Repositorio Digital UTE - Universidad Tecnológica Equinoccial

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRONICA
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN EXOESQUELETO PARA
REHABILITACION DE LA EXTREMIDAD SUPERIOR
DERECHA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO MECATRONICO
CHRISTIAN DAVID PALACIOS HERRERA
DIRECTOR: DANIEL MIDEROS PhD.
CO-DIRECTOR: VLADIMIR BONILLA Msc.
Quito, JULIO 2014
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo CHRISTIAN DAVID PALACIOS HERRERA, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
CHRISTIAN DAVID PALACIOS HERRERA
C.I.: 1718759648
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y
construcción
de
un
exoesqueleto
de
rehabilitación
para
la
extremidad superior derecha”, que, para aspirar al título de Ingeniero
Mecatrónico fue desarrollado por Christian David Palacios Herrera,
bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la
Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de
Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
____________________________
Daniel Mideros PhD.
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I.: 1713177325
DEDICATORIA
Al finalizar mi carrera profesional he logrado uno de tantos objetivos en mi
vida y quiero darles las gracias de manera especial a las personas que me
apoyaron a superar todos los obstáculos, con todo respeto y amor dedico
este título:
A mi mamá por su esfuerzo y dedicación puesto que gracias a ella ahora soy
un profesional, además gracias por siempre confiar en mí y por toda la
confianza que en mi depositaste.
A todos mis profesores que formaron parte de esta carrera mil gracias por
todas las enseñanzas que de una u otro forma me brindaron y así
contribuyeron en mi para ser una mejor persona y ahora un mejor
profesional y en especial a Vladimir y Daniel por todo el apoyo brindado
durante el desarrollo exitoso de esta tesis.
A mi familia que siempre estuvo presente en los buenos y malos momentos
dándome ese apoyo que tanto necesite, pero sobre todo a mis abuelitos que
desde el cielo sé que estuvieron pendientes de mi para ayudarme a culminar
con éxito esta etapa.
Y finalmente no puedo dejar de mencionar a todos mis amigos y
compañeros que dentro y fuera del aula contribuyeron para culminar esta
etapa de mi vida.
AGRADECIMIENTO
Son muchas las personas especiales a las que me gustaría agradecer su
amistad, apoyo, ánimo y compañía en las diferentes etapas de mi vida.
Algunas están aquí conmigo otras están en mis recuerdos y en el corazón,
sin importar en donde estén o si algún día llegan a leer esto quiero darles las
gracias por formar parte de mi vida y principalmente de esta etapa
académica, por todo lo que me han brindado y por todos sus buenos deseos.
Ma no me equivoco si digo que eres la mejor del mundo puesto que gracias
a ti soy una mejor persona y gracias por sobre todas las cosas nunca
desampararme.
A Vladimir y Daniel profes con los cuales llegamos a ser grandes amigos y
día a día llegue a obtener nuevas enseñanzas.
A Yadira por apoyarme anímica y emocionalmente a terminar con éxito este
proyecto.
INDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN .................................................................................................... xii
ABSTRACT ................................................................................................. xiii
1.
INTRODUCCIÓN .....................................................................................1
OBJETIVOS ................................................................................................4
Objetivo General ......................................................................................4
Objetivos Específicos ..............................................................................4
2.
MARCO TEÓRICO ................................................................................ 10
2.1. EXOESQUELETO ........................................................................... 10
2.1.1. ESTRUCTURA .......................................................................... 11
2.2. REHABILITACION ........................................................................... 16
2.2.1. REHABILITACIÓN TECNOLÓGICA ......................................... 17
2.3. PRINCIPIOS DE LA BIOMECANICA ............................................... 20
2.3.1. ANATOMIA DE LA EXTREMIDAD SUPERIOR ........................ 20
2.3.2. TRABAJO DE LOS MÚSCULOS .............................................. 21
2.4. SEÑALES MIOELÉCTRICAS .......................................................... 23
2.4.1. PREPROCESAMIENTO. .......................................................... 26
2.4.2. UBICACIÓN DE ELECTRODOS. ............................................. 27
2.5. TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DAQ .............................. 28
3.
METODOLOGÍA.................................................................................... 30
i
3.1. METODOLOGÍA DE DISEÑO MECATRÓNICA .............................. 30
3.2.
ANÁLISIS DEL PROBLEMA ..................................................... 31
3.3.
REQUERIMIENTOS DEL PROBLEMA ..................................... 32
3.4.
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO CON DISEÑOS EN
PARALELO ............................................................................................ 33
3.4.1. DISEÑO MECÁNICO ................................................................ 35
3.4.2. DISEÑO ELECTRÓNICO .......................................................... 36
3.4.3. DISEÑO DEL CONTROL .......................................................... 37
4.
DISEÑO ................................................................................................. 40
4.1. DISEÑO ELECTRÓNICO ................................................................ 40
4.1.1. AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN ............................... 40
4.1.2. CIRCUITO DE ADQUISICIÓN DE SEÑALES EMG .................. 41
4.1.2.2. Tl074 ......................................................................................... 43
4.1.2.3. OPA2134 ................................................................................... 44
4.2. DISEÑO MECÁNICO ....................................................................... 49
4.3. DISEÑO DE CONTROL................................................................... 58
5.
ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................................. 64
6.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................ 70
CONCLUSIONES...................................................................................... 70
RECOMENDACIONES ............................................................................. 71
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 72
ANEXOS ....................................................................................................... 77
ii
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Centros de Rehabilitación Física Hospital San Francisco .............3
Figura 1.2 Prototipo de Exoesqueleto controlado por PC ..............................5
Figura 2.1 Férulas renacentista.................................................................... 10
Figura 2.2 Exoesqueleto de uso militar para soportar cargas ...................... 11
Figura 2.3 Exoesqueleto Hardiman ............................................................. 12
Figura 2.4 Berkeley exoesqueleto para extremidades inferiores.................. 13
Figura 2.5 DARPA ...................................................................................... 14
Figura 2.6 HAL Hybrid Assistive Limb .......................................................... 16
Figura 2.7 Cinta en marcha rodante con soporte de peso parcial para niños17
Figura 2.8 Exoesqueleto motorizado para extremidades inferiores ............. 18
Figura 2.9 Exoesqueleto de interacción ....................................................... 19
Figura 2.10 Mesa de rehabilitación para manos .......................................... 19
Figura 2.11 Huesos de la extremidad superior............................................. 20
Figura 2.12 Contracción y extensión de los músculos del brazo.................. 21
Figura 2.13 Movimientos de flexión y extensión del brazo ........................... 22
Figura 2.14 Comportamiento muscular durante la flexión y extensión ......... 22
Figura 2.15 Tipos se señales mioeléctricas y formas como se presentan ... 25
Figura 2.16 Métodos habituales de procesamiento de señales ................... 26
Figura 2.17 Ubicación de los electrodos en el bíceps y tríceps ................... 28
iii
Figura 2.18 Tarjeta de adquisición de datos DAQ........................................ 29
Figura 3.1 Áreas del saber Ingeniería Mecatrónica ...................................... 30
Figura 3.2 Metodología Mecatrónica ............................................................ 31
Figura 3.3 Diseño en paralelo ...................................................................... 34
Figura 3.4 Proceso de Diseño Mecánico ..................................................... 36
Figura 3.5 Proceso de Diseño Electrónico ................................................... 37
Figura 3.6 Proceso de Diseño de Control .................................................... 38
Figura 4.1 Configuración de pines INA118 .................................................. 42
Figura 4.2 Conexión INA 118 ....................................................................... 43
Figura 4.3 Configuración de pines TL074 .................................................... 44
Figura 4.4 Seguidor TL074........................................................................... 44
Figura 4.5 Configuración de pines OPA2134 ............................................... 45
Figura 4.6 No inversor OPA2134 ................................................................. 46
Figura 4.7 Configuración de Restador de media onda con sumador
restador.. ....................................................................................................... 46
Figura 4.8 Detector de pico .......................................................................... 47
Figura 4.9 Circuito completo de adquisición de señales .............................. 48
Figura 4.10 Simulación del sistema de amplificación y rectificación de la
señal ............................................................................................................. 49
Figura 4.11 Soportes base izquierda y derecha para servomotor ................ 50
Figura 4.12 Soporte frontal para servomotor ............................................... 52
Figura 4.13 Soporte base para brazo ........................................................... 54
iv
Figura 4.14 Soporte para brazo ................................................................... 55
Figura 4.15 Diagrama de momento del soporte para el brazo ..................... 55
Figura 4.16 Soporte Antebrazo .................................................................... 57
Figura 4.17 Diagrama de momentos del soporte para el antebrazo ............ 57
Figura 4.18 Perfil de las trayectorias en el actuador del exoesqueleto ........ 59
Figura 4.19 Comportamiento de 0° a 90° del exoesqueleto eje “X” metros vs
voltios ............................................................................................................ 61
Figura 4.20 Comportamiento de 0° a 180° del exoesqueleto eje “Y” metros
vs voltios ....................................................................................................... 61
Figura 4.21 Integración del sistema mecánico con actuador ....................... 63
Figura 5.1 Exosqueleto funcional. Sistema mecatrónico y sistema de
adquisición de datos ..................................................................................... 65
Figura
5.2
Electromiograma
adquirido
durante
el
movimiento
del
exoesqueleto durante 4seg con una carga de 5Kg ....................................... 66
Figura 5.3 Transformada de Fourier del biopotencial obtenido del bíceps ... 67
Figura 5.4 Electromiograma de la extremidad sin carga .............................. 68
