1. PRTESIS ROBTICAS PARA HUMANOS.
Pal Santiago Saldaa Caldas.
paul_ssc@hotmail.com
Universidad Politcnica Salesiana
Ingeniera Electrnica
Electrnica Analgica II
Abstract En este artculo se hace una revisin de las prtesis robticas para personas. Adems en este trabajo se presentan algunos argumentos quejustifican el desarrollo de las mismas, y los principales retos que existen para crear prtesis fiables para un alto rendimiento que emulen apropiadamente el comportamiento de los miembros que se sustituyen. Por ultimose presentan algunos ejemplos de prtesis robticas exitosas.

NOMENCLATURE
Fisiologa, Biomecnica, Mioelectrica, metablica, mecatrnica, neurociencia, actuadores, giroscopio, microprocesador, unidireccional, Wi-Fi, retina.
INTRODUCCIN
L
a palabra prtesis proviene del griego: pros () 'por aadidura', 'hacia' the-sis () 'disposicin' [1]. El diccionario de la Real Academia Espaola adopta como definicin: Procedimiento mediante el cual se repara artificialmente la falta de un rgano o parte de el; o como el aparato o dispositivo destinado a esta reparacin. [2].
En trminos generales una prtesis (dentro del mbito medico), es una extensin artificial que reemplaza una parte faltante del cuerpo.
Considerando las definiciones citada en el prrafo anterior, podemos definir a una prtesis robtica, como un elemento artificial dotado de cierta autonoma e inteligencia capaz de realizar una funcin de una parte faltante del cuerpo .
Dicha autonoma e inteligencia se logra al integrar sensores, procesadores, actuadores, y complejos algoritmos de control.
De acuerdo a esta definicin, las prtesis de uso cosmtico quedan completamente excluidas, como por ejemplo los ojos de vidrios, las piernas de madera, etc.
Existen ejemplos de usos de prtesis en la antigedad como la mano de acero utilizada por Gotz von Berlichingen (1504 d.C.) [3], o la pierna de Bronce de Capua (300 a.C.) [4], o lo que hasta la fecha es la prtesis hallada mas antigua el dedo gordo del Cairo, perteneciente a una momia egipcia (entre 1069 a.C. y 664 a.C) [5]. (figura 1).
*Este artculo ha sido realizado como parte de la asignatura de Electrnica Analgica 2 de la Universidad Politcnica Salesiana.

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Figura 1: [1] Primeras prtesis
Si bien, el uso de prtesis es consecuencia de accidentes, cncer, males formaciones, etc., el factor determinante que ha impulsado el desarrollo de las mismas fue la necesidad de mejorar la calidad de vida de los sobrevivientes de guerras.
El desarrollo de prtesis, involucra la necesidad de fusionar conocimientos de la fisiologa y biomecnica humana, mecanizado de materiales y prototpico de mecanismos, interface hombre- maquina.
En este artculo se muestra las prtesis actuales ylosdesarrollos recientes de prtesis robticas, por ultimo se presentan algunos argumentos que justifican el desarrollo de prtesis robticas, y los principales retos que existen para crearprtesis fiables.
JUSTIFICACIN DE LA ROBOTIZACIN
Las prtesis datan desde 1912, estas prtesis tenan la forma de gancho que poda ser cerrado o abierto encogiendo los hombros y mediante una cuerda que pasaba por la espalda. Despus de la segunda guerra mundial, se creo la mano mioelectrica, sin embargo esto no cambio el hecho de que las prtesis eran difciles de manejar.
Las prtesis de brazo tienen como mucho tres grados de
libertad: se puede abrir y cerrar el gancho, se puede extender y retraer el codo, y con los modelos mas sofisticados se puede rotar la mueca.
Esto contrasta con un brazo humano que tiene mas de 25 grados de libertad y por lo tanto una mayor destreza, adems de la habilidad de determinar si algo esta frio o caliente. Por otro lado, en las prtesis de pierna existen aun algunos problemas, por ejemplo, los amputados que utilizan prtesis mecnicas requieren entre 10-60% mas energa metablica que las personas tienen el miembro real, dependiendo de la velocidad de caminado, el estado fsico de la persona, la causa de la amputacin, el nivel de amputacin, y las caractersticas de la prtesis. Adems, los amputados caminan entre 10-40% ms lento que las personas intactas
[9]. Tales problemas clnicos son en parte generados por las prtesis actuales. Las prtesis comerciales actuales
comprimen estructuras de resortes que almacenan y liberan energa durante cada periodo de estancia. Debido a su naturaleza pasiva, estas prtesis no pueden generar mas energa mecnica que la que es almacenada durante cada paso. Al contrario, el tobillo humano genera trabajo neto positivo y tiene mayor potencia pico durante el periodo de estancia.
Por otra parte, en los ltimos aos se han desarrollado con gran xito diversas prtesis visuales que han permitido a personas ciegas percibir objetos y determinar su posicin.
