Desarrollo de una prótesis transradial externa para

Desarrollo de una prótesis transradial externa para miembro superior basada en impresión 3D.

Andrés Ríos Mesa, [email protected]

Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Asesor: Gustavo Meneses Benavides, Magíster (MSc) en Ingeniería.

Universidad de San Buenaventura Colombia

Facultad de Ingenierías

Ingeniería Electrónica

Medellín, Colombia

2020

Citar/How to cite [1]

Referencia/Reference

Estilo/Style:

IEEE (2014)

[1] A. D. Rios Mesa, Desarrollo de una prótesis transradial externa para miembro

superior basada en impresión 3D, Trabajo de grado Ingeniería Electrónica,

Universidad de San Buenaventura Medellín, Facultad de Ingenierías, 2020.

Grupo de Investigación (GIMSC).

Línea de investigación en Robótica Sistemas de Control y de Telecomunicaciones.

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Dedicatoria

A mis Padres John Jairo Rios y Diana Mesa quienes me han entregado su amor, temple y

sacrificio permitiéndome salir adelante, gracias por ser ese pilar que me ayudara a cumplir mis

sueños, por creer y confiar en mi cada día.

A mi hermana Sara Melissa, para que veas en mi un ejemplo a seguir, gracias por el amor y el

cariño que me brindas.

Agradecimientos

Agradezco a mi asesor Gustavo Meneses quien con su experiencia, conocimiento y motivación

me ha orientado en el desarrollo de este trabajo y en gran parte de la carrera.

Gracias a Santiago Jiménez por haber confiado en nosotros para la realización de este proyecto.

Agradezco a Javier Vélez y Santiago Gallego por el apoyo incondicional que he recibido, sin

pedir nada a cambio y sin dudar de mis capacidades.

Gracias al profesor Jonathan Espinosa por la ayuda brindada en la etapa de diseño y prototipado.

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ....................................................................................................................................... 9

ABSTRACT ................................................................................................................................... 10

I. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 11

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................. 12

III. JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................... 13

IV. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 14

A. Objetivo general .................................................................................................................... 14

B. Objetivos específicos ............................................................................................................. 14

V. MARCO TEÓRICO .................................................................................................................. 15

Prótesis de mano pasivas ............................................................................................................ 16

Prótesis Mecánicas ..................................................................................................................... 17

Prótesis Eléctricas ...................................................................................................................... 18

Prótesis mioeléctricas ................................................................................................................. 18

Mecanismos de Prótesis. ............................................................................................................ 19

Sensores en Prótesis de Miembro Superior ................................................................................ 20

Desarrollo de prótesis basadas en impresión 3D ........................................................................ 20

VI. ESTADO DEL ARTE .............................................................................................................. 21

VII. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 27

VIII. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES .......................................................................... 29

IX. CONTEXTO ACTUAL ........................................................................................................... 30

X. COSTOS .................................................................................................................................... 32

XI. RESULTADOS ........................................................................................................................ 33

XII. VALIDACIÓN DE PROTOTIPO .......................................................................................... 43

XIII. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 44

REFERENCIAS ............................................................................................................................. 45

ANEXOS ........................................................................................................................................ 47

LISTA DE TABLAS

Tabla I. Cronograma de trabajo. ................................................................................................... 29

Tabla II. Número de personas con discapacidad en Colombia. .................................................... 30

Tabla III. Personas con discapacidad según el tipo de población................................................. 31

Tabla IV. Medidas brazo izquierdo. .............................................................................................. 33

Tabla V. Medidas brazo derecho. .................................................................................................. 34

Tabla VI. Necesidades de Diseño. ................................................................................................ 34

Tabla VII. Deseos de diseño. ........................................................................................................ 35

Tabla VIII. Especificaciones técnicas. .......................................................................................... 35

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Tipos de prótesis [3] ...................................................................................................... 15

Figura 2. Prótesis Estéticas [3]. ..................................................................................................... 17

Figura 3. Prótesis Mecánica de Miembro Superior [4]. ................................................................ 17

Figura 4. Prótesis Eléctrica de la Compañía Otto Bock [5]. ......................................................... 18

Figura 5. Prótesis Mioeléctrica. .................................................................................................... 19

Figura 6. Análisis de los actuadores [3] ........................................................................................ 19

Figura 7. Impresora 3D [12].......................................................................................................... 21

Figura 8. Ejemplo de prótesis de mano elaboradas con impresoras 3D [12]. ............................... 21

Figura 9. Ligamento Retinacular. .................................................................................................. 22

Figura 10. Modelo de prótesis impresa en 3D (izquierda) y toma de señales mioeléctricas para

caracterización (derecha) [14]. ....................................................................................................... 22

Figura 11. Prótesis “Galileo” para miembro superior e interfaz de pruebas [17]. ........................ 23

Figura 12. Prótesis Hand. .............................................................................................................. 25

Figura 13. Flexy-Hand 2 [21]........................................................................................................ 25

Figura 14. Cyborg Hand. ............................................................................................................... 26

Figura 15. ADA Robotic Hand (Prótesis electromecánica). ......................................................... 26

Figura 16. Pasos Metodológicos. .................................................................................................. 28

Figura 17. Personas con discapacidad por año. ............................................................................. 30

Figura 18. Discapacidad por departamentos. ................................................................................ 31

Figura 19. Evaluación psicológica. ............................................................................................... 33

Figura 20. Medidas brazo izquierdo. ............................................................................................. 33

Figura 21. Impresora 3D Prusa Tairona. ....................................................................................... 36

Figura 22. Piezas primer prototipo. ............................................................................................... 37

Figura 23. Primer prototipo finalizado. ......................................................................................... 37

Figura 24. Piezas segundo prototipo. ............................................................................................ 38

Figura 25. Segundo prototipo finalizado ....................................................................................... 38

Figura 26. Diseño prótesis............................................................................................................. 39

Figura 27. Diseño Modular. .......................................................................................................... 39

Figura 28. Impresión prototipo electromecánico. ......................................................................... 40

Figura 29. Piezas prototipo electromecánico. ............................................................................... 40

Figura 30. Prototipo electromecánico. .......................................................................................... 41

