Robotización de prótesis para humanos

Resumen

En este artículo se hace una revisión de
las prótesis robóticas para personas. Además
en este trabajo se presentan algunos argumentos que justifican el
desarrollo de las mismas, y los principales retos que existen
para crear prótesis fiables para un alto rendimiento que
emulen apropiadamente el comportamiento de los miembros que se
sustituyen. Por ultimo se presentan algunos ejemplos de
prótesis robóticas exitosas.

NOMENCLATURA

Fisiología, Biomecánica, Mioelectrica,
metabólica, mecatrónica, neurociencia, actuadores,
giroscopio, microprocesador, unidireccional, Wi-Fi,
retina.

Introducción

La palabra prótesis proviene del griego: pros
(p???) 'por añadidura', 'hacia' the-sis (??s??)
'disposición' [1]. El diccionario de la Real Academia
Española adopta como definición: Procedimiento
mediante el cual se repara artificialmente la falta de un
órgano o parte de el; o como el aparato o dispositivo
destinado a esta reparación. [2].

En términos generales una prótesis (dentro
del ámbito medico), es una extensión artificial que
reemplaza una parte faltante del cuerpo.

Considerando las definiciones citada en el
párrafo anterior, podemos definir a una prótesis
robótica, como " un elemento artificial dotado de
cierta autonomía e inteligencia capaz de realizar una
función de una parte faltante del cuerpo
".

Dicha autonomía e inteligencia se logra al
integrar sensores, procesadores, actuadores, y complejos
algoritmos de control.

De acuerdo a esta definición, las prótesis
de uso cosmético quedan completamente excluidas, como por
ejemplo los ojos de vidrios, las piernas de madera,
etc.

Existen ejemplos de usos de prótesis en la
antigüedad como la mano de acero utilizada por Gotz von
Berlichingen (1504 d.C.) [3], o la pierna de Bronce de Capua (300
a.C.) [4], o lo que hasta la fecha es la prótesis hallada
mas antigua "el dedo gordo del Cairo", perteneciente a una momia
egipcia (entre 1069 a.C. y 664 a.C) [5]. (figura 1).

Figura 1: [1] Primeras
prótesis

Si bien, el uso de prótesis es consecuencia de
accidentes, cáncer, males formaciones, etc., el factor
determinante que ha impulsado el desarrollo de las mismas fue la
necesidad de mejorar la calidad de vida de los sobrevivientes de
guerras.

El desarrollo de prótesis, involucra la necesidad
de fusionar conocimientos de la fisiología y
biomecánica humana, mecanizado de materiales y
prototípico de mecanismos, interface hombre–
maquina.

En este artículo se muestra las prótesis
actuales y los desarrollos recientes de prótesis
robóticas, por ultimo se presentan algunos argumentos que
justifican el desarrollo de prótesis robóticas, y
los principales retos que existen para crear prótesis
fiables.

Justificación
de la robotización

Las prótesis datan desde 1912, estas
prótesis tenían la forma de gancho que podía
ser cerrado o abierto encogiendo los hombros y mediante una
cuerda que pasaba por la espalda. Después de la segunda
guerra mundial, se creo la mano mioelectrica, sin embargo esto no
cambio el hecho de que las prótesis eran difíciles
de manejar.

Las prótesis de brazo tienen como mucho tres
grados de

libertad: se puede abrir y cerrar el gancho, se puede
extender y retraer el codo, y con los modelos mas sofisticados se
puede rotar la muñeca.

