de Flexión y Extensión de la Muñeca

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  Diseño de mecanismo de Flexión y Extensión de la Muñeca

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Esta prótesis utilizara actuadores tipo servo de los utilizados en modelos de RC, estos motores flexionaran los dedos por medio de hilos que se enrollan sobre poleas cuando los motores se activan, el movimiento de los dedos se reduce a un desplazamiento lineal menor a 4cm de longitud en los hilos, que es el rango entre dedos extendidos y completamente contraidos, al utilizar motores de este tipo se debe diseñar una polea compatible con el mismo teniendo en cuenta que la mitad de la circunferencia sea igual al desplazamiento del dedo, esto se debe a que el servo tiene un giro controlable de 0 a 180 grados como se muestra en la siguiente imagen.

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  Diseño de polea

Analisis Electrónico

Esta prótesis será mioeléctrica, esto significa que utiliza los biopotenciales generados por la actividad muscular de la extremidad para activar motores que ejecutan movimientos en la prótesis, se utiliza un sensor electromiografico Myoware que amplifica y entrega filtrada la señal muscular donde este se posiciona, esta señal puede ser muestreada analogamente por un microcontrolador Arduino Nano con resolucion de 8 bit (1023 muestras), con estos niveles de sensibilidad podemos utilizar filtros digitales para controlar y posicionar los servos SG90.

En la primera imagen de esta etapa se pueden apreciar los componentes necesarios para construir el circuito electrónico (segunda imagen), en la tercera encontramos el pinout del sensor que se conecta al pin A0 del arduino como se muestra en la imagen 4, Se debe tener en cuenta que la posicion del sensor sobre el musculo puede cambiar la señal por lo que se recomienda al beneficiario conservar siempre la misma posición (imagen 5) para que la prótesis trabaje de manera normal.

En la imagen 5 se muestra el diagrama de flujo del programa utilizado en el Arduino Nano, el programa basicamente toma datos de un pin análogo y ejecuta diferentes movimientos en los motores dependiendo del nivel de señal de entrada, en el siguiente link se encuentra el codigo base para que el circuito controle dos servos con la señal de un sensor.

Se instalará un led RGB para indicar el nivel de señal y asi mismo la posición que se ejecuta en tiempo real, con este metodo el usuario tendrá mas control sobre su prótesis.

Codigo para Arduino Nano: Código Protesis Andres Felipe

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  Componentes Electrónicos

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  Circuito Electrónico

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  Pinout Sensor Myoware

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  Conexión Myoware-Arduino

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  Posicion de Electrodos

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  Diagrama de Flujo programa

Impresión 3D

11/12/2019

Se ha realizado una impresión de prueba de la palma y algunos dedos del modelo publicado por 3D Systems y e-Nable, se encuentran defectos de estabilidad en el movimiento de flexión de los dedos, dado que las protesis normalmente estan sometidas a esfuerzos considerables y requieren cierta precisión en los movimientos, se modificará el diseño original de los dedos para que sean articulados y ensamblados con tornillos pequeños, el objetivo es de aprovechar al maximo el torque de los actuadores para que la mano presente buen desempeño en el agarre de pequeños y medianos objetos, para mejorar la efectividad del agarre aún más se tratara de instalar en la superficie de las falanges distales unos fingergrips (Imagen 4 y 5), los cuales han sido muy utiles en las prótesis mecánicas antes producidas en la fundación.

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  Impresión de palma y dedos

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  Flexy Fingers

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  Fingergrips

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19/12/2019

Se ha terminado el diseño de la muñeca de la prótesis, esta muñeca puede generar posiciones de flexión y extensión en un rango de 120 grados, esto le dara al beneficiario la capacidad de tomar objetos sin modificar su postura corporal, el control de esta rotación se enlistará en los filtros digitales del microcontrolador.

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  Ensamble Muñeca-Mano

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  Pieza Muñeca Impresa

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  Ensamble Mano - Muñeca

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28/01/2020

Se ha modificado el modelo original de los dedos para realizar el ensamble final con tornillos pequeños, se han impreso todos los dedos de la mano y se ha hecho un ensamble temporal para verificar su correcto funcionamiento.

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  Edición de modelo

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  Preparación para impresión

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  Ensamble dedo

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  Ensamble mano

Actividades

Reportes y TS 2020

Enero

Miercoles 22	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Impresión de dedos medio e indice	6 Horas	18 TS

TODO: Continuar la impresión de los dedos.

Martes 21	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Impresión de dedos meñique y anular	6 Horas	18 TS

TODO: Continuar la impresión de los dedos.

Lunes 20	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Edición de modelo de dedos para impresión	6 Horas	18 TS

TODO: Continuar la edición de modelos de los dedos para impresión.

Reportes y TS 2019

Diciembre

Domingo 22	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Edición de modelo de dedos indice y medio para impresión en material flexible	8 Horas	24 TS

TODO: Continuar la edición de modelos de los dedos para impresión en material flexible. 

Viernes 20	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Edición de modelo de dedo meñique para impresión en material flexible	6 Horas	18 TS

TODO: Continuar la edición de modelos de los dedos para impresión en material flexible. 

Jueves 19	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Impresión 3D de pieza para la muñeca	2 Horas	6 TS

TODO: Modificar modelos de los dedos para impresión en material flexible. 

Jueves 12	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Diseño final de la muñeca para impresión 3D	12 Horas	36 TS
Sebastian Martinez	Impresión 3D de pieza para la muñeca	1 Hora	3 TS

TODO: Repetición de impresión debido a corte de energia en la maquina.
      Preparar los modelos finales disponibles para impresión en FabLab M3D Bogota.
      Modificar modelos de los dedos para impresión en material flexible. 

Martes 10	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Impresión y prueba de palma y dedos	4 Horas	12 TS

TODO: Preparar los modelos finales disponibles para impresión en FabLab M3D Bogota.
      Modificar modelos de los dedos para impresión en material flexible. 

Lunes 9	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Diseño final de Socket y mecanismo de inclinación de la muñeca	4 Horas	12 TS

TODO: Finalización de modelos para impresión y diseño de manual de ensamble.

Domingo 8	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Diseño final de Socket y mecanismo de inclinación de la muñeca	8 Horas	24 TS

TODO: Finalización de modelos para impresión y diseño de manual de ensamble.

Noviembre

Miercoles 20	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Escalado de los nuevos dedos para impresión, Simulacion en software para analisis de posición de batería	3 Horas	9 TS

TODO: Diseño del sistema mecánico y adecuación de espacios para circuitos, actuadores, sensor y batería

Viernes 15	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Diseño básico de Socket y adaptacion a la mano	3 Horas	9 TS
Sebastian Martinez	Escalado de palma y dedos a medida de la extremidad derecha	3 Horas	9 TS

TODO: Diseño del sistema mecánico y adecuación de espacios para circuitos, actuadores, sensor y batería

Octubre

Miercoles 9	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Edición de Scan 3D en Rhinoceros	4 Horas	12 TS
Sebastian Martinez	Procesamiento del escaneo y actualizacion de la Wiki	1 Hora 40 minutos	5 TS

TODO: Diseño de socket con el scan 3D disponible

Septiembre

Sabado 21	Descripción	Tiempo	TS
Fabian Bustos	Scanner 3D y Toma de Medidas	2 Horas	6 TS

Comentarios: Queda pendiente la asignación de colaboradores