Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Autor: José María Romero Falcón Tutor: Joaquín Ojeda Granja Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 iii Proyecto Fin de Carrera Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Autor: José María Romero Falcón Tutor: Joaquín Ojeda Granja Profesor titular de Universidad Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 v Proyecto Fin de Grado: Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Autor: José María Romero Falcón Tutor: Joaquín Ojeda Granja El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: vii Agradecimientos Con la presentación de este Proyecto Fin de Grado de Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica, se cierra una etapa y comienza otra llena de esperanza e ilusión, pero sin olvidar el esfuerzo realizado durante los años que ha durado mi formación universitaria. Agradecer en primer lugar a mis padres José María y María del Carmen y a mi hermano Daniel por su contínuo apoyo y por haber estado siempre presentes cuando he necesitado de su ayuda, tanto intelectual como moral. También quiero agradecer a mi tutor Joaquín Ojeda el interés y preocupación que ha mostrado siempre por guiarme en el desarrollo del presente proyecto y a Ezequiel Martín por su implicación en hacer más llevaderas las, a veces, interminables horas de laboratorio. Por último, mencionar a todos aquellos profesores y compañeros con los que he compartido horas de trabajo y esfuerzo y que me han ayudado en muchos momentos de angustia y ansiedad, dándome ánimos para seguir adelante y conseguir mi objetivo de terminar mis estudios. Sin la intención de dejar a nadie atrás, debo señalar especialmente a Ana Rodríguez, Carlos Naz y Ángela Mogrera, que han sido mis pilares fundamentales dentro de la carrera. A todos ellos y desde todo mi corazón, gracias. José María Romero Falcón Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Sevilla, 2021 ix Resumen l proyecto Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov consiste en el montaje y prueba de una prótesis de mano, cuyo modelo es el conjunto mano-muñeca-antebrazo del robot InMoov. Para conseguir dicho objetivo será necesario atender a cuatro bloques: En primer lugar, se realizará la impresión 3D y posterior ensamblaje de las piezas que componen la prótesis, así como los servomotores e hilos de alta resistencia para su accionamiento. En segundo lugar, se procederá a la adquisición de datos procedentes de los músculos con el uso de sensores de electromiografía (EMG) de bajo coste, en concreto se usarán dos de ellos, uno para recibir la señal de los dedos pulgar, índice y corazón (lado derecho), y el otro para los dedos meñique y anular (lado izquierdo). A continuación, se estudiará y diseñará un filtro para suavizar la señal obtenida por los sensores ya que ésta presenta ruido que hace imposible trabajar con ella. El filtro escogido para tal propósito es un filtro de Kalman. Posteriormente, se diseñará el control de la prótesis (todo o nada) teniendo tres funciones: control del lado derecho, del lado izquierdo y de la mano al completo. Por último, se aplicará un símil sencillo del Protocolo de Evaluación Antropomórfica de la Mano (AHAP, Anthropomorphic Hand Assessment Protocol) para evaluar la validez de la mano robótica como prótesis, realizando distintos tipos de agarres con objetos comunes. E 6.1 Control 41 7 Pruebas con la prótesis biónica 47 8 Coste de la prótesis 55 9 Conclusiones 57 9.1 Futuras líneas de trabajo 58 Apéndice A Códigos 59 Apéndice B Manual de uso y conservación 63 Índice de Tablas 65 Índice de Figuras 67 Bibliografía ¡Error! Marcador no definido. xvii Notación EMG Electromiografía IA Inteligencia Artificial AHAP Protocolo de evaluación antropomórfica de la mano (del inglés, Anthropomorphic Hand Assessment Protocol) FFT Transformada rápida de Fourier (del inglés, Fast Fourier Transform) GND Tierra (del inglés, Ground) NEBIAS NEurocontrolled BIdirectional Artificial upper limb and hand ptohesiS DARPA Defense Advanced Research Projects Agency IoT Internet de las cosas (del inglés, Internet of Things) PLA Ácido poliláctico ABS Acrilonitrilo butadieno estireno CPE Copoliéster OMS Organicación Mundial de la Salud 1 1 INTRODUCCIÓN a finalidad de la robótica ha sido, y es, el sueño del ser humano de diseñar dispositivos que le faciliten su vida y le descarguen de trabajos que a veces pueden llegar a ser peligrosos. Actualmente, ingenierías como la robótica o mecatrónica, junto con la medicina y psicología, nutren con sus conocimientos a lo que se conoce como ingeniería biónica, que tiene como uno de sus objetivos el desarrollo de prótesis que superan a las tradicionales otorgando al paciente la capacidad de realizar movimientos necesarios en su vida diaria. 