Prototipado y programación de la electrónica de una prótesis de mano

1 UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN TRABAJO FIN DE GRADO GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS ESPECIFICAS DE TELECOMUNICACIÓN Prototipado y programación de la electrónica de una prótesis de mano Autor: D. Pablo Benito González Tutor/es: Dr. D. Alberto Mansilla Gallo Dr. D. Mario Martínez Zarzuela Valladolid, Junio de 2024 2 3 TÍTULO: Prototipado y programación de la electrónica de una prótesis de mano AUTOR: D. Pablo Benito González TUTOR: Dr. D. Alberto Mansilla Gallo Dr. D. Mario Martínez Zarzuela DEPARTAMENTO: Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemática TRIBUNAL PRESIDENTE: Dr. D. Javier Manuel Aguiar Pérez VOCAL: Dra. Dª. Míriam Antón Rodríguez SECRETARIO: Dr. D. Mario Martínez Zarzuela SUPLENTE 1: Dr. D. David González Ortega SUPLENTE 2: Dr. D. Carlos Gómez Peña FECHA: Junio 2024 CALIFICACIÓN: 4 Agradecimientos Me gustaría agradecer a Alberto Mansilla Gallo y a Mario Martínez Zarzuela por proporcionarme la oportunidad de desarrollar y presentar este proyecto. También me gustaría agradecer a mis compañeros, amigos y familia por la ayuda y el apoyo que me han proporcionado durante estos años de carrera. 5 RESUMEN Las prótesis pediátricas plantean un delicado problema a la hora de la adquisición y uso por sus principales receptores, los niños, pues la combinación de su alto coste económico junto a su corta vida útil hace que sean difíciles de adquirir y sustituir. El precio de una prótesis mioeléctrica para un niño puede variar entre los 8.000 y los 15.000 €, con una vida útil que rara vez supera los dos o tres años ya que, pasado este tiempo, el niño ha crecido lo suficiente como para no poder utilizar o continuar con su uso. Si a estos factores se une el coste del mantenimiento periódico que suele necesitar la prótesis y lo propensos que son los niños a actividades tendentes a generar accidentes que pueden comprometer la integridad de esta, hace que las familias de niños con algún tipo de amputación se ven en la necesidad de desembolsar grandes cantidades de dinero, de manera periódica, para permitir que sus hijos tengan acceso a herramientas que les permitan tener una infancia plena. La aparición de nuevas tecnologías, como la impresión 3D, ha permitido producir piezas complejas a nivel local por precios asequibles. Por otro lado, el creciente mercado de microcontroladores de propósito general con precios asequibles, como pueden ser los de marcas como Arduino y Raspberry, ha permitido y motivado el desarrollo de este proyecto, encaminado a la creación de una prótesis de mano, por impresión 3D, que permita dar una solución más económica que las opciones disponibles actualmente en el mercado. Se va a trabajar a partir de un primer prototipo desarrollado en otro TFG El propósito de este trabajo es diseñar una circuitería y sistema de control que permita hacer la prótesis portátil y facilite manejarla de manera satisfactoria, todo ello manteniendo el espíritu del proyecto original, cuyo objetivo es el de crear una alternativa más ventajosa económicamente para los potenciales usuarios, frente a otras opciones de mercado, las cuales cuentan con un precio de entrada elevado y mantenimientos caros. Palabras clave Prótesis, Prótesis de mano, Prótesis mioeléctrica, EMG, EMG kinesiológico, Impresión 3D, Circuitos impresos. 6 ABSTRACT Pediatric prothesis pose a delicate problem when we talk about their acquisition and use by their main receptors, the children, the high economic cost, and the short useful life this kind of products have make for a product that is hard to acquire and maintain. The price of a kid’s prothesis is usually between the 8.000 € and 15.000 €, with a span of usually 2 or 3 years for its use, after this time the children have usually grown enough and the prothesis does not fit anymore. Combine these factors with the usual maintenance this kind of product needs and the tendency kids have to partake in activities that can be damaging to delicate electronic and mechanic components and you will come to the conclusion that the families of children with some kind of amputation have to pay out a considerable amount of money in a regular basis, just so their kids have access to a tool that lets them have a good childhood. The rise of new technologies, like 3d printing, allows for complex pieces to be made locally and for a low price. Also, the growing microcontroller market now offers cheap all-purpose microcontrollers like the ones from Arduino and Raspberry. These factors have allowed and motivated this project, where a 3D printed prothesis is being developed to be a cheap option when compared to the options of the actual market. All work will be done using as base a prototype developed in a previous TFG. In this project, I will be designing the circuits and control systems necessary for the prothesis, the objective is to make the prothesis portable and easy to use, all this will be made while considering the vision of the original project, making an alternative to the prothesis in the actual market, which have a high initial cost and expensive upkeep. Keywords Prothesis, Hand prothesis, Myoelectric prothesis, EMG, Kinesiologic EMG, 3D printing, PCB. 7 ÍNDICE GENERAL 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 11 1.1 MOTIVACIÓN ................................................................................................. 11 1.2 OBJETIVOS Y FASES ....................................................................................... 12 1.2.1 Objetivos globales .................................................................................. 12 1.2.2 Fases del desarrollo ............................................................................... 12 1.3 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA ....................................................................... 13 2 PRÓTESIS, SUS MÉTODOS DE CONTROL Y EMG .................................................... 14 2.1 HISTORIA DE LAS PRÓTESIS ........................................................................... 14 2.1.1 Prehistoria .............................................................................................. 14 2.1.2 Edad Antigua .......................................................................................... 15 2.1.3 Edad Media ............................................................................................ 15 2.1.4 Renacimiento ......................................................................................... 15 2.1.5 Edad contemporánea ............................................................................. 16 2.2 TIPOS DE PRÓTESIS ....................................................................................... 16 2.2.1 Prótesis estéticas ................................................................................... 16 2.2.2 Prótesis mecánicas ................................................................................ 17 2.2.3 Prótesis eléctricas .................................................................................. 17 2.2.4 Prótesis neumáticas ............................................................................... 17 2.2.5 Prótesis mioeléctricas ............................................................................ 17 2.2.6 Prótesis híbridas ..................................................................................... 17 2.3 SENSORES EMG ............................................................................................ 18 3 ESTADO INICIAL DEL PROYECTO .......................................................................... 