Figura 31. Actuadores (Servomotores). ........................................................................................ 41

Figura 32. Asesoría de impresión 3D. ........................................................................................... 42

Figura 33. Publicación libro JOIN 2017 ....................................................................................... 43

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DESARROLLO DE UNA PRÓTESIS TRANSRADIAL EXTERNA…

RESUMEN

Actualmente la impresión 3D está contribuyendo de gran manera a la fabricación de prótesis. Su

uso puede reducir significativamente el costo de elaboración de prótesis y permite que sea más

accesible a quienes la necesitan. La impresión 3D nos permite realizar diseños que se ajusten de

una mejor manera a las necesidades de cada paciente, mediante la impresión 3D se puede suplir la

imagen corporal y simular los movimientos de las manos de forma mecánica, también es posible

elaborar prototipos en los cuales se pueda implementar componentes electrónicos para lograr

fabricar una prótesis electromecánica.

Actualmente se está elaborando un prototipo de prótesis transradial externa para miembro superior

basa en impresión 3D que se ajuste a las necesidades del paciente, esta prótesis permitirá que el

usuario realice algunos de los movimientos normales de las manos de forma mecánica. Se

realizarán varios diseños con el fin observar cuál de los prototipos se ajusta a las necesidades y

deseos del usuario. Mediante la impresión 3D podemos fabricar prótesis que sean modulares,

livianas y lo suficientemente cómodas además se su bajo costo y tiempo de fabricación. La

impresión 3D es una tecnología que está avanzando cada día más y es por esto que es una de las

soluciones más propicias para personas que tienen algún tipo de discapacidad de miembro superior

o inferior.

Palabras claves: Prótesis transradial, impresión 3D, prototipo.

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ABSTRACT

Currently 3D printing is contributing greatly to the manufacture of prostheses. Its use can reduce

the cost of prosthetic fabrication and allows the sea to be more accessible to those who need it. 3D

printing allows us to make designs that fit better to the needs of each patient, through 3D printing

can replace the body image and simulate the movements of the hands mechanically, it is also

possible to develop prototypes in which Electronic components can be implemented to achieve an

electromechanical prosthesis.

Currently being developed a prototype external transradial prosthesis for a superior limb is based

on 3D printing that fits the needs of the patient, this prosthesis has been adapted to the normal

movements of the hands of the mechanical form. Several designs will be made in order to see the

prototypes according to the needs and desires of the user. Through 3D printing we can manufacture

prostheses that are modular, lightweight and comfortable enough, as well as low cost and

manufacturing time. 3D printing is a technology that is advancing more and more and this is a more

suitable solution for people who have a higher or lower type of disability.

Keywords: Transradial prosthesis, 3D printing, prototype.

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I. INTRODUCCIÓN

La disponibilidad actual de herramientas para la fabricación y prototipado digital como impresoras

y escáneres 3D, software de modelado y, además, la disponibilidad en el mercado actual de

dispositivos electrónicos y de elementos como sensores y actuadores a precios razonables,

confluyen en un escenario que presenta grandes oportunidades para países como Colombia en

cuanto al diseño y fabricación de prótesis externas para personas con miembros amputados. En el

momento de diseñar y construir una prótesis externa de miembro superior se combinan algunas

áreas de la ingeniería mecánica y electrónica, tales como la modelación, el diseño de detalle, la

captación de señales y el control de los actuadores. Adicionalmente es necesario el

acompañamiento de personas de otros campos, como la ingeniería biomédica y la psicología, para

realizar un acompañamiento integral a la persona que utilizará la prótesis.

Se plantea entonces realizar un proyecto que involucre el desarrollo de un prototipo funcional de

prótesis transradial externa, su beneficiario inicial será un exestudiante del programa de ingeniería

electrónica de nuestra Universidad. Se espera generar nuevas capacidades y potenciar las existentes

en un equipo de trabajo interdisciplinario para generar, en un mediano plazo, productos

tecnológicos que puedan beneficiar a población discapacitada del entorno local. Este ejercicio de

investigación se propone como un proyecto que busca generar resultados de proyección social de

los programas de la Universidad, especialmente de la Facultad de Ingenierías a través de sus

investigadores y estudiantes. Las líneas de investigación y los semilleros de la Facultad de

Ingenierías aportan al desarrollo de este proyecto de baja cuantía que busca aprovechar recursos ya

existentes del Grupo de Investigación en Modelamiento y Simulación Computacional,

complementándolos con nuevos recursos que permitan generar un primer prototipo funcional de

prótesis transradial para miembro superior basada en tecnología impresión 3D. Adicionalmente se

busca incorporar funciones de control de la prótesis a partir de activaciones derivadas de las señales

mioeléctricas tomadas del brazo del paciente.

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II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Existe en Colombia en la actualidad una gran cantidad de personas en condición de discapacidad

derivados de la falta de uno o varios miembros o extremidades (inferiores, superiores o ambos).

Existen algunos consolidados estadísticos sobre la población con discapacidad en Colombia el cual

da un porcentaje del 6.3% sobre la población total, para los próximos años la discapacidad será una

causa de preocupación importante , pues su preeminencia se está intensificando, esto se debe a que

hay una cantidad considerable de personas amputadas producto de accidentes y enfermedades

congénitas de las cuales no existe mucha información estadística, esta situación limita su calidad

de vida y su desempeño profesional. El costo de las prótesis, así como el de las terapias y de

acompañamientos complementarios de profesionales como psicólogos, terapeuta, ingenieros, entre

otros, oscila entre los $2.000US a los $6.000US para prótesis pasivas (estética o cosmética), para

prótesis electromecánicas o mioeléctricas los precios se pueden duplicar o triplicar dependiendo

del tipo de discapacidad, estos precios hace que el acceso a estos medios de rehabilitación sea

restringido para muchas personas con poca capacidad económica o que, simplemente, las personas

decidan quedarse como están, sin sus extremidades, y eviten el tránsito por un camino que puede

resultar muy complejo y demandante, en términos de tiempo y esfuerzo, para ellos.