1.1. Motivación y necesidad Las amputaciones, ya sean por causas laborales o por enfermedad, son un hecho que afecta a personas en todo el mundo. El número de personas que presenta una amputación en España excede los 60000, la mayor parte debido a diabetes tipo 2, sin contar aquellos que asisten por la sanidad privada, teniendo que costearse una prótesis de forma íntegra a diferencia de lo que ocurre en gran parte de Europa donde éstas están subvencionadas al 90%. Una prótesis de pie ronda los 2300€ y, dependiendo de la tecnología usada y del tamaño, este precio puede ascender a más de 33000€. Si observamos el caso de Estados Unidos la situación empeora, ya que, en 2014, aproximadamente 1.6 millones de personas presentaban algún tipo de amputación, de los cuales, gran parte fue por problemas de diabetes. Según la OMS, en los próximos 18 años se pasará de 135 a cerca de 300 millones de nuevos casos de diabetes, lo que producirá un gran número de amputaciones. El elevado coste de las prótesis que hay en el mercado hace imposible para algunas personas con bajo poder adquisitivo que puedan adquirirlas, limitando su calidad de vida. Este es el motivo por el que surge la idea de diseñar prótesis de bajo coste mediante impresión 3D que permitan a las personas poder realizar tareas del día a día. L “Lo que todos tenemos que hacer es asegurarnos de que estamos usando la IA de una manera que sea en beneficio de la humanidad, no en detrimento de la humanidad” - Tim Cook - Introducción 2 Este tipo de prótesis suelen presentar menor funcionalidad que las existentes en el mercado, sin embargo, permiten a aquellas personas que lo necesiten realizar tareas tan comunes como sujetar utensilios de cocina o coger un teléfono móvil por un precio muy inferior a las más avanzadas, que tienen un rango de precio de entre 20000€ a 60000€ para una prótesis de mano, mientras que una impresa en 3D ronda los 3000€ o incluso si se limita el rango de movimiento para realizar acciones comunes pueden llegar a rebajar su valor considerablemente, como es el caso de la prótesis que se ha desarrollado para este proyecto que ha tenido un coste de fabricación de 250€ aproximadamente. Figura 1.1 Prótesis de mano BeBionic de Ottobock Figura 1.2 Mano del robot InMoov 3 3 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov 1.2 Objetivo y metodología Partiendo de la base de que el presente Proyecto forma parte de una línea de investigación, actualmente abierta, consistente en el estudio de diversas prótesis de mano de bajo coste, el objetivo principal de este Trabajo Fin de Grado será realizar la adquisición de datos, filtrado y control de la mano del robot InMoov para su uso como prótesis, minimizando costes. Para la consecución de este objetivo, se procederá a la impresión 3D de las diferentes piezas que forman parte de la mano y brazo del robot anteriormente citado. En el brazo impreso irán alojados los servomotores que servirán de sistema de accionamiento de la mano mediante hilos de alta resistencia conectados a los dedos que harán la función de los tendones de la mano. Se realizará el control de los servomotores mediante el uso de las señales electromiográficas procedentes de los músculos presentes en el antebrazo utilizando sensores de bajo coste para la adquisición de dichas señales. Éstas presentarán ruido procedente tanto de la interferencia entre los músculos como de factores externos que deberá contrarrestarse mediante algún tipo de filtro. Para comprobar la validación de la prótesis se realizaráun símil sencillo del Protocolo de Evaluación Antropomórfica de la Mano (AHAP, Anthropomorphic Hand Assessment Protocol) y así evaluar los distintos tipos de agarre que la prótesis es capaz de efectuar. Por último, se realizará el estudio aproximado del coste de la prótesis. Introducción 4 1.3 Estado del arte 1.3.1 Amputaciones La amputación de miembros del cuerpo por motivos médicos tiene más de dos milenios de antigüedad, incluso existen evidencias de mutilaciones desde unos 40000 años a. C. A lo largo de la historia han sido muchas las culturas que ejecutaban amputaciones como castigo en periodos como son el Acadio (2300 – 1950 a. C.), el sumerio (1950 – 1800 a. C.) y la primera dinastía babilónica (1800 – 1112 a. C.). Es a partir del 800 a. C., en el tratado denominado “Sushruta Samhita” cuando se describen aspectos médicos en los cuales aparece la amputación como remedio a la muerte de los pacientes. Recordemos que la amputación, como medida quirúrgica, es el corte y separación de alguna parte del cuerpo para controlar el dolor y evitar posibles males mayores, siendo en el grupo de 50 a 75 años de edad la mayor incidencia de pérdida de extremidades, debiéndose principalmente a enfermedades vasculares periféricas. Por el contrario, en los niños suele ser congénito en el 60% de los casos y se debe a defectos en las extremidades. En España hay en torno a unos 60.000 amputados, solo contabilizando a los que van por la sanidad pública. Las causas más habituales de amputación, aunque existe una variedad muy extensa, son:  Vasculopatías diabéticas o no diabéticas  Traumatismos severos  Tumores  Enfermedades neuropáticas  Infecciones  Deformidades congénitas Figura 1.3 Distribución de amputaciones por causa y por nivel 5 5 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Puesto que este trabajo se centra en el estudio de una prótesis de mano, se van a detallar los distintos tipos de amputaciones de los miembros superiores:  Amputación falángica  Amputación metacarpiana  Desarticulación de muñeca  Amputación transradial (antebrazo)  Desarticulación de codo  Amputación transhumeral  Desarticulación de hombro Es importante tratar a los pacientes que sufren amputaciones psicológicamente para evitar lo que se conoce como dolor “fantasma”, es decir, sensación de dolor en el miembro perdido; incluso si el paciente tiene problemas con la prótesis puede desembocar en depresiones o ansiedad, aumentando el dolor de dicho miembro. Figura 1.4 Tipos de amputaciones del miembro superior Introducción 6 1.3.2 Historia de las prótesis La primera prótesis de la que se tiene constancia data entre el 950 y el 750 a.C. y fue descubierta por egiptólogos en una momia en las cercanías de Luxor, Egipto. Se trata de dos