21 3.1 ELEMENTOS QUE FORMAN LA PRÓTESIS ....................................................... 21 3.1.1 La mano ................................................................................................. 21 3.1.2 Módulo IPOS-3602 .................................................................................. 22 3.1.3 Raspberry Pico ....................................................................................... 23 3.1.4 Sensores de Ottobock ............................................................................ 23 3.1.5 Placas para pines ................................................................................... 24 3.2 ESTADO DEL HARDWARE Y SUS CONEXIONES ............................................... 25 3.3 ESTADO DEL CÓDIGO DEL CONTROLADOR ................................................... 25 3.4 ESTADO DEL PROGRAMA DEL CONTROLADOR DEL MOTOR ........................... 26 4 DESARROLLO DEL PROYECTO .............................................................................. 29 4.1 DISEÑO DE LA PLACA Y EL CIRCUITO ............................................................. 29 4.1.1 Mapa de conexiones ............................................................................... 29 8 4.1.2 Diseño de la placa .................................................................................. 34 4.1.3 Prototipo fallido ...................................................................................... 35 4.2 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR .......................................................... 38 4.2.1 EMGFilters.h .......................................................................................... 38 4.2.2 Throhold ................................................................................................. 38 4.2.3 KeepAlive ............................................................................................... 39 4.2.4 Lectura por pantalla ............................................................................... 40 4.3 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MOTOR ....................................... 41 4.3.1 Setup ..................................................................................................... 41 4.3.2 Motion ................................................................................................... 42 4.4 CAMBIO DE LOS SENSORES .......................................................................... 49 4.5 INTRODUCCIÓN DE UNA ALIMENTACIÓN PORTATIL. ...................................... 50 5 PRUEBAS Y RESULTADOS ..................................................................................... 52 5.1 Coste económico .......................................................................................... 52 6 CONCLUSIONES Y LINEAS FUTURAS DE TRABAJO ................................................. 54 6.1 Conclusiones ................................................................................................ 54 6.2 Líneas futuras de trabajo ............................................................................... 54 7 REFERENCIAS ...................................................................................................... 55 8 ANEXOS ............................................................................................................... 58 8.1 DISEÑOS DE PCB ........................................................................................... 58 8.1.1 Diseño 1 (prototipo fallido) ...................................................................... 58 8.1.2 Diseño 2 ................................................................................................. 58 8.2 CÓDIGO RASPBERRY PI PICO ........................................................................ 59 8.3 CÓDIGO CONTROLADOR IPOS-3602 ............................................................. 60 9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Pinturas rupestres de manos a las que le faltan dedos .................................... 14 Figura 2. Prótesis utilizada por Götz von Berlichiengen .................................................. 16 Figura 3. Esquema de las partes de una prótesis hibrida................................................ 17 Figura 4. Persona utilizando una prótesis hibrida .......................................................... 18 Figura 5. Esquema del proceso que invierte la polaridad del potencial eléctrico en las fibras de un músculo ................................................................................................... 19 Figura 6. Señal detectada por un sensor mioeléctrico explicada en detalle .................... 19 Figura 7. Protesis infantil Electrohand de Ottobock ....................................................... 22 Figura 8. Mano protésica desarrollada para este proyecto ............................................. 22 Figura 9. Módulo IPOS-3602 ......................................................................................... 23 Figura 10. Raspberry Pi Pico ......................................................................................... 23 Figura 11. Sensores EMG de la marca Ottobock ............................................................ 23 Figura 12. Esquema de las conexiones eléctricas del primer prototipo de la prótesis...... 24 Figura 13. Primer prototipo de la prótesis completamente montado .............................. 25 Figura 14. Código de la Raspberry Pi Pico en el primer prototipo .................................... 26 Figura 15. Pseudocódigo que controlaba el comportamiento del motor en el programa EasyMotion Studio ....................................................................................................... 27 Figura 16. Pinout del IPOS-3602 ................................................................................... 30 Figura 17. Esquema de las conexiones al motor ............................................................ 30 Figura 18. Esquema de las conexiones con el encoder .................................................. 31 Figura 19. Esquema de las conexiones a la alimentación ............................................... 31 Figura 20. Esquema de las conexiones con el PC .......................................................... 32 Figura 21. Pinout de la Raspberry Pi Pico....................................................................... 33 Figura 22. Diseño final de la placa en el editor de PCBs de KiCad ................................... 34 Figura 23. Parte trasera de la PCB ................................................................................. 35 Figura 24. Parte delantera de la PCB ............................................................................. 35 Figura 25. Parte frontal del prototipo de placa fallido .................................................... 36 Figura 26 Conexión peculiar de los sensores de Ottobock ............................................. 37 Figura 27. Raspberry Pi Pico ......................................................................................... 37 Figura 28. Raspberry Pi Pico con pines soldados ........................................................... 37 Figura 29. Señal a la salida de un sensor mioeléctrico ................................................... 39 Figura 30. Fragmento del código con la condición que depende de Throhold.................. 39 Figura 31. Variables keepAlive en el código ................................................................... 40 Figura 32. Fragmento del código que permite mostrar variables por pantalla en función del tiempo ........................................................................................................................ 