Estas prtesis estn an lejos de devolver la vista a las personas ciegas, sin embargo tienen un enorme potencial, y se irn haciendo ms tiles a medida que mejore la tecnologa.
DIFICULTADES EN LA ELABORACIN
Hacer una prtesis robtica de una calidad aceptable requiere de un enorme esfuerzo, no solo en el campo de la mecatrnica si no tambin en neurociencia, ingeniera electrnica, ciencias cognitivas, procesamiento de seales, diseo de bateras, nano-tecnologa, y ciencias del comportamiento.
Para obtener una prtesis que emule en buena forma la dinmica del miembro amputado es necesario que el diseo satisfaga ciertas especificaciones, como lo son:
Tamao y Masa: Las dimensiones de la prtesis deben ser las mismas que las del miembro que sustituyen. Por otro lado, la masa debe ser igual o menor a la del miembro amputado para que el portador pueda manipularla con facilidad y no haga esfuerzos extraordinarios que puedan daar los msculos que soportan la prtesis.
Velocidad y Torque. La prtesis debe capturar completamente el comportamiento torque velocidad del miembro que sustituye.
Bateras. La duracin de las bateras de una prtesis robtica debe permitir un funcionamiento de al menos 16 hrs para que el usuario no tenga problemas de insuficiencia de energa durante las actividades diarias.
Ancho de Banda del Torque. El ancho de banda de
una prtesis es la frecuencia a la que se debe actualizar el torque aplicado en el mecanismo de accionamiento de tal manera que el caminado sea natural.
Una de las principales limitaciones por la cual el desarrollo
de prtesis robticas comerciales no se a realizado se debe a el pequeo nmero de personas que lo necesitan. Debido a eso puede resultar que una prtesis de elevado numero de grados de libertad sea muy costosa y prcticamente incosteable para la mayora de la gente.
CLASIFIACIN DE LAS PRTESIS
De acuerdo a la bibliografa consultada, a continuacin se proponen una serie de clasificaciones basadas en la funcin
que realiza, los elementos que emplea para realizar su funcin y la metodologa empleada para su control.
Figura 2: [5] Clasificacin de las prtesis
PRTESIS COMERCIALES
PRTESIS ROBOTIZADAS
En esta subsuncin se presentan algunas prtesis robotizadas que ya son comerciales y otras que estn en fase de investigacin.
Aqu se caracterizan como prtesis robticas aquellas que tiene una fuente de energa propia, un actuador, y sensores que permiten leer los movimientos deseados por el usuario. Por lo tanto tambin se requiere un sistema de procesamiento de esas seales (aun en su forma mas bsica) para poder convertir esas seales en movimientos de los actuadores. En esta definicin no es necesario que el sistema provea de retroalimentacin al
usuario.
Mano Mio-elctrica (Otto Bock).- Esta mano tiene una fuerza de agarre (100N) y una velocidad (300 mm/s), se pueden agarrar objetos rpidamente y con precisin. Se puede seleccionar un total de 6 programas diferentes con ayuda del MyoSelect 757T13 y ajustarlos a la indicacin del cliente como corresponda. Permiten una adaptacin optima a las necesidades y capacidades del usuario de la prtesis.
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Figura 3: [4] Prtesis MyoHand
Mano electrnica (Otto Bock).- Esta mano tiene el Control Dinmico de Modo (DMC en ingles) la velocidad y la fuerza de aprehensin se regulan de forma proporcional a la fuerza de la seal muscular. Este control tambin se caracteriza por un nuevo tipo de modo de seguridad: Despus de agarrar una vez con la mxima fuerza, se requiere una seal EMG ligeramente mas alta para abrir la mano. Esto evita que la mano se abra debido a una contraccin involuntaria del musculo. El control Digital Twin combina en una sola mano ambos controles clsicos: el digital y el control por doble canal.
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Figura 4: [10] Prtesis MyoHand
Codo-Antebrazo ErgoArm (Otto Bock).- ErgoArmR, ErgoArmR plus, ErgoArmR Hybrid plus y ErgoArmR Electronic plus son cuatro componentes de codo que facilitan el tratamiento myoelectrico en altos niveles de amputacin.
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Figura 5: [10] Prtesis Codo-Antebrazo
Gracias a la conexin fcil "EasyPlug", todos los cables elctricos desaparecen en el interior de la prtesis para que pasen desapercibidos y estn protegidos.
Prtesis Bionica I-Limb.- Es una mano binica cuyos dedos son controlados independientemente y por lo tanto permiten una gran cantidad de movimientos. La mano I-limb ya ha sido implantada en pacientes de varios pases [12].

Figura 6: [4] Mano I-limb
El Brazo de Luke.- Ha sido diseado para que posea cuatro caractersticas como lo son: ligero, gil y contener mltiples controladores. El diseo modular permite configura la prtesis para cada amputado (dependiendo del nivel de amputacin). El peso del brazo es el de una mujer promedio El brazo de Luke tiene 24 grados de libertad. Adems, tiene 12 microprocesadores y contiene sensores de realimentacin de fuerza para mejorar el control.
