PROTOTIPO DE PRÓTESIS BIOMECÁNICA DE
ANTEBRAZO
BIOMECHANICAL FOREARM PROSTHESIS PROTOTYPE
Vladimir Cruz Vilchis
Universidad Politecnica de Chiapas, México
Jaime Alberto Bermúdez García
Investigador Independiente, México
Geovanni Alessandro Carrera Ronzón
Investigador Independiente, México
pág. 6412
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i2.11060
Prototipo de Prótesis Biomecánica de Antebrazo
Vladimir Cruz Vilchis1
203333@ib.upchiapas.edu.mx
https://orcid.org/0009-0008-9364-3166
Universidad Politecnica de Chiapas
México
Jaime Alberto Bermúdez García
203387@ib.upchiapas.edu.mx
https://orcid.org/0009-0000-7489-7947
Investigador Independiente
México
Geovanni Alessandro Carrera Ronzón
203326@ib.upchiapas.edu.mx
https://orcid.org/0009-0003-8898-3530
Investigador Independiente
México
RESUMEN
El artículo describe el desarrollo de un prototipo de prótesis biomecánica para el antebrazo,
fabricado mediante impresión 3D con filamento PETG. Este dispositivo es activado por señales
electromiográficas (EMG) detectadas por sensores que captan las contracciones musculares. Las
señales son interpretadas por una Raspberry Pi Pico, que ejecuta un código para activar un
servomotor y así permitir movimientos de agarre con la prótesis. El objetivo principal es recuperar
parcialmente la funcionalidad de una extremidad faltante. Esta combinación de tecnologías ofrece
una solución innovadora y de bajo costo para mejorar la calidad de vida de personas con
amputaciones de antebrazo. Además, la utilización de la impresión 3D permite una
personalización eficiente y rápida del dispositivo, adaptándose a las necesidades individuales del
usuario.(esto no viene en el resumen, puede colocarse en conclusiones, indiquen cual es la ventaja
de su prótesis con las ya existente).
Palabras clave: protesis, PETG, electrografía, Raspberry, servomotor
1
Autor principal
Correspondencia: 203333@ib.upchiapas.edu.mx
pág. 6413
Biomechanical Forearm Prosthesis Prototype
ABSTRACT
The article describes the development of a biomechanical prosthesis prototype for the forearm,
manufactured by 3D printing with PETG filament. This device is activated by electromyographic
(EMG) signals detected by sensors that capture muscle contractions. The signals are then
interpreted by a Raspberry Pi Pico, which runs code to activate a servomotor to enable grasping
movements with the prosthesis. The main objective is to partially recover the functionality of a
missing limb. This combination of technologies offers an innovative, low-cost solution to improve
the quality of life of people with forearm amputations. Furthermore, the use of 3D printing allows
for efficient and quick customization of the device, adapting to the individual needs of the user.
Although this prototype represents a promising advance in the field of biomechanical prostheses,
further research and testing is required to improve its design, functionality and durability, as well
as to evaluate its effectiveness in real-world environments and its accessibility to a greater number
of people.
