Lucrare de licență [603214]

Universitatea POLITEHNICA din București
Facultatea de Automatic ă și Calculatoare

Lucrare de licență

– Construc ția unui bra ț bionic –

Conduc ător științific
Conf. Dr. I ng. Cătălin PETRESCU Student: [anonimizat]

2015

2
Cuprins
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 3
Necesitatea protezării ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 3
Problema. Controlul protezei ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 4
Soluția, înregistrarea se mnalelor electromiografice (EMG) ………………………….. ……………………. 5
Capitolul I. Studii și cercetări ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 6
1.1 Stadiul actual în domeniul construcției și controlului protezelor de membru superior . 6
1.1.1 Documentări din brevete ………………………….. ………………………….. ………………………… 6
1.1.2 Documentări din prospecte (firme producătoare) ………………………….. …………………. 7
Capitolul II. Constructia si controlul ………………………….. ………………………….. ………………………….. 11
2.1 Etapele de realizare a unei proteze ………………………….. ………………………….. ……………….. 11
2.2 Clasificarea protezelor în funcție de criteriul funcțional ………………………….. …………….. 12
2.3 Acționarea și comanda protezelor ………………………….. ………………………….. ………………… 13
2.4 Măsurarea activității electrice a mușchilor scheletici (EMG) ………………………….. ……… 16
2.4.1 Generarea potențialului de acțiune ………………………….. ………………………….. ………… 16
2.4.2 Etapele contracției musculare [18] ………………………….. ………………………….. …………. 17
2.4.3 Măsurarea semnalului EMG ………………………….. ………………………….. …………………. 18
2.4.4 Sisteme de achiziție a semnalului EMG [22] ………………………….. ……………………….. 20
Capitolul III. Prezentarea soluției propuse ………………………….. ………………………….. ………………….. 22
3.1 Dis pozitivul terminal ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 24
3.2 Schema bloc ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 26
3.2 Comanda și controlul protezei ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 26
3.3 Descrierea și f uncționarea modelului experimental ………………………….. …………………………. 27
Capitolul IV. Rezultate ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………….. 28
4.1 Achiziția semnalului mioelectric ………………………….. ………………………….. ……………….. 28
Clasificarea corectă a închiderii și deschiderii mâinii ………………………….. ………………………….. .. 29
4.2 Testarea motoarelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 30
4.3.1 Testarea servomotorului ………………………….. ………………………….. ……………………….. 30
4.3.2 Tes tarea motoarelor DC ………………………….. ………………………….. ………………………… 30
4.3 Acționarea dispozitivului utilizând semnal EMG ………………………….. ……………………. 30
Capitolul V. Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 31
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 32
Anexa 1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 34
Anexa 2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 35
Anexa 3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 36
Anexa 4 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 37
Anexa 5 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 38

3
Introducere
Necesitatea protezării

Termenul de ”protezare” provine din limba greacă, unde ”tilhemi” înseamnă a așeza, iar
”pro” înseamnă în loc, ducându -ne astfel cu gândul la un aparat sau un dispozitiv de înlocuire
a unui organ nefuncțional. În medicină această înlocuire (protezarea) se r eferă la orice organ
sau segment de organ, existând astfel mai multe tipuri de proteze, ca de exemplu: proteze
oculare, proteze vasculare, proteze auditive, proteze articulare, etc. Protezarea membrelor este
necesară din mai multe puncte de vedere, iar un factor important în stabilirea necesității
protezării îl reprezintă medicul. Acesta indică tipul de proteză ce urmează a fi utilizat, modul
de recuperare a pacientului și are de asemenea un rol important în reintegrarea socială și
profesională a persoanei protezate.
Protezele trebuie să îndeplinească mai multe funcții:
 morfologică, un exemplu ar fi proteza de membru inferior. Protezarea membrului
inferior ajută la recăpătarea mobilității, echilibrului și se împiedică de asemenea diferite
complicații la nivelul coloanei vertebrale și a pelvisului.
 estetică, există proteze care sunt proiectate foarte atent pentru a avea un aspect și mișcari
cât mai naturale și asemănătoare organului protezat
 psihosocială, un pacient protezat trece mai ușor peste ideea de i nvaliditate având un
”nou membru funcțional”, comparativ cu o persoană neprotezată.

Cele mai vechi atestări ale unor încercări de protezare le găsim în necropolele preistorice
sau pe desenele rupestre (bucăți de lemn sau oase de animale mari, car e erau legate cu benzi de
piele la bontul de amputație). Mai târziu, în jurul secolului VI -V î.Hr., în diverse scrieri
(Herodot, Aristophanes, Hippocrate) au fost descrise modele și tehnici de protezare, iar în unele
morminte din acea vreme s -au găsit prot eze primitive sau plăci de sprijin pentru bonturile de
amputație ale membrelor inferioare din lemn sau bronz, sau "cupe" care îmbrăcau bontul și se
continuau cu un pilon asemănător segmentului de membru lipsă [1,2].

4

Problema. Controlul protezei

Mana trebuie să fie integrată cât mai bine cu sistemul biologic, ceea ce face controlul
acesteia să devină o problemă. Pacientul trebuie să acționeze dispozitivul în mod reflex, fără a
conștientiza comenzile transmise. Sistemul uman corelează foarte bine infor mațiile vizuale,
auditive și senzoriale făcând posibilă mișcarea membrelor într -un mod în care persoana nu
necesită, după cum am spus anterior, conștientizarea comenzilor date. Înțelegerea acestui mod
de realizare a controlului este cheia spre optimizarea controlului în sistemele industriale și de
protezare.
Sistemul de comandă și control: prescrie succesiunea, parametrii și durata mișcărilor
lanțului cinematic corelate cu particularitățile operațiilor humanoide.
Se folosesc în principal următoarele tipuri de sisteme de comandă și control:
– comandă prin cablu fixat de ham
– comandă prin microtraductoare amplasate în manșon
– comandă prin biocurenți generați de masele musculare

Inițial, au fost utilizate sistemele de comandă prin cablu fixat de ham sau comandă prin
tracțiune. Acestea erau acționate utilizând energie corporală, mișcarea bontului sau omoplatului
comandând hamul. Cu ajutorul sistemelor respective sunt posibile mișcari de bază cum ar fi
prehensiune, pronație, flexie și extensie și sunt folosite în s pecial la amputațiile de antebraț.
Dezavantajul major al sistemelor de comandă prin tracțiune îl reprezintă complexitatea mare a
hamului pentru protezele cu funcționalitate ridicată ceea ce duce la o perioadă îndelungată de
instruire a pacientului.
O soluție optimă pentru îmbunătățirea controlului și scăderea timpului de instruire sunt
protezele acționate prin înregistrarea și interpretarea semnalelor mioelectrice [3].

5

Soluția, înregistrarea semnalelor electromiografice (EMG)

La momentul actual s e pune foarte mare accent pe protezele mioelectrice, controlate prin
electromiogramă (EMG), deci energie extracorporală. Funcționarea acestora este condiționată
de capacitatea pacientului de a acționa izolat diferite grupe musculare și de a produce prin
contracția acestora semnale mioelectrice cu intensități suficient de mari. Încă de la jumatatea
anilor 1940 există algoritmi de control ai protezelor mioelectrice de membru superior, aceștia
fiind utilizați și astăzi, în ciuda dezvoltării puterii de calcul ș i de noi algoritmi. Pentru mișcări
ca: închiderea și deschiderea palmei, sunt necesare două grupe de mușchi, câte una pentru
fiecare dintre aceste mișcări, existând însă și câteva aparate ce permit mișcări ale încheieturii și
prinderi specifice.
Cu toate că primele strategii de control s -au dovedit a funcționa corespunzător pe
parcursul a zeci de ani și a avea o fiabilitate ridicată, iar tehnologia este în continuă dezvoltare,
suntem departe de atingerea capabilității mâinii naturale [4 ,5].
Prin implementa rea unor algoritmi de învațare și algoritmi de recunoaștere a formelor se
pot introduce mai multe grade de libertate pentru o proteză, descifrându -se caracteristicile utile
din semnalul electromiografic, comparativ cu abordările timpurii ce permit doar dou a grade de
libertate [6]. Acest lucru este promițător pentru îmbunătățirea controlului protezelor, însă
implică descifrarea semnalului în timp real ceea ce duce la costuri foarte mari și o putere de
procesare semnificativă.