Esto contrasta con un brazo humano que tiene mas de 25
grados de libertad y por lo tanto una mayor destreza,
además de la habilidad de determinar si algo esta frio o
caliente. Por otro lado, en las prótesis de pierna existen
aun algunos problemas, por ejemplo, los amputados que utilizan
prótesis mecánicas requieren entre 10-60% mas
energía metabólica que las personas tienen el
miembro real, dependiendo de la velocidad de caminado, el estado
físico de la persona, la causa de la amputación, el
nivel de amputación, y las características de la
prótesis. Además, los amputados caminan entre
10-40% más lento que las personas intactas

[9]. Tales problemas clínicos son en
parte generados por las prótesis actuales. Las
prótesis comerciales actuales comprimen estructuras de
resortes que almacenan y liberan energía durante cada
periodo de estancia. Debido a su naturaleza pasiva, estas
prótesis no pueden generar mas energía
mecánica que la que es almacenada durante cada paso. Al
contrario, el tobillo humano genera trabajo neto positivo y tiene
mayor potencia pico durante el periodo de estancia.

Por otra parte, en los últimos años se han
desarrollado con gran éxito diversas prótesis
visuales que han permitido a personas ciegas percibir objetos y
determinar su posición.

Estas prótesis están aùn lejos de
devolver la vista a las personas ciegas, sin embargo tienen un
enorme potencial, y se irán haciendo más
útiles a medida que mejore la
tecnología.

Dificultades en la
elaboración

Hacer una prótesis robótica de una calidad
aceptable requiere de un enorme esfuerzo, no solo en el campo de
la mecatrónica si no también en neurociencia,
ingeniería electrónica, ciencias cognitivas,
procesamiento de señales, diseño de
baterías, nano-tecnología, y ciencias del
comportamiento.

Para obtener una prótesis que emule en buena
forma la dinámica del miembro amputado es necesario que el
diseño satisfaga ciertas especificaciones, como lo
son:

• Tamaño y Masa: Las
  dimensiones de la prótesis deben ser las mismas que
  las del miembro que sustituyen. Por otro lado, la masa debe
  ser igual o menor a la del miembro amputado para que el
  portador pueda manipularla con facilidad y no haga esfuerzos
  extraordinarios que puedan dañar los músculos
  que soportan la prótesis.

• Velocidad y Torque. La
  prótesis debe capturar completamente el comportamiento
  torque velocidad del miembro que sustituye.

• Baterías. La duración
  de las baterías de una prótesis robótica
  debe permitir un funcionamiento de al menos 16 hrs para que
  el usuario no tenga problemas de insuficiencia de
  energía durante las actividades diarias.

• Ancho de Banda del Torque. El ancho
  de banda de

una prótesis es la frecuencia a la que se debe
actualizar el torque aplicado en el mecanismo de accionamiento de
tal manera que el caminado sea natural.

Una de las principales limitaciones por la cual el
desarrollo

de prótesis robóticas comerciales no se a
realizado se debe a el pequeño número de personas
que lo necesitan. Debido a eso puede resultar que una
prótesis de elevado numero de grados de libertad sea muy
costosa y prácticamente incosteable para la mayoría
de la gente.

Clasificación
de las prótesis

De acuerdo a la bibliografía consultada, a
continuación se proponen una serie de clasificaciones
basadas en la función

que realiza, los elementos que emplea para realizar su
función y la metodología empleada para su
control.

Figura 2: [5]
Clasificación de las prótesis

PRÒTESIS COMERCIALES

PRÒTESIS ROBOTIZADAS

En esta subsunción se presentan algunas
prótesis robotizadas que ya son comerciales y otras que
están en fase de investigación.

Aquí se caracterizan como prótesis
robóticas aquellas que tiene una fuente de energía
propia, un actuador, y sensores que permiten leer los movimientos
deseados por el usuario. Por lo tanto también se requiere
un sistema de procesamiento de esas señales (aun en su
forma mas básica) para poder convertir esas señales
en movimientos de los actuadores. En esta definición no es
necesario que el sistema provea de retroalimentación
al

usuario.

Mano Mio-eléctrica (Otto Bock).-
Esta mano tiene una fuerza de agarre (100N) y una velocidad (300
mm/s), se pueden agarrar objetos rápidamente y con
precisión. Se puede seleccionar un total de 6 programas
diferentes con ayuda del MyoSelect 757T13 y ajustarlos a la
indicación del cliente como corresponda. Permiten una
adaptación optima a las necesidades y capacidades del
usuario de la prótesis.