40 Figura 33. Pestaña para navegar en EasyMotion Studio ................................................. 41 Figura 34. Pestaña “Setup" de EasyMotion Studio cuando no tiene una placa conectada. ................................................................................................................................... 42 Figura 35. Pestaña "Motion", donde se puede ver el código "Main" del controlador ......... 43 Figura 36. Pseudocódigo para declarar dos variables .................................................... 43 Figura 37. Pestaña utilizada para declarar variables ...................................................... 44 Figura 38. Pseudocódigo que crea una etiqueta ............................................................ 44 Figura 39. Pestaña utilizada para la creación de etiquetas ............................................. 44 Figura 40. Pseudocódigo para leer valores de entrada ................................................... 45 16 Figura 2. Prótesis utilizada por Götz von Berlichiengen [7](Historias con Historia » Blog Archive » Götz ‘Mano de Hierro’ Berlichingen, 2010). 2.1.5 Edad contemporánea La protésica se establece como una disciplina propia en esta época. Después de la revolución industrial se suceden una serie de conflictos que dejan una gran cantidad de amputados en muchos países de occidente. La guerra civil americana y las dos guerras mundiales suponen la aparición de una cantidad de amputados en los países partícipes, sin precedentes hasta la fecha. La necesidad de crear prótesis para todas estas personas supone la apertura de clínicas especializadas, normalmente regentadas por amputados que, en la búsqueda de darle una solución a su problema dan con una oportunidad de negocio a largo plazo. Estas nuevas clínicas impulsan el desarrollo de la protésica como ciencia, lo que capta el interés de varias instituciones académicas que comienzan a invertir en proyectos relacionados con el mundo de las prótesis. Esta serie de eventos culmina a mediados del siglo XX, cuando aparecen los primeros cursos especializados en protésica en universidades americanas y europeas y se comercializan las primeras prótesis mioeléctricas por la firma Ottobock [13]. 2.2 TIPOS DE PRÓTESIS Las prótesis se pueden clasificar en distintos grupos en función de la tecnología utilizada para crearlas y de la cantidad de movilidad que permiten recuperar al usuario. En este apartado se muestran los principales tipos de prótesis que hay en el mercado. Algunos de estos tipos no son mutuamente exclusivos. 2.2.1 Prótesis estéticas Las prótesis estéticas, también llamadas prótesis pasivas, no tienen movimiento y solo pretenden cubrir el aspecto estético del miembro faltante. Se suelen hacer de materiales 17 muy ligeros para que sean cómodas de utilizar. La ausencia de partes móviles hace que estas prótesis apenas necesiten mantenimiento [2]. 2.2.2 Prótesis mecánicas Las prótesis mecánicas están pensadas para cumplir con funciones muy básicas, normalmente controlando el movimiento a través de otra articulación. En el caso de las prótesis de mano, suelen ser garfios o pinzas que permiten agarrar objetos grandes usando movimientos del codo o del hombro [2]. 2.2.3 Prótesis eléctricas Las prótesis eléctricas cuentan con un motor eléctrico que puede ser controlado con algún tipo de servo-control o interruptor. Tienden a ser costosas y pesadas, pero a cambio permiten movimientos rápidos y que proporcionan mucha fuerza [2]. 2.2.4 Prótesis neumáticas Las prótesis neumáticas utilizan aire a presión para lograr su movimiento, cuentan con gran fuerza y rapidez de movimiento, pero los dispositivos necesarios para su movimiento y control suelen ser voluminosos y pesados con un mantenimiento costoso y difícil de realizar. Apenas existen prótesis de mano neumáticas debido a las características de estas, por otro lado, estas prótesis se usan a menudo para sustituir la articulación de la rodilla [2]. 2.2.5 Prótesis mioeléctricas Las prótesis mioeléctricas son de las más utilizadas en el mundo, especialmente cuando hablamos de prótesis de mano. Este tipo de prótesis viene definido por el tipo de sensores que utiliza para detectar las señales de los músculos, son los llamados sensores mioeléctricos o sensores EMG. Las prótesis mioeléctricas pueden ser eléctricas o neumáticas [2]. 2.2.6 Prótesis híbridas Las prótesis hibridas combinan métodos anteriores para lograr el movimiento, la más común, lo que justifica su inclusión de este apartado, es la prótesis que combina la forma de funcionamiento de las prótesis mecánicas y mioeléctricas, en la figura 3 se puede ver un esquema sencillo de cómo se estructuran estas prótesis. Figura 3. Esquema de las partes de una prótesis hibrida [15](Ober, 1982). 18 Estas prótesis se usan para amputaciones por encima del codo. El movimiento mecánico permite mover el codo, mientras que algunos sensores EMG permiten algún movimiento simple de la mano, como el de pinza, en la figura 4 se puede ver una persona usando este tipo de prótesis [2][15][19]. Figura 4. Persona utilizando una prótesis hibrida [19](Trent et al., 2019). 2.3 SENSORES EMG La electromiografía o EMG es la técnica experimental en la que se tratan y analizan las señales mioeléctricas. Estas señales están formadas por variaciones fisiológicas en el estado de las fibras de los músculos [10]. En este apartado se va a hablar de las señales mioeléctricas en lo que a las prótesis mioeléctricas se refiere. Esto significa que cuando hablemos de EMG no vamos a hablar de EMG neurológico, proceso electromiográfico más conocido, en el que se provoca un estímulo eléctrico artificial en el músculo mediante un electrodo. En su lugar hablaremos de EMG kinesiológico, que estudia la activación muscular voluntaria [10]. Para entender adecuadamente el funcionamiento de los sensores EMG y las señales mioeléctricas, lo primero que hay que preguntarse es qué se está midiendo. Si se estudian las membranas musculares humanas, en su funcionamiento se puede observar un fenómeno curioso. En los músculos existe una diferencia de potencial eléctrico entre las membranas exteriores e interiores del músculo, esta diferencia suele ser de unos -80 mV tomando la zona interna del músculo como referencia. La excitación del músculo desencadena un proceso llamado despolarización, que invierte la polaridad de la diferencia de potencial eléctrico a unos 30 mV [10]. 19 Figura 5. Esquema del proceso que invierte la polaridad del potencial eléctrico en las fibras de un músculo [10](Konrad, 2006). El fenómeno de despolarización no ocurre al mismo tiempo en todo el músculo, en la literatura es descrito como una zona de entre 1 y 3 mm2, después de que el músculo sea excitado, en esta zona viaja a lo largo de la fibra muscular a una velocidad de 2-6 m/s [10]. Este movimiento en forma de “ola” a lo largo del músculo, hace que una pareja de electrodos pueda detectar esta señal sin necesidad de una referencia, nótese que la distancia entre electrodos deberá ser de 3 mm como mínimo para que la zona despolarizada no sea detectada por los dos sensores al mismo tiempo [10]. Esta explicación nos da una idea aproximada de cómo se está detectando una señal mioeléctrica con un par de electrodos, pero no justifica completamente la forma de la señal. Una señal mioeléctrica tiene la forma que se puede apreciar en la figura 6. Figura 6. Señal detectada por un sensor mioeléctrico explicada en detalle [10] (Konrad, 2006). Con la explicación que se ha dado, la señal detectada debería tener una forma más similar a un perfil sinusoidal o cuadrado, pero en la señal se aprecia una