Control mioeléctrico de una prótesis de miembro superior - Mano

Para una persona con amputación de mano, una prótesis mecánica o cosmética no proporciona las funciones suficientes como para ser un remplazo aceptable del miembro perdido, por esto este trabajo de grado realiza el control mioeléctrico de una prótesis de mano derecha, por medio de señales musculares...

Full description

Autores:
Alzate Arias, Nicolás
Tipo de recurso:
Fecha de publicación:
2018
Institución:
Universidad Militar Nueva Granada
Repositorio:
Repositorio UMNG
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unimilitar.edu.co:10654/17240
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/10654/17240
Palabra clave:
CINEMATICA
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description Para una persona con amputación de mano, una prótesis mecánica o cosmética no proporciona las funciones suficientes como para ser un remplazo aceptable del miembro perdido, por esto este trabajo de grado realiza el control mioeléctrico de una prótesis de mano derecha, por medio de señales musculares del antebrazo, de tal manera que se puedan realizar ciertos movimientos y agarres con la prótesis solo al tensionar ciertos músculos. Para la elaboración de este control, es necesario realizar una etapa de acondicionamiento de señal, la cual consta de un amplificador de instrumentación y un filtro pasabanda de octavo grado, a continuación, la señal adquirida por los 6 músculos filtrada y amplificada, pasa por un conversor análogo digital para ser comunicada vía USB a un computador. Es necesario poder garantizar una frecuencia de muestreo ya que, para hacer un análisis de frecuencia, los datos deben ser equidistantes en tiempo para poder interpretar correctamente los datos resultantes de transformada rápida de Fourier. Una vez los datos en el computador, se procede a hacer un análisis en frecuencia para encontrar patrones en ciertas muestras, y por medio de técnicas de inteligencia artificial, reconocer patrones en las señales entrantes y así detectar que movimientos se están realizando interpretando las señales musculares. Ya interpretada la información es necesario enviar las señales de cada servomotor, por un circuito de potencia, para mover las articulaciones y así replicar el gesto en la prótesis de mano.
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Para la elaboración de este control, es necesario realizar una etapa de acondicionamiento de señal, la cual consta de un amplificador de instrumentación y un filtro pasabanda de octavo grado, a continuación, la señal adquirida por los 6 músculos filtrada y amplificada, pasa por un conversor análogo digital para ser comunicada vía USB a un computador. Es necesario poder garantizar una frecuencia de muestreo ya que, para hacer un análisis de frecuencia, los datos deben ser equidistantes en tiempo para poder interpretar correctamente los datos resultantes de transformada rápida de Fourier. Una vez los datos en el computador, se procede a hacer un análisis en frecuencia para encontrar patrones en ciertas muestras, y por medio de técnicas de inteligencia artificial, reconocer patrones en las señales entrantes y así detectar que movimientos se están realizando interpretando las señales musculares. Ya interpretada la información es necesario enviar las señales de cada servomotor, por un circuito de potencia, para mover las articulaciones y así replicar el gesto en la prótesis de mano.Contenido Contenido 5 Lista de figuras 7 Lista de tablas 12 1 Introducción 14 1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4.2. Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.5. Organización del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Marco Teórico 21 2.1. La mano humana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.1. Movimientos mano y muñeca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.2. Anatomía de la mano humana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.3. Medidas de la mano humana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2. Músculos del antebrazo encargados del movimiento de la mano y su función . 29 2.3. Biopotenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1. Señales de electromiografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3.2. Electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4. Músculos seleccionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.5. Conclusión del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3 Generalidades del sistema completo 50 3.1. Sistema de adquisición y digitalización de señal . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2. Sistema computacional de procesamiento y reconocimiento de gestos . . . . . 54 3.3. Conclusión del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Adquisición y digitalización de señal 56 4.1. Amplificación de instrumentación y sumador inversor . . . . . . . . . . . . . 57 5 CONTENIDO 6 4.2. Etapa de filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3. Circuito de digitalización de la señal y comunicación serial . . . . . . . . . . 65 4.4. Circuito impreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5. Simulación de la etapa electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.6. Potencia del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.7. Conclusión del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5 Recepción, procesamiento e identificación de gesto 77 5.1. Recepción de datos, visualización y edición . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.2. Procesamiento y análisis de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3. Identificación de gestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.3.1. Gestos a identificar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.4. Señales EMG de cada gesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.5. Conclusión del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6 Prótesis de mano 108 6.1. Estudio cinemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.1.1. Cinemática directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.1.2. Cinemática inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.2. Modelo de fuerzas y momentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.3. Impresión 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.3.1. Propiedades mecánicas y térmicas del ABS . . . . . . . . . . . . . . 122 6.4. Construcción de cartílagos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.4.1. Pruebas del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.5. Tendones de la prótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.6. Selección de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.7. Base que sostiene la prótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.8. Movimiento de la prótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6.9. Gestos realizables por el modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 6.10. Conclusión del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7 Animación virtual y movimiento físico 135 7.1. Animación virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.1.1. Modelo en SimMechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.1.2. Simulación de movimiento en Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . 138 7.2. Movimiento físico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 7.3. Conclusión del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Bibliografía 152 A Anexos 157 A.1. Programa del microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 A.2. Programa Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 A.3. Planos de la base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170For a person with hand amputation, a mechanical or cosmetic prosthesis does not provides enough functionality to be an acceptable replacement for the lost member, that's the reason why this article presents the myoelectric control of a prosthesis for the right hand, using muscular signals from the forearm, in such a way that the prosthesis can perform certain movements and grips with only activating certain muscles. For the elaboration of this control, it is necessary to design a electronic conditioning stage, which consists of an instrumentation amplifier and an eighth grade passband filter, then the filtered signal acquired by the 6 selected muscles and amplified goes through a digital analog converter to be communicated via USB to a computer. It is necessary to be able to guarantee a sampling frequency so the data must be equidistant in time to be able to interpret correctly the data resulting from fast Fourier transform to make a optimal frequency analysis. Once the data is already in the computer, we proceed to do a frequency analysis to find patterns in certain samples, and by means of artificial intelligence techniques, recognize patterns in the incoming signals and thus detect which movements are being made interpreting the muscle signals. Once the information has been interpreted, it is necessary to send the signals of each servomotor, by a power circuit, to move the joints and replicate the gesture in the hand prosthesis.Pregrado180 páginas : fotos, gráficos, imágenes.application/pdfspaDerechos Reservados - Universidad Militar Nueva Granada, 2017https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Atribución-NoComercial-SinDerivadashttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Control mioeléctrico de una prótesis de miembro superior - ManoMyoelectric control for a upper limb prosthesisinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de gradoinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTexthttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fCINEMATICAROBOTICAPROTESISmyoelectriccontrolprosthesishandneuralnetworkAIfilterconditioningSimMechanicsMatlabcontrolmioeléctricoprótesismanoredneuronalinteligenciaartificialfiltrosacondicionamientoSimMechanicsMatlabFacultad de IngenieríadIngeniería en MecatrónicaIngenieria - Ingenieria en MecatrónicaUniversidad Militar Nueva GranadaMathworks- Control Servo Motors. 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