Figura 3: [4] Prótesis
MyoHand

8.1 Mano electrónica (Otto
Bock).- Esta mano tiene el Control Dinámico de
Modo (DMC en ingles) la velocidad y la fuerza de
aprehensión se regulan de forma proporcional a la fuerza
de la señal muscular. Este control también se
caracteriza por un nuevo tipo de modo de seguridad:
Después de agarrar una vez con la máxima fuerza, se
requiere una señal EMG ligeramente mas alta para abrir la
mano. Esto evita que la mano se abra debido a una
contracción involuntaria del musculo. El control Digital
Twin combina en una sola mano ambos controles clásicos: el
digital y el control por doble canal.

Figura 4: [10] Prótesis
MyoHand

8.2 Codo-Antebrazo ErgoArm (Otto Bock).-
ErgoArmR, ErgoArmR plus, ErgoArmR Hybrid plus y ErgoArmR
Electronic plus son cuatro componentes de codo que facilitan el
tratamiento myoelectrico en altos niveles de
amputación.

Figura 5: [10] Prótesis
Codo-Antebrazo

Cuanto mas alto es el nivel de amputacion, mayores son
las demandas en la tecnica de protetizacion. El montaje tanto del
ErgoArmR Electronic plus como del ErgoArmR Hybrid facilitan la
protetizacion myoelectrica en niveles altos de
amputacion.

El 12K44 ErgoArmR Hybrid plus se recomienda para
protesis hibridas con una mano myoelectrica y una articulacion de
codo con cable de traccion. Gracias a la conexion facil
"EasyPlug", todos los cables eléctricos desaparecen en el
interior de la protesis para que pasen desapercibidos y esten
protegidos.

8.3 Prótesis Bionica I-Limb.- Es
una mano biónica cuyos dedos son controlados
independientemente y por lo tanto permiten una gran cantidad de
movimientos. La mano I-limb ya ha sido implantada en pacientes de
varios países [12].

Figura 6: [4] Mano
I-limb

8.4 El Brazo de Luke.- Ha sido
diseñado para que posea cuatro características como
lo son: ligero, ágil y contener múltiples
controladores. El diseño modular permite configura la
prótesis para cada amputado (dependiendo del nivel de
amputación). El peso del brazo es el de una mujer promedio
El brazo de Luke tiene 24 grados de libertad. Además,
tiene 12 microprocesadores y contiene sensores de
realimentación de fuerza para mejorar el
control.

El brazo se puede mover con señales nerviosas,
musculares, o utilizando sensores de presión en la planta
del pie [7].

El brazo de Luke es producto de un plan estrategico para
el desarrollo de protesis roboticas iniciado por la DARPA en EU
que a invertido al menos $71.2.

Figura 15: [7] Brazo de
Luke

8.5 Prótesis de rodilla Power Knee
(Ossur).- Es la primera prótesis de rodilla que
remplaza la función muscular perdida a través de
una fuente activa de potencia (un actuador electrico) que permite
generar la propulsión necesaria para el caminado y
también en actividades como lo son levantarse de una silla
de ruedas o subir las escaleras.

La Power Knee contiene un arreglo de sensores,
incluyendo giroscopios, células de presión, celdas
de cargas, sensores angulares y el Modulo de propia
recepción Artificial en la Pierna de sonido (utiliza un
sensor de sonido que permite conocer el ritmo de la pierna
sana).

Figura 16: [4] Prótesis
de rodilla instalada.

El sistema contiene un microprocesador que utiliza la
información de los sensores para lograr un caminado
similar al humano.

La información proveida por sistema sensorial del
sonido lateral permite regenerar la verdadera cinemática
del caminado mientras anticipa la función requerida cuando
las condiciones de caminado cambian.