6
Capitolul I. Studii și cercetări
1.1 Stadiul actual în domeniul construcției și controlului protezelor de
membru superior

1.1.1 Documentări din brevete

Brevet numărul CN 201684048 U [7]
Modelul practic se referă la un sistem de control al unei proteze mioelectrice de mână, cu
funcție de reglare proporțională a vitezei. Pentru achiziția semnalului mioelectric sunt amplasați
electrozi pe piele, după care semnalul ajunge la un circuit de amplificare, iar apoi la un circui t
de preprocesare. Semnalul este trimis mai departe la un microprocesor (MSP430), în urma
conversiei A/D și a reglării automate a amplificării, după care ajunge la circuitul de control al
protezei. Astfel, ajustarea în timp real a sistemului de control al protezei mioelectrice aduce un
avantaj pentru utilizatori.
Pentru circuitul de preamplificare a fost utilizat un amplificator instrumental AD620, iar
pentru circuitul de reglare automată un amplificator programabil PGAI12.
Brevet numărul CN 102379759 A [8]
În acest brevet este prezentată o proteză mioelectrică de mână pentru auto reabilitarea
pacienților cu disfuncții ale mâinii. Un motor miniaturizat de curent continuu este utilizat pentru
controlul degetelor, acestea ajutând la mișcarea mâinii pacientului prin intermediul unui
mecanism de transmisie.
Proteza mioelectrică de mână este caracterizată de faptul că doi electrozi de achiziție sunt
plasați în zonele cu activitate mioelectrică ridicată de pe brațul pacientului și sunt utilizați pentru
recepționare a semnalelor de flexie și extensie a degetelor. Cele două semnale sunt introduse
într-un modul de control alcătuit dintr -un microcomputer format dintr -un singur chip și un
circuit de comandă al motorului. Microcomputerul transmite semnalele de flexie și ex tensie ale
protezei, circuitul de comandă al motorului produce prin intermediul motorului de curent
continuu, rotația în ambele sensuri, iar mecanismul de transmisie face posibilă închiderea și
deschiderea palmei.

7
Brevet numărul CN 101836908 B [9]
Proiectu l se referă la o proteză de mână ușoară și estetică, în care baza degetului mare
este prevăzută cu două articulații, una dintre ele permițând o rotație a degetului mare în poziția
de apucare (prehensiune), iar cealaltă permite deschiderea pasivă a degetulu i în poziția de
apucare sau închiderea pasivă a acestuia dând senzația de relaxare a mâinii. Un micro motor
este utilizat pentru comanda indexului și a degetului mijlociu astfel reducându -se greutatea
protezei și mărindu -se simplitatea acesteia.
Un locaș pentru baterie, un motor care permite rotația pasivă a încheieturii, o interfață
pentru semnalul mioelectric și un întrerupător pentru protezele de membru, aranjate la nivelul
încheieturii, împreună cu mâna formează produsul finit. Bateria poate fi inserat ă în încheietura
brațului protetic, astfel încât să fie sporită utilitatea și estetica. Prin urmare, dispozitivul, pe
lângă funcția de proteză mioelectrică are și o estetică plăcută, având avantajul unui design
ingenios, o structură, o aplicare și utilizar e simplă. Este fidelă din punct de vedere funcțional
mâinii umane, îndeplinind funcțiile importante necesare unui pacient ce necesită o proteză
mioelectrică și are o aplicabilitate pe scară largă.
1.1.2 Documentări din prospecte (firme producătoare)

Mână protet ică Michelangelo, producător Ottobock
Datorită complexității membrului superior, crearea unei proteze care să asigure mobilitate
naturală este o adevărată provocare. Mâna protetică Michelangelo, având cele șapte posibilități
diferite de prindere redă numeroase funcții ale mâinii naturale. Un alt plus al acestui dispozitiv
este forța de ridicare cuprinsă între 6 ș i 7 kilograme și posibilitatea ajustării forței necesare
ținerii unui obiect.
Figura 1 Mână protetică Michelangelo, Ottobock [10]

8
Proteza este controlată prin intermediul sistemului Axon -Bus (AXON înseamnă Adaptive
exchange of neuroplacement data – schimb adaptiv de date de neuroplasare), un sistem
asemănăt or unor sisteme de siguranță din industria aviatică și industria automobilelor și are
avantajul de a constitui un sistem integrat de transmisie de date. Astfel, pacientul beneficiază
de un timp de răspuns foarte scurt, fără intârzieri, al protezei și de o siguranță și fiabilitate
sporită.

Mână protetică SensorHand Speed și VariPlus Speed, producător Ottobock
Acest tip de proteză permite, împreună cu protezele de braț cu control mioelectric,
prinderea obiectelor de diferite dimensiuni, texturi și greutăți. Avantajul este reprezentat de
reacția rapidă, în timp real, oferind spontaneitate și posibilitatea de a utiliza mâna protetică, ca
pe cea naturală.
Atât SensorHand Speed, cât și VariPlus Speed posedă șase programe de control, fiind
astfel posibilă persona lizarea mâinii protetice în funcție de nevoile pacientului. De asemenea se
pot ajusta forța și viteza de prindere.
Beneficiile aduse de acest tip de proteză sunt:
– reflexe rapide, viteză proporțională de 300 mm pe secundă
– ancorare fermă, prin intermediul Au tograsp, în momentul în care un obiect începe să
alunece forța de strângere crește până când obiectul este prins în siguranță
– prinderea obiectelor indiferent de greutate sau dimensiune
– există în mai multe variante de mărime, pentru femei și pentru bărbați
– flexibil în aplicare, poate fi combinată cu diverse componente putând fi utilizate la
capacitate maximă în viața de zi cu zi

9

Vari -Pich Prehensor (V2P), producător Tough Ware
Acest dispozitiv a fost patentat de Tough Ware (8056761 US Patent) ca fiind un dispozitiv
terminal cu deschidere voluntară acționat prin forță umană ce permite o prindere stabilă și o
flexibilitate sporită. Forța de prindere poate fi controlată de pacient astfel încât efortul depus de
acesta să fie cât mai redus ori de câte ori este posibil. Dexteritatea este îmbunătățită prin
intermediul cablurilor de tensiune de dimensiuni mici, prevenindu -se astfel și accidentarea
pacientului datorită utilizării excesive , dar în același timp și uzura dispozitivului. Aceste
caracteristici aduc un beneficiu atât pentru pacienții cu amputații bilaterale, cât și pentru
pacienții slabiți sau cu țesuturile musculare compromise.
V2P este alcătuit din oțel anticoroziv, aliaj din aluminiu și compozite din poliamidă de
înaltă calitate pentru a putea îndeplini diversele necesități. Este proiectat pentru a face față
efortului fizic extins și pentru a oferi susținere în medii montane, în deșert sau litoral.
Dispozitivul este rezistent la nisip sau apă sărată, astfel că nu va prezenta urme de coroziune în
momentul expunerii la vreunul dintre aceste două elemente.
Figura 2 Mână protetică SensorHand Speed și VariPlus Speed, Ottobock [11]

Figura 1 Mână protetică SensorHand Speed și VariPlus Speed, Ottobock [26]

Figura 2 Mână protetică SensorHand Speed și VariPlus Speed, Ottobock [26]

Figura 3 Mână protetică SensorHand Speed și VariPlus Speed, Ottobock [26]

Figura 4 Mână protetică SensorHand Speed și VariPlus Speed, Ottobock [26]

10

i-Limb Ultra Revolution, producător Touch Bionics
i-Limb Ultra Revolution este o proteză de mână ce permite o gamă largă de mișcări
datorită articulațiilor multiple prezente, oferind pacientului senzația de mână naturală și o
multitudine de funcții. În momentul actual este considerată ca fiind proteza ce oferă dexteritatea
cea mai mare și o bună versatilitate.