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III. JUSTIFICACIÓN

A partir de proyectos como el desarrollo de prótesis basadas en impresión 3D se puede impactar

de gran manera a la sociedad del ámbito local, dando a conocer las capacidades y potencialidades

de la Universidad de San Buenaventura, de los miembros de su comunidad académica y por ende

de sus programas, incluso se puede realizar un centro de ayuda por parte de la Universidad para las

personas que requieran ayudas de este tipo. Debido a que el departamento de Antioquia es uno los

departamentos que se ha visto más afectados por el conflicto armado (minas antipersona,

munición…) se puede implementar este proyecto como una solución viable para quienes han

sufrido amputaciones entre ellos los combatientes y los civiles. Además, es una gran ayuda para

los niños quienes se ven más afectados por estos tipos de discapacidad.

En la actualidad, a partir de la disponibilidad creciente de escenarios de fabricación digital (como

Fablabs y Makerspaces), además de la disponibilidad a precios razonables de componentes

electrónicos como sensores y actuadores, es posible desarrollar en países como el nuestro, prótesis

externas para personas en situación de discapacidad. Se han obtenido en Colombia muy buenos

resultados a partir del trabajo interdisciplinario de profesionales de campos como la Ingeniería

Electrónica, Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, la biomédica y la psicología, entre otros. Este

proyecto se puede incluir dentro de las políticas, estrategias o planes del gobierno nacional o

internacional como una opción que permita a la población diseñar y fabricar prótesis de manera

fácil, rápida y a precios razonables.

Para lograr que este proyecto sea exitoso se beben realizar investigaciones sobre los tipos de

amputación y como tratarlos, además de diseñar diferentes prototipos que se adapten a las

necesidades del paciente, se debe revisar y comparar los diseños ya existentes para obtener un

diseño que brinde al usuario una mayor satisfacción. Se espere que a corto plazo se puedan realizar

diferentes tipos de prótesis empezando por modelos totalmente mecánicos, a mediano plazo poder

crear prótesis electromecánicas o mioelectricas que brinden una mejor solución a los pacientes y a

largo plazo poder crear diferentes tipos de prótesis que sean a bajo costo y puedan asemejarse a

una extremidad real.

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IV. OBJETIVOS

A. Objetivo general

Desarrollar un prototipo funcional de prótesis transradial externa para miembro superior basada en

impresión 3D.

B. Objetivos específicos

Caracterizar las condiciones específicas de la persona que será beneficiaria de la prótesis.

Realizar una modelación de la prótesis a partir de elementos mecánicos y funcionales

Desarrollar el prototipo funcional del prototipo de prótesis transradial externa para miembro

superior utilizando la modalidad de impresión en 3D

Realizar pruebas y validación del prototipo

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V. MARCO TEÓRICO

Una amputación es el estado que es resulta de la pérdida de una extremidad y por lo general se

presenta debido a una lesión, una enfermedad, una operación quirúrgica o una deficiencia congénita

[1]. Para los pacientes con amputaciones de miembros superiores o inferiores una opción de

rehabilitación parcial es el uso de prótesis. Una prótesis es una estructura que busca en cierto modo

reponer un fragmento o la totalidad de cierta parte del cuerpo humano, relevando las funciones

perdidas de este, considerando también aspectos ligados a la imagen corporal del paciente.

En el caso específico de las prótesis externas de miembro superior, su diseño y construcción puede

involucrar varios campos de la ingeniería mecánica, electrónica y biomédica, tales como la

modelación, el diseño de detalle, la captación y el acondicionamiento de señales y el control de los

actuadores. Adicionalmente la psicología también juega un papel importante puesto que se debe

realizar un acompañamiento integral a la persona que utilizará la prótesis. En la Figura 1 se

presenta una pequeña clasificación de los tipos de prótesis, sus funciones y modos de control.

Figura 1. Tipos de prótesis [3]

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Una prótesis es una estructura elaborada la cual tiene como objetivo suplantar una parte o la

totalidad de un miembro o extremidad del cuerpo humano, lo mismo que relevar la movilidad

perdida de dicha extremidad, sin descuidar el aspecto fisico del usuario.

Las prótesis mioeléctricas son mecanismo accionados por actuadores que se accionan a través de

señales que se adquieren por medio de agujas intramusculares superficiales o por medio de

electrodos ubicados en el muñón del paciente. Este mecanismo de prótesis es cada día más admitido

por los pacientes con amputación de mano, debido a que provee un mejor desempeño y proporciona

una mayor funcionalidad para el paciente que la emplea, debido a que su control es más simple.

Algunas áreas del saber y temáticas relacionadas con el desarrollo de prótesis externas que se han

identificado son las siguientes:

Acompañamiento y preparación psicológica-biomédica para pacientes amputados en

procesos de rehabilitación mediante el uso de prótesis

Desarrollo de prótesis externas para pacientes con amputación de miembro superior

Técnicas de modelación y prototipado 3D

Adaptación y control de actuadores en prótesis de miembro superior a partir de señales

mioeléctricas

Prótesis de mano pasivas

Las prótesis pasivas no tienen movimientos y solo cubren el aspecto estético del miembro

amputado, son conocidas como prótesis estéticas debido a que solo se encargan de mejorar la

apariencia física, en la elaboración de este tipo de prótesis se utilizan polímeros como PVC rígido,

látex flexible o silicona, estos materiales son utilizados debido a su bajo peso y porque demandan

poco mantenimiento, debido a que no cuentan con piezas móviles [2, 3]. Los componentes

utilizados para su elaboración están prefabricados y existen en diferentes tamaños y formas para

adaptarse a las diferentes tallas y sexo.

Las prótesis pasivas tienen los dedos en posición de reposo, pulgar en posición neutral y flexión de

las articulaciones, los cuatro últimos dedos en discreta flexión, algunos modelos tienen un refuerzo

en el interior de los dedos, en material maleable, que permite modificar la posición de éstos.

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Figura 2. Prótesis Estéticas [3].