8.6 Prótesis de pie Propio foot
(Ossur).- Los acelerómetros miden en tiempo real
el movimiento a una velocidad de 1600 ciclos por segundo.
Siguiendo la ruta del tobillo a través del espacio, el
sistema define las características del caminado y los
eventos, incluyendo el golpe del talón y el movimiento
para dejar el suelo.

Una tarjeta de control recibe un flujo constante de
señales del sistema de inteligencia artificial. El
controlador comanda a un actuador lineal para que las fuerzas y
posiciones del pie se adecuen durante el caminado.

Figura 17: [10] Propio
Foot

Como se puede ver el la figura, existen 5 elementos
principales del sistema mecánico: un motor de d.c., una
transmisión, un resorte en serie, un resorte en paralelo
unidireccional, y una prótesis del pie de plástico.
Los tres primeros elementos son combinados forman un sistema
llamado Actuador Elástico en Serie (SEA).

Figura 18: [10] Esquema del
tobillo

8.7 Prótesis Visuales.- Las
prótesis visuales pueden crear una sensación de
visión activando eléctricamente las celulas
nerviosas del sistema de visión. Las prótesis
pueden convertir imágenes desde una cámara en
patrones de estimulación eléctrica aplicada a una
membrana mediante un estimulador neuronal
implantado.

Figura 19: [11] Prótesis
de retina con videocámara

En la figura 19 se puede ver el concepto de una
prótesis de retina que captura una imagen con una
cámara de video. La información de la imagen se
procesa y es transmitida vía Wi-Fi al estimulador
implantado, el cual estimula la retina en un
patrón.

Figura 20: [11] Concepto de una
prótesis de retina.

Conclusiones

En este artículo se presento una revisión
de las prótesis robóticas actuales. Se realizo una
clasificación de los tipos de prótesis, por
funcionamiento, actuación y modo de control.

Se explica porque es útil el desarrollo de
prótesis robóticas, y los principales retos que
existen para crear prótesis fiables y de alto rendimiento
que emulen apropiadamente el comportamiento de los miembros que
sustituyen.

Una de las principales limitaciones por la cual el
desarrollo de prótesis robóticas comerciales no se
ha arraigado es el relativamente pequeño número de
personas que lo necesitan

El camino por recorrer aun es largo, ya que la
tecnología de los componentes de una prótesis
robótica es cara y el número de personas amputadas
es relativamente bajo, dificultando así el desarrollo de
productos comerciales.

El Brazo de Luke es un ejemplo de la tecnología
existente que permite el desarrollo de prótesis con un
alto grado de destreza y robustez, y en el futuro a medida que se
haga más económica la tecnología es muy
posible que prototipos como este se conviertan en productos
comercialmente atractivos y de uso generalizado.

Referencias

[1] Diccionario medico-biológico,
histórico y etimologico,

www.dicciomed.es

[2] Diccionario de la Real Academia Española,
www.buscon.rae.es

[3].www.britannica.com/EBchecked/topic/62054/Gotz-von-Berlichingen

[4]Roman artificial leg, 300 BC,

www.sciencemuseum.org.uk/objects/classical_and_medieval_medicine

[5] The Cairo
www.news.bbc.co.uk/2/hi/health/6918687.stm

[6] Matt Bristol, VAnguard, U.S. Department of Veteran
Afair, May/June 2005, pp.19-21. www.va.gov

[7] Jonathan Kuniholm "Open Arms",IEEE SPECTRUM March
2009. 17, Issue 7, November/December 2007.

[9] Samuel K. Au and Hugh M. Herr, Powered Ankle-Foot
Protesis IEEE Robotics & Automation Magazine, 2008

[10] Otto Bock Company, www.ottobock.com.

[11] Ossur Company, www.ossur.com.

Autor:

Paúl Santiago Saldaña
Caldas.

Ingeniería
Electrónica

Electrónica Analógica
II