réplicas del hallux (dedo gordo del pie) fabricadas en cuero y madera. Este hallazgo le quitó el título a la que hasta entonces era conocida como la prótesis más antigua descubierta, tratándose de una pierna hallada en Capua, Italia, correspondiente al 300 a.C., la cual estaba compuesta de hierro, bronce y madera. Durante la Edad Media, las prótesis funcionales solo estaban al alcance de personas con alto poder adquisitivo, siendo las del resto pensadas principalmente para disimular las amputaciones. Son de esta época la pata de palo o el gancho de mano, mundialmente conocidas. A finales del siglo XX (1997) surgieron dos importantes artefactos: por un lado, la empresa Ottobock inició la era de la biónica con la prótesis C-Leg, la cual era controlada con un microprocesador, y por otro, Touch Bionics presentó la primera mano biónica (Himb) con sensores que calculaban la fuerza que ésta ejercía para evitar romper los objetos al sujetarlos. Figura 1.5 Prótesis de hallux (dedo gordo) hallada en Egipto Figura 1.6 Prótesis C-Leg de Ottobock 7 7 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov 1.3.3 Prótesis en la actualidad Con el paso del tiempo y el avance de la tecnología, las prótesis han mejorado en funcionalidad y, dependiendo de los requisitos y poder adquisitivo del paciente, se pueden diseñar prótesis de muy bajo coste mediante impresión 3D frente a otras de un elevado precio que presentan mayor funcionalidad. Gracias a la tecnología mioeléctrica es posible el uso de prótesis sin requerir arnés de fuerza o de esfuerzo por parte del paciente para hacer funcionar la prótesis mediante la incorporación de sensores que detectan la actividad muscular (EMG) traduciéndolo en movimiento de la prótesis. Sin embargo, no todo son ventajas, ya que su elevado peso o coste siguen siendo un gran inconveniente en la actualidad. A día de hoy existen prótesis capaces de realizar el movimiento independiente de los cinco dedos o de transmitir sensaciones de agarre o manipulación de objetos conectándose al sistema nervioso del paciente, gracias a lo cual es posible controlar la fuerza o diferenciar objetos solo con tocarlos. En el brazo, por ejemplo, se conecta a dos de los principales, el mediano y los cubitales. NEBIAS (NEurocontrolled BIdirectional Artificial upper limb and hand prosthesiS), continuación del extenso proyecto CYBERHAND con más de diez años de investigación, es considerada la mano biónica más avanzada del mundo, capaz de enviar información captada por los sensores al cerebro mediante una interfaz neuronal y lo suficientemente precisa para sostener un huevo. Figura 1.7 Proyecto NEBIAS 15 3 MODELO DE LA PRÓTESIS Y FABRICACIÓN l modelo que se ha usado para la prótesis objeto de este proyecto es el conjunto mano-muñeca-antebrazo del robot InMoov, el cual se ha conseguido mediante impresión 3D con PLA de todas las piezas y posterior ensamblaje, así como la disposición de los servomotores que realizarán la función de músculos y los hilos de alta resistencia que semejarán los tendones de la mano. 3.1 Impresión 3D La fabricación aditiva o impresión 3D consiste en la creación de todo tipo de objetos a partir de un modelo 3D, el cual se imprime capa a capa usando materiales que van desde el plástico o aleaciones metálicas hasta hormigón. Tiene una amplia variedad de utilidades como son el prototipado, optimización de piezas o implantes médicos, entre otras. El aumento de uso de las impresoras 3D en la industria se debe a que, por lo general, son más baratas y rápidas que otras formas de fabricar piezas mediante adición. En 1976 surgen los primeros equipos de impresión 3D tempranos, siendo 5 años más tarde, en 1981, cuando Hideo Kodama inventa métodos de fabricación aditiva con un polímero fotoendurecible. En 1984, Chuck Hull desarrolló un sistema llamado estereolitografía, que consistía en el mismo método inventado por Kodama años atrás. La principal contribución de Hull fue el formato de los modelos 3D, STL, que a día de hoy es el formato de archivo de los softwares de impresión 3D. Existen varios tipos de impresión 3D, como los de hilado, granulado o laminado, aunque el más utilizado en la actualidad es el de extrusión, el cual utiliza una tecnología de modelado por deposición fundida. E Figura 3.1 Modelado por deposición fundida Modelo de la prótesis y fabricación 16 16 Esta tecnología, desarrollada por Stratasys, deposita el material fundido sobre una superficie, disminuyendo la altura de la superficie o aumentando la del extrusor (dependiendo del tipo de impresora) entre capa y capa, siendo imposible volver a una capa anterior una vez expulsado el material. Los movimientos que debe seguir la impresora son posibles gracias al seguimiento de un software de control numérico, el cual indica tanto movimiento como velocidad. El software usado en este proyecto es Ultimaker Cura, de fácil uso y que puede obtenerse de forma gratuita desde tu web. De la gran variedad de materiales que pueden usarse en impresión 3D, los más usados a nivel particular son el Ácido poliláctico y el Acrilonitrilo butadieno estireno, o más comúnmente conocidos como PLA y ABS, respectivamente. El PLA es un material biodegradable que se obtiene del maíz y requiere una temperatura del cabezal menor que para el ABS, en torno a 180 ºC, y la cama de la impresora no necesita ser calefactada, aunque presenta el inconveniente de que este material tiene mayor viscosidad, lo que puede suponer la obstrucción del cabezal. Por su parte, el ABS es más barato y presenta alta