gran cantidad de picos de voltaje. La razón detrás de esta forma tan característica es que un electrodo no está detectando la señal en una única fibra muscular, sino que detecta varias fibras siendo excitadas al mismo tiempo. Estas fibras no tienen el mismo tamaño, ni se sitúan a la misma distancia, ni el electrodo se encuentra en el mismo punto de la fibra; por lo que la señal 20 viaja desfasada. Esta señal tan característica que se puede ver en la imagen anterior es la superposición de las señales detectadas en todas las fibras musculares. A este patrón se le suele llamar patrón de interferencia[10]. El estudio de cómo se forma la señal y de los métodos que se han utilizado para detectarla, permite sacar varias conclusiones. Las más importantes tienen que ver con cómo se va a afrontar la detección y el procesado de estas señales [10]. La primera conclusión importante es que estas señales no son replicables, el patrón de interferencia depende de varias fibras musculares sobre las que no se tiene el control, por lo que no se puede esperar que dos contracciones den el mismo perfil [10]. La segunda conclusión es que el estudio de la señal no puede tener en cuenta la amplitud de esta. Varios factores como la cantidad de fuerza ejercida al flexionar el músculo, la resistividad de la piel del paciente, el patrón de interferencia o la posición del sensor, pueden hacer variar tanto la amplitud de la señal. A existir tantas variables que afectan al valor de la amplitud, tomar decisiones o llegar a conclusiones en función de valores nominales de esta señal no es acertado [10]. 21 3 ESTADO INICIAL DEL PROYECTO Para entender la manera en la que se ha desarrollado este trabajo hay que partir de que este TFG no es un proyecto que se haya iniciado desde cero, sino que es la continuación del de otro alumno [3]. Esto significa que este documento no va a comprender todas las etapas de desarrollo de la prótesis, sino que solo se van a tratar aquellos aspectos en los que se han realizado mejoras o cambios significativos. Si se está interesado en otros aspectos, que no se tratan en profundidad en este documento, como el modelado de las distintas piezas de la mano o las razones por las que la prótesis utiliza un motor en concreto, y no otro, se puede consultar el TFG de Carlos Calle del Río de la Escuela de ingenierías industriales de Valladolid [3]. Como ya se manifestó en el apartado de “objetivos del proyecto”, lo que se ha buscado en el presente TFG, es hacer la prótesis portátil y más responsiva. Dado que este proyecto es la continuación de otro, parece importante considerar el estado del proyecto en fases previas, antes de empezar a hablar de las mejoras y cambios que se han realizado. 3.1 ELEMENTOS QUE FORMAN LA PRÓTESIS Cuando se inició este proyecto la prótesis contaba con los siguientes elementos: 3.1.1 La mano Esta es la pieza (figura 8) en la que más tiempo se invirtió en el TFG que precede a éste. Esta mano consta con una combinación de motor + cabezal + encoder DCX19S EB+GPX19HP+ENX16EASY. Para conocer el razonamiento por el que este motor fue elegido consultar el TFG que precede a éste [3]. La carcasa que rodea el motor y forma de la mano están creados por impresión 3D y su diseño está directamente inspirado por la mano ElectroHand 2000 de Ottobock (figura 7) [16]. 22 Figura 7. Protesis infantil Electrohand de Ottobock [16](Otto Bock Electrohand 2000 | Ottobock US Shop, s. f.). El conjunto de la mano cuenta con dos grupos de cables, la alimentación del motor y los cables necesarios para interaccionar con el encoder del motor. Figura 8. Mano protésica desarrollada para este proyecto. 3.1.2 Módulo IPOS-3602 El módulo IPOS-3602 (figura 9) es un controlador para motores desarrollado por la compañía Technosoft [4]. Este módulo es programable y lo suficientemente complejo como para regular la corriente que es suministrada al motor según parámetros que se pueden 23 guardar en su memoria. También puede ser programado con un pseudocódigo para que el motor realice una serie de movimientos, los cuales serán función de distintos valores. Figura 9. Módulo IPOS-3602 [4](Dumitru, s. f.). 3.1.3 Raspberry Pico A diferencia de la mayoría de los productos de Raspberry, la Raspberry Pico (figura 10) es un microcontrolador que no cuenta con un sistema operativo, esto hace de esta placa concreta, la más apta de entre las que ofrece la marca para proyectos que requieren de una programación sencilla y de un consumo de energía reducido [11]. Figura 10. Raspberry Pi Pico [11](Ltd, 2024). 3.1.4 Sensores de Ottobock Los sensores utilizados en esta primera iteración de la prótesis son los sensores de Ottobock (figura 11) utilizados para la mano ElectroHand 2000 [5]. Estos sensores son de una calidad excelente, pero su precio va en contra de la filosofía que se está siguiendo en este proyecto, debido a su elevado precio. Figura 11. Sensores EMG de la marca Ottobock [5](Electrode | Ottobock US Shop, 2024). 24 3.1.5 Placas para pines Todos los componentes anteriormente nombrados estaban conectados utilizando un par de placas para pines de las que se utilizan típicamente en laboratorios. En la figura 12, se muestra un esquema de cómo se encontraban conectados todos estos componentes: Figura 12. Esquema de las conexiones eléctricas del primer prototipo de la prótesis [3](Calle del Río, 2023). 25 3.2 ESTADO DEL HARDWARE Y SUS CONEXIONES Como se acaba de ver todos los componentes que forman la prótesis se encontraban conectados mediante un par de placas de pines de laboratorio. A continuación, se muestra en la figura 13 todo el montaje en el laboratorio. Figura 13. Primer prototipo de la prótesis completamente montado [3](Calle del Río, 2023). Esta imagen y el esquema mostrado al final del apartado anterior pueden dar una idea general de cómo se encuentran conectados los distintos elementos del circuito. En cualquier caso, hay algunas conexiones con elementos externos que deben ser detalladas con más profundidad: El primer elemento externo con el que este circuito está siendo conectado, es una fuente de alimentación DC variable que hay en el laboratorio. En el esquema se puede apreciar que distintas partes del circuito están siendo conectadas a valores de alimentación distintos, en este caso 10 y 8 V. Otra conexión con un elemento externo es la que se está realizando a través del puerto Serie que está conectado al controlador del motor. Este puerto se utiliza para conectar el controlador del motor a un ordenador. A través de esta conexión el controlador puede ser programado utilizando un software distribuido por el fabricante. Por último, hay que hablar del puerto USB de la Raspberry Pico que se está utilizando para conectar esta placa con un ordenador, esta conexión permite programar la placa y caso alimentarla. Uno de los objetivos de este trabajo es separar la prótesis del banco de trabajo, esto significa que estas tres conexiones deben desaparecer y la prótesis debe seguir funcionando. 