Keywords: prosthesis, PETG, electrography, Raspberry, servomotor
Artículo recibido 20 marzo 2024
Aceptado para publicación: 22 abril 2024
pág. 6414
INTRODUCCIÓN
El hombre desde la antigüedad siempre ha intentado desarrollar máquinas con la finalidad de que
le ayuden a realizar tareas cotidianas para facilitar sus actividades. Así también, ha deseado
construirlas semejantes a la forma humana y que realicen tareas difíciles y repetitivas para el ser
humano (Gayozzo, 2019); es decir, dispositivos que puedan aplicarse en la rehabilitación de
dedos, manos, brazo, cadera, pierna, rodilla y tobillo, ayudando a los fisioterapeutas a hacer
eficiente en su trabajo.(Karina Galli, Sabrina Pelozo, 2017)
Al día de hoy la tecnología forma parte de nuestras vidas en la mayoría de campos posibles, y sin
duda para los médicos el apoyo de esto ha sido y es de vital importancia, sobre todo si vemos las
herramientas que se desarrollan para facilitar su trabajo y ayudar en procesos de rehabilitación,
una de estas herramientas son las prótesis (Gómez et al., 2019)
Las prótesis son definidas como aquellos equipos destinados a reparar de manera no natural,
introduciendo al mundo artificial a aquellas faltas de órganos o partes de estos de manera que sea
el equipo o dispositivo que arregle la falta del miembro. En el mundo médico una prótesis es vista
como un reemplazo artificial de la parte del cuerpo faltante, con todo esto se podría decir que es
un elemento que tiene que tener cierta inteligencia y autonomía para poder obtener un elemento
adicional al que ya cuenta la persona, esto logrado al hecho de que las prótesis cuentan con
diferentes componentes que captan y transforman estas señales de manera que sea interpretable
por el dispositivo. (Galli & Pelozo, 2017)
Aunque las prótesis fueron diseñadas en un principio para contrarrestar los estragos que dejaban
las guerras en los solados, no quiere decir que sea la única razón existente en la actualidad,
realmente a lo largo de la historia de las prótesis se han ido añadiendo diversos motivos por los
cuales se ha hecho necesario el desarrollo de estas, si bien en cada uno de estos casos es
directamente porque hay una falta de un órgano, son diferentes las causas de cómo se llegó a esto
como por ejemplos consecuencias de posibles accidentes, amputaciones por algún cáncer que no
tiene otra resolución médica o incluso la razón en la cual nos estamos enfocando, las
malformaciones de nacimiento. (Galli & Pelozo, 2017)
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Malformaciones de nacimiento, malformaciones congénitas o defectos de nacimiento se dan por
alteraciones en la estructura y funciones que se desarrollan en el tiempo de la vida intrauterina,
estas malformaciones pueden ser detectadas en tres momentos, la etapa prenatal, al nacimiento o
durante la vida, generan órganos del cuerpo que se desarrollan de manera diferente o errónea o
directamente no se desarrollan. (Navarrete, Canún, 2017)
Para realizar una conexión de los componentes que se van a incluir en la prótesis (electrodos,
señales EMG, motores) se utilizará una raspberry la cual se puede considerar como el cerebro de
una computadora, pero de manera compacta acercando el mundo de la informática y computación
teniendo dentro de sus funciones la capacidad de ser programado mediante lenguaje python y a
su vez realizar movimientos programables. (Sánchez Escudero, Mármol Mosquera, 2019)
METODOLOGÍA
Para comenzar se realizó la fase de identificación de necesidades y características donde se llevó
a cabo la recopilación de información sobre las medidas y peso del antebrazo del paciente. En
este proceso, se recolectó información significativa acerca de las dimensiones y masa del
antebrazo del paciente ya que la correlación que existe entre el volumen y la fuerza del mismo es
significativa (Aristizábal, et al., 2014), con el fin de obtener una comprensión clara de sus
características físicas y su desarrollo. Esto se utiliza para personalizar el diseño del exoesqueleto,
permitiendo que se adapte y se ajuste adecuadamente a la anatomía del paciente. Cumpliendo con
las necesidades de forma óptima.
Como siguiente paso del desarrollo del exoesqueleto se llevó a cabo la identificación de las
limitaciones del paciente y necesidades específicas. En esta actividad se identifican las
limitaciones puntuales que presenta el paciente en cuanto a su capacidad de mover la extremidad.
Esto incluye limitaciones físicas, como la fuerza muscular, y también las relacionadas con la
movilidad, como lo es la velocidad y el rango de movimiento. También se identifican las
necesidades específicas del paciente, como la búsqueda de que satisfaga de manera óptima al
realizar tareas cotidianas o profesionales que requieran el uso del antebrazo.
Continuando con el proceso de desarrollo, se incluyó el proceso de definición de los objetivos y
especificaciones del exoesqueleto. Este proceso permite establecer los objetivos y
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especificaciones del exoesqueleto. Esto incluye las metas solicitadas de rendimiento que se
esperan, como la precisión y la velocidad, así como las especificaciones técnicas que se deben
cumplir para garantizar su funcionamiento optimo. También se establecen los criterios de
seguridad que deben cumplirse para proteger la salud y la integridad del paciente. La definición
clara de los objetivos y especificaciones del exoesqueleto es esencial para guiar todo el proceso
de diseño y desarrollo.