resistencia a colisiones, sin embargo, es necesario colocar una carcasa alrededor de la zona de impresión para evitar flujos de aire ya que este material es muy susceptible a los cambios de temperatura y podría provocar grietas en la pieza durante su extrusión. Para este proyecto se ha optado por el uso del PLA ya que, aunque presenta menor durabilidad y es algo menos resistente a colisiones y altas temperaturas, es un material más ecológico y fácil de imprimir que el ABS. Las aplicaciones de la impresión 3D son muy variadas, desde prototipado de piezas en desarrollo, productos finales como mecanismos de sistemas más complejos, repuestos para el mantenimiento de máquinas, fabricación de herramientas… hasta en el mundo de la alimentación (la empresa holandesa ByFlow desarrolló en 2015 una impresora 3D capaz de usar comida como material para crear platos únicos), la construcción (en Eindhoven, Países Bajos, se encuentra la primera vivienda construida en su totalidad con una gran impresora 3D que usó hormigón como material) o la medicina, siendo capaz de replicar órganos que pueden llegar a salvar la vida de los pacientes o prótesis asequibles que hagan más fácil la vida de éstos. Una de las firmas más conocidas en lo relacionado a impresión 3D es Ultimaker, la cual tiene varios modelos de impresoras siendo la utilizada para este proyecto la Ultimaker 3 Extended, impresora de doble extrusor que permite fabricar objetos en Nylon, ABS, PLA o CPE (copoliéster) con un volumen de trabajo de 215 x 215 x 300 mm y capaz de imprimir piezas a una velocidad de 300 mm/s, aunque no es recomendable imprimir a máxima velocidad si se busca un buen acabado. Figura 3.2 Piezas de PLA y ABS 17 17 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov 3.2 Modelo de la prótesis InMoov, la obra del escultor y diseñador francés Gael Langevin, es el primer robot humanoide impreso en 3D open source. En sus inicios, 2012, se trataba de la primera prótesis de mano de código abierto, dando lugar posteriormente a proyectos como E-Nable o Bionico, entre otros. El modelo completo, disponible en su propia web, es fácilmente replicable en impresoras 3D con un área de trabajo de 12x12x12 cm. Todas las piezas necesarias para la puesta en marcha de la prótesis, objetivo de este proyecto, se pueden visualizar tanto en 2D como 3D y descargarlas para su posterior impresión, así como un tutorial muy minucioso de su montaje en su web: https://inmoov.fr/ Figura 3.3 Impresora 3D Ultimaker 3 Extended Figura 3.4 Robot InMoov Modelo de la prótesis y fabricación 18 18 A continuación, se muestran las piezas una vez impresas. En apartados posteriores se estudiará el precio aproximado, tanto del material (microcontrolador, servomotores, sensores, material usado para las piezas…) así como del precio de los KW/h necesarios para su impresión. Para el funcionamiento de la prótesis se ha hecho uso de unos hilos de alta resistencia capaces de soportar, individualmente, un peso aproximado de hasta 43Kg, por lo que es más probable una posible rotura del armazón de la prótesis que del mismo hilo. Los hilos, que realizarán la función de tendones, recorrerán la prótesis a través de una serie de canales desde la punta de cada dedo hasta los servomotores, que estarán dispuestos sobre una plataforma situada en el antebrazo, pasando por unos tensores que mantendrán dichos hilos lo más tensos posibles. Estos irán en parejas, uno para conseguir la flexión de los dedos y el otro para su relajación. Este modelo permite la rotación de la muñeca, sin embargo, al no ser el objetivo del proyecto se ha dejado fija. Figura 3.5 Piezas de la prótesis impresas en PLA 19 19 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Figura 3.6 Prótesis de mano InMoov Modelo de la prótesis y fabricación 20 20 21 21 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov 4 ELECTRÓNICA n este capítulo se va a detallar todo lo relacionado con la electrónica del proyecto. En primer lugar, se hablará del microcontrolador usado, seguido de los servomotores y, por último, un apartado de adquisición de datos en el que se mostrará los sensores EMG, así como gráficas de los resultados obtenidos por éstos. 4.1 Arduino Arduino, el mundialmente conocido hardware libre, surge en 2005 con el objetivo de crear una herramienta de bajo costo con la que personas sin demasiados conocimientos de programación o con estudios de ingeniería pudieran crear proyectos digitales, desde algo tan sencillo como encender o apagar un LED hasta proyectos de IoT o domótica. Existe una gran variedad de placas disponibles, cada una con unas especificaciones particulares. La más conocida, Arduino Uno, posee 6 pines analógicos y 14 digitales y puede ser alimentado tanto por USB como por batería externa de 9V, aunque permite tensiones de hasta 20V. En este proyecto se ha hecho uso de la placa Arduino Mega 2560, una de las más potentes de la marca. Dispone de 54 pines digitales de entrada/salida y 16 entradas analógicas 4 puertos serie de hardware o UART y un oscilador de cristal de 16 MHz. Aunque tenga el inconveniente de que su tamaño es algo mayor que el UNO, se tomó la decisión de utilizar esta placa para poder ir actualizando la prótesis con mejoras sin tener que hacer uso de una segunda placa. E Figura 4.1 Datasheet Arduino MEGA2560 Electrónica 22 22 La alimentación recomendada está entre 7 y 12 voltios. Esto es gracias al regulador de voltaje empleado, el cual garantiza que dicho voltaje sea el adecuado. Arduino MEGA 2560 posee dos reguladores:  El