3.3 ESTADO DEL CÓDIGO DEL CONTROLADOR El código de la Raspberry Pico que se utilizó en el primer prototipo de esta prótesis es bastante limitado. Esto no es de extrañar ya que la programación del controlador no era el objetivo principal del TFG previo. El código (figura 14) estaba escrito en micro Python y es bastante sencillo, consiste en un bucle en el que se leen las señales recibidas de los dos sensores, y si estas señales 32 Debido a la naturaleza portátil de una prótesis, uno de los objetivos a cumplir en este proyecto ha sido poder alimentar el circuito entero con una única batería. Se ha incluido en la entrada de la alimentación un condensador de 220 µF para evitar potenciales daños en los componentes del circuito. Para alimentar la Raspberry y los sensores que funcionan a 5V, se ha utilizado la salida de voltaje que está representada en la figura 19. Sobre esta forma de alimentar los componentes de 5V se deben resaltar algunas cuestiones. La primera es que se han realizado pruebas para comprobar que el consumo de estos elementos no supere los 0.2 A que puede suministrar el controlador y se ha comprobado que son más que suficientes. La segunda cuestión que hay que comentar es que con pruebas posteriores se ha comprobado que en caso de conectar la Raspberry a un ordenador usando el puerto USB, la corriente puede entrar hacia el controlador del motor por esta salida. Para evitar que esto ocurra hay que incluir un diodo a la salida del pin J2/13 del controlador del motor. Este diodo no está incluido en el prototipo que se ha utilizado, pero debería ser incluido en todas las iteraciones posteriores de esta placa. El último punto que comentar sobre esta conexión es que en la versión del anterior TFG se utilizó una salida de la fuente de alimentación a 8V para alimentar la lógica de la placa y una salida de 10V para alimentar la circuitería de potencia. Revisando el esquema de la conexión se ha llegado a la conclusión de que ambos elementos pueden ser conectados a la misma alimentación, que será una batería de 12 V. Conexión al PC Figura 20. Esquema de las conexiones con el PC [8](iPOS360x MX-CAN - User Manual, 2024). La última conexión relevante (figura 20) que se puede encontrar en el manual de usuario de la placa, es la que permite conectar la placa a un ordenador usando un puerto RS-232. Si bien esta utilidad no será necesaria en el diseño final, para poder desarrollar cómodamente este proyecto se debe dar una salida a estos pines. Como ya se ha comentado el controlador IPOS-3602 es programable y debe ser programado usando el software distribuido por la empresa fabricante. Para que este software pueda interactuar con la placa hay que conectarlo con el ordenador de alguna manera y ahí es donde entra esta conexión “Serial”. El puerto Serie cuenta con 9 pines, pero solo se han incluido los tres necesarios: tierra, lectura (Rx) y escritura (Tx). 33 Conexión a la Raspberry Ya se ha hablado en el apartado de la alimentación de como la Raspberry es alimentada a través del controlador del motor, pero estas no son las únicas conexiones que tienen en común. Dos de los pines digitales de la Raspberry se encentran conectados con las entradas digitales del controlador llamada IN0 e IN1. Estas dos conexiones se van a utilizar para que la Raspberry pueda informar al controlador del motor cuando debe mover el motor y en qué dirección. Conexiones de la Raspberry Pi Pico Ya se ha hablado en el apartado anterior de las conexiones entre la Raspberry y el motor, a continuación se van a tratar las otras conexiones con las que cuenta la Raspberry. Figura 21. Pinout de la Raspberry Pi Pico [17](Raspberry Pi Pico Datasheet, s. f.). En la imagen 21 se puede ver el pinout de la Raspberry Pico, casi todas las conexiones de las que se va a hablar pueden ser realizadas utilizando múltiples pines. Por ejemplo, una salida digital podría utilizar cualquier pin que en la figura 21 tenga la etiqueta “GP”. En el diseño se han tomado los pines que han resultado más convenientes en cada caso, por lo que a continuación no se va a denominar a los pines por su número, sino que se van a clasificar según el papel que cumplen. Conexión con los sensores La información necesaria para determinar el movimiento de la prótesis es recogida utilizando una pareja de sensores mioeléctricos (EMG). Ya se ha comentado que estos sensores son alimentados con la misma metodología con la que se alimenta la Raspberry, por otro lado, las señales producidas en estos sensores van conectada a una pareja de pines analógicos de la Raspberry para posteriormente poder ser procesadas. En el pinout se pueden encontrar los pines que pueden cumplir esta función buscando la etiqueta verde oscura, que indica los pines con acceso a un ADC. 34 Conexión con el ordenador La Raspberry cuenta con un puerto micro-USB que puede utilizar para conectarse a un ordenador. Esta conexión no es permanente y no debe usarse cuando la prótesis vaya a ser utilizada. Este puerto es necesario para poder programar la Raspberry, además hasta que se encuentre un método mejor para hacerlo este puerto también es utilizado para poder calibrar los sensores. Por último, es importante comentar que todos los elementos que deben ser conectados a tierra están siendo conectados a una tierra común. 4.1.2 Diseño de la placa La PCB ha sido diseñada utilizando el editor de placas de KiCad 6.0, el diseño final que se ha usado en este trabajo es el que se puede ver en la figura 22: Figura 22. Diseño final de la placa en el editor de PCBs de KiCad. A continuación, se van a comentar distintas decisiones de diseño y limitaciones que han llevado a la creación de este prototipo concreto. Empezando por las limitaciones, con el fin de ahorrar costes y tiempo, se ha utilizado una placa con un único substrato de cobre. Hoy en día se suelen utilizar más substratos y materiales que permiten pistas más finas y mayor precisión, pero como el objetivo de este proyecto era el de crear un prototipo, se ha sacrificado el reducir el tamaño de la placa para lograr inmediatez. Este método algo arcaico de fabricación ha supuesto un tamaño mayor y la necesidad de pasar algunos cables por la parte superior de la placa. Se pueden apreciar en la imagen del diseño unos cables que son de color azul, en lugar de rojos. Estos son cables que no podían ser incluidos en la pista de cobre debido a la topología del circuito. Para poder incluirlos, se sueldan los cables de forma que pasen por la cara donde no se encuentra el cobre. Además de la limitación técnica ya expuesta, también se han tomado otras decisiones que han limitado la manera en la que la placa ha sido diseñada: 35 • Los tres pines que se pueden ver en la parte superior izquierda del esquema son los que se utilizan para conectar el controlador del motor con un PC, en un diseño final se podrían omitir, pero en este prototipo son necesarios. • La Raspberry pico debe ser posicionada de manera que su puerto USB apuntase al exterior de la placa, como se ha comentado en el apartado de las conexiones, el puerto USB de la Rasberry va a ser utilizado de manera habitual, por lo que debe ser fácilmente accesible. • Las conexiones a la mano y las conexiones a los sensores deben, si es posible estar en lados opuestos de la placa, debido a la posición prevista de este elemento cuando se use la prótesis, los cables que salen a estos componentes van a ir en direcciones opuestas por lo que poner sus conectores en lados opuestos hace acomodar la PCB de modo más sencillo. Tras algunas iteraciones de esta placa se ha llegado al diseño que se puede ver en la figura 22 al inicio de este apartado. Después de lograr este diseño se han creado los Gerbers, que han sido utilizados para que una fresadora elabore las separaciones en la placa de cobre de la PCB y perfore los agujeros donde van a ir conectados los pines. El diseño final con todos los componentes ya soldados se puede ver a continuación en las figuras 23 y 24. Figura 23. Parte trasera de la PCB. Figura 24. Parte delantera de la PCB. 4.1.3 Prototipo fallido El diseño que se ha visto a lo largo de este apartado no fue el primero, se hizo una primera placa que se tuvo que de desechar debido a algunos fallos irreversibles. 