Fase de Diseño conceptual
Desarrollo de un diseño conceptual en base a las especificaciones y necesidades identificadas. En
esta etapa, se consideran las demandas y requisitos identificados previamente para idear un diseño
preliminar del exoesqueleto. Se trata de crear un modelo teórico que describa cómo sería el
exoesqueleto y cómo se adaptaría al antebrazo del paciente. Se pueden utilizar herramientas como
dibujos y programas de diseño asistido por computadora para crear representaciones visuales del
exoesqueleto y probar su funcionamiento.
Definición de la geometría y configuración del exoesqueleto. En esta etapa se establecen las
características físicas y la configuración del exoesqueleto. Esto implica la selección cuidadosa de
los materiales que se utilizarán en su construcción, así como la determinación de la forma y
tamaño adecuados para cada componente del dispositivo. Además, se define cómo se colocará el
exoesqueleto en el antebrazo del paciente y se ajustará para que se adapte correctamente.
Definición de los componentes y sistemas necesarios para la construcción del prototipo. En esta
etapa se identifican los componentes y sistemas necesarios para la construcción del prototipo del
exoesqueleto. Se eligen los motores, sensores, dispositivos electrónicos y otros elementos que son
necesarios para su correcto funcionamiento. Además, se establece la forma en que estos
componentes serán incorporados en el diseño general del exoesqueleto para garantizar su
eficiencia y eficacia en el desempeño del mismo.
Fase de Modelado 3D
Desarrollo de un modelo 3D del exoesqueleto en base al diseño conceptual y a los materiales
seleccionados. En esta actividad se utiliza el diseño conceptual del exoesqueleto para crear un
modelo 3D digital en SolidWorks. El modelo 3D permitirá a los diseñadores visualizar el
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exoesqueleto en detalle y realizar pruebas virtuales para evaluar su funcionamiento antes de pasar
a la fase de construcción del prototipo. Además, se seleccionan los materiales que se utilizarán
para la construcción del exoesqueleto y se incorporan en el modelo 3D para determinar la forma,
tamaño y disposición de los componentes.
Optimización del modelo en base a criterios como el peso, la ergonomía, y la eficiencia en el uso
de materiales. En esta actividad se realizan una serie de ajustes y mejoras en el modelo 3D para
optimizar el diseño del exoesqueleto. Esto se hace teniendo en cuenta criterios como el peso, la
ergonomía y la eficiencia en el uso de materiales. Por ejemplo, se puede reducir el peso del
exoesqueleto sin comprometer su resistencia o se puede ajustar la geometría para mejorar la
comodidad y la eficiencia de uso. También se pueden realizar pruebas virtuales para evaluar la
capacidad del exoesqueleto para realizar tareas específicas y detectar posibles problemas o
limitaciones. El objetivo de la optimización es lograr un diseño que sea seguro, eficaz y cómodo
para el paciente.
Fase de Construcción del prototipo
Construcción del exoesqueleto de acuerdo con el modelo 3D y las especificaciones definidas. En
esta actividad se utiliza el modelo 3D y las especificaciones previamente definidas para construir
el exoesqueleto físico. Estas piezas luego se ensamblan siguiendo las instrucciones del modelo
3D y las especificaciones para crear el prototipo del exoesqueleto. Durante este proceso, se
verifica que todas las piezas se ajusten correctamente y que se cumplan las especificaciones y
objetivos definidos.
Integración de los componentes y sistemas necesarios para el control del exoesqueleto y la
captación de señales EMG. En esta actividad, se integran los componentes y sistemas necesarios
para controlar el exoesqueleto y captar las señales EMG (Electromiografía). Esto puede incluir,
por ejemplo, motores Beffkkip DS3235 el par máximo es de hasta 35 kg/cm (7,796.1 oz) a 6,8 V,
sensores de peso 5K tiene un rango de 0 a 5 Kg y alimentación de 5 Vcd, baterías, cables y
sistemas de control electrónico como la raspberry pi pico. Además, se asegura que estos
componentes se integren adecuadamente en el exoesqueleto y se verifica que funcionen
correctamente en conjunto. También se realizan pruebas para asegurarse de que el exoesqueleto
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es capaz de detectar las señales EMG del paciente y responder adecuadamente a los movimientos
deseados. El objetivo de esta actividad es asegurar que el exoesqueleto esté listo para ser probado
y evaluado en la siguiente fase.
