Prototipo con control para una miofibra que permita la activación de un módulo articular correspondiente al codo de la extremidad superior derecha humana
Este trabajo tiene como objetivo el desarrollo de miofibras artificiales para su uso sobre un módulo articular que emula el codo humano, respondiendo a uno de los numerosos problemas de la fabricación de prótesis, las restricciones en la fluidez del movimiento, para aportar una solución capaz de lib...
- Autores:
-
Picon Suavita, Giovanny
- Tipo de recurso:
- https://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f
- Fecha de publicación:
- 2025
- Institución:
- Universidad El Bosque
- Repositorio:
- Repositorio U. El Bosque
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.unbosque.edu.co:20.500.12495/18128
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/20.500.12495/18128
- Palabra clave:
- Miofibras artificiales
Prótesis de codo
Control electromecánico
Solenoide eficiente
Emulación muscular
621.381
Artificial myofibers
Elbow prosthesis
Electromechanical control
Efficient solenoid
Muscle emulation
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- License
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Este trabajo tiene como objetivo el desarrollo de miofibras artificiales para su uso sobre un módulo articular que emula el codo humano, respondiendo a uno de los numerosos problemas de la fabricación de prótesis, las restricciones en la fluidez del movimiento, para aportar una solución capaz de liberar los grados de libertad de la prótesis y emular al músculo humano. Para llegar a la miofibra se analizaron las características del musculo humano como punto de partida para el diseño del actuador, se hicieron numerosos experimentos que permitieron llegar a una hipótesis para un nuevo diseño que se pudo demostrar experimentalmente. Finalmente se acoplo a la estructura de un brazo y se diseñó un sistema de control. Llevando cerca de 10 meses de desarrollo. Finalmente se obtuvo el diseño de un solenoide un 33.33% más eficiente energéticamente y de menor tamaño que permitió la construcción de una estructura modular que imita al sarcómero de los tejidos musculares, montado sobre un módulo articular que presento varios desafíos mecánicos como rozamientos indeseados y problemas de alineación de la piezas, operando a máxima capacidad bajo una configuración de 24 V y 1 A, se creó un sistema de control, modelando un sistema electromecánico no lineal que permitió controlar la potencia entregada respecto al ángulo medido en la estructura en la que se montó la miofibra artificial, junto con una interfaz que puede mostrar la posición deseada por el usuario. |
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[1] D. Tolkatchev, G. E. Smith, and A. S. Kostyukova, “Role of intrinsic disorder in muscle sarcomeres,” Prog Mol Biol Transl Sci, vol. 166, pp. 311–340, Jan. 2019, doi: 10.1016/BS.PMBTS.2019.03.014. [2] D. L. Smith and S. A. Plowman, “Understanding Muscle Contraction Exercise physiology for health, fitness, and performance,” Sports-Specific Rehabilitation, pp. 15–38, Jan. 2007, doi: 10.1016/B978-044306642-9.50005-8. [3] “Cuidado de las extremidades superiores | El Sistema de Salud de la Universidad de Miami.” Accessed: Feb. 25, 2025. [Online]. Available: https://umiamihealth.org/es/tratamientos-y-servicios/ortoped%C3%ADa/cuidado-total-de-las-extremidades/cuidado-de-las-extremidades-superiores [4] E. M. Graham et al., “Restoring Form and Function to the Partial Hand Amputee: Prosthetic Options from the Fingertip to the Palm,” Hand Clin, vol. 37, no. 1, pp. 167–187, Feb. 2021, doi: 10.1016/j.hcl.2020.09.013. [5] R. F. Weir and D. 