LD1117S50 alimenta al microcontrolador y a los pines de 5V, siendo el principal de los dos reguladores. Posee protección frente a cortocircuito y sobrecalentamiento, ofreciendo hasta 800 mA. Dispone de un diodo a la entrada que protege la placa de fuentes invertidas y tres condensadores que estabilizan el voltaje de entrada y salida. Por otro lado, la relación Voltaje de salida vs Temperatura es muy estable en todo el rango de temperaturas. Figura 4.2 Esquemático del regulador LD1117S50 Figura 4.3 Tensión de salida vs Temperatura del regulador LD1117S50 23 23 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov  El LP2985-33DBVR ofrece algo menos de tensión y corriente que el anterior, 3.3V y 150 mA de máxima, y se utiliza para hacer alimentar otros componentes externos a la placa. Hay que tener precaución con lo que se conecta a este pin ya que no está diseñado para un gran consumo. La siguiente tabla es una comparación del Arduino UNO vs Arduino MEGA 2560, solo se incluirán aquellos parámetros en los que se diferencian una de otra: PARÁMETRO ARDUINO UNO ARDUINO MEGA 2560 Tamaño de la placa 68.6×53.4 mm2 101.52×53.3 mm2 Microcontrolador ATmega328 ATmega2560 Memoria FLASH 32 KB (0.5 KB reservados para el bootloader) 256 KB (8KB reservados para el bootloader) Memoria SRAM 2 KB 8 KB Memoria EEPROM 1 KB 4 KB Entradas/Salidas Digitales 14 54 Salidas Analógicas 6 15 Entradas Analógicas 6 16 Puertos Serial 1 4 Tabla 1 Arduino UNO vs Arduino MEGA 2560 Figura 4.4 Esquemático del regulador LP2985-33DBVR Electrónica 30 30 El objetivo era transformar la señal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia para controlar cada dedo de manera independiente atendiendo a la frecuencia de éstos al contraer los músculos. Si bien las primeras pruebas siguiendo esta metodología ofrecían datos positivos para conseguir el objetivo ya que las señales de cada dedo parecían seguir un patrón que podía usarse para realizar dicho control mediante IA, esta idea se descartó porque después de varias pruebas se observó que no seguían ningún patrón. Tras realizar numerosas pruebas para intentar explicar esta ausencia de patrón, se llegó a la conclusión de que el problema provenía de la baja calidad del sensor EMG y, aún más importante, de los electrodos. La baja adherencia de éstos a la piel, incluso usando gel conductor y ejerciendo fuerza de éstos contra el brazo mediante correas, y la interferencia de los músculos colindantes, hacían que fuese imposible establecer un patrón aceptable. A continuación, se muestran las gráficas de las pruebas anteriormente mencionadas. En la figura (4.19) se observa cómo al estar la mano relajada, sin interferencia muscular alguna, la señal sigue un patrón que podría usarse para el control. Sin embargo, al contraer el puño, este patrón se pierde. Figura 4.18 FFT señal mano relajada y mano contraída 31 31 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Figura 4.19 FFT señal mano relajada y mano contraída, ampliadas Electrónica 32 32 En estas gráficas se representa la FFT de las señales EMG de cada dedo contraído. En ellas se observa claramente que no existe ningún tipo de patrón. Una vez realizadas las pruebas para comprobar la validez de usar la FFT de las señales obtenidas por el sensor con el objetivo de controlar cada dedo de forma independiente mediante IA atendiendo a la frecuencia de éstos, y concluyendo su inviabilidad, se optó por comenzar una segunda línea de investigación basada en el uso de dos sensores. Tras demostrar que con el uso de un solo sensor no se podían alcanzar los objetivos iniciales, se aumentó el número de sensores para intentar alcanzar un nuevo objetivo. En este caso se emplea un sensor EMG para controlar el lado derecho de la mano compuesto por los dedos pulgar, índice y corazón, y otro sensor para el lado izquierdo, formado por los dedos meñique y anular. Figura 4.20 FFT señal dedos de la mano contraídos 33 33 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov La ventaja de dividir la mano en dos secciones independientes reside en el ahorro de batería al utilizar únicamente aquella parte de la mano necesaria para el agarre del objeto deseado. Por ejemplo, si se quisiera coger una llave o un bolígrafo, sería innecesario consumir energía para mover los servomotores correspondientes a los dedos meñique y anular, ya que éstos no intervienen en el agarre de objetos de este tamaño. Seguidamente, se muestran las gráficas de ambos sensores al flexionar cada conjuto de dedos. Figura 4.22 Señal EMG lado derecho de la mano Figura 4.21 Conexión de electrodos, tres por cada sensor Electrónica 34 34 Figura 4.23 Señal EMG lado izquierdo de la mano 35 35 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov 5 FILTRO DE KALMAN l filtro de Kalman, cuyo nombre se debe a su diseñador Rudolf E. Kalman, es uno de los mecanismos de predicción más usados en la actualidad para tareas de localización, radar o control, entre muchas otras. Este predice el estado del sistema basándose en estimaciones pasadas, teniendo en cuenta, no solo el modelo dinámico o de espacio de estados del sistema, sino el ruido o incertidumbre de medición y del proceso (error dinámico del modelo). 