Prótesis Mecánicas

Las prótesis mecánicas son dispositivos con mecanismo de apertura y cierre conectados con cables

y cintas de fijación atados al cuerpo y se abren o cierran a voluntad por la tensión efectuada por el

tensor. Estos modelos de prótesis son eficaces, sin embargo, tienen restricciones a la hora de

ejecutar los movimientos. Sus movimientos se basan en el estiramiento de una cuerda mediate un

arnés para su apertura o cierre. Los movimientos de apertura y cierre se realiza solo con la

relajación del músculo gracias a un resorte, la señal mecánica es adquirida mediante la utilización

de un miembro del cuerpo diferente como el codo o hombro. Las dimensiones de la prótesis y la

cantidad de ligas varian de acuerdo con los requerimientos de cada usuario. Estas piezas se recubren

para brindar un aspecto más estético, sin embargo, está limitada al sujetar objetos relativamente

grandes y redondos debido a que el recubrimiento puede afectar la sujeción [4]. Debido a que el

accionar de este tipo de prótesis depende de alguna extremidad del cuerpo, es indispensable que el

paciente posea como minimo un movimiento general de: expansión del pecho, prehensión y

elevación del hombro, abducción y aducción escapular y flexión glenohumeral.

Figura 3. Prótesis Mecánica de Miembro Superior [4].

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Prótesis Eléctricas

Las prótesis eléctricas se implementan mediante en el uso de motores eléctricos, que permite ser

operados por medio de servo-controles, pulsadores o interruptores, este tipo de prótesis requiere de

movimientos mecánicos para activar los sistemas electrónicos, sus principales desventajas son su

reparación, su costo, su peso y el cuidado de su uso en lugares húmedos. La mayoría de prótesis

eléctricas son diseñadas en forma de gancho para poder obtener un buen agarre de objetos

rápidamente y con precisión [5].

Figura 4. Prótesis Eléctrica de la Compañía Otto Bock [5].

Prótesis mioeléctricas

Las prótesis mioeléctricas fueron desarrolladas en base a la biónica, la cibernética, la robótica y la

mecatrónica. Son prótesis eléctricas controladas mediante comandos activados por señales

mioeléctricas obtenidas de los músculos del paciente. Las prótesis mioeléctricas actualmente son

las de mayor utilidad en el mundo, esto porque poseen buenas características estéticas y pueden

tener un porcentaje elevado de precisión y fuerza.

El control mioeléctrico es posiblemente el cuadro de control más divulgado. Su fundamentación

está orientada a que cada que un músculo en el cuerpo se retrae o se flexiona, se origina una

pequeña señal eléctrica (EMG) que es formada por la interacción química en el cuerpo. Dicha señal

es demasiado pequeña (5 a 20 µV) [6, 7] y se adquiere con el uso de electrodos superficiales que

se ponen en contacto con la superficie de la piel. Este tipo de mecanismo tiene como virtud que

sólo requieren que el paciente flexione sus músculos para dominarla, a diferencia de las prótesis

controladas por el cuerpo que necesitan un movimiento general, además se elimina el arnés de

suspensión [8].

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Figura 5. Prótesis Mioeléctrica.

Nota: Imagen tomada de http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/22106/Capitulo2.pdf

Mecanismos de Prótesis.

Se puede considerar como mecanismo un dispositivo que convierte un movimiento y una fuerza de

entrada en otra de salida. Para la emisión de movimientos en las articulaciones de manos robóticas

y prótesis de mano usualmente se emplean dispositivos que permitan flexionar o tensar las falanges

de los dedos. Entre estos mecanismos existentes se hallan la transmisión por barras, motores

instalados en cada articulación y la transmisión por poleas.

El sistema de accionamiento está elaborado fundamentalmente por los componentes encargados de

generar la potencia mecánica del sistema, estos componentes son habitualmente conocidos como

actuadores [9]. En general se puede distinguir entre tres tipos de actuadores: hidráulicos,

neumáticos y eléctricos, como se observa en la Figura 6.

Figura 6. Análisis de los actuadores [3]

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Sensores en Prótesis de Miembro Superior

Una de las actividades que resultan más complejas con las prótesis de miembro superior es la

integración de acciones motoras y sensitivas. Por ejemplo, al momento de tomar un objeto de vidrio

con la mano, la fuerza que se aplica en el sostenimiento del objeto está dimensionada por la

información táctil que recibe el cerebro mediante el sentido del tacto, de este modo se imprime la

fuerza requerida para sujetar el objeto y evitar se resbale, sin llegar a producir un esfuerzo excesivo.

En las prótesis este tipo de control se puede llegar a emular mediante el uso de sensores [4]. Los

sensores permiten ser caracterizados en función de diferentes parámetros. Se observa en un estudio

de diferentes tecnologías de fabricación de transductores táctiles [11].

Desarrollo de prótesis basadas en impresión 3D

Una impresora 3D es un instrumento con la capacidad de crear un objeto sólido tridimensional por

medio de la adición sucesiva de capas de material. Los procedimientos de producción tradicionales

son sustractivos, es decir, producen formas a partir de la supresión de exceso de material. Las

impresoras 3D se basan en prototipos 3D para determinar qué se va a imprimir. Un prototipo es la

representación digital, obtenida a partir de un programa de software especializado, del objeto que

se desea imprimir.

Las impresoras 3D permiten realizar diseños de prótesis que se ajusten a las necesidades de cada

persona, los materiales utilizados por estas, como el ABS, son más económicos y livianos que

otros, lo que reduce considerablemente el precio final de la prótesis [10]. Una de las ventajas que

ofrece el desarrollo de prótesis basada en impresión 3D son las instrucciones a seguir para su

creación son de dominio público en Internet, igualmente se encuentra modelos en repositorios

abiertos que pueden accederse sin costo. Una de las virtudes de esto es que, por ejemplo, en el tema

de los niños, se puede elaborar diferentes prótesis mientras continua su crecimiento sin necesidad

de invertir cantidades considerables de dinero con cada prótesis nueva.

Con las impresoras 3D se pueden crear tanto piezas sencillas como complejas, se pueden tener

piezas que salgan en una sola impresión dependiendo del volumen útil de la impresora y también

piezas complejas que se ensamblan a partir de la unión de varias piezas más pequeñas.

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Figura 7. Impresora 3D [12].