Fase de Pruebas y evaluación
Evaluación del desempeño del exoesqueleto en base a criterios como la precisión, la velocidad y
la estabilidad. En esta actividad se tiene como objetivo evaluar el rendimiento del exoesqueleto
en diferentes situaciones y condiciones de carga, principalmente en los movimientos y reacciones
con los músculos. Para lograr esto, se pueden medir criterios como la exactitud en el movimiento
del antebrazo, la velocidad a la que el exoesqueleto puede mover el antebrazo y la estabilidad del
sistema mientras se utiliza. Estas mediciones pueden llevarse a cabo mediante pruebas controladas
en un entorno de laboratorio o en situaciones más naturales, como en la residencia del paciente o
en el lugar de trabajo.
Evaluación del desempeño del exoesqueleto en relación a las necesidades y objetivos definidos.
En esta actividad se busca evaluar si el exoesqueleto cumple con los objetivos definidos en la fase
de Identificación de necesidades y características. Por ejemplo, si se estableció como objetivo que
el exoesqueleto permite al paciente levantar objetos de un cierto peso, se puede evaluar si el
exoesqueleto cumple con ese objetivo mediante pruebas de levantamiento de objetos. Se deben
considerar también las necesidades específicas del paciente, como si el exoesqueleto se adapta
bien a su anatomía y si se siente cómodo usándolo.
Identificación de problemas o limitaciones del exoesqueleto y áreas para mejora. En esta actividad
se busca identificar cualquier problema o limitación del exoesqueleto que pueda afectar su
desempeño o la experiencia del usuario. Pueden surgir problemas en diferentes áreas, como la
ergonomía, la mecánica del exoesqueleto, la durabilidad de los componentes, la eficiencia en el
uso de la energía, entre otros. Se pueden realizar pruebas adicionales para identificar los
problemas o limitaciones, y luego se deben buscar soluciones para abordarlos y mejorar el
desempeño del exoesqueleto.
Fase de Ajustes y mejoras
Identificación de las áreas de mejora del exoesqueleto. Después de la evaluación del desempeño
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del exoesqueleto, es importante identificar las áreas que necesitan mejoras para que el dispositivo
cumpla con los objetivos y especificaciones definidos previamente. Esto puede incluir la
necesidad de mejorar la precisión, la velocidad o la estabilidad del exoesqueleto, así como la
ergonomía y la comodidad para el paciente. También es importante identificar problemas o
limitaciones que puedan afectar la funcionalidad del dispositivo y buscar soluciones para superar
estos obstáculos.
Realización de ajustes y mejoras en el diseño y/o componentes del exoesqueleto para mejorar su
desempeño. Una vez que se han identificado las áreas que necesitan mejoras, se pueden realizar
ajustes y mejoras en el diseño y/o componentes del exoesqueleto para abordar estos problemas y
mejorar su desempeño en general. Esto puede incluir la modificación de la geometría o
configuración del exoesqueleto, la selección de nuevos materiales o la actualización de los
sistemas de control. Es importante que los ajustes y mejoras se realicen de manera sistemática y
con base en los resultados de la evaluación previa del desempeño, para garantizar que se están
abordando las áreas correctas y que el exoesqueleto estará mejorado en función de los objetivos
y necesidades específicas del paciente.
Fase de Implementación
Implementación del exoesqueleto en el paciente y evaluación de su desempeño en situaciones
reales. En esta actividad se procede a realizar pruebas del exoesqueleto en situaciones reales, en
las que el paciente pueda llevar a cabo sus actividades cotidianas utilizando el dispositivo. Se
evalúa el desempeño del exoesqueleto en cuanto a su eficacia, eficiencia y seguridad en el uso.
