Prototipo de prótesis digital activa para recuperación funcional de agarre de objetos con características de adaptación al nivel de amputación del usuario

Abstract

En este documento se abordó el problema de la recuperación funcional para agarre y manipulación de objetos mediante prótesis digitales activas, partiendo de que las mismas deben diseñarse buscando su adaptabilidad frente al nivel de amputación de cada paciente en específico y sus necesidades. Para ello, en la presente monografía se diseñó un prototipo de prótesis teniendo en cuenta una serie de elementos muy concretos, los cuales son el antropomorfismo, el mecanismo de actuación y la construcción. Siendo así, el primer elemento analizado fue el antropomorfismo, esto es, la correspondencia entre el diseño de la prótesis y el miembro perdido, para ello se identificaron las prótesis estéticas y funcionales, entendiendo que mientras las prótesis estéticas brindan una morfología más exacta, son las prótesis funcionales las que permiten la adecuada recuperación de las funciones perdidas por amputación total o parcial , eligiendo los suscritos investigadores darle preponderancia al aspecto funcional de las prótesis, definiendo un grado de antropomorfismo básico buscando que las falanges de la prótesis presenten similitud a un dedo real con base en su tamaño y forma. A partir de allí, se identificaron tres mecanismos de actuación muy pertinentes para ser utilizados en el movimiento de las prótesis, estos son el basado en poleas y tendones, el que utiliza mecanismo de barras y el actuado por engranajes, los cuales se analizaron en su totalidad a fin de quedarse solo con uno. Finalmente, y después de analizar las opciones disponibles, se optó por el mecanismo de barras para el diseño de la prótesis digital, toda vez que el proceso de construcción utilizando este mecanismo representaba menos complejidades, y brindaba una fácil adaptación en el agarre de objetos, tal y como se podrá apreciar más adelante. Este mecanismo fue escogido para construir prototipos de prótesis tanto para amputación parcial como una para amputación total, buscando que ambas fueran de actuación mecánica y no requirieran de dispositivos electrónicos. En el desarrollo de la revisión de la literatura para la construcción de las prótesis, se encuentra la tesis de Zodeya y Pradhanb, que se citará más adelante, donde estos plantean el modelo Toolbox de Matlab “DXGToolbox", y se consideró que este prestaba más facilidades en cuanto a sus prestaciones para analizar el espacio de trabajo de ambas prótesis, lo cual también es un objetivo de este trabajo, por lo que se decidió trabajar en Matlab. El trabajo realizado en SolidWorks es el relativo al diseño del prototipo en formato CAD, posterior a ello se migró a MSC ADAMS porque debían guardarse variables, almacenarse fuerzas, analizar recorridos, tener marcadores y tener puntos de referencia, luego se migran las variables de MSC ADAMS a MatLab para tener acceso a operaciones matemáticas y al proceso de graficar, encontrando las entradas y salidas de la prótesis, las cuales sirvieron como puntos de referencia y posición que puede tomar la yema del dedo índice en el espacio, de acuerdo con el modelo cinemático de mano tomado como referencia en esta monografía y citado en precedencia, al hacer esta migración se generó archivo en extensión .m, un script de Matlab, así como un archivo Simulink, para cada tipo de prótesis, de donde nació gráficamente el espacio de trabajo de los diseños migrados desde SolidWorks. Al tener el modelo en el entorno de simulación, se procedió con el análisis del espacio de trabajo logrado por cada prótesis, observando el espacio logrado en los ejes X Y y Z, posteriormente, se realizó una comparación de espacio de trabajo de la prótesis para amputación parcial, total y el de un dedo humano virtualizado.

This paper addressed the problem of functional recovery for grasping and manipulation of objects by means of active digital prostheses, assuming that they should be designed for adaptability to the amputation level of each specific patient and his or her needs. For this purpose, in this monograph a prosthesis prototype was designed taking into account a series of very specific elements, which are the anthropomorphism, the mechanism of action and the construction. Thus, the first element analyzed was the anthropomorphism, that is, the correspondence between the design of the prosthesis and the lost limb, for this purpose the aesthetic and functional prostheses were identified, understanding that while the aesthetic prostheses provide a more accurate morphology, the functional prostheses are the ones that allow the adequate recovery of the functions lost by total or partial amputation, choosing the undersigned researchers to give preponderance to the functional aspect of the prostheses, defining a degree of basic anthropomorphism seeking that the phalanges of the prosthesis present similarity to a real finger based on its size and shape. From there, three very relevant actuation mechanisms were identified to be used in the movement of the prosthesis, these are the one based on pulleys and tendons, the one that uses bar mechanism and the one actuated by gears, which were analyzed in their totality in order to keep only one. Finally, and after analyzing the available options, the bar mechanism was chosen for the design of the digital prosthesis, since the construction process using this mechanism represented less complexities, and provided an easy adaptation in the grasping of objects, as will be seen below. This mechanism was chosen to build prototypes of prosthesis for both partial amputation and total amputation, seeking that both were mechanically actuated and did not require electronic devices. In the development of the literature review for the construction of the prostheses, the thesis of Zodeya and Pradhanb is found, which will be cited below, where they propose the Matlab Toolbox model "DXGToolbox", and it was considered that this provided more facilities in terms of its performance to analyze the workspace of both prostheses, which is also an objective of this work, so it was decided to work in Matlab. The work done in SolidWorks is the one related to the design of the prototype in CAD format, after that it was migrated to MSC ADAMS because variables had to be saved, forces had to be stored, paths had to be analyzed, markers and reference points had to be stored, then the variables were migrated from MSC ADAMS to MatLab to have access to mathematical operations and to the process of graphing, finding the inputs and outputs of the prosthesis, which served as reference points and position that can take the tip of the index finger in space, according to the kinematic model of hand taken as reference in this monograph and cited in precedence, to make this migration file was generated in extension . m extension, a Matlab script, as well as a Simulink file, for each type of prosthesis, from which the workspace of the designs migrated from SolidWorks was born graphically. After having the model in the simulation environment, we proceeded with the analysis of the workspace achieved by each prosthesis, observing the space achieved in the X, Y and Z axes, then, a comparison of the workspace of the prosthesis for partial and total amputation and that of a virtualized human finger was made.