36 Figura 25. Parte frontal del prototipo de placa fallido. El diseño de la placa era muy similar, como se puede apreciar en la figura 25, pero se cometieron algunos errores al diseñarla que permitían utilizar el circuito, pero lo hacían dificultoso y tedioso. Además, uno de los errores no permitía que el diseño funcionase para el propósito que se le tenía pensado. 4.1.3.1 Error 1. Separación accidental de la tierra. En este primer diseño se separó la tierra del circuito en dos por accidente, en la imagen se puede observar unas líneas dibujadas a través de los pines de la Raspberry pico. El que va en línea recta es la conexión de tierra que se omitió. La tierra se encontraba conectada por completo cuando la Raspberry se encontraba en su lugar, pero como se verá a continuación eso no era siempre posible. 4.1.3.2 Error 2. Pines digitales sobre analógicos En primera instancia se pensaba que los pines digitales de la Rasberry eran suficiente para recibir la señal procedente del sensor, en cuanto se hicieron los primeros intentos se comprobó que no iba a ser posible utilizar estos pines. Las líneas dibujadas en los pines de la Raspberry con un 1 y un 2 muestran los pines originales y los que se utilizaron en la segunda placa. 4.1.3.3 Error 3. Colocación de los pines de los sensores La colocación de los pines para la conexión de los sensores de esta placa está pensada para los sensores de Ottobock. Estos eran los únicos sensores EMG que se tenían cuando se diseñó esta placa y la idea de usar unos sensores EMG más baratos apareció después de que esta fuera impresa, otro problema que se encontró con estos sensores es que, debido a la particular forma de los sockets de estos sensores, resultaba muy difícil conectarlos a la placa de manera cómoda. En la figura 26 se ha dibujado una line que va entre el centro del primer y el tercer socket, se puede apreciar que el segundo no se encuentra en la misma recta, creando una forma difícil de replicar. 37 Figura 26 Conexión peculiar de los sensores de Ottobock 4.1.3.4 Error 4. Fijación de la Raspberry La Raspberry pico es una placa que se suele vender sin pines y éste era el estado en el que se encontraba cuando se comenzó el presente TFG. Figura 27. Raspberry Pi Pico [17](Raspberry Pi Pico Datasheet, s. f.). Si se intenta mantener esta placa conectada colocándola sobre pines estándar de 0.76 mm rápidamente puede verse que mantener todas las conexiones de manera adecuada resulta imposible con la cantidad de juego que queda en los orificios para los pines. Este problema causaba que algunas de las entradas de la Raspberry dejasen de hacer contacto e hiciesen fallar el circuito. Para solucionar este problema se le han soldado unos pines a la Raspberry como se puede ver en la figura 28, lo que va a hacer más fácil trabajar con ella. Figura 28. Raspberry Pi Pico con pines soldados. Otra diferencia que se puede notar entre esta primera versión de la placa y la versión final es la presencia del espacio para un botón. Si se mira con detalle la placa se puede ver hueco para cuatro pines, ahí es donde iría el botón. El botón no se terminó de instalar en esta primera placa porque no se había dejado espacio para introducir una resistencia necesaria para su correcto funcionamiento. En el segundo diseño la idea de incluirlo fue descartada. 38 4.2 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR Este proyecto está utilizando una Raspberry pi pico como controlador del circuito. Este controlador puede ser programado en varios lenguajes de programación, en el TFG previo se programó utilizando micro Python, pero como el código va a ser reescrito de cero, en este caso se va a programar utilizando Arduino IDE, la razón detrás de este cambio no es para mejorar ningún aspecto técnico en particular, se hace porque estoy más familiarizado con el entorno de trabajo de Arduino. Otra razón es que la naturaleza open source de los productos de Arduino hace muy sencillo encontrar los recursos necesarios para programar esta placa usando en internet. El trabajo del controlador en la prótesis consiste en recibir las señales procedentes de los sensores, interpretarlas y producir las señales necesarias para comunicarle al controlador del motor que se debe mover. Además de esta tarea principal, el controlador también puede mostrar por pantalla las distintas señales con las que trabaja cuando se conecta a un ordenador, lo que facilita calibrar los sensores para que se adapten a cada usuario. Se va a comentar el código escrito, no se va a comentar línea por línea, sino que se van a destacar algunas partes importantes o difíciles de interpretar. 4.2.1 EMGFilters.h La biblioteca “EMGFilter.h” es la única biblioteca externa que se ha utilizado para el proyecto, es una biblioteca que incluye algunos filtros para mejorar la calidad de la señal recibida de los sensores. Esta biblioteca ha sido utilizada ya que es recomendada por el fabricante para este tipo de proyectos. El filtro que se ha utilizada está pensado para eliminar la posible interferencia a 50 Hz producida por la alimentación [9]. Nótese que en el diseño final de la prótesis este ruido no debería existir, ya que la fuente de alimentación del circuito es una batería DC. A pesar de esto se ha conservado el filtro para casos en los que se realicen pruebas con otras alimentaciones como puede ser una fuente de alimentación variable de laboratorio. Un detalle importante sobre esta biblioteca es que la versión que se está usando no es la que se puede encontrar en GitHub si la buscas en internet. La versión en internet de esta biblioteca solo permite tener una instancia del filtro. En el caso de este proyecto, necesitaríamos al menos dos filtros, uno para cada sensor. Las modificaciones realizadas a la biblioteca están basadas en una propuesta no implementada que se puede encontrar en las pull request del repositorio de la biblioteca en GitHub [12]. 4.2.2 Throhold En el código se pueden encontrar un par de constantes que han sido llamadas “Throhold1” y “Throhold2” Estas señales son utilizadas para eliminar el ruido de base de la señal. Si se le echa un vistazo a una medición de un sensor EMG cualquiera: 39 Figura 29. Señal a la salida de un sensor mioeléctrico [10](Konrad, 2006). En la figura 29 podemos ver que cuando no hay activación del músculo, la señal sigue fluctuando. Esto se llama ruido de base o baseline noise. Las constantes Throhold se utilizan en el código para que estas pequeñas fluctuaciones cerca del cero sean ignoradas y no provoquen falsas activaciones. Figura 30. Fragmento del código con la condición que depende de Throhold. En este fragmento de código (figura 30) se puede ver como para poder llegar a la línea “digitalWrite(controllerCom5, LOW);”, encargada de activar el motor en una de sus direcciones, la variable “envlope1” que guarda el valor actual de la señal procedente del sensor se compara con “Throhold1” que como se ha explicado tiene un valor lo suficientemente grande como para que la señal no pueda ser ruido. Si la señal en este instante es más grande que el valor fijo “Throhold1” se considera que se está detectando señal. En la condición se puede ver que la señal guardada en “envlope1” también es comparado con otro valor que se ha llamado “Failureth1”, y en este caso “envlope1” debe ser de un valor menor al guardado en “Failureth1”, esta es otra constante que guarda un valor tan grande, que si se alcanza se puede considerar que la medida que se está tomando es errónea. Las señales EMG tienen un rango de valores típicos, si se detecta un valor mucho más grande que los presentes en este rango es muy probable que se trate de una interferencia, o que los sensores no estén funcionando como deberían. Una situación típica donde se dan estos valores es cuando los sensores no están en contacto con la piel. 4.2.3 KeepAlive En el código (figura 31) se pueden encontrar un par de variables que han sido llamadas “keepAlive1” y “keepAlive2”. 