Dexterita sporită se referă la faptul că:
– degetul mare are capacitatea de a comuta automat între modelele de prindere laterală și
paralelă, permite o prindere precisă, tranziții naturale și timp scăzut între prinderi
– cele cinci degete au articulații individuale și de asemenea funcție de control individual
– control proporțional pentru diferite tipuri de prinderi
– o varietate de opțiuni la nivelul încheieturii, făcând ca mișcarea să pară naturală
Din punct de vedere al esteticii, există diverse tipuri de mănuși care să indeplinească
nevoile pacienților.
Control protezei se poate face chiar și prin intermediul dispozitivelor mobile cu ajutorul
aplicației biosim, în momentul actual aceasta este disponibi lă doar pentru protezele de membru
superior. Pacientul poate controla proteza atât prin intermediul unor electrozi compacți, cât și
prin intermediul unor electrozi la distanță. Ultimele modele ale electrozilor la distanță fiind
rezistente la apă, miniaturi zate și îmbrăcate cu aur pentru o sensibilitate sporită.
Figura 3 Vari-Pich Prehensor (V2P), Tough Ware [ 12]

Figura 8 Vari-Pich Prehensor (V2P), Tough Ware [ 27]

Figura 9 Vari-Pich Prehensor (V2P), Tough Ware [ 27]

Figura 10 Vari-Pich Prehensor (V2P), Tough W are [ 27]

Figura 11 Vari-Pich Prehensor (V2P), Tough Ware [ 27]

Figura 12 Vari-Pich Prehensor (V2P), Tough Ware [ 27]

Figura 13 Vari-Pich Prehensor (V2P), Tough Ware [ 27]

11

Capitolul II. Constructia si controlul

Protezarea este definită ca fiind activitatea de realizare a mijloacelor de înlocuire sau
substituire a organelor sau segmentelor corporale.
Protezele sunt dispozitive ce înlocuiesc funcția unui organ afectat în urma unui accident
sau a unei boli. Proteze le se împart în două categorii:
– Endoproteze (proteze implantabile)
– Exoproteze

2.1 Etapele de realizare a unei proteze
Prima etapă în realizarea protezelor este stabilirea clară a funcțiilor ce urmează a fi
suplinite de componenta artificială. Această etapă implică studiul anatomiei funcționale și a
biomecanicii organului ce urmează a fi protezat și evaluarea cinematică.
Următoarea etapă este stabilirea restricți ilor impuse de conectarea dispozitivului la
organismul uman și evaluarea duratei de utilizare neîntreruptă. Acest lucru se referă la interfața
om-proteză și anume la manșon și sistemul de comandă și control.

Figura 4 i-Limb Ultra Revolution, Touch Bionics [13]

Figura 15 i-Limb Ultra Revolution, Touch Bionics [28]

Figura 16 i-Limb Ultra Revolution, Touch Bionics [28]

Figura 17 i-Limb Ultra Revolution, Touch Bionics [28]

Figura 18 i-Limb Ultra Revolution, Touch Bionics [28]

Figura 19 i-Limb Ultra Revolution, Touch Bionics [28]

Figura 20 i-Limb Ultra Revolution, Touch Bionics [28]

12
O altă etapă importantă în realizarea dispoziti vului de protezare este evaluarea
posibilităților de materializare tehnică a produsului. În acest scop sunt utilizate tehnici de
modelare și simulare astfel reducându -se substanțial și costurile. Pentru o eficiență cât mai mare
se ține cont de soluțiile ex istente, de exemplu, în cazul protezelor de membru superior,
mecanisme de prehensiune și supinopronație.
Urmează realizarea prototipului și efectuarea corecțiilor necesare, optimizarea produsului
în cazul în care acesta nu corespunde specificațiilor de pro iectare, iar ulterior validarea
produsului optimizat prin testări clinice, testări pe animale, în cazul endoprotezelor, sau testări
pe pacienți în cazul exoprotezelor.
În continuare urmează individualizarea produsului, adică adaptarea la nevoile individual e
ale pacienților, ceea ce presupune realizarea produsului într -o gamă de dimensiuni și de
parametri funcționali cât mai largă.
Următoarea etapă este supravegherea pieței, ceea ce presupune crearea unei baze de date ce
conține utilizatorii protezelor și i nformații cu privire la evoluția în timp. De asemenea, este
necesară o comunicare permanentă cu pacienții, ceea ce duce la o perfecționare continuă a
dispozitivului.

2.2 Clasificarea protezelor în funcție de criteriul funcțional
a) active
b) pasive
Cele pasive se î mpart la rândul lor în proteze estetice și proteze de lucru, iar cele active
în proteze cu energie corporală, cu energie extracorporală și proteze hibride.
Protezele ce utilizează energia corporală pot fi acționate prin forță directă sau forță
indirectă, pe când cele cu energie extracorporală pot fi pneumatice sau electrice cu control
mioelectric sau control prin întrerupătoare.

13
2.3 Acționarea și comanda protezelor
Acționa rea protezelor se poate face mecanic sau electric. Acționarea mecanică presupune
ca mușchiul pacientului să nu fie afectat, astfel prin intermediul unor pârghii sau a unor cabluri
acesta să poată utiliza proteza. Acționarea electrică se poate face prin int ermediul unor motorașe
și a biopotențialelor achiziționate de la pacient.
a) Acționarea pneumatică
Acționarea pneumatică se poate face prin intermediul unor motoare liniare cu simplu
efect, motoare liniare cu dublu efect sau mușchi artificiali.

Gaz
Resort

Figura 5 Schema acționării pneumatice cu motor liniar cu simplu
efect
Gaz
Figura 6 Schema acționării pneumatice cu motor liniar cu dublu efect

14
O modalitate de creare a mușchilor artificiali este utilizarea unor cilindrii de cauciuc,
înveliți cu o plasă din fibră sintetică. În momentul introducerii gazului cu o anumită presiune
se dezvoltă o f orță de tracțiune.

Pentru închiderea protezei este necasară introducerea unui gaz în burduf, relaxarea
făcându -se prin intermediul unui arc. Principalul dezavantaj al acestor tip de mușchi este
elasticitatea foarte ridicată.

b) Acționarea hidraulică
Un dezavantaj al acestei metode de acționare este faptul c ă sistemul necesită un spațiu
larg datorită numărului mare de componente (sursa de energie electrică, pompa hidraulică,
servovalve, motoare rotative sau liniare hidraulice). Pe de altă parte acest tip de sistem este
considerat a fi precis și de bună calita te.