El brazo se puede mover con seales nerviosas, musculares, o utilizando sensores de presin en la planta del pie [7].
Figura 15: [7] Brazo de Luke
Prtesis de rodilla Power Knee (Ossur).- Es la primera prtesis de rodilla que remplaza la funcin muscular perdida a travs de una fuente activa de potencia (un actuador electrico) que permite generar la propulsin necesaria para el caminado y tambin en actividades como lo son levantarse de una silla de ruedas o subir las escaleras.
La Power Knee contiene un arreglo de sensores, incluyendo giroscopios, clulas de presin, celdas de cargas, sensores angulares y el Modulo de propia recepcin Artificial en la Pierna de sonido (utiliza un sensor de sonido que permite conocer el ritmo de la pierna sana).
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Figura 16: [4]Prtesis de rodilla instalada.
El sistema contiene un microprocesador que utiliza la informacin de los sensores para lograr un caminado similar al humano.
La informacin proveida por sistema sensorial del sonido lateral permite regenerar la verdadera cinemtica del caminado mientras anticipa la funcin requerida cuando las condiciones de caminado cambian.
Prtesis de pie Propio foot (Ossur).- Los acelermetros miden en tiempo real el movimiento a una velocidad de 1600 ciclos por segundo. Siguiendo la ruta del tobillo a travs del espacio, el sistema define las caractersticas del caminado y los eventos, incluyendo el golpe del taln y el movimiento para dejar el suelo.
Una tarjeta de control recibe un flujo constante de seales del sistema de inteligencia artificial. El controlador comanda a un actuador lineal para que las fuerzas y posiciones del piese adecuen durante el caminado.
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Figura 17: [10] Propio Foot
Como se puede ver el la figura, existen 5 elementos principales del sistema mecnico: un motor de d.c., una transmisin, un resorte en serie, un resorte en paralelo unidireccional, y una prtesis del pie de plstico. Los tres primeros elementos son combinados forman un sistema llamado Actuador Elstico en Serie (SEA).
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Figura 18: [10] Esquema del tobillo
Prtesis Visuales.- Las prtesis visuales pueden crear una sensacin de visin activando elctricamente las celulas nerviosas del sistema de visin. Las prtesis pueden convertir imgenes desde una cmara en patrones de estimulacin elctrica aplicada a una membrana mediante un estimulador neuronal implantado.
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Figura 19: [11] Prtesis de retina con videocmara
En la figura 19 se puede ver el concepto de una prtesis de retina que captura una imagen con una cmara de video. La informacin de la imagen se procesa y es transmitida va Wi-Fi al estimulador implantado, el cual estimula la retina en un patrn.
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Figura 20: [11] Concepto de una prtesis de retina.
CONCLUSIONES
En este artculo se presento una revisin de las prtesis robticas actuales. Se realizo una clasificacin de los tipos de prtesis, por funcionamiento, actuacin y modo de control.
Se explica porque es til el desarrollo de prtesis robticas, y los principales retos que existen para crear prtesis fiables y de alto rendimiento que emulen apropiadamente el comportamiento de los miembros que sustituyen.
Una de las principales limitaciones por la cual el desarrollo de prtesis robticas comerciales no se ha arraigado es el relativamente pequeo nmero de personas que lo necesitan
El camino por recorrer aun es largo, ya que la tecnologa de los componentes de una prtesis robtica es cara y el nmero de personas amputadas es relativamente bajo, dificultando as el desarrollo de productos comerciales.
El Brazo de Luke es un ejemplo de la tecnologa existente que permite el desarrollo de prtesis con un alto grado de destreza y robustez, y en el futuro a medida que se haga ms econmica la tecnologa es muy posible que prototipos como este se conviertan en productos comercialmente atractivos y de uso generalizado.
REFERENCIAS
[1] Diccionario medico-biolgico, histrico y etimologico,
www.dicciomed.es
[2] Diccionario de la Real Academia Espaola, www.buscon.rae.es
[3].www.britannica.com/EBchecked/topic/62054/Gotz-von-Berlichingen
[4]Roman artificial leg, 300 BC,
www.sciencemuseum.org.uk/objects/classical_and_medieval_medicine
[5] The Cairo www.news.bbc.co.uk/2/hi/health/6918687.stm
[6] Matt Bristol, VAnguard, U.S. Department of Veteran Afair, May/June 2005, pp.19-21. www.va.gov
[7] Jonathan Kuniholm Open Arms,IEEE SPECTRUM March 2009. 17, Issue 7, November/December 2007.
[9] Samuel K. Au and Hugh M. Herr, Powered Ankle-Foot Protesis IEEE Robotics & Automation Magazine, 2008
[10] Otto Bock Company, www.ottobock.com.
[11] Ossur Company, www.ossur.com.