Desenvolvimento e avaliação de interfaces homem-máquina para o controle e atuação de próteses de membros superiores

Orientador: Eric RohmerDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O objetivo desta dissertação é desenvolver e avaliar interfaces para o controle e atuação de próteses de mão. As interfaces desenvolvidas combinam sinais de eletromiografia (EMG) com identificação de rádiofrequência (Módulo RFID), Unidade de Medida Inercial (Módulo de movimento) ou técnicas de visão computacional (Módulo de visão) para selecionar os tipos de interação. Os sinais EMG são responsáveis por desencadear o sistema, enquanto os outros sensores são responsáveis pela seleção da preensão para que o usuário possa interagir com o ambiente. As interações do usuário com a prótese podem ser vistas em uma simulação. A avaliação das três interfaces foi realizada utilizando o Nasa Task Load Index, que acessa a carga de trabalho dos usuários ao usar o sistema para executar tarefas. Essa avaliação acessa níveis de Demanda Mental, Demanda Física, Demanda Temporal, Esforço, Desempenho e Frustração para calcular a carga de trabalho geral das tarefas. Os resultados mostram que o Módulo RFID é a interface que requer menos esforço cognitivo do usuário, seguido pelo Módulo Visão e o Módulo de Movimento, respectivamente. Adicionalmente, o fato de os usuários das interfaces não necessitarem realizar várias co-contrações, como acontece nos sistemas mioelétricos, reduz sua carga cognitiva. Uma tabela comparativa das três interfaces enfatiza as vantagens e desvantagens de cada interface em um ambiente instrumentado e não instrumentadoAbstract: The purpose of this dissertation is to develop and evaluate interfaces for controlling and actuation of prosthetic hands. The interfaces developed combine Electromyography signals (EMG) with Radio Frequency Identification (RFID Module), Inertial Measurement Unit sensor (Motion Module) or Computer Vision techniques (Vision Module) to select the types of interaction. The EMG signals are responsible for triggering the system while the other sensors are responsible for the selection of the grasp so the user can interact with the environment. The user interactions with a prosthesis can be seen in a simulation of the prosthesis. The evaluation of the three interfaces was conducted using the Nasa Task Load Index, that accesses the workload of the users while using the system to perform tasks. This evaluation access levels of Mental Demand, Physical Demand, Temporal Demand, Effort, Performance, and Frustration to calculate the overall workload of the tasks. As the results show, the RFID Module is the interface that requires less cognitive effort from the user, followed by the Vision Module and Motion Module, respectively. Additionally, the fact that the users of the interfaces do not need to perform various co-contractions as happens on myoelectric systems reduces their cognitive burden. A comparative table of the three interfaces emphasises the advantages and disadvantages of each interface in a controllable and no-controllable environmentMestradoEngenharia de ComputaçãoMestra em Engenharia Elétric