T
Gaz
T
T
Gaz
Figura 7 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimensionali

Figura 22 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimensionali

Figura 23 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimensionali

Figura 24 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimens ionali

Figura 25 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimensionali

Figura 26 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimensionali

Figura 27 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimensionali

Figura 28 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimensionali
Figura 8 Acționarea pneumatică a protezelor

15
c) Acționarea cu biocurenți
Este cea mai răspândită metodă deoarece prezintă multiple avantaje. Unul dintre acestea
ar fi posibilitatea utilizării unor motoare miniaturizate care pot fi integrate și controlate cu
ușurință.
Deși este, poate, cea mai c omplicată dintre metode, este considerată și cea mai eficientă,
cu ajutorul biopotențialelor putându -se controla poziția membrelor, forța de strângere și diverse
mișcări. Pentru a putea fi utilizați, acești curenți necesită o amplificare, ulterior o preluc rare, iar
ulterior transmiterea lor către sistemul de acționare al protezei.
În momentul de față se urmărește miniaturizarea elementelor componente, obținerea unui
raport putere -greutate cât mai înalt și un răspuns rapid și eficient la comandă.

Comanda protezelor poate fi efectuată prin mai multe căi: manuală, electrică, electronică,
bioelectrică sau în anumite cazuri prin voce sau unde cerebrale. Toate aceste metode necesită o
schemă de comandă adecvată.
În următoarea figură este prezentată schema de comandă electronică pentru o proteză.

Mărimea de comandă C este transmisă prin intermediul traductorului către un bloc de
comparație care are valoarea efectivă θr și care mai departe compară această valoare cu θc, din
comparație rezultând o marime θd care este amplificată cu factorul k și care ajunge la motor
acționându -l în mod corespunzător. Toate aceste mărimi trebuie procesate, iar acest luc ru se
face cu ajutorul unui microprocesor sau microcalculator specializat.
Figura 9 Acționarea cu biocurenți a protezei
Traductor
k−1
k
Motor
θr
θd
θc
+
C
Bloc comparator
Figura 10 Schema de comandă electronică pentru o proteză

16
2.4 Măsurarea activității electrice a mușchilor scheletici (EMG)

Mișcările membrelor superioare și inferioare sunt controlate prin intermediul unor
semnale bidirecționale transmise între mușchi și sistemele nervoase centrale și periferice.
Electromiograma (EMG) este definită ca măsurarea activității electrice la nivelul mușchilor
scheletici care este însoțită de contracția acestora. Modificări ale semnalului electric la nivelul
mușchilor pot apărea în cazul unor modificări patologice la nivelul coloanei vertebrale, a
neuronilor motorii sau joncțiunilor neuro -musculare. A stfel putem spune că semnalul EMG are
o importanță foarte mare în descoperirea și diagnosticarea anormalităților atât la nivelul
mușchilor, cât și la nivelul global al sistemului motor. În prezent, datorită evoluției tehnologice,
semnalele EMG sunt utiliza te pentru controlul protezelor de membre superioare și inferioare.
[14]

2.4.1 Generarea potențialului de acțiune
Organismul uman prezintă trei tipuri de celule musculare: netede, striate și cardiace. Fibra
musculară striată este legată de o fibră nervoasă nemie linizată, diferind față de aceasta din punct
de vedere electrobiofizic prin prezența unui sistem tubular transversal. Contracția musculară se
produce datorită acestei structuri complexe care continuă suprafața membranei în interiorul
mușchiului și ajută la propagarea impulsului. [ 15, 16 ]
Diferența dintre mușchiul cardiac striat și mușchiul scheletic este dată de durata de timp
a semnalului generat, în primul caz aceasta fiind mult mai mare, aproximativ 300 milisecunde,
ceea ce duce la o contracție mai îndel ungată. Datorită sistemului de joncțiuni intracelulare
activitatea electrică a unei celule este dependentă de cea a celulelor învecinate.
Mușchiul este caracterizat de elasticitate și extensibilitate și are în componența sa celule
capabile să se contracte și să se relaxeze, numite miofibrile. Îndeplinește patru funcții
importante: produce mișcare, transportă diverse substanțe prin organism, asigură stabilitate și
este un generator de căldură.
În momentul eliberării neurotransmițătorului acetilcolină (ACh) î n joncțiunea neuro –
musculară (sinapsa dintre neuron și mușchi), are loc activarea fibrei musculare. Acest fenomen
este însoțit de trecerea unui flux de ioni, în special de sodiu (Na+), prin membrana celulei,
numită sarcolemă.

17
Alunecarea sau glisarea filamentelor în miofibrile se produce atunci când ionii de calciu
(Ca2+) sunt eliberați din reticulul endoplasmatic, aflat în celula musculară. Are loc concomitent
cu potențialul de acțiune rezultat în urma modificării potențialului sarcolemei.
Contracția mușchiului striat este inițiată de impulsuri în neuroni și este controlată voluntar
în cele mai multe cazuri. Neuronii sunt conectacți la mai multe fibre musculare, între zece și
trei mii de fibre, împreună formând o unitate motorie. În momentul stimulării , odată cu
propagarea semnalului de -a lungul fibrei musculare are loc și depolarizarea acesteia. Durata
contracției este cuprinsă în intervalul 20 -200 milisecunde [ 17].
În vecinătatea fiecărei fibre este generat un câmp electric datorită depolarizării,
acompaniate de deplasarea ionilor. Semnalul EMG este un tren de potențiale de acțiune ce
dovedește ca mușchiul răspunde la un stimul nervos. Biopotențialele electrice musculare au
amplitudini între 500 și 700 microvolți și durată între 4 și 16 milisecunde, de pinzând de
mărimea unității motorii și implicit de numărul de fibre.

2.4.2 Etapele contracției musculare [18]
1) impulsul electric (potențialul de acțiune) este transmis de către sistemul nervos
central/periferic prin intermediul nervului motor la nivelul fibrei musculare;
2) la fiecare capăt al nervului care inervează o fibră musculară, acesta secretă o cantitate
mică de substanță neurotrasnmițătoare numită acetilcolină;
3) acetilcolina determină local deschiderea un or canale multiple de sodiu din cadrul
membranei, sensibile la acest neurotransmițător;
4) deschiderea acestor canale specifice acetilcolinei permite difuzia unor cantități mari de
ioni de sodiu în interiorul membranei fibrei musculare. Acest lucru determină inițierea unui
potențial de acțiune (unda de depolarizare) la nivelul membranei;
5) potențialul de acțiune traversează toată lungimea fibrei musculare;
6) potențialul de acțiune depolarizează membrana musculară și marea parte a potențialului
de acțiune circul ă prin centrul fibrei musculare datorită sistemului transversal foarte ramificat
de tuburi numit sistem T. Acest lucru determină ca reticulul sarcoplasmic să elibereze cantități
mari de ioni de calciu, care de obicei sunt stocați în acest reticul;
7) ionii d e calciu inițiază forțe de atracție între filamentele de miozină și actină, care
determină practic procesul de contracție;

18
8) după o fracțiune de secundă, ionii de calciu sunt pompați înapoi în reticulul sarcoplasmic
de o pompă specifică de Ca2+ aflată la niv elul membranei, ceea ce determină încetarea
contracției. Acești ioni ramân depozitați în reticul până la ajungerea unui alt potențial de acțiune
la suprafața membranei.
Cu ajutorul unor biosenzori specifici, potențialele de acțiune de la nivelul fibrelor
musculare pot fi înregistrate formând semnalul EMG.