5.1 Metodología Un parámetro muy importante en el filtro de Kalman es la varianza, que mide la dispersión de los datos obtenidos y que es igual al cuadrado de la desviación estándar, 𝜎2. Para llegar a esto, se halla la desviación existente entre cada dato del conjunto y la media de este, todo al cuadrado para evitar términos negativos. (𝑥𝑛− 𝜇)2,𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝜇 𝑙𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 La varianza de todo el conjunto se determina con el valor promedio de las desviaciones de cada dato con la media menos la unidad, siendo esto necesario para conseguir que la media converja a la real, obteniendo así un buen estimador. 𝜎2=∑ (𝑥𝑛− 𝜇)2 𝑁 𝑛=1 𝑁 Un valor elevado de la varianza significa que existe una variación grande entre la medida del sensor en un momento específico y la media de todo el conjunto de datos. Cuanto mayor sea el número de datos N que se usen en el estudio, más precisa será la estimación que se realice. E Filtro de Kalman 36 36 Por otra parte, es conveniente aclarar la diferencia entre exactitud y precisión, ya que ambas forman la estimación:  La exactitud determina lo cerca que se encuentra el dato medido del valor real.  La precisión indica lo que varían las medidas del mismo parámetro entre sí. A la precisión de la medición también se le conoce como ruido de medición. De este modo, una estimación puede presentar alta precisión y baja exactitud, o viceversa. Una baja varianza es sinónimo de sistemas con una precisión alta, siendo producida por errores de medición aleatorio. Por otro lado, la baja exactitud recibe el nombre de sistemas sesgados debido a que presentan errores sistemáticos. El filtro de Kalman tiene dos etapas diferenciadas, actualización y predicción, teniendo como entradas:  La inicialización, de la que se obtiene:  El estado inicial del sistema 𝑥′0,0  La incertidumbre inicial del estado 𝑝0,0 (covarianza, aunque en nuestro caso al tratarse de una misma señal hablaremos de varianza), realizando esto una sola vez y se obtienen de otro sistema o por conjeturas.  La medición, que al igual que en la inicialización proporciona dos parámetros:  Medición del estado del sistema 𝑧𝑛  Incertidumbre de medida 𝑟𝑛, realizándolo cada ciclo del filtro. Como salidas se tiene:  La estimación del estado del sistema 𝑥𝑛,𝑛 ′  La incertidumbre estimada 𝑝𝑛,𝑛. Figura 5.1 Exactitud y precisión de datos 37 37 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Por lo tanto, los pasos que sigue el filtro de Kalman (suponiendo únicamente la iteración inicial y primera) serían:  Iteración inicial:  En la etapa de inicialización: asignar valores al estado inicial del sistema 𝑥′0,0 y la incertidumbre inicial del estado 𝑝0,0, teniendo en cuenta que para una rápida convergencia del filtro serán necesarios valores significativos.  En la etapa de predicción, el estado del sistema va a ser el mismo que el inicial, mientras que la incertidumbre del estado será: 𝑝𝑛,𝑛−1 = 𝑝0,0 + 𝑞,𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑞 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑛𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜  Primera iteración:  En la etapa de medición, se obtiene la medición del estado del sistema 𝑧𝑛 e incertidumbre de medida 𝑟𝑛.  En la etapa de actualización se obtiene:  Ganancia de Kalman: 𝐾𝑛=𝑝𝑛,𝑛−1 𝑝𝑛,𝑛−1 + 𝑟𝑛 Figura 5.2 Esquema del filtro de Kalman Filtro de Kalman 38 38  Actualización del estado: 𝑥𝑛,𝑛 ′= 𝑥𝑛,𝑛−1 ′+ 𝐾𝑛∗(𝑧𝑛− 𝑥𝑛,𝑛−1 ′)  Actualización de la varianza: 𝑝𝑛,𝑛 =(1 − 𝐾𝑛)∗ 𝑝𝑛,𝑛−1,𝑐𝑜𝑛 (1 − 𝐾𝑛) ≤ 1 Por último, se extrapola tanto el estado del sistema, 𝑥𝑛,𝑛−1 ′= 𝑥𝑛−1,𝑛−1 ′ como la varianza, 𝑝𝑛,𝑛−1 = 𝑝𝑛−1,𝑛−1 + 𝑞 Figura 5.3 Filtro de Kalman para el análisis de operaciones en bolsa 39 39 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov 5.2 Señales EMG filtradas con filtro de Kalman Tras observar la señal EMG recibida por los sensores, que se pueden consultar en el apartado [4.3.2], se decide filtrar dicha señal con el objetivo de tener una respuesta más limpia con la que poder trabajar. Como se explicará en el apartado de Control de la prótesis [6], la varianza necesaria para realizar este filtro se calcula en el instante inicial de la puesta en marcha de la prótesis con idea de tener un filtro lo más preciso posible. A continuación, se muestran gráficas de las señales EMG recibidas por ambos sensores, así como del filtro diseñado. Se puede apreciar en ambas gráficas cómo el filtro cumple su función, aunque, debido al alto valor de la varianza, la respuesta no es tan suave como sería de esperar. Figura 5.5 Señal EMG vs Filtro de Kalman del lado derecho de la mano Figura 5.4 Señal EMG vs Filtro de Kalman del lado izquierdo de la mano Control de la prótesis 46 46 47 47 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov 7 PRUEBAS CON LA PRÓTESIS BIÓNICA ras recibir las señales EMG mediante los sensores de bajo coste, filtrar dicha señal para limpiarla con un filtro de Kalman y poder trabajar con ella y habiendo diseñado el control que va a conseguir que la prótesis actúe de la forma más eficiente posible, es el momento de realizar la pruebas necesarias para comprobar el correcto funcionamiento de la prótesis de estudio. Para esta comprobación, se han elegido una serie de objetos atendiendo a su forma y tamaño para observar cómo se comporta la prótesis en el momento del agarre con cada uno de ellos. Se han usado los siguientes objetos: frasco de colonia, teléfono móvil, brick, destornillador eléctrico, caja de cereales, rotuladores de varios tamaños, objetos esféricos tales como una mandarina, una pelota de ping-pong y un melocotón, llave inglesa, utensilio de cocina, jarra de plástico y llave de coche. Como ya sabemos, las manos realizan varios movimientos, entre ellos abducción-aducción y flexiónextensión. Sin embargo, nuestra prótesis solo