También se observa la reacción del paciente ante el dispositivo y su comodidad al utilizarlo.
Monitoreo del desempeño del exoesqueleto y evaluación de su impacto en la calidad de vida del
paciente. En esta actividad se realiza un seguimiento continuo del uso del exoesqueleto por parte
del paciente durante un período de tiempo determinado. Se evalúa el desempeño del dispositivo
en relación a los objetivos previamente establecidos y se analiza el impacto del uso del
exoesqueleto en la calidad de vida del paciente. Se toman en cuenta aspectos como la mejora en
la movilidad, la reducción del dolor y otros indicadores de bienestar. Además, se registran los
comentarios y observaciones del paciente sobre el uso del exoesqueleto para realizar mejoras y
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ajustes si es necesario.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las pruebas se realizaron mediante un dinamómetro analógico básico en el cual se podía
modificar los grados de fuerza requeridos para poder cerrarlo, se puso a prueba en los diferentes
pesos que tenía disponible los cuales abarcaban desde los 10 kg hasta los 60 kg, las pruebas
mostraron una dificultad por parte de la prótesis para poder ejercer una presión demasiado grande
en los pesos donde se requería mas fuerza, sin embargo, en los niveles bajos se obtuvo un
funcionamiento bastante aceptable y el que se buscaba logrando ejercer la presión suficiente para
poder sostener diversos objetos sin ejercer una sobre fuerza que pudiera dañar los objetos.
La prótesis fue sometida bajo diversas pruebas en campo, como el sostener objetos delgados con
los dedos, objetos planos con todo uso de la garra, hasta diferentes tipos de vasos aportando una
capacidad sobresaliente al uso del día a día con diferentes objetos, aportando el apoyo externo
que se buscaba.
ILUSTRACIONES, TABLAS, FIGURAS.
La efectividad de la prótesis se evaluó mediante pruebas prácticas que implicaban el uso de
objetos de la vida cotidiana. Durante estas pruebas, los usuarios apretaron diversos objetos para
evaluar la capacidad de la prótesis para sostenerlos sin soltarlos, lo que proporcionó una
evaluación directa de su funcionamiento y utilidad en situaciones del mundo real (Figura 1).
Figura 1. Pruebas con objetos
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Además, se realizaron pruebas con los servomotores en estado de reposo para evaluar su respuesta
y rendimiento. Estas pruebas permitieron identificar cualquier irregularidad en el funcionamiento
de los servomotores y garantizar su estabilidad y precisión antes de la interacción con la prótesis
(Figura 2).
Figura 2. Prueba de funcionamiento (agarre abierto)
Asimismo, se llevaron a cabo pruebas con los servomotores en pleno funcionamiento durante la
interacción con la prótesis. Estas pruebas demostraron la capacidad de los servomotores para
activar movimientos de agarre con precisión y eficacia, lo que resalta su papel fundamental en la
operación exitosa de la prótesis y su capacidad para mejorar la funcionalidad del usuario en
diversas actividades cotidianas.
Figura 3. Prueba de funcionamiento (agarre cerrado)
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Finalmente se presenta el estado final del proyecto, marcando el éxito en la realización e
investigación del mismo. La prótesis biomecánica de antebrazo, desarrollada con tecnología de
impresión 3D y activada por señales EMG, ha alcanzado sus objetivos satisfactoriamente,
ofreciendo una solución convencional y funcional para mejorar la calidad de vida de las personas
con amputaciones de antebrazo (Figura 4).
Figura 4. Estado final de la protesis.
CONCLUSIONES
La prótesis biomecánica de antebrazo desarrollada demuestra ser una solución prometedora para
mejorar la calidad de vida de las personas con pérdida de extremidades superiores. La
combinación de diseño biomecánico avanzado y tecnología integrada ofrece un enfoque holístico
para abordar las necesidades individuales de los usuarios. A pesar de la etapa temprana de nuestro
diseño se puede observar su funcionalidad y el apoyo que esta puede brindar a la extremidad
existente y se puede tener en estimación un ajuste más detallado ante diferentes actividades.
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