2.4.3 Măsurarea semnalului EMG
Un sistem de achiziție de semnal EMG poate avea o configurație de minimum 1 până la
4 canale, pentru măsurători cu feedback, și maximum de la 64 până la 128 de canale pentru
achiziție multi canal cu rezoluție mare.
Componentele unui sistem de instrumentație pentru măsurarea semnalului EMG:
a) senzori
b) etaj de amplificare
c) etaj de filtrare analogică
d) mediu de stocare
e) convertor A/D (analog / digital)
f) afișaj
a) Senzori
Pentru înregistrarea semnalului EMG, care este un biopotențial, sunt utilizați electrozi,
fiind împărțiți în două categorii:
1) electrozi intramusculari [ 19]– sunt electrozi de tip ac care sunt introduși în
mușchi. Acest tip de electrod înregistrează suma tutuor potențialelor din fiecare fibră în
momentul în care potențialul de acțiune de la nivelul fibrei musculare trece pe lângă electrod.
Electrodul înregistrează o formă de undă variabilă în timp, dar nu oferă informație spațială,
acest lucru fiind un dezavanta j pentru cel care trebuie să interpreteze semnalul.
Există diferite tipuri de electrozi implantabili:
– electrod monopolar
– electrod concentric
– electrod multipolar
– electrod pentru măsurarea potențialului de acțiune al unei singure fibre musculare

19
– fir care este introdus în mușchi cu ajutorul canulei
2) electrozi de suprafață [ 20]– sunt folosiți pentru măsurarea semnalului EMG, sunt
realizați din Ag – AgCl și pot fi utilizați individual sau organizați în rețele de senz ori care au
ca scop îmbunătățirea selectivității spațiale.
Electrozii de suprafață prezintă dezavantajul că pot fi folosiți doar pentru măsurarea
semnalelor EMG provenite de la mușchii superficiali, aflați imediat sub piele.
b) Etajele de amplificare, filtrar e și conversie analog -digitală
Condiționarea semnalului EMG se face prin amplificarea și filtrarea semnalului,
eliminându -se astfel zgomotul și reținându -se doar banda de frecvențe dorită. Pentru protecția
pacientului, sistemul EMG prezintă o izolație real izată din optocuploare, iar pentru protecția
față de rețeaua electrică este utlizată o izolație galvanică prin intermediul unui transformator.
Etajul de amplificare este alcătuit dintr -un amplificator de instrumentație care, în funcție
de tipul de înregist rare, realizează diferența între semnalul achiziționat de un electrod plasat în
zona de interes și un electrod de referință plasat într -o zonă inactivă din punct de vedere electric
sau diferența între două semnale înregistrate de electrozi aflați unul lâng ă altul în aceeași
suprafață de achiziție (măsurători bipolare).
Următorul etaj este cel de filtrare, în care este eliminat zgomotul. Filtrul utilizat este unul
trece bandă, filtrarea trece sus se face pentru a elimina potențialul direct dat de interfața
electrod -electrolit, iar filtrarea trece jos este utilizată pentru a elimina zgomotul care nu se
suprapune cu banda de frecvențe de interes.
Figura 11 Tipuri de electrozi implantabili

20
În figura de mai jos sunt reprezentate frecvențele de tăiere ale filtrelor trece sus și trece
jos pentru diferite s ituații. [21]

În funcție de domeniul specific intrării convertorului analog/digital este aleasă
amplificarea, astfel încât semnalul EMG înregistrat să ocupe tot domeniul oferit de convertor,
se maximizează rezoluția:
LSB = 𝑉domeniu
2𝑁 , unde LSB este last significant bit (cel mai puțin semnificativ bit), V domeniu
este domeniu maxim al convertorului A/D și N este numărul de biți. Cele mai des utilizate
rezoluții pentru aplicațiile EMG sunt 12 sau 16 biți.

2.4.4 Sisteme de achiziție a semnalului EMG [22]
a) Sistem EMG didactic BioPac
Acest sistem este multi canal și este pr evăzut cu un software ce permite vizualizarea,
achiziționarea, analiza și în anumite cazuri procesarea semnalelor. Pentru înregistrarea altor
parametri, de exemplu, forța musculară în timpul contracției, sunt necesare canale de intrare
suplimentare.
Figura 12 Frecvențele de tăiere ale filtrelor trece sus (FTS) și trece jos (FTJ)

21
În ca zul masurării vitezei de conducere la nivelul nervului motor sau a fibrei musculare
sistemul poate conține un bloc de stimulare.
b) Sistem EMG ambulatoriu
Acest sistem este utilizat pentru achiziționarea semnalului EMG pe termen lung, de
aceea trebuie aliment at de la baterii și este necesară portabilitatea.
Este un sistem multi canal, de obicei conține între 2 și 8 canale, având etajele de
amplificare și filtrare la nivelul electrozilor și mediu de stocare detașabil. Acest lucru face
posibilă analiza / preluc rarea offline a semnalului.
Diferența dintre acest sistem și cel folosit în laborator este faptul că amplificarea la
acesta este fixă, banda de frecvență este fixă și nu prezintă blocul de stimulare
neuromusculară.
c) Sistem pentru analiză mișcării
Pentru ac est sistem sunt utilizați electrozi de suprafață care detectează activitatea electrică
în momentul mișcării. Sunt utilizate de la 4 până la 8 perechi de electrozi bipolari.
Cu ajutorul acestui sistem, a unor camere infraroșu și a unor markeri se pot înregi stra,
distribuția presiunii piciorului și imagini pentru reconstituirea 2D sau 3D a mișcării membrului.
Este necesar un software specializat care să poată afișa simultan semnalul EMG și animația
pozițiilor segmentului de membru.
De obicei aceste sisteme su nt wireless și utilizează tehnologia Bluetooth.
d) Sistem EMG de biofeedback
Acest tip de sistem este utilizat pentru persoanele care necesită indicarea gradului de
relaxare sau încordare a unui mușchi sau a anumitor grupe de mușchi. Astfel, în momentul
relax ării excesive pacientul este atenționat de necesitatea activării mușchiului respectiv. În cel
de-al doilea caz, când mușchiul este încordat peste un anumit prag, sistemul de biofeedback
transmite pacientului faptul că mușchiul respectiv are nevoie de relax are.
În mod normal aceste sisteme au un singur canal la care sunt conectați electrozii de
suprafață, un indicator în timp real a activității musculare și un generator de vibrații pe o
anumită frecvență. Feedbackul este bazat doar pe amplitudinea semnalului EMG înregistrat.

22
Capitolul III. Prezentarea soluției propuse
Tema lucrării este constructia unei maini bionice care sa poate fi acționată în timp real.
Pentru îndeplinirea obiectivului vor fi utilizate următoarele elemente:
– electrozi pasivi de suprafață
– placă adițională ce permite achiziția semnalelor de tip EMG (Shield EKG – EMG)
– placă de achiziție (Arduino Uno R2)
– motoare 1.5V – 12V
– servomotor pentru acționarea degetului mare
– dispozitiv terminal (mâna printata 3D – material PLA)
Figura 13 Motoare in cu rent continuu

Electrozii de suprafață sunt proiectați special pentru Shield -ul EKG – EMG și împreună
cu plăcuță Arduino permit achiziționarea de semnale electrocardiografice și electromiografice.
Astfel se pot monitoriza și analiza bătăile inimii și activ itatea electrică a mușchilor.
Electrozii sunt marcați cu L (left) pentru brațul stâng, R (right) pentru brațul drept și D
pentru DRL (Driven Right Leg), piciorul drept, iar conectarea la Shield se face prin intermediul
unui Jack.
Shield -ul EKG – EMG permi te plăcuțelor Arduino să captureze semnalele
electromiografice și electrocardiografice făcând astfel posibil feedbackul bio. Pot fi conectate
până la șase astfel de plăci, fiecare dintre ele reprezentând un alt canal de achiziție. Permit atât
conectarea un or electrozi pasivi, cât și a unor electrozi activi și funcționează cu orice tip de
placă Arduino de 3.3V și 5V.