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Bustamante Gómez, “Prótesis robótica de miembro superior controlada por medio de interfaces neuronales : el estado del arte y un diseño conceptual,” 2015. [Online]. Available: http://hdl.handle.net/20.500.11912/2499 [12] M. Merad, É. de Montalivet, A. Touillet, N. Martinet, A. Roby-Brami, and N. Jarrassé, “Can We Achieve Intuitive Prosthetic Elbow Control Based on Healthy Upper Limb Motor Strategies?,” Front Neurorobot, vol. 12, 2018, doi: 10.3389/fnbot.2018.00001. [13] M. Ibáñez Marín, “Biomecánica del músculo y el tendón. Análisis crítico de modelos teórico-numéricos,” Tesis (Master), E.T.S.I. Industriales (UPM), 2022. [14] S. Khonsary, “Guyton and Hall: Textbook of Medical Physiology,” Surg Neurol Int, vol. 8, no. 1, 2017, doi: 10.4103/sni.sni_327_17. [15] Biomecánica básica del sistema musculoesquelético ;Margareta Nordin. Victor H. Frankel. [16] I. A. Kapandji, Fisiologia articular - Tomo 3. Editorial Medica Panamericana, 1998. [17] T. 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Llevando cerca de 10 meses de desarrollo. Finalmente se obtuvo el diseño de un solenoide un 33.33% más eficiente energéticamente y de menor tamaño que permitió la construcción de una estructura modular que imita al sarcómero de los tejidos musculares, montado sobre un módulo articular que presento varios desafíos mecánicos como rozamientos indeseados y problemas de alineación de la piezas, operando a máxima capacidad bajo una configuración de 24 V y 1 A, se creó un sistema de control, modelando un sistema electromecánico no lineal que permitió controlar la potencia entregada respecto al ángulo medido en la estructura en la que se montó la miofibra artificial, junto con una interfaz que puede mostrar la posición deseada por el usuario.Ingeniero ElectrónicoPregradoThis work aims to develop artificial myofibers for use on a joint module that emulates the human elbow, addressing one of the numerous problems in prosthesis manufacturing, the restrictions in movement fluidity, to provide a solution capable of releasing the prosthesis’s degrees of freedom and emulating human muscle. To achieve the myofiber, the characteristics of human muscle were analyzed as a starting point for the actuator design, numerous experiments were done that allowed reaching a hypothesis for a new design that could be demonstrated experimentally. Finally, it was coupled to the structure of an arm and a control system was designed. Taking about 10 months of development. Finally, a solenoid design was achieved that is 33.33% more energy-efficient and more compact, enabling the construction of a modular structure that mimics the sarcomere of muscle tissue. This structure was mounted on an articulating module that presented several mechanical challenges, such as unwanted friction and alignment issues between components. Operating at full capacity under a 24 V and 1 A configuration, a control system was developed by modeling a nonlinear electromechanical system, allowing regulation of the delivered power based on the angle measured in the structure where the artificial myofiber was installed. Additionally, an interface was created to display the user’s desired position.application/pdfAttribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/Acceso abiertohttps://purl.org/coar/access_right/c_abf2http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Miofibras artificialesPrótesis de codoControl electromecánicoSolenoide eficienteEmulación muscular621.381Artificial myofibersElbow prosthesisElectromechanical controlEfficient solenoidMuscle emulationPrototipo con control para una miofibra que permita la activación de un módulo articular correspondiente al codo de la extremidad superior derecha humanaPrototype with control for a myofiber that allows the activation of an articular module corresponding to the elbow of the human right upper limbIngeniería ElectrónicaUniversidad El BosqueFacultad de IngenieríaTesis/Trabajo de grado - Monografía - Pregradohttps://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/coar/version/c_ab4af688f83e57aa[1] D. Tolkatchev, G. E. Smith, and A. S. Kostyukova, “Role of intrinsic disorder in muscle sarcomeres,” Prog Mol Biol Transl Sci, vol. 166, pp. 311–340, Jan. 2019, doi: 10.1016/BS.PMBTS.2019.03.014.