Prótesis de mano impresa en 3D con control mioeléctrico y medición de fuerza
Las prótesis mioeléctricas comerciales de mano cuestan decenas de miles de dólares. Este proyecto reunió en un solo dispositivo los desarrollos previos del grupo en mecánica, sensado de fuerza y control, y lo probó con una persona amputada. El usuario aprendió a abrir y cerrar la mano en unos 15 minutos y pudo agarrar y soltar objetos a voluntad. El costo de fabricación fue de alrededor de 330 dólares. La prótesis aún no se puede llevar puesta, y su cierre es lento.
Contexto
Las manos de bajo costo impresas en 3D que circulan en comunidades abiertas suelen ser de accionamiento corporal: se cierran al flexionar la muñeca o el codo. Las mioeléctricas se controlan con la señal eléctrica de los músculos remanentes y permiten un agarre más natural, a un precio fuera del alcance de la mayoría de usuarios en Colombia.
El proyecto parte de trabajos anteriores del laboratorio: un primer prototipo de prótesis mioeléctrica, el rediseño mecánico de la mano y un sensor de fuerza con control de agarre.
Mecánica
Cada dedo tiene falanges articuladas con poleas y se cierra mediante un tendón. En lugar de un motor por dedo, un mecanismo de cuerpo flotante reparte la tensión de un solo actuador entre varios dedos. Cuando un dedo hace contacto con el objeto y se detiene, los demás siguen cerrándose hasta tocarlo también. El agarre se adapta así a la forma del objeto sin sensores ni control por dedo.
El mecanismo de cuerpo flotante distribuye el movimiento entre los dedos según el objeto
Sensor de fuerza
La tensión del tendón se mide con una pieza deformable de vigas en U y un sensor óptico infrarrojo que registra su deflexión. Se evaluaron varias geometrías por simulación y la seleccionada se imprimió por estereolitografía.
Iteraciones de diseño de la pieza deformable del sensor
Respuesta del sensor frente a la carga aplicada. La respuesta es lineal por encima de un umbral de carga
La caracterización muestra una zona muerta a cargas bajas y una respuesta lineal por encima de ella (R² = 0,99). Esa medición cierra el lazo de control: un controlador PID detiene el motor cuando se alcanza la fuerza de agarre y evita sobrecargar el mecanismo.
Lazo de control de la prótesis, con el usuario dentro del lazo
Control por electromiografía
La señal se toma con electrodos de superficie sobre el antebrazo. El algoritmo interpreta la señal, a partir de su valor instantáneo y de su promedio, como una orden de abrir o de cerrar, y responde a los cambios de intención del usuario.
Cinco cierres consecutivos: señal de EMG y estado interpretado
Resultados
En la prueba con el usuario amputado, la prótesis siguió su intención de abrir y cerrar y mantuvo objetos en distintas orientaciones sin soltarlos. El tiempo de cierre bajó de 7 s a entre 3 y 4 s tras los ajustes hechos entre pruebas. Una mano humana cierra en menos de un segundo, por lo que el dispositivo solo sirve para objetos en reposo.
Toda la electrónica se integró en una tarjeta de 2 × 7 × 5 cm que cabe dentro del socket.
Tarjeta con los módulos de EMG, potencia, sensor de fuerza y control
Lo que falta
La prueba con el usuario se hizo con la electrónica externa; la tarjeta integrada no alcanzó a probarse. No se diseñó el acople del socket al muñón, que es específico para cada persona y determina si la prótesis se usa o se abandona. La velocidad de cierre está limitada por el voltaje de los motores y por las reducciones de la transmisión. Y la «retroalimentación de fuerza» es por ahora interna al controlador: el motor de vibración para informar al usuario está previsto en la tarjeta, pero no se evaluó.
Relación con Robiolab
Las prótesis y los exoesqueletos son una de las líneas fundacionales del laboratorio, y este proyecto muestra su forma de trabajo: cada tesis hereda el hardware de la anterior y resuelve el siguiente cuello de botella. La subactuación mediante el mecanismo flotante es además un ejemplo de inteligencia mecánica, en el que la adaptación al objeto la resuelve el mecanismo y no el controlador.