Figura 8. Ejemplo de prótesis de mano elaboradas con impresoras 3D [12].

VI. ESTADO DEL ARTE

La mayoría de los diseños de prótesis de miembro superior se caracterizan principalmente por

permitir un solo movimiento que es el de flexión y extensión de los dedos, así como estar diseñados

para ser accionados mecánicamente mediante tensores que simulan al ligamento retinacular, como

se muestra en la Figura 1, al tensarlos flexiona los dedos, y al soltarlos permite la extensión de

estos. Todo esto activado por los movimientos de flexión y extensión de la muñeca para amputación

transcarpal y del codo para amputación transradial [13].

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Figura 9. Ligamento Retinacular.

Todas las prótesis necesitan de una cinta de velcro para la sujeción a la mano del individuo y un

guante de látex que le de estética y apariencia real a miembro reemplazante.

La figura 2, parte izquierda, muestra un modelo de prótesis 3D llamado “Talonhand”, a la derecha

aparece el proceso de pruebas de caracterización de señales electromiográficas [22].

Figura 10. Modelo de prótesis impresa en 3D (izquierda) y toma de señales mioeléctricas para caracterización

(derecha) [14].

Para la captura de las señales mioeléctricas se utiliza el método tradicional, como se muestra en la

Figura 2, pero recientemente se tienen en el mercado dispositivos que facilitan en gran medida esta

actividad como la MyoArmband. Este tipo de brazaletes que pertenecen a la tecnología de los

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denominados “wearables” permite mayor flexibilidad para el usuario en las etapas de

caracterización, así como para el posterior uso.

Las señales se pueden transmitir inalámbricamente vía Bluetooth de manera inalámbrica a

dispositivos con esta función como teléfonos inteligentes y computadores [16], adicionalmente se

tiene la ventaja de tener integrada una unidad de medición inercial que tiene varios grados de

libertad que permite asociar los movimientos a las señales mioeléctricas.

En otro proyecto desarrollado se muestra que las prótesis basadas en impresión 3D y que se operan

en conjunto brazaletes mioeléctricos pueden ser factibles desde el punto de vista de su costo puesto

que se pueden utilizar plataformas abiertas como Arduino [15].

Existen diferentes propuestas de prótesis de miembro superior. Galileo es una propuesta de prótesis

open-source que también se basa en impresión 3D [17]. Estos investigadores han desarrollado una

interfaz gráfica que permite realizar diferentes movimientos y acciones con la prótesis. Esta

prótesis está orientada a países en vías de desarrollo.

Figura 11. Prótesis “Galileo” para miembro superior e interfaz de pruebas [17].

También se ha desarrollado un trabajo de grado en el que presenta el proceso de fabricación de una

prótesis robótica mioeléctrica para miembro superior basada en impresión 3D. Este trabajo se

desarrolló en la Universidad Carlos III de Madrid. En el trabajo se describen las etapas de diseño

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mecánico, electrónico y de programación de la plataforma que gobierna todo el sistema. El

proyecto está orientado a lograr una prótesis de bajo costo [18].

En Colombia se tienen varias experiencias derivadas del proyecto E-nable Colombia y Give-me-

Five impulsadas por la participación del ingeniero Christian Silva, quien ahora es ampliamente

reconocido por su trabajo a nivel nacional e internacional. Actualmente Christian Silva coordina

su trabajo desde Fabrilab y apoya diferentes iniciativas similares en diferentes ciudades de

Colombia y de Suramérica. Adicionalmente se han desarrollado diferentes trabajos de grado e

investigaciones en universidades.

En la revista Ingenieros Militares se ha publicado un trabajo que cubre el procedimiento de diseño

e implementación de una prótesis de miembro superior basada en impresión 3D. Este proyecto

también tiene un enfoque de bajo costo, utiliza electrodos tradicionales y una plataforma Arduino

para las labores de cómputo. Finalmente, un detalle importante es que la prótesis propuesta en este

proyecto no utiliza motores ni actuadores similares, sino que utiliza un sistema de poleas y

encordado [20].

El crecimiento en la investigación de las señales mioeléctricas para su uso en la robótica, ha tenido

un gran auge en los últimos años, teniendo proyectos especializados a el análisis de las señales

EMG, como el realizado en el año 2003, por la Universidad CES en Medellín, Colombia, donde se

realizó un sistema de adquisición y procesamiento de variables electrofisiológicas basado en el uso

de microprocesadores y comunicación con una computadora personal [19].

Hand

Es una prótesis diseñada para personas con amputación transcarpal, es decir, el individuo ha sufrido

la pérdida de sus dedos, eso implica la movilidad de su muñeca en movimientos como

pronosupinación (rotación de la muñeca) y flexión/extensión de la muñeca que permite accionar el

mecanismo de funcionamiento. En la Figura 4 se presenta la prótesis Hand.

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Figura 12. Prótesis Hand.

La Prótesis Hand cuenta con la ventaja de permitir un cierre o un agarre diferente dependiendo de

la posición de la mano en el movimiento de pronación o supinación, es decir, en pronación la mano

hace el agarre de pulgar a meñique y en supinación el caso opuesto. Una barra que une la mano

con un segmento de antebrazo a los tensores permite dicho movimiento. Los pasadores para su

ensamblaje puede ser el mismo filamento de impresión como pernos comunes.

Flexy-Hand 2

Es la mano con mayor cercanía anatómica y estética a la mano real entre todas las prótesis

analizadas. Está diseñada para amputación transcarpal al igual que la prótesis Hand. La Flexy-Hand

2 es una versión de prótesis que ha pasa por su segunda etapa de diseño con el fin de mejorar

estéticamente y brindar más comodidad para el usuario.

Figura 13. Flexy-Hand 2 [21]

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Cyborg Hand

Cyborg Hand es una prótesis que al igual que las anteriores diseñada para amputación transcarpal,

da movilidad a la muñeca y permite accionar el mecanismo, los elementos de armado son pernos

comunes. Por lo general se utiliza latex con el fin de brindar a la prótesis la rugosidad necesaria

para el agarre sin deslizamiento y estética.

Figura 14. Cyborg Hand.