[2] D. L. Smith and S. A. Plowman, “Understanding Muscle Contraction Exercise physiology for health, fitness, and performance,” Sports-Specific Rehabilitation, pp. 15–38, Jan. 2007, doi: 10.1016/B978-044306642-9.50005-8.[3] “Cuidado de las extremidades superiores | El Sistema de Salud de la Universidad de Miami.” Accessed: Feb. 25, 2025. [Online]. Available: https://umiamihealth.org/es/tratamientos-y-servicios/ortoped%C3%ADa/cuidado-total-de-las-extremidades/cuidado-de-las-extremidades-superiores[4] E. M. Graham et al., “Restoring Form and Function to the Partial Hand Amputee: Prosthetic Options from the Fingertip to the Palm,” Hand Clin, vol. 37, no. 1, pp. 167–187, Feb. 2021, doi: 10.1016/j.hcl.2020.09.013.[5] R. F. Weir and D. Ph, “Design of Artificial Arms and Hands for Prosthetic Applications,” Standard Handbook of Biomedical Engineering and Design, 2004.[6] Y. Jing, F. Su, X. Yu, H. Fang, and Y. Wan, “Advances in artificial muscles: A brief literature and patent review,” 2023. doi: 10.3389/fbioe.2023.1083857.[7] S. M. Mirvakili and I. W. Hunter, “Artificial Muscles: Mechanisms, Applications, and Challenges,” 2018. doi: 10.1002/adma.201704407.[8] A. Takai, N. Alanizi, K. Kiguchi, and T. Nanayakkara, “Prototyping the flexible solenoid-coil artificial muscle, for exoskeletal robots,” in International Conference on Control, Automation and Systems, 2013. doi: 10.1109/ICCAS.2013.6704071.[9] R. Shalati, “Development of an Electromagnetic Artificial Muscle - The EMAM,” 2018.[10] Y. A. Becerra Mora, “Panorama de la robótica colombiana en ámbitos sociales,” #ashtag, no. 14, 2019, doi: 10.52143/2346139x.650.[11] S. Bustamante Gómez, “Prótesis robótica de miembro superior controlada por medio de interfaces neuronales : el estado del arte y un diseño conceptual,” 2015. [Online]. Available: http://hdl.handle.net/20.500.11912/2499[12] M. Merad, É. de Montalivet, A. Touillet, N. Martinet, A. Roby-Brami, and N. Jarrassé, “Can We Achieve Intuitive Prosthetic Elbow Control Based on Healthy Upper Limb Motor Strategies?,” Front Neurorobot, vol. 12, 2018, doi: 10.3389/fnbot.2018.00001.[13] M. Ibáñez Marín, “Biomecánica del músculo y el tendón. Análisis crítico de modelos teórico-numéricos,” Tesis (Master), E.T.S.I. Industriales (UPM), 2022.[14] S. Khonsary, “Guyton and Hall: Textbook of Medical Physiology,” Surg Neurol Int, vol. 8, no. 1, 2017, doi: 10.4103/sni.sni_327_17.[15] Biomecánica básica del sistema musculoesquelético ;Margareta Nordin. Victor H. Frankel.[16] I. A. Kapandji, Fisiologia articular - Tomo 3. Editorial Medica Panamericana, 1998.[17] T. Guterman, “Abordaje f\’\isico-matemático del gesto articular.”[18] J. R. Brauer, Magnetic Actuators and Sensors. 2006. doi: 10.1002/0471777714.[19] E. M. Purcell, “Electricidad_y_magnetismo”.[20] J.-J. E. . Slotine and Weiping. Li, Applied nonlinear control. Prentice Education Taiwan Ltd., 2005.[21] D. A. Bennett, J. E. Mitchell, D. Truex, and M. Goldfarb, “Design of a Myoelectric Transhumeral Prosthesis,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 21, no. 4, 2016, doi: 10.1109/TMECH.2016.2552999.[22] W. M. Murray, T. S. Buchanan, and S. L. Delp, “The isometric functional capacity of muscles that cross the elbow,” J Biomech, vol. 33, no. 8, 2000, doi: 10.1016/S0021-9290(00)00051-8.[23] T. D. O’Brien, N. D. Reeves, V. Baltzopoulos, D. A. Jones, and C. N. Maganaris, “In vivo measurements of muscle specific tension in adults and children,” Exp Physiol, vol. 95, no. 1, 2010, doi: 10.1113/expphysiol.2009.048967.[24] C. W. Song and S. Y. 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