Diseño y control de una prótesis de mano de bajo coste

Abstract

Este proyecto muestra el desarollo y control de una prótesis de bajo coste para la mano derecha. Comienza con la impresión 3D de la prótesis, con diferentes materiales y perfiles de impresión. En primer lugar, se describen las impresoras utilizadas para la impresión así como el programa para crear los archivos que utilizarán. Seguidamente, se detallan los perfiles de impresión para cada material y pieza, finalizando con un breve análisis mecánico de la prótesis donde se comparará a una mano biológica en cuanto a grados de libertad. En segundo lugar, se estudiará el uso de dos sensores EMG completamente diferentes, uno de muy bajo coste y otro de alta precisión. El primero consiste en la medida EMG de un músculo junto a un posterior procesamiento de esta medida, resultando en una señal apta para microcontroladores con entradas analógicas, mientras que el segundo ofrece una señal completamente fiel a la medida EMG del sensor. En tercer lugar, puesto que los sensores adquieren medidas de músculos cercanos a donde esté colocado, ha de separarse cuándo hay intención de movimiento para un dedo o no. Es por ello que se propone un método de clasificación para las señales EMG del brazo, realizado con el sensor de alta precisión, pero extrapolable para varios sensores de baja precisión. A continuación, se incluye el diseño e impresión de un antebrazo para que la prótesis impresa se pueda ajustar a las necesidades del sujeto. En este antebrazo se incluyen el microcontrolador, el sensor, las baterías y los actuadores del sistema, de manera que el antebrazo proteja a todos los elementos de colisiones internas y externas. Además, se describen los modos de funcionamiento programados para la actuación de la prótesis. El primero de estos consiste en controlar todos los dedos simultáneamente en función de si se detecta entrada del sensor EMG por encima de un valor umbral, mientras que el segundo propone manejar cada dedo mediante un contador de pulsos en un intervalo de tiempo. Finalmente, se incluye un análisis de los costes de producción del proyecto, tanto de la prótesis como de la electrónica que se incluye.

This project shows the development and control of a low cost right hand prosthesis. It begins with the 3D printing of the prosthesis, using various materials and printing profiles, firstly describing the 3D printers and the software used. Afterward, the printing profiles for each material and part will be detailed, finishing with a brief prosthesis mechanic analysis contrasting it with a biologic hand, in therms of degree of freedom. Secondly, two different EMG sensors will be studied, some of very low cost and others of high precision. The fist one consists of the EMG measure and a subsequent signal processing, resulting in a signal which is capable to be measured in a microcontroller witch analogical inputs, while the second one presents a raw EMG signal. Thirdly, due to the surrounding EMG measures of a sensor, it has to be divided when there is intention to move a finger or not. Because of that, a classification method for EMG arm signals, made with the high-precision sensor but transferable to some low cost sensors, will be proposed. In addition, it is included the design and printing of a forearm so that the printed prosthesis can be adjusted to the user needs. Inside this forearm there is included the microcontroller, the EMG sensor, the batteries and the system actuators, so the forearm protects all the elements against internal and external collisions. It is also described the operating modes programmed for the prosthesis actuation. The first one consists of controlling all fingers at the same time, depending if it is detected a EMG measure which is bigger than the threshold value, while the second one purposes to handle each finger through a pulse counter and a timeout. Finally, an analysis of the production costs of the project is included, both fot prosthesis and electronics.