40 Figura 31. Variables keepAlive en el código. Esta pareja de variables se utiliza para guardar un valor que permita tener una noción de como se ha comportado la señal en los bucles actuales al anterior. El valor de estas señales aumenta cada vez que “envlope” tiene un valor que cumple la condición vista en el apartado anterior, y disminuye cuando no cumple la condición. Las variaciones de “keepAlive” permiten conocer como se ha estado comportando la señal en los bucles anteriores, y así reaccionar de acuerdo con múltiples instancias de la señal en lugar de solamente al instante actual. Así por ejemplo si el valor de “envlope” es válido, pero “keepAlive” es cero, sabemos que, de las últimas instancias de la señal, esta es la primera con un valor válido. Con este conocimiento, se puede esperar a los siguientes bucles para asegurarse de que el valor detectado no es un error. En otro caso donde “envlope” es válido, pero “keepAlive” tiene un valor alto, sabemos que los instantes anteriores estaban detectando señal. Por lo que podemos suponer, que el musculo está efectivamente siendo flexionando y la señal que estamos detectando no se trata de un error. Este sistema también funciona en casos donde el valor de “envlope” no es válido. Si el valor no es válido, pero “keepAlive” es muy grande, podemos suponer que se ha medido un valor anormalmente bajo y que el músculo sigue flexionado. En cambio un valor “envlope” no válido y un valor de “keepAlive” bajo nos indica que la señal no se encuentra activa. Decidir para que valores de “keepAlive” consideramos que lo que se está detectando es un error y como de rápido aumenta y disminuye el valor de “keepAlive” es un balance delicado. Si los valores son muy exigentes y la variación de la variable muy lenta, la prótesis se sentirá poco responsiva y el usuario notará un retardo en el funcionamiento de la mano, si por otro lado se utilizan valores laxos y variaciones rápidas de la variable existe la posibilidad de que se cuelen errores que provoquen movimientos erróneos o inintencionados. Los valores finales que se han decidido han sido obtenidos a base de prueba y error, al igual que el valor de “Throhold” que debe ser ajustado en función de la persona que esté usando la prótesis estos valores pueden ser modificados para lograr una mejor experiencia. 4.2.4 Lectura por pantalla En la parte final del código se pueden observar unas pocas líneas que utilizan las funciones “Serial” de Arduino (figura 32). Estas funciones se utilizan para comunicarse con otros dispositivos utilizando el puerto micro USB con el que suelen contar este tipo de placas. Figura 32. Fragmento del código que permite mostrar variables por pantalla en función del tiempo. 41 La razón por la que estas líneas han sido incluidas es porque permiten observar el estado de distintas variables del programa en función del tiempo. Esto ayuda a comprobar el correcto funcionamiento del código y permite calibrar los sensores cuando surge la necesidad. 4.3 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR DEL MOTOR El controlador del motor que se está utilizando es programable y permite condicionar el movimiento del motor en función de algunas variables de entrada. Se van a utilizar estas entadas para darle al controlador la información necesaria para que el motor se mueva de acuerdo con las señales detectadas en los sensores. EasyMotion Studio es un software desarrollado por Technosoft que se utiliza para la programación de sus productos. El controlador IPOS-3602 es un producto de Technosoft por lo que este software es la herramienta más adecuada para programarlo. Si se abre un proyecto en este programa nos encontramos con la siguiente pantalla (figura 33): Figura 33. Pestaña para navegar en EasyMotion Studio. “Control” es el nombre que se le ha dado al proyecto y como se puede ver cuenta con dos apartados principales que el programa llama “Stepu” y “Motion”. 4.3.1 Setup Al hacer clic en la ventana de “Setup” podemos observar lo que se ve en la figura 34: 48 Figura 47. Perfil del tramo extensible de la señal enviada al motor. Figura 48. Perfil del tramo final de la señal enviada al motor. 4.3.2.5 GOTO Figura 49. Pseudocódigo con un salto GOTO. Después de las llamadas a las funciones no queda nada que hacer en el bucle, por lo que se utiliza la línea GOTO (figura 48) para regresar a la etiqueta que se había declarado al inicio del programa. En la figura 50 se puede ver como se crea la línea GOTO. Figura 50. Pestaña de saltos y llamadas creando una línea con un GOTO. 49 4.4 CAMBIO DE LOS SENSORES Los sensores que se estaban utilizando inicialmente en este proyecto no van de acuerdo con la dirección y objetivos que se han marcado. Uno de los principales objetivos de este proyecto es crear una alternativa asequible pero funcional a otras prótesis. Los sensores que se estaban utilizando originalmente en este proyecto eran los sensores EMG estándar de la empresa Ottobock (figura 51). Figura 51. Electrodos de la marca Ottobock [5](Electrode | Ottobock US Shop, 2024). Estos sensores son de una calidad excelente y son considerados uno de los mejores sensores EMG existentes para uso práctico en prótesis. Por desgracia, una pareja de estos sensores alcanza valores cercanos a los 3.000 €. Esto significaría que en caso de usar estos sensores se estaría gastando solo en ellos más del doble de lo invertido en producir el resto de la prótesis. Por esta razón se ha buscado una alternativa asequible que, si bien no va a alcanzar el nivel de calidad de la marca Ottobock, pueda servir para las dimensiones de este proyecto. Para este prototipo se han utilizado los sensores “Gravity” de OYMotion, que cuestan alrededor de 50 € la unidad (figura 52). Como es razonable, estos sensores no tienen la misma calidad que los sensores de Ottobock, por lo que en este apartado se va a habla de los problemas que ha supuesto esta bajada en la calidad del producto y que soluciones se plantean. Figura 52. Sensor "Gravity" de OYMotion [1](Analog_EMG_Sensor_by_OYMotion_SKU_SEN0240-DFRobot, s. f.). 50 El principal defecto que se observa en estos sensores con respecto a los de Ottobock es la separación del sensor y de la circuitería de amplificación. Si se utiliza el cable que está incluido con el sensor uno se puede dar cuenta que medir señales delante de una mesa de trabajo es sencillo y el sensor no da problemas, pero si nos intentamos desplazar y se introduce movimientos innecesarios en el sistema, el movimiento del cable y la circuitería provoca interferencias que pueden provocar movimientos de la prótesis no deseados. Se han realizado pruebas con cables más cortos para comprobar el efecto que este cambio tendría es estas interferencias y se ha observado una reducción importante en la aparición de estas. En pruebas futuras sería interesante encontrar una manera de conectar directamente el sensor y su circuitería para estudiar los resultados. Hay otro defecto digno de mención que, si bien también afectaba en menor medida al sensor de Ottobock, se ha visto más acentuado en este sensor. Las condiciones en las que se debe utilizar un sensor EMG para lograr resultados adecuados son engorrosas de replicar cuando se realizan pruebas en un laboratorio. Para que el sensor estuviera en condiciones ideales se debería limpiar adecuadamente la zona en la que va a ir el sensor y se debería eliminar el pelo en caso de haberlo, esto se hace para reducir todo lo posible la impedancia de la piel. Además, el sensor debería de ser fijado adecuadamente utilizando parches adhesivos en lugar de una goma como se ha utilizado en el laboratorio. Esto evita que uno de los electrodos se pueda separar de la piel, razón de un importante porcentaje de los errores que se han dado cuando se han realizado pruebas con la prótesis. 