realiza este último movimiento, por lo que realizar el Protocolo de Evaluación de Manos Antropomórficas (AHAP) no resulta muy útil. No obstante, se va a evaluar la prótesis teniendo de base este estudio para comprobar la validez o no de la prótesis. T Figura 7.1 Agarre total frasco de colonia (20cm altura y 3cm Ø) Pruebas con la prótesis biónica 48 48 Figura 7.3 Agarre lado derecho de mano de rotulador fino (12cm altura y 1cm Ø) Figura 7.2 Agarre lado derecho de mano de rotulador grueso (12cm altura y 2cm Ø) 49 49 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov En esta ocasión se observa cómo el pulgar no envuelte por completo el objeto. Sin embargo, la prótesis es capaz de sostenerlo sin problemas. Figura 7.4 Agarre total de llave inglesa (12cm altura) Figura 7.5 Agarre total de brick (10x4x3cm) Pruebas con la prótesis biónica 50 50 A diferencia del caso anterior, con la caja de cereales sí que el pulgar se comporta de una forma más natural, realizando el agarre completo del objeto. Figura 7.7 Agarre lado derecho de mano de melocotón (6cm Ø) Figura 7.6 Agarre total de caja de cereales (35x25x6cm) 51 51 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Figura 7.9 Agarre lado derecho de mano de pelota de ping-pong (3cm Ø) Figura 7.8 Agarre lado derecho de mano de mandarina (5cm Ø) Pruebas con la prótesis biónica 52 52 Figura 7.10 Agarre total de jarra de plástico (30cm altura y 10cm Ø) Figura 7.11 Agarre total de utensilio de cocina (mando de 10cm) 53 53 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov Figura 7.13 Agarre total de teléfono móvil (13x6cm) Figura 7.12 Agarre total de destornillador eléctrico (capaz de soportar peso considerable) Pruebas con la prótesis biónica 54 54 De todas las pruebas realizadas, solo una resultó fallida, se trata de la llave del coche. Esto puede deberse a varias razones:  La falta de flexión de una parte de la prótesis debido al diseño de la misma.  Escasez de material antideslizante en la parte interior de la mano y alrededor de los dedos.  El reducido tamaño del objeto. Por lo tanto, de 14 objetos propuestos para realizar el protocolo de validación, solo uno de ellos ha resultado no satisfactorio, es decir, se deduce que la prótesis tiene un 92.86% de efectivadad según los objetos presentados. Tras observar todos los resultados, se ha llegado a la conclusión de que un menor tamaño de la palma de la mano de la prótesis, junto con un mejor sistema de flexión de los dedos, harían de este modelo una opción muy válida para el uso humano. 55 55 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov 8 COSTE DE LA PRÓTESIS no de los objetivos de este Proyecto es fabricación de la prótesis con el menor coste posible. Para ello se han utilizado los materiales más económicos existentes para suplir las necesidades que se van presentando para el desarrollo de la misma. A continuación, se adjuntarán una serie de tablas con las cantidades y costes aproximados de cada uno de los materiales empleados. Materiales y componentes Cantidad Precio/unidad Precio total PLA (armazón prótesis) 430 gramos 32.75€/Kg 14.08€ Servomotor 5 18.55€ 92.75€ Sensor EMG 2 16.47€ 32.94€ Arduino MEGA 2560 1 41.85€ 41.85€ Resistencias 2 0.39€ 0.78€ Hilo alta resistencia 5 metros 0.13€/m 0.65€ Baterías 9V 2 2.70€ 5.40€ Batería Li ion recargable 2 24.91€ 49.82€ Consumo eléctrico aproximado (consumo impresora: 221W/h) 90 horas (19.89 kW) 0.12€ kW/h 2.39€ Total 240.66€ Tabla 2 Coste aproximado prótesis U Apéndice A Códigos 62 62 // Control mano abierta/cerrada if (AmpL > 25 && AmpR > 25 && flag_R == 0 && flag_L == 0) { if(temp1.Saida(1)){ if(pos == 180){ pos = 0; servoindex.write(pos); servomajeure.write(pos); servoringfinger.write(pos); servopinky.write(pos); servothumb.write(pos); temp1.Saida(0); } else{ pos = 180; servoindex.write(pos); servomajeure.write(pos); servoringfinger.write(pos); servopinky.write(pos); servothumb.write(pos); temp1.Saida(0); } } } 63 63 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov APÉNDICE B MANUAL DE USO Y CONSERVACIÓN xisten ciertos aspectos a tener en cuenta a la hora de hacer uso de la prótesis. En este anexo se intentará detallar paso a paso cómo realizar la puesta su marcha, así como la adquisición de datos, con el objetivo de facilitar el trabajo en la medida de lo posible para futuros investigadores que continúen esta línea de investigación. En primer lugar, antes de proceder a la colocación de los electrodos se debe limpiar con alcohol la zona del antebrazo donde vayan a colocarse para alargar la vida útil de estos. Como ya se mencionó anteriormente en este Proyecto, cada sensor recibe la señal a través de tres electrodos diferenciados por colores, de forma que uno (amarillo) se posicione en la zona reversa del antebrazo, por el codo o alguna zona de hueso. Los otros dos se establecen en la parte interna del antebrazo, uno de ellos (verde) en la zona media del músculo y el otro (rojo) en la parte final de éste, más cerca de la fosa del codo. Esto es así para mejorar la adquisición de la señal. En nuestro caso, al usar dos sensores, es decir, seis electrodos, la posición de éstos quedaría de la siguiente manera: los dos amarillos en la zona del codo, el verde y rojo de uno de los sensores en la cara interna del antebrazo, mientras que los correspondientes al otro sensor se situarán aproximadamente en la zona central longitudinal del interior del antebrazo. Con respecto al control de la prótesis, es aconsejable que una vez se inicie el programa se deje en reposo la mano