Cyborg Hand cuenta con un regulador de tensión, que permite definir la pre-tensión de los tensores,

en lugar de desajustar manualmente cada uno de los tensores y ajustarlos acorde a lo necesario.

ADA Robotic Hand

ADA Robotic Hand está diseñada para amputación transradial o desarticulación de muñeca, trabaja

con tensores, pero su accionamiento es electromecánico, dado que los tensores son halados por

servomotores que se ubican en la palma de la mano. Tiene el menor número de elementos de

impresión (cada dedo es un solo elemento y la palma). Esta prótesis fue desarrollada por Open

Bionics, de todas las prótesis analizadas es la más avanzada, lo que hace que su coste final sea el

más elevado.

Figura 15. ADA Robotic Hand (Prótesis electromecánica).

P á g i n a | 27


VII. METODOLOGÍA

Para empezar con el desarrollo de diseño y elaboración de una prótesis es necesario personalizar

de inicio a fin, se debe garantizar el poder minimizar los posibles errores y fallos. Para esto se

llevarán a cabo una serie de pasos que se deben realizar desde el punto biomédico, electrónico y

mecánico teniendo en cuenta aspectos relativos al funcionamiento de prótesis para uso de personas.

Un primer paso es conocer detenidamente la extremidad con la que vamos a trabajar, en este caso

una mano (extremidad superior), además debemos estudiar el brazo, conocer su anatomía, su

mecánica, entre otras. Esto es necesario para determinar en el paciente la funcionalidad que tiene

en el resto de la extremidad hasta el muñón, y está la vamos a determinar con un análisis de

movilidad que se hará a través de encuestas e interacción con el beneficiario de la prótesis.

También, desde el punto de vista biomédico y psicológico, para abordar un diseño de prótesis

adecuada es esencial tener conocer la historia del paciente (con respecto a su amputación) y algunos

aspectos médicos ligados, esto para determinar cómo podemos se procederá a trabajar en su

proceso de rehabilitación.

Se debe tomar un molde del brazo del paciente para tener sus medidas exactas, además de que este

termina siendo un elemento útil para futuras pruebas, se considera a priori que el molde debe ser

en yeso ya que este es de fácil acceso, aplicación y remoción. Una vez obtenida las medidas del

paciente y su nivel de funcionalidad, se buscará qué terapia de rehabilitación a aplicar ya que este

es un paso que nos va a garantizar el mejor aprovechamiento de la extremidad de ayuda.

Este diseño tendrá en cuenta desde el inicio factores como fuerza, material, estética, peso, entre

otros. Lo que se quiere lograr con cualquier tipo de diseño es cumplir y suplir las necesidades del

paciente y esto solo se logra entendiendo completamente su entorno, incluso desde el punto de

vista psicológico y social.

P á g i n a | 28


La figura muestra de manera general la ruta metodológica a seguir.

Figura 16. Pasos Metodológicos.

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VIII. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Se muestra el cronograma de actividades previsto para la realización del trabajo de grado

TABLA I. CRONOGRAMA DE TRABAJO.

OBJETIVO ACTIVIDAD Semanas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Caracterizar las

condiciones

específicas de la

persona que será

beneficiaria de la

prótesis.

Caracterización

biomédica/biomecánica

Evaluación psicológica

Selección de tipo de prótesis 3D

Realizar una

modelación de la

prótesis a partir de

elementos mecánicos

y funcionales

Levantamiento de requerimientos

Modelación

Desarrollar el

prototipo funcional

del prototipo de

prótesis transradial

externa.

Fabricación con impresora 3d

Ensamble de piezas

Realizar pruebas y

validación del

prototipo

Diseño experimental

Pruebas y análisis resultados

Documentación

P á g i n a | 30


IX. CONTEXTO ACTUAL

TABLA II. PERSONAS CON DISCAPACIDAD EN COLOMBIA.

Fuente de

información

N° Personas

con

discapacidad

% De la población

total

DANE Censo 2005 2.624.898 6,1

RLCPD Noviembre

2017 1.342.222 2,6

Colombia no cuenta con una cantidad exacta de las personas en estado de discapacidad, no

obstante, el Censo del DANE de 2005 captó a 2.624.898 (6,1%) personas que apuntan tener alguna

discapacidad.

Desde el año 2.002 mediante el Registro de Localización y Caracterización de Personas con

Discapacidad RLCPD. se han identificado 1.342.222 personas, de las cuales surge la información

que se presenta a continuación.

De cada 100 colombianos, 3 están en el RLCPD, este dato es un registro administrativo que

posibilita recaudar datos de las personas con discapacidad, y hace parte del Sistema Integral de

Información de la Protección Social – SISPRO, lo que posibilita la interoperabilidad con otros

sistemas de información de estado.

Figura 17. Personas con discapacidad por año.

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TABLA III. PERSONAS CON DISCAPACIDAD SEGÚN EL TIPO DE POBLACIÓN.

Tipo de Población Número de personas

Víctimas del conflicto armado 172.503

Cabeza de familia 29.401

Jóvenes vulnerables urbano 19.348

Jóvenes vulnerables rural 10.180

Persona mayor en Ancianato 6.771

Población infantil en ICBF 4.583

Habitante de calle 1.406

Población centro carcelario 1.195

Madre comunitaria 348

El 13% (172.503) de las personas discapacitadas están identificadas como víctimas del conflicto

armado en el Registro Único de Víctimas.

Figura 18. Discapacidad por departamentos.

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El 51% (694.955) de las personas con discapacidad registradas en el RLCPD residen en Bogotá,

Antioquia, Valle, Santander y Nariño.

Analizando la información suministrada por el DANE y el RLCPD se puede observar que los

departamentos con más personas discapacitadas han sido departamentos que se han visto afectados

de gran manera por el conflicto arma en Colombia.

X. COSTOS

En Colombia, el mayor número de amputaciones de miembro superior suceden por accidentes de

trabajo, enfermedades congénitas, y la constancia con la que consultan este tipo de pacientes es

bastante reducida.