23
Conectarea la placa Arduino este foarte simplă, acest tip de placă avand aceeași distribuție
a pinilor analogici și digitali. Practic Shield -ul este pus peste placa Arduino, iar cele două sunt
conectate.

Figura 14 Placuta Arduino, Scheild -up EKG -EMG si electrozi
Arduino este printre cele mai simplu de utilizat platforme cu microcontroller, putând fi
comparat cu un minicalculator capabil să achiziționeze informații din mediul exterior și să le
prelucreze. Poate fi utilizat pentru o multitudine de aplicații, printre care se num ără:
– senzori de detecție a alcoolului din aerul respirat
– senzor de incendiu
– curentul consumat de diverse dispozitive casnice
– forță de apăsare
– nivel de iluminare
– prezență umană
– temperatură, umiditate, presiune atmosferică
Poate fi conectat cu alte dispozitive prin intermediul unor plăci de rețea Ethernet/WIFI
sau prin intermediul unor conectori Bluetooth. Aplicabilitatea acestei plăcuțe este vastă, un alt
domeniu în care este utilizată fiind mecanica, putând fii conectate a tât motoare de curent
continuu, cât și motoare pas cu pas sau servomotoare. Pentru afișarea datelor preluate, Arduino
permite conectarea de ecrane LCD, atât cele simple cu afișare a doar 16 caractere, cât și cele
mai complexe cu afișare de grafice [ 23].

24
Servomotorul este alcătuit dintr -un motor de curent continuu, un driver pentru acesta, un
circuit electronic de interfațare și un dispozitiv capabil să identifice poziția axului.
Caracteristica principală a unui servomotor este cuplul, exprimat in kilograme/ centimetru. De
exemplu, un motor care are un cuplu de 5 kilograme/centimentru este capabil să ridice o
greutate de 5 kilograme plasată la o distanță de 1 centimetru față de centrul axului. Dacă distanța
se mărește la 2 centimetri, greutatea maximă scade la jumătate. În cazul de față servomotorul
are un cuplu de 1,4 kilograme/centimetru.
Pentru controlul servomotorului este necesar un semnal PWM (Pulse Width Modulation),
care în funcție de factorul de umplere face posibilă deplasarea servomotorului la o pozi ție
exactă.
Motorul este prevăzut cu trei fire, unul maro care reprezintă masa, unul roșu care va fi
legat la pinul de 5V al Arduino și unul galben care se conectează la un pin Arduino PWM, în
cazul nostru pinul cu numărul 9 [ 24].

Arduino/Shield 5V Pin VC C Servo – alimentare (roșu)
Arduino/Shield GND (masa) Pin GND Servo (maro)
Arduino/Shield Pin Digital 9 (PWM) Pin Semnal Servo (galben)
Figura 15 Tabel conexiuni placă Ard uino/Shield EKG cu servomotorul
3.1 Dispozitivul terminal
Dispozitivul terminal imita foarte bine un membru uman. Acesta are functionalitatile,
articulatiile, miscarile si forma unei maini. Pentru construcția acestuia au fost utilizate
urmatoarele componente:
– rulmenti de dimensiuni foarte mici (3mm diametru inter ior, 10mm diametru exterior);
– axe de ghidaj de diferite dimensiuni (diametru 3mm, lungime: 6mm, 12mm, 14mm);
– servo motor pentru miscarea in jurul axei proprii a degetului mare;
– cablu de otel acoperit cu plastic (0.7mm diametru)
– motoare in current continuu
Fiecare deget este format din trei segmente (falange) , care la randul lor sunt formate din
doua piese. Pentru prinderea si mobilitatea celor trei segmente au fost folositi rulemti si axe de
ghidaj.

25

Figura 16 Deget, falange si rulmenti
Pentru actionarea degetelor prin intermediul motoarelor se foloseste un cablu de otel
acoperit cu cauciuc, care trece prin toate cele trei segmente si este infasurat in jurul unui cilindru
din plastic asemanator unei bobine. Degetele sunt tot tim pul tensionate cu ajutorul unui
ansamblu format din doi scripeti si doua arcuri formand o parghie de gradul II.
Figura 17 Cilindri asemanatori cu o bobina pentru motoare
Pe suportul ce reproduce palma sunt plasate degetele impreuna cu motoarele in lacasuri
separate. Pentru actionarea degetului mare sunt utilizate doua motoare, unul de current continuu
si un servomotor. Servomotorul ajuta la miscarea de abductie si adductie, iar motorul de curent
continuu la miscarea de flexie si extensie a degetului.

26

Figura 18 Prototip
3.2 Schema bloc
Schema bloc este alcătuită din cinci blocuri:

Figura 1 9 Schema Bloc a soluției propuse
Achiziția se face cu ajutorul electrozilor pasivi. Prin contracție, mușchii generează un
semnal electric, care poate fi înregistrat, interpretat și prelucrat. Semnalele electromiografice
au amplitudine scăzută, iar pentru procesarea acestora este utilizat Shield -ul EKG -EMG care
are în componența sa mai multe amplificatoare.
Prelucrarea și transmiterea semnalului este efectuată prin intermediul anumitor software –
uri, programul special pentru Arduino și Matlab. După prelucrare, semnalul ajunge la un
servomot or care acționează proteza de mână.
3.2 Comanda și controlul protezei
Pentru comanda și controlul dispozitivului este necesară scriere unui cod în software -ul
special pentru Arduino. Structura unui program Arduino este formată din două secțiuni, una de
setup , care este rulată o singură dată în momentul alimentării plăcuței și una de loop, care este
rulată pe tot parcursul alimentării plăcii. Codul pentru comanda și controlul protezei poate fi
găsit în Anexa 1 . Achiziție

Achiziție

Achiziție

Achiziție

Achiziție

Achiziție

Achiziție

Achiziție Procesare

Procesare

Procesare

Procesare

Procesare

Procesare

Procesare

Procesare Prelucrare

Prelucrare

Prelucrare

Prelucrare

Prelucrare

Prelucrare

Prelucrare

Prelucrare Transmitere

Transmitere

Transmitere

Transmitere

Transmitere

Transmitere

Transmitere

Transmitere Acționare

Acționare

Acționare

Acționare

Acționare

Acționare

Acționare

Acționare

27
Primul pas este includerea în program a libr ăriilor necesare, după care se definesc anumiți
parametri cum ar fi: pragul pentru a decide când este mâna închisă sau deschisă, pinul analog
pe care se achiziționează semnalul mioelectric și pinul digital prin intermediul căruia se
controlează servomotoru l. Pragul a fost inițial ales în intervalul selectat în Matlab, în aplicația
anterioară acesteia, însă nu s -au obținut rezultatele așteptate, astfel că prin încercări s -a stabilit
valoarea finală.
După definirea variabilelor, se crează funcțiile pentru înc hiderea mâinii (contracția
mușchilor) și deschiderea mâinii (relaxarea mușchilor), se citește pinul analog selectat anterior,
se face o mapare, urmată de o filtrare a semnalului, iar valoarea obținută se compară cu pragul
ales și astfel se decide care dint re cele două cazuri este cel actual.
3.3 Descrierea și funcționarea modelului experimental
Pentru început se includ în program librăriile necesare, după care se definesc anumiți
parametri cum ar fi, pragul pentru a decide când este mâna închisă sau deschi să, pinul analog
pe care se achiziționează semnalul mioelectric și pinul digital prin interme diul căruia se
controlează motoarele .
Mai departe sunt create două funcții pentru închiderea și deschiderea mâinii, în care sunt
comandate motoarele . Pentru închid ere se alimentează motoarele și încep să se rotească, iar
pentru deschidere se schimbă polarizarea, motoarele rotindu -se în celălalt sens.
În cazul servomotorului, pentru deschidere motorul trece în poziție 0, iar pentru închidere
face o rotație până în p oziția de 100ș.
Pentru a ști când și cum să acționeze motoarele , valoarea obținută în urma mapării și a
filtrării semnalului înregistrat este comparată cu o valoare de prag, iar în funcție de rezultatul
comparației se decide în ce poziție urmează să fie mo torul.