4.5 INTRODUCCIÓN DE UNA ALIMENTACIÓN PORTATIL. Con la introducción de las mejoras planteadas en los apartados anteriores se ha logrado una mano que responde como esperamos a los datos detectados por los sensores. Esto significa que la prótesis ya funciona, pero no es suficiente con que funcione, una prótesis sirve de poco si no puedes llevarla contigo. Para lograr que la prótesis se pueda transportar se ha buscado sustituir la fuente de alimentación DC variable que se estaba utilizando por una batería. La batería que se está buscando debe adecuarse a las necesidades de nuestro circuito, en este caso queremos una batería con una diferencia de potencial de unos 12V y con la capacidad de suministrar corrientes de hasta 2 A, las corrientes van a rondar típicamente los 0.2 A, pero 2 A son suficientes para asegurar que no ocurran problemas. 51 Figura 53. Batería DC utilizada en el prototipo de la prótesis [6](Eleoption - DC-168, CD 12 V, 1800 mAh, s. f.). En la figura 53 se puede ver la batería que se ha utilizado finalmente, no está pensada como una solución final, pero es suficiente para realizar pruebas con una batería portátil. 52 5 PRUEBAS Y RESULTADOS A lo largo del desarrollo se han realizado varias pruebas de funcionamiento, pero las más relevantes son las que han sido realizadas en última instancia. Durante las pruebas de este diseño se han observado los siguientes problemas y resultados: • La prótesis responde muy bien a las intenciones del usuario, los intentos de mover la mano por parte del usuario nunca se suelen ver ignorados. • La mano puede agarrar objetos sin problema, el material utilizado no tiene un agarre demasiado bueno, pero cuando se han realizado pruebas poniendo un guante a la prótesis se podían coger una gran variedad de objetos sin problema. • La mano es bastante fuerte, ha podido levantar objetos de hasta 2 Kg de múltiples maneras sin demasiados problemas. Si la posición y forma del objeto es la adecuada puede levantar objetos de hasta 4 Kg por si sola. • La electrónica de los sensores es muy sensible al movimiento, si se siguen utilizando los sensores que se está usando ahora mismo hay que encontrar una manera de asegurarlos para que no provoquen ruido. • Los sensores provocan señales erróneas cuando no están en contacto con la piel, habría que encontrar una manera de evitar el movimiento del motor en estas circunstancias. Con, por ejemplo, un parche adhesivo. • La mano puede realizar movimientos destructivos, habría que encontrar la manera de evitar esta posibilidad por el bien de la integridad del producto. • Los sensores deben de ser calibrados cuando los va a utilizar una nueva persona, la Raspberry debe estar conectada a un ordenador para realizar esta calibración. Estas pruebas esclarecen algunos problemas del prototipo que deberían ser resueltos, pero estos serán tratados en más profundidad en un apartado posterior. Los resultados de las pruebas realizadas han sido generalmente positivos, la mano no ha perdido capacidades con respecto al prototipo anterior, ahora cuenta con la capacidad para mover la articulación de la pinza con precisión y está haciendo todo esto sin depender de ningún elemento de la mesa de trabajo. 5.1 COSTE ECONÓMICO A continuación, se va a dar un resumen del coste de producción del prototipo realizado, esto se hace para comprobar si el objetivo de crear una opción más asequible que otras opciones del mercado ha sido realizado. Se recuerda que el precio de una prótesis de mano pediátrica ronda los 8.000 € / 15.000 €. • Coste del controlador del motor. 265 € • Coste del motor. 480 € • Coste Raspberry pico. 5 € • Pines y componentes de la placa. 15 € • Batería. 20 € • Sensores EMG. 100 € 53 • Costes de producción no considerados (impresión 3D, Creación PCB). 50 € Con esta estimación el precio de producción actual de la prótesis es de 935 €. Si bien se espera que en futuras etapas del proyecto este precio pueda aumentar, aunque este es un precio de producción y no de venta, en comparación con el precio de la prótesis pediátrica promedia se ha conseguido una reducción de precio considerable. 54 6 CONCLUSIONES Y LINEAS FUTURAS DE TRABAJO 6.1 CONCLUSIONES Cuando se ha comenzado este proyecto se han planteado varios objetivos a cumplir. Se ha logrado que la prótesis sea completamente portátil y ya no depende de ninguno de los elementos del banco de trabajo, por otro lado, el control es decente pero los sensores siguen resultando un problema y su funcionamiento no es siempre el esperado. El proyecto sigue estando relativamente verde, todavía lejos de una versión que se pueda probar con pacientes, por no hablar de una versión comercial. A nivel personal este proyecto me ha ayudado a lograr una mejor disciplina a la hora de enfrentar grandes proyectos y me ha enseñado como separarlos en pequeños apartados manejables. También me ha permitido ganar algo de experiencia en el campo de la robótica, en el cual estoy muy interesado. 6.2 LÍNEAS FUTURAS DE TRABAJO Aún quedan muchos aspectos de la prótesis por pulir y desarrollar por esa razón se van a presentar aquí varios aspectos que quedan pendientes sobre los que se puede trabajar. • Revisar el diseño de la mano. Las pruebas realizadas a lo largo de este trabajo han demostrado que el diseño actual de algunas piezas que forman la mano debe ser revisadas, en especial la pieza superior de la pinza, que es desplazada por el motor debe ser mejorada ya que el motor las desgasta hasta dejarlas inservibles en un periodo muy corto de tiempo. • Arreglar el encoder. El encoder del motor no funciona como debería, gracias al programa de Technosoft se ha podido comprobar que el encoder no está funcionando como uno esperaría, por desgracia no cuento con los conocimientos necesarios para enfrentar este problema, arreglar el encoder permitiría poner medidas para evitar movimientos destructivos por parte de la mano. • Miniaturización de la electrónica. Las conexiones y diseño de la electrónica ya están planteadas y se ha demostrado que funcionan. El diseño actual fue creado con la inmediatez en mente y ha terminado siendo uy voluminoso. El uso de tecnologías más modernas, como una PCB con más de un sustrato, pueden reducir considerablemente el espacio necesario para guardar la circuitería de la prótesis. • Diseño de una interfaz de usuario. Hay variables en el código de la prótesis que debe ser manipuladas de manera frecuente, en particular se está hablando de las variables que permiten calibrar los sensores. En la versión actual estos valores se modifican en el código y luego se guardan en la memoria de la Raspberry. Crear una interfaz que permita hacer esto sin interactuar directamente con el código no es una prioridad, pero es algo que habría que hacer en algún momento. 55 7 REFERENCIAS [1] ANALOG_EMG_SENSOR_BY_OYMOTION_SKU_SEN0240-DFROBOT. (S. F.). Recuperado 2 de mayo de 2024, https://wiki.dfrobot.com/Analog_EMG_Sensor_by_OYMotion_SKU_SEN0240 [2] BRITO, J., QUINDE, M., CUSCO, D., & CALLE, J. (2013). ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE DE LAS PRÓTESIS DE MANO. INGENIUS, 9, ARTICLE 9. https://doi.org/10.17163/ings.n9.2013.08 [3] CALLE DEL RÍO, C. (2023). “DISEÑO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN DE UNA PRÓTESIS DE MANO MEDIANTE IMPRESIÓN 3D” [INFO:EU-REPO/SEMANTICS/BACHELORTHESIS]. https://uvadoc.uva.es/handle/10324/60362 [4] DUMITRU, V. (S. F.). INTELLIGENT DRIVES IPOS3604. TECHNOSOFT MOTION CONTROL. 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