Reengineering to 6 degrees of freedom wrist and hand prosthetic device

En este documento se muestra paso a paso el proceso de rediseño de una prótesis fabricada en el año 2014 por el Ing. Juan Camilo Hernández Mejía (proyecto ING-IMP-3124) para optar por su título de magíster en Ingeniería en Mecatrónica, la prótesis en el año 2021 presenta rupturas, daños y lesiones en sus componentes mecánicos y electrónicos dados por el transcurso del tiempo, fricción, oxidación y demás. Se analizan los actuales desarrollos Biomecatrónicos (protésicos) más relevantes y con mejores visualizaciones en algunas revistas científicas para tomar las ideas necesarias para rediseñar y refabricar un dispositivo protésico funcional relativamente de bajo costo comparado con el prototipo anterior (inferior a los $10.000.000 de pesos Colombianos). Teniendo en cuenta los datos presentados por el Ministerio de Salud y Protección Social en Noviembre de 2017 Ver Figura 1-4 tan solo cerca del 1,48$1.000.000 de pesos Colombianos, este monto a duras penas logra solventar sus necesidades básicas, haciendo casi imposible adquirir por parte del usuario cualquier sistema de rehabilitación, es por eso que el costo de fabricación de esta prótesis debe ser el menor posible, dotando a su vez de algunas características motrices naturales, mejorando así el estado psicológico y emocional del usuario.Contenido Agradecimientos VI Resumen VIII 1. Introducción 2 1.1. Justificación.................................... 2 1.2. Planteamiento del problema ........................... 4 1.2.1. Identificación y descripción........................ 4 1.3. Estado del Arte.................................. 7 1.3.1. Design, implementation and performance validation of UOMPro artificial hand: Towards affordable hand prostheses [5]. . . . . . . . . . . 12 1.3.2. Compact and Lightweight Transradial Electric Prosthesis for Children with Forearm Deficiency [10]........................ 14 1.3.3. Fucntional Modification of Upper Limb Prosthesis for Below Elbow Congential Deficiencies [11]........................ 16 1.3.4. Design of a 3-DOF prosthetic wrist for low-cost transradial myoelectric upperlimb prosthesis [12]......................... 17 1.3.5. Upper limb prostheses for amputations above elbow: A review The BostonElbow [13],[14].......................... 19 1.3.6. Upper limb prostheses for amputations above elbow: A review Utah Arm [13],[15]. .............................. 20 1.3.7. Upper limb prostheses for amputations above elbow: A review Otto BockHand [13],[16]............................ 21 1.3.8. User-Prosthesis Interface for Upper Limb Prosthesis Based on Object Classification [17].............................. 22 1.3.9. An Affordable open-source multifunctional upper-limb prosthesis with intrinsic actuation [18]........................... 24 1.3.10. Diseño e implementación de un sistema protésico para rehabilitación de personas con amputación tras-humeral [19]. . . . . . . . . . . . . 26 1.3.11. Pregunta de investigación ........................ 29 1.4. Objetivos ..................................... 29 1.4.1. Objetivo general ............................. 29 1.4.2. Objetivos específicos ........................... 29 1.5. Alcance o delimitación de la propuesta ..................... 30 Contenido xi 2. Fundamentos Teóricos 31 2.1. MarcoTeórico................................... 31 2.1.1. Amputación................................ 31 2.1.2. Amputación De Antebrazo........................ 32 2.1.3. Después de la Amputación........................ 32 2.1.4. Protetización y rehabilitación ...................... 33 2.2. Marco Legal.................................... 35 2.3. Metodología Cuantitativa ............................ 36 3. Dispositivo protésico de 6 grados de libertad 39 3.1. Diseño conceptual experimental ......................... 40 3.1.1. Requerimientos, selección y evaluación de actuadores . . . . . . . . . 41 3.2. Diseño Electrónico PCB’s Proteus®...................... 44 3.3. Diseño Asistido por Computador (CAD) SolidWorks ® . . . . . . . . . . . . 55 3.4. Simulación Multicuerpo (MATLAB ®/Simscape TM) . . . . . . . . . . . . . . 65 3.5. Programación en Arduino®........................... 71 3.6. Diseño Aplicativo Móvil (Reconocimiento de palabras) MIT App Inventor® 78 3.7. Estudio de movimiento en SolidWorks® .................... 85 3.8. Análisis por elementos finitos (FEA) en SolidWorks® . . . . . . . . . . . . . 88 4. Primeras pruebas y solución de errores 93 4.1. Protocolo de pruebas............................... 93 4.2. Primeras pruebas ................................. 95 4.3. Solución de errores ................................ 101 4.4. Pruebas finales .................................. 109 5. Análisis de costos 123 6. Conclusiones y trabajo futuro 128 7. Bibliografía 129 A. Apéndice: ENSAMBLAJESIMSCAPE DataFile.m 133 B. Apéndice: Función Bluetooth® 136 C. Apéndice: Funciones Movimientos 139 D. Apéndice: INICIALIZACIÓN (POSICIÓN DE LOS DEDOS) 142 E. Apéndice: MOVIMIENTOS 146 A. Anexo: VIDEOS 151This document shows step by step the process of redesign of a thesis fabricated in 2014 by Eng. Juan Camilo Hernández Mejía (Project ING-IMP-3124) to opt for his Master’s degree in Mechatronic Engineering, the prosthesis in the year 2021 presents ruptures, damages and injuries in its mechanical and electronic components due to the course of time, friction, oxidation and others. The most relevant and best visualized current biomechatronic (prosthetic) developments in some scientific journals are analyzed in order to take the necessary ideas to redesign and refabricate a relatively low cost functional prosthetic device compared to the previous prototype (less than $10.000,000 Colombian pesos). Considering the data presented by the Ministry of Health and Social Protection in November 2017 See Figure 1-4 only about 1.48$1. 000,000 Colombian pesos, this amount barely manages to meet their basic needs, making it almost impossible for the user to acquire any rehabilitation system, which is why the cost of manufacturing this prosthesis should be the lowest possible, in turn providing some natural motor characteristics, thus improving the psychological and emotional state of the user.PregradoDieses Dokument zeigt Schritt für Schritt den Prozess der Neugestaltung einer Prothese, die 2014 von Juan Camilo Hernández Mejía (Projekt ING-IMP-3124) hergestellt wurde, um sich für seinen Masterabschluss in Mechatronik zu entscheiden. Die Prothese weist im Jahr 2021 Risse, Schäden und Verletzungen an ihren mechanischen und elektronischen Komponenten auf, die durch den Lauf der Zeit, Reibung, Oxidation und andere Faktoren verursacht werden. Die wichtigsten aktuellen biomechatronischen (prothetischen) Entwicklungen werden analysiert und mit besseren Visualisierungen in einigen wissenschaftlichen Zeitschriften versehen, um die notwendigen Ideen für die Neugestaltung und Wiederherstellung einer funktionellen prothetischen Vorrichtung zu relativ geringen Kosten im Vergleich zum vorherigen Prototyp (weniger als 10.000.000 kolumbianische Pesos) zu erhalten. Unter Berücksichtigung der Daten des Ministeriums für Gesundheit und sozialen Schutz im November 2017 Siehe Abbildung 1-4 nur etwa 1,48% der Menschen mit Behinderungen haben Einkommen über $ 1.000.000 kolumbianischen Pesos, dieser Betrag kaum gelingt, ihre Grundbedürfnisse zu decken, so dass es fast unmöglich für den Benutzer, jede Rehabilitationssystem zu erwerben, weshalb die Kosten für die Herstellung dieser Prothese sollte so niedrig wie möglich sein, die wiederum einige natürliche motorische Eigenschaften, wodurch die psychologische und emotionale Zustand des Benutzers