28
Capitolul IV. Rezultate

4.1 Achiziția semnalului mioelectric
Pentru achiziția semnalului EMG am folosit placa Arduino împreună cu Shield -ul și
electrozii, softul Arduino în care am introdus un cod publicat de producătorii Shield -ului și un
alt soft open source, Electric Guru, pentru vizualizarea formelor de undă.
După conectarea plăcuțelor și alimentarea Arduino prin portul USB de la laptop, am
aplasat electrozii după cum urmează: R și L pe mâna dreaptă, unde se calculează diferența de
potențial, iar D pe mâna stângă, reprezentând referința.

După cum se poate observa, în momentul formării unui biopotențial există o variație a
semnalului după care acesta revine la starea inițială.

Figura 21 Semnalul EMG atunci când mușchiul este relaxat
Figura 22 Semnalul EMG atunci când există activitate electrică
Figura 20 Montajul pentru achiziția semnalului EMG

29
Clasificarea corectă a închiderii și deschiderii mâinii
Pentru această aplicație, pe lângă softul Arduino am utilizat și softul Matlab. Pentru
conectarea plăcuței Arduino cu Matlab -ul există creată o funcție in Matlab și un program
Arduino.
Scopul acestei aplicații este de a afișa corect când mâna este închisă , respectiv deschisă.
Montajul ramâne același ca la aplicația precedentă. Pentru îndeplinirea scopului a fost creat
programul din Anexa 2 .
Programul citește intrarea analogică de pe Arduino unde se achiziționează semnalul
mioelectric, după care sunt setate două praguri, unul la valoarea 450 milivolți și altul la valoarea
de 580 milivolti. Ideea de bază este că atunci când semnalul are valori în intervalul 450 – 580,
mușchiul este considerat relaxat și mâna este deschisă, iar atunci când nu are o valoare în acest
interval există o contracție musculară și mâna este închisă. Valorile pentru intervalul de decizie
au fost alese în urma vizualizării semnalului în Matlab.
Programul funcționează corect, însă datorită zgomotului prezintă mici erori de clasificare.
Există momente în care, în timpul contracției, traiectoria semnalului nu este continuă , ci are o
oprire de scurtă durată în intervalul în c are mână este considerată a fi deschisă, iar mușchiul
relaxat.
Figura 23 Clasificare mână închisă / mână deschisă

30
4.2 Testarea motoarelor
4.3.1 Testarea servomotorului
Testarea servo motorului se face prin conectarea acestuia la placa Arduino după cum am
menționat anterior și prin implementarea unui program Arduino, Anexa 3 .
Ceea ce face acest program este să miște servo motorul cu câte un grad la fiecare 10
milisecunde. Este setat să meargă de la 10 până la 150 de grade pentru a nu -l forța și a nu exista
probleme.
4.3.2 Testarea motoarelor DC
Testarea motoarelor se face prin conectarea acestora la placa Arduino dupa cum
urmeaza: se leaga doua fire la doua porturi PWM si se ruleaza pr ogramul din Anexa 4.
Programul functioneaza astfel: se initializeaza porturile la care sunt conectate firele
motorului , se roteste motorul intr -un sens timp de doua secunde, iar apoi in celalalt sens timp
de inca doua secunde.
4.3 Acționarea dispozitivului utilizând semnal EMG
Acționarea dispozitivului utilizând semnalul mioelectric este scopul acestei lucrări.
Pentru a duce la bun sfârșit această lucrare trebuie îmbinate toate cele trei aplicații prezentate.
Astfel se ajunge la codul din Anexa 1 .

31
Capitolul V. Concluzii
Protezarea este o metodă medicală prin care pacientului îi este înlocuit un organ afectat
cu unul artificial care să fie capabil să reproducă aproape în totalitate funcțiile organului natural.
Cele mai cunoscute tipuri de proteze su nt cele de membre. Acestea au o istorie îndelungată,
primele proteze fiind din lemn sau oase de animale și datează din perioadele preistorice.
Următoarele generații de proteze au fost cele acționate prin intermediul unor cabluri cu
ajutorul mușchilor neaf ectați ai pacientului. Acest lucru presupune însă un efort foarte mare al
pacientului, dar și o uzură, atât a protezei, cât și a țesuturilor musculare ale persoanei respective.
Astfel a apărut necesitatea creării altor metode de acționare a protezei, print re care și utilizarea
semnalelor mioelectrice. Aceasta este o metodă actuală și este cea mai utilizată deoarece nu
există riscuri majore de afectare a pacientului.
Ideea de bază a acestei lucrări este demonstrarea faptului că o proteză poate fi controlată
prin intermediul unui semnal EMG. Pentru acest lucru am utilizat electrozi pasivi pentru
achiziția semnalului, două plăci pentru prelucrare și comandă, un servomotor, cinci motoare în
curent continuu și scheletul printat 3D reprezentând mâna, având în vede re reproducerea
mișcării de prehensiune.
După cum se poate observa din rezultatele obținute, a fost atins scopul acestei lucrări,
mâna bionică mișcându -se odată cu contracția, respectiv relaxarea musculară.
Există mici erori deoarece nu s -a putut realiza o filtrare perfectă a zgomotului, însă nu au
un impact foarte mare în atingerea scopului lucrării.
Programul pentru controlul și comanda protezei nu prezintă un grad ridicat de
complexitate, deci poate fi ușor înțeles și prelucrat.
Ca direcții viitoare pen tru această lucrare:
– se pot adăuga mai multe canale de achiziție, pentru a spori acuratețea, astfel putându -se
realiza o proteză mai complexă, care să aib ă control individual pentru fiecare deget;
– se pot adăuga mai multe servomotoare pentru a putea realiza o gamă mai largă de
mișcări;
– se pot adăuga senzori de presiune prin care să fie controlată forța aplicată asupra unui
obiect;
– comparativ cu protezele bionice existente pe piață, consider că acest prototip este unul
cu costuri accesibile, și în același tim p util și functional.