El costo de una prótesis mioeléctrica importada en Colombia puede costar alrededor de

$80’000.000 COP. Las organizaciones promotoras de salud (EPS) de los pacientes no

aconstumbran cubrir este tipo de gastos, es por esto que la utilización de prótesis mioeléctricas en

el país es muy reducido. No obstante, las EPS sí cubren el costo de las prótesis mecánicas, cuyo

valor comercial puede estar entre los 3 y los 5 millones de pesos colombianos dependiendo de los

accesorios comprados y del nivel de amputación, cabe destacar que muchas personas no cuentan

con ninguna entidad promotora de salud lo que implicaría un gasto mayor debido a que les toca

cubrir los gastos de dichas prótesis. En estos costos, además, está ya incluido el tiempo de trabajo

de los especialistas y el costo de los materiales de trabajo para la elaboración de la prótesis.

Mediante el uso de impresión 3D y el acoplamiento de un sensor de electromiografía una prótesis

de miembro superior puede costar $700.000 COP teniendo en cuenta los diferentes sensores y

actuadores que se le pueden implementar. La elaboración de una prótesis mecánica en impresión

3D cuesta alrededor de $150.000 COP y su fabricación solo tardaría unas pocas horas. Debido a

los cambios corporales que presentamos los seres humanos, las prótesis en personas adultas deben

ser cambiadas cada 5 años aproximadamente, mientras que en los niños se recomienda cambiar las

prótesis cada año y el bajo costo de producción hace que la prótesis se pueda reemplazar con el

desarrollo del niño.

P á g i n a | 33


XI. RESULTADOS

Antes de dar inicio al proyecto se le realizó al usuario una serie de evaluaciones y asesorías

psicológicas con el fin de planificar y desarrollar el proyecto de manera adecuada teniendo en

consideración las aspiraciones y requerimientos del paciente.

Figura 19. Evaluación psicológica.

El paciente presenta una amputación parcial de mano, pero debido a una alteración en el miembro

superior que le impide realizar ciertos movimientos se debe realizar una prótesis transradial que le

brinde mayor seguridad y confort a la hora de accionar la prótesis.

Para iniciar la elaboración del diseño de la prótesis se le realizo al usuario una serie de medidas de

sus extremidades superiores con el fin de diseñar un modelo que se adapte a sus necesidades.

Figura 20. Medidas brazo izquierdo.

TABLA IV. MEDIDAS BRAZO IZQUIERDO.

# Brazo Izquierdo

A 23 cm

B 13,5 cm

C 8,5 cm

D 23 cm

E 23 cm

F 15 cm

P á g i n a | 34


Hasta el momento se ha logrado imprimir unas primeras versione de prótesis con el fin comenzar

a realizar pruebas iniciales con el beneficiario del proyecto. Para lograr realizar un diseño que

se ajuste al paciente se está realizando un proceso metodológico en el cual nos

centramos en las necesidades del usuario, los deseos del usuario y del diseñador y las

especificaciones técnicas para el diseño y la elaboración de la prótesis.

TABLA VI. NECESIDADES DE DISEÑO.

# Necesidades Valor

1 Se requiere un diseño liviano 4

2 Diseño Modular 3

3 Que sea lo suficientemente cómodo 4

4 Que realice los movimientos básicos del miembro superior 5

5 Prótesis accionada desde el hombro o codo 5

6 El prototipo debe ser impreso en 3D 5

7 Poco o nada de mantenimiento 3

8 Debe ser un diseño atractivo 3

9 Conocer la opinión y deseos del usuario 4

10 Funcionamiento Mecánico 5

11 Molde físico y virtual del miembro superior 2

12 Analizar los movimientos que puede realizar el usuario 5

13 Consentimiento Informado 4

TABLA V. MEDIDAS BRAZO DERECHO.

# Brazo Derecho

A' 21 cm

B' 4,5 cm

C' 6 cm

D' 23 cm

E' 23 cm

F' 15 cm

P á g i n a | 35


TABLA VII. DESEOS DE DISEÑO.

# Deseos Valor

1 Diseño Mecánico 5

2 Movimiento de todas las articulaciones 3

3 Pulgar con al menos 2 grados de libertad 4

4 Diseño Modular 3

5 Diseño a la medida del usuario 4

TABLA VIII. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS.

# Especificación Unidad Valor Importancia

1 Diseño Liviano Kg 300-500 5

2 Diseño Modular Piezas 3 a 4 3

3 Comodidad ---- Accesorios de

protección 5

4 Movimientos

básicos # 2 (Abrir-Cerrar) 5

5 Mantenimiento Mes 1 3

Las anteriores tablas se definen mediante la metodología de diseño sistemático que va desde la

descripción teórica del articulo hasta su determinación constructiva. La metodología sistemática

demanda un trabajo de observación reflexiva en un plano conceptual a un elevado nivel de

abstracción en la creación de ideas y de sus relaciones desde la perspectiva del diseño sistémico,

con objeto que condensar una proposición genérica robusta, como base y referente para la

producción de bocetos conceptuales.

Por medio del uso de prototipos sistémicos para la elaboración de nuevos productos, se propone un

ejercicio de pensamiento lateral, que consiste en la división del objetivo a diseñar, en tres

subsistemas: formal, funcional y ergonómico. Se somete a definición y análisis las diferentes

apariencias que van a ser tenidas en cuenta a la hora de realizar el producto. Esto proporciona una

evaluación y elaboración en interrelación de cada figura de forma individual y al mismo tiempo

simultánea como vía para investigar en aquellos atributos a los que el producto debe responder.

P á g i n a | 36


Para la elaboración de las prótesis se está empleando la impresora 3D Prusa Tairona, la cual es una

impresora rápida y con una muy buena resolución, las características de la impresora empleada son

las siguientes:

Tecnología: Modelado por fusión/adición (FDM/FFF).

Volumen de impresión: 20 cm largo x 20 cm ancho x 20cm alto.

Resolución de capa máxima: 20 micras.

Temperatura de operación: 10º a 32º.

Entrada AC: 100-240 VAC 50-60 Hz.

Requerimientos de potencia: 12 VDC @ 16 Amperios.

Figura 21. Impresora 3D Prusa Tairona.