ya que, durante los primeros segundos de funcionamiento, éste se encarga de calcular la varianza y cualquier señal parásita podría alterar el correcto funcionamiento de la prótesis. Para avisar de que el proceso ha finalizado, la prótesis realiza un movimiento de cierre y apertura de la mano, lo que indica que ya está lista para su uso. E Figura 0.1 Colocación de electrodos Apéndice B Manual de uso y conservación 64 64 El cierre y apertura de la prótesis está relacionado con el movimiento de nuestra mano: si cerramos con fuerza los dedos meñique y anular durante 1 segundo, la prótesis cerrará estos dedos hasta que no se realice el mismo movimiento para conseguir su apertura. Lo mismo ocurre con el lado derecho de la mano, dedos pulgar, índice y corazón. Esto es así para evitar mantener una fuerza considerable, lo que supondría un desgaste físico de los músculos del antebrazo. Para facilitar la aplicación de la fuerza es aconsejable, en una persona no amputada, el uso de algún objeto sobre el que aplicar dicha fuerza. Para la conservación de la prótesis, no es aconsejable desmontarla debido a que los hilos que la actúan están fijos en la punta de los dedos y sería muy engorroso volver a colocar todos los hilos, aunque sería interesante desarmarlos de los servomotores si la prótesis va a estar durante largo tiempo sin ser usada, ya que podrían dar de si con el tiempo y disminuir la funcionalidad de la prótesis. Los servomotores conviene dejarlos en la posición de reposo, 0º según la disposición actual de los mismos, para que, al volver a armar los hilos de actuación, la posición inicial de la mano sea abierta. Como es obvio, mantener todos los dispositivos, así como la prótesis, protegidos del polvo y líquidos para evitar el daño del mecanismo y los componentes. 65 65 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Arduino UNO vs Arduino MEGA 2560 23 Tabla 2 Coste aproximado prótesis 55 Índice de Tablas 66 66 67 67 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Prótesis de mano BeBionic de Ottobock 2 Figura 1.2 Mano del robot InMoov 2 Figura 1.3 Distribución de amputaciones por causa y por nivel 4 Figura 1.4 Tipos de amputaciones del miembro superior 5 Figura 1.5 Prótesis de hallux (dedo gordo) hallada en Egipto 6 Figura 1.6 Prótesis C-Leg de Ottobock 6 Figura 1.7 Proyecto NEBIAS 7 Figura 1.8 Prótesis pasiva o estética 8 Figura 1.9 Prótesis mecánica 8 Figura 1.10 Brazo biónico Luke Arm, 2010 9 Figura 2.1 Huesos de la muñeca 11 Figura 2.2 Anatomía de la mano 12 Figura 2.3 Articulación metacarpofalángica 13 Figura 3.1 Modelado por deposición fundida 15 Figura 3.2 Piezas de PLA y ABS 16 Figura 3.3 Impresora 3D Ultimaker 3 Extended 17 Figura 3.4 Robot InMoov 17 Figura 3.5 Piezas de la prótesis impresas en PLA 18 Figura 3.6 Prótesis de mano InMoov 19 Figura 4.1 Datasheet Arduino MEGA2560 21 Figura 4.2 Esquemático del regulador LD1117S50 22 Figura 4.3 Tensión de salida vs Temperatura del regulador LD1117S50 22 Figura 4.4 Esquemático del regulador LP2985-33DBVR 23 Figura 4.5 Servomotor estándar Parallax 24 Figura 4.6 Conexionado de alimentación externa para el uso de varios servomotores 24 Figura 4.7 Divisor de tensión 25 Figura 4.8 Conexionado de servomotores a Arduino con alimentación externa y divisor de tensión 25 Índice de Figuras 68 68 Figura 4.9 Sensor EMG de bajo coste 26 Figura 4.10 Etapa de medida 26 Figura 4.11 Etapa de rectificación 27 Figura 4.12 Etapa de filtrado 27 Figura 4.13 Etapa de amplificación 28 Figura 4.14 Conexión sensor EMG 28 Figura 4.15 Señal EMG ejerciendo fuerza de agarre mínima 29 Figura 4.16 Señal EMG ejerciendo fuerza de agarre máxima 29 Figura 4.17 Señal EMG ejerciendo fuerza de agarre media 29 Figura 4.18 FFT señal mano relajada y mano contraída 30 Figura 4.19 FFT señal mano relajada y mano contraída, ampliadas 31 Figura 4.20 FFT señal dedos de la mano contraídos 32 Figura 4.21 Conexión de electrodos, tres por cada sensor 33 Figura 4.22 Señal EMG lado derecho de la mano 33 Figura 4.23 Señal EMG lado izquierdo de la mano 34 Figura 5.1 Exactitud y precisión de datos 36 Figura 5.2 Esquema del filtro de Kalman 37 Figura 5.3 Filtro de Kalman para el análisis de operaciones en bolsa 38 Figura 5.4 Señal EMG vs Filtro de Kalman del lado izquierdo de la mano 39 Figura 5.5 Señal EMG vs Filtro de Kalman del lado derecho de la mano 39 Figura 7.1 Agarre total frasco de colonia (20cm altura y 3cm Ø) 47 Figura 7.2 Agarre lado derecho de mano de rotulador grueso (12cm altura y 2cm Ø) 48 Figura 7.3 Agarre lado derecho de mano de rotulador fino (12cm altura y 1cm Ø) 48 Figura 7.4 Agarre total de llave inglesa (12cm altura) 49 Figura 7.5 Agarre total de brick (10x4x3cm) 49 Figura 7.6 Agarre total de caja de cereales (35x25x6cm) 50 Figura 7.7 Agarre lado derecho de mano de melocotón (6cm Ø) 50 Figura 7.8 Agarre lado derecho de mano de mandarina (5cm Ø) 51 Figura 7.9 Agarre lado derecho de mano de pelota de ping-pong (3cm Ø) 51 Figura 7.10 Agarre total de jarra de plástico (30cm altura y 10cm Ø) 52 Figura 7.11 Agarre total de utensilio de cocina (mando de 10cm) 52 Figura 7.12 Agarre total de destornillador eléctrico (capaz de soportar peso considerable) 53 Figura 7.13 Agarre total de teléfono móvil (13x6cm) 53 Figura 0.1 Colocación de electrodos 63 69 69 Adquisición de datos, filtrado y control de una prótesis biónica de mano de bajo coste basada en el robot InMoov BIBLIOGRAFÍA [1] Dr. Amado Rafael Gutiérrez-Carreño, "Amputación de extremidades. ¿Van al alza? 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