32
Bibliografie

[1] E.E. Vanderwerker Jr ., A Brief Review of the History of Amputations and
Prostheses , M.D. JACPOC 1976 Vol 15, Num 5
[2] Herodotus, The Histories . 9.37
[3] D. Bucur, Curs Echipamente de protezare și ortezare , 2014
[4] R. Scott, Myoelectric control of prostheses: A brief history. Proc MyoElectric
Control Prosthetics Symp. Fredericton , New Brunswick, Canada 1992.
[5] R.N. Scott, P . A . Parker , Myoelectric prostheses: state of the art. J Med Eng
Technol. 1988;12:143 –51.
[6] M.A. Oskoei , H. Hu, Myoelectric control systems —a survey. Biomed Signal
Process Control. 2007;2:275 –94.
[7] P. Ding, H. Jianhua, T.M. Fei, Z. Shengnan, Myoelectric prosthesis hand control
system with proportional speed regulating function , data publicării 29 decembrie
2010
[8] C.C. Wu, S. Aiguo, C. Jianwei, L. Huijun, Z.H. Tao, M. Chen, Q. Kui,
Myoelectric prosthetic hand for self -rehabilitation training of patients with hand
dysfunction , data publicării 21 martie 2012
[9] L. Yongzhao, Integral light and beautiful myoelectric hand , data publicării 24
octombrie 2012
[10] Ottobock., http://www.ottobock.ro/proteze/extremitatea –
superioar%C4%83/prezentare -general%C4%83/sistemul -axon -bus-cu-mana –
protetica -michelangelo/ , data accesării 17.06.2015
[11] Ottobock, http://www.ottobock.ro/proteze/extremitatea –
superioar%C4%83/prezentare -general%C4%83/dispozitive -mioelectrice –
speedhands /, data accesării 17.06.2015
[12] Toughware PRX, http://www.toughwareprx.com/v2p.html , data accesării
17.06.2015
[13] Touch Bionics, i-Limb Ultra Revolution datasheet Issue March 2015_0 , 4 martie
2015
[14] D.D. Țarălu ngă, Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza
biopotențialelor , Editura Matrix Rom București, 2013; 231

33
[15] V. Gheorghe, A. Popescu , Introducere în bionică , Editura Științifică, București ,
1990
[16] V. Gheorghe , Contribuții la studiul contracției mușchiului striat, Teză de
doctorat , Tipografia Universității din București, 1970
[17] N. Östlund , Adaptive signal processing of surface electromyogram signals ,
UMEÅ University Medical Dissertations, New series, No. 1009, 2006
[18] D.D. Țarălungă , Instrumentație bio medicală, Măsurarea și analiza
biopotențialelor , Editura Matrix Rom București, 2013; 236.
[19] D.D. Țarălungă , Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza
biopotențialelor , Editura Matrix Rom București, 2013; 237:239.
[20] D.D. Țarălungă , Instrumentație biomedi cală, Măsurarea și analiza
biopotențialelor , Editura Matrix Rom București, 2013; 243:245.
[21] D.D. Țarălungă , Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza
biopotențialelor , Editura Matrix Rom București, 2013; 247.
[22] D.D. Țarălungă , Instrumentație biomedicală , Măsurarea și analiza
biopotențialelor , Editura Matrix Rom București, 2013; 249:251.
[23] robofun.ro, Arduino pentru începători , 5:6
[24] robofun.ro, Arduino pentru începători , 159:161

34
Anexa 1
#include <Servo.h > // Se include librăria pentru servomotor
#include <firFilter.h> //Se include librăria pentru filtru FIR
#define THRESHOLD 400 //Se setează pragul pentru a determina dacă mâna este
închisă/deschisă
#define EMGPIN 0 //Se selectează pinul analog pentru achiziția semnalului EMG
#define HANDPIN 9 //Se selectează pinul digital utilizat de servomotor
Servo servoHand; //Se definește servomotrul utilizat cu denumirea servoHand
firFilter Filter; //Se încarcă funcția de filtru median în variabila Filter
int filtered; //Se crează o variabilă filtered care va reprezenta valoarea de la ieșire în
urma filtrării
void openHand(){ //Se crează o funcție pentru momentul de relaxare al mușchilor
{servoHand.write(0);} //Se setează poziția în care se va afla servomotorul în momentul
de relaxare al mușchilor
}
void closeHand(){ //Se crează o funcție pentru momentul de contracție al mușchilor
{servoHand.write(100);} //Se setează poziția în care se va afla servomotorul în momentul
de contracție al mușchilor
}
void setup() {
Serial.begin(9600); //Se setează rata de t ransfer a datelor
Filter.begin();
servoHand.attach(HANDPIN); //Se setează ieșirea pentru acționarea motorului
}
void loop() {
int value = analogRead(EMGPIN); //Cuantizarea semnalului analog
filtered=Filter.run(value); //Se aplică filtrul asupra semn alului mapat
if (filtered < THRESHOLD) //Pentru valoare mai mare decât pragul mâna este închisă,
deci servomotorul este în poziția de 0 grade
{closeHand();}
else //Altfel mâna este deschisă și servomotorul face o rotație până în poziția de 100 de
grade
{openHand();}}

35
Anexa 2
clc; close all, clear all; //Se inchide istoricul de comenzi și se șterg toate variabilele
deja existente în Matlab
delete(instrfind('Port','COM4')); //Se șterge orice instrucțiune salvată pe portul de
conectare al Arduino la laptop
a=arduino('COM4'); //Se inițializează placa Arduino pe portul COM4 al laptopului
ai_in=0; //Se selectează portul analogic A0 al plăcii Arduino
tic; //Se activează un timer
i=0; //Se alege o variabilă ”i” care inițial este 0, iar apoi este increment ată cu 1 pentru
fiecare moment în care se face achiziție de semnal

while toc<500 //Se setează timpul de achiziție până la valoarea maximă de 500 de
secunde
i=i+1; // Funcția de incrementare
time(i)=toc;
time2(i)=toc;
v(i)=a.analogRead(ai_in); //Se citește semnalul preluat de la portul Arduino
selectat anterior
v2(i)=450; //Se setează valoarea minimă a intervalului de decizie
v3(i)=580; //Se setează valoarea maximă a intervalului de decizie
if ((v(i)<450)||(v (i)>580))
disp('mâna este inchisã') //Daca valoarea amplitudinii semnalului nu este
else cuprinsă în intervalul 450 -580 milivolți se
disp('mâna este deschisã') afișează mesajul: mâna este închisă, altfel se
end afișează mesajul: mâna este deschisă
figure(1);
plot(time, v, 'color','r'); hold on;
plot(time, v2, 'color', 'b'); hold on; //Se generează o figură cu intervalul de decizie
plot(time, v3, 'color', 'b'); și forma de undă a s emnalului achiziționat în
legend('EMG','OUT') timp real
title('Semnal EMG')
end

36
Anexa 3
#include "Servo.h" // Se include librăria pentru servomotor
Servo myservo; //Se definește servomotrul utilizat cu denumirea servoHand
int pos = 0;
void setup()
{
myservo.attach(9); //Se setează ieșirea pentru acționarea motorului
}
void loop()
{
for(pos = 10; pos < 150; pos += 1)
{ //De la poziția de 10 grade motorul se mișcă
myservo.write(pos); cu 1 grad la fiecare 10 milisecunde până la
delay(10); poziția de 150 grade
}
for(pos = 150; pos>=10; pos -=1)
{ //De la poziția de 150 grade motorul se mișcă
myservo.wr ite(pos); cu 1 grad la fiecare 10 milisecunde până la
delay(10); } } poziția de 10 grade

37
Anexa 4
int motorPin1 = 5; // Un fir al motorului conectat la pin -ul 5
int motorPin2 = 6; // Un fir al motorului conectat la pin -ul 6

void setup() { // initializarea pinilor
pinMode(motorPin1, OUTPUT);
pinMode(motorPin2, OUTPUT);
}

void loop()
{
rotateLeftFull (2000);
rotateRightFull (2000);
}

void rotateL eftFull(int length){
digitalWrite(motorPin1, HIGH); // porneste motorul
digitalWrite(motorPin2, LOW);
delay(length);
digitalWrite(motorPin1, LOW); // opreste motorul
}

void rotateRightFull(int length){
digitalWrite(motorPin2, HIGH);
digitalWrite(motorPin1, LOW);
delay(length);
digitalWrite(motorPin2, LOW);
}

38
Anexa 5

39

40