Para la elaboración de nuestro primer prototipo se realizó una impresión por partes de toda la

prótesis, luego se llevó a cabo un proceso de mejoramiento de las piezas en el cual se lijan y se les

aplica una resina para conseguir un alisado y una mayor resistencia de las piezas y para finalizar

se unieron todas las piezas con hilos y resortes para poder que la prótesis funcione de manera

mecánica.

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Figura 22. Piezas primer prototipo.

Figura 23. Primer prototipo finalizado.

Se diseñó e imprimió un segundo prototipo, el cual es más cómodo y se ajusta de una mejor manera

a las necesidades del paciente, para este prototipo se imprimieron los dedos de la prótesis en

material filaflex, el cual es un material flexible que ayuda a que la prótesis tenga un mejor agarre

y mayor flexibilidad.

P á g i n a | 38


Figura 24. Piezas segundo prototipo.

Figura 25. Segundo prototipo finalizado

P á g i n a | 39


Utilizando el software SolidWorks se ha logrado elaborar un diseño que se adapta a las necesidades

del usuario, para la realización del diseño se aplicó ingeniería inversa para poder lograr un

acondicionamiento para el usuario. El diseño cuenta con unos espacios en su parte superior con el

fin de permitir el paso de corrientes de aire para que el brazo se mantenga fresco.

Figura 26. Diseño prótesis.

Figura 27. Diseño Modular.

P á g i n a | 40


Además, se imprimió una prótesis electromecánica como un prototipo inicial para la

implementación de sensores y actuadores para realizar pruebas con las señales electromiografías

del paciente.

Figura 28. Impresión prototipo electromecánico.

Figura29. Piezas prototipo electromecánico.

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Figura 2130. Prototipo electromecánico.

Para el acoplamiento de una etapa de señales electromiografías se usará una Myo Armband el cual

es un dispositivo de reconocimiento de gestos usado en el brazo o el antebrazo. Empleando un

grupo de sensores electromiográficos que localizan la actividad eléctrica en los músculos

combinados con un giroscopio y un acelerómetro para identificar los gestos. Este dispositivo

permite una mayor facilidad para la caracterización de los movimientos del usuario y para su uso.

Una de las grandes ventajas de la Myo Armband es que permite ser usada con plataformas abiertas

como Arduino, esto hace que la elaboración de las prótesis mediante impresión 3D sean de bajo

costo.

Figura 31. Actuadores (Servomotores).

https://en.wikipedia.org/wiki/Gesture_recognition

P á g i n a | 42


Se implementarán dos servomotores con el fin de darle movimiento al prototipo electromecánico

realizado en impresión 3D. Los servomotores serán accionados mediante las señales

electromiografías captadas por la Myo Armband y enviadas a un arduino mediante bluethooth.

Inicialmente se tendrán cuatro movimientos que permitirán verificar el funcionamiento del

prototipo electromecánico, los movimientos son flexión, extensión de todos los dedos, oposición y

reposición del pulgar e índice.

Como método de socialización con el paciente se le brindo asesoría sobre el funcionamiento y el

adecuado uso de la impresora 3D, esto con el fin de que en el futuro el usuario este en capacidad

de diseñar y construir sus propias prótesis.

Figura 32. Asesoría de impresión 3D.

Se obtuvo un logro académico el cual fue una publicación en el libro de Investigación Formativa

en Ingeniería, que tiene como objetivo divulgar el trabajo investigativo de los estudiantes en esta

área del conocimiento.

P á g i n a | 43


Figura 33. Publicación libro JOIN 2017

XII. VALIDACIÓN DE PROTOTIPO

Para lograr una buena validación del prototipo de prótesis transradial externa para miembro

superior se va a realizar una serie de pasos con los cuales se espera obtener resultados satisfactorios.

Lo primero será realizar una preparación psicológica y física con el usuario ya seleccionado, se

observarán sus necesidades y las posibles soluciones que se le pueden brindar, después de analizar

la situación del paciente se elaboran mediante el diseño y la impresión 3D algunos prototipos para

comprobar movimientos, interferencias, aspecto físico, comportamiento y comodidad del usuario.

Luego de obtener un prototipo que se ajuste al paciente, se dará inicio a un periodo de pruebas para

verificar los comportamientos del usuario ante el producto final.

Además, como una técnica de validación se realizarán ponencias sobre el tema con el fin de

escuchar las opiniones de expertos y de algunos posibles usuarios con el fin de realizar mejoras a

los prototipos realizados.

P á g i n a | 44


XIII. CONCLUSIONES

Es fundamental trabajar en el diseño de la prótesis para que esta cumpla los deseos funcionales,

estéticos y económicos del usuario que requiere de la prótesis; se establece una importante ayuda

para los pacientes en situación de discapacidad ya que posibilita ejecutar diferentes actividades

básicas y conectarse en su ámbito laboral, académico, personal y social de forma permisible,

brindando comodidad y mejores condiciones de salud tanto física como psicológica.

La impresión 3D se ha convertido en una herramienta útil y potencialmente transformadora en

diferentes campos como la arquitectura, la educación, la ingeniería, entre otros, incluyendo la

medicina. A medida que los rendimientos de las impresoras, sus resoluciones y los materiales de

impresión disponibles han aumentado, también lo han hecho sus aplicaciones en diferentes campos.

El Modelo Sistémico como “manual”, describe completamente las normas de trabajo. Esto

simboliza un doble merito puesto que además de guiar al autor en su aplicación, crea un método

organizado, de recolección de información estructurada, posibilitando su posterior exposición y

argumentación del problema propuesto.

P á g i n a | 45


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ANEXOS

Imagen 1. Medición del brazo.

Imagen 2. Molde en yeso.

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Imagen 3. Asesoría en diseño.

Imagen 4. Presentación JOIN 2017

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Imagen 5. Publicación en libro.

Imagen 6. Poster Redcolsi.

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Imagen 7. Presentación Redcolsi.

Imagen 8. Proceso de construcción

P á g i n a | 51


Imagen 9. Piezas obtenidas

Imagen 10. Caracterización electromiografía.

Documents

Desarrollo de una prótesis transradial externa para