Figura 5.5 Electromiograma de la extremidad con carga ............................. 69
v
INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Análisis de factibilidad sobre el uso de SolidWorks ....................... 6
Tabla 1.2 Análisis de factibilidad sobre el uso de MATLAB ........................... 7
Tabla 1.3 Costos de la construcción del Exoesqueleto de Rehabilitación ..... 8
Tabla 2.1 Tipos de señales Bioeléctricas del cuerpo humano ..................... 24
Tabla 3.1 Dimensión de los segmentos de la extremidad superior en base a
la altura H .................................................................................................... 32
Tabla 3.2 Porcentaje de peso de distintas partes del cuerpo. ..................... 33
Tabla 3.3 Selección de alternativas ............................................................. 34
Tabla 4.1 Tabla de valores de la ubicación el exoesqueleto cada 15 deg ... 60
vi
INDICE DE ANEXOS
ANEXO 1 PIEZAS DEL EXOESQUELETO ................................................. 77
ANEXO 2 FERULA DORSAL PARA MUÑECA ........................................... 78
ANEXO 3 SOSTEN PARA FRACTURA DE HUMERO ............................... 79
ANEXO
4
ANÁLISIS
ESTUDIO
Y
SIMULACIÓN
DE
TENCIONES
DESPLAZAMIENTOS Y DEFORMACIONES .............................................. 80
ANEXO 5 DIMENCIONES DEL EXOESQUELETO..................................... 86
ANEXO 6 PROPIEDADES DE LAS AREAS ............................................... 87
vii
RESUMEN
¿Por qué Rehabilitación? Porque en el país existen centros de rehabilitación
física para personas que sufren de cierto tipo atrofias muy comunes, atrofias
vinculadas a la actividad laboral como por ejemplo un desgarre, golpe,
fractura o relacionadas con la actividad neuronal (derrame cerebral), temblor
involuntario en las manos, etc., los mecanismos de rehabilitación que existen
en la mayoría de estos centros son mecánicos, y no permiten realizar un
monitoreo de la evolución del paciente en su proceso de rehabilitación. En el
Ecuador los centros de rehabilitación publica que son los de mayor afluencia
cuentan con las máquinas de rehabilitación mecánica con las cuales no es
posible determinar en tiempo real si el procedimiento establecido por el
médico, para rehabilitación realizara una mejora inmediata, a largo plazo o si
afectara en mayor grado a la atrofia sufrida por el paciente. Por esta razón
con el proyecto de investigación se quiere llegar a aportar a estos centros,
se plantea la construcción de exoesqueletos de rehabilitación con los cuales
se pueda obtener un monitoreo constante de la rehabilitación donde conste
una relación de la actividad muscular y el trabajo mecánico efectuado por el
exoesqueleto. El exoesqueleto se desarrolló con el uso de componentes
electrónicos, mecánicos y de software para obtener una adecuada
coordinación de su funcionamiento. El exoesqueleto trabaja de manera
inversa a los exoesqueletos ya existentes puesto que primero genera
estímulos y lee las señales generadas por el brazo, está controlado desde
un ordenador el cual acciona el funcionamiento, programa las rutinas, el
ángulo de giro, el tiempo de duración del movimiento de flexión/extensión y
la adquisición de las señales mioeléctricas. Al poner en funcionamiento al
exoesqueleto con la extremidad superior sin ningún peso se observan
señales de baja intensidad, cuando el brazo sujeta un peso cualquiera se
presentan señales de mayor intensidad por ello se demuestra que los
músculos del brazo reacciona a los estímulos mecánicos presentando
señales.
xii
ABSTRACT
Why Rehabilitation? Because in the country there exist centers of physical
rehabilitation for persons who suffer from certain type very common
atrophies, atrophies linked to the labor activity since for example one
crushes, blow, fracture or related to the activity neuronal (cerebral spillage),
involuntary quake in the hands, etc., the mechanisms of rehabilitation that
exist in the majority of these centers are mechanical, and do not allow to
realize a monitoring of the evolution of the patient in his process of
rehabilitation. In the Ecuador the centers of rehabilitation it publishes that
they are those of major abundance they possess the machines of mechanical
rehabilitation which it is not possible to determine real time if the procedure
established by the doctor, for rehabilitation realized an immediate, long-term
improvement or if it was concerning in major degree the atrophy suffered by
the patient. For this reason with the project of investigation it wants to
manage to be contributed to these centers, the construction appears of
exoesqueletos of rehabilitation with which it could obtain a constant
monitoring of the rehabilitation where there consists a relation of the
muscular activity and the mechanical work effected by the exoesqueleto. The
exoesqueleto developed with the use of electronic, mechanical components
and of software to obtain a suitable coordination of his functioning. The
exoesqueleto works in an inverse way to the already existing exoesqueletos
since first it generates stimuli and reads the signs generated by the arm, is
controlled from a computer which drives the functioning, programmes the
routines, the angle of draft, the time of duration of the movement of flexion /
extension and the acquisition of the signs mioeléctricas. On having put in
functioning the exoesqueleto with the upper extremity without any weight are
observed signs of low intensity, when the arm holds a weight anyone they
present signs of major intensity for it there is demonstrated that the muscles
of the arm it reacts to the mechanical stimuli presenting signs.
xiii
1. INTRODUCCIÓN
La preocupación del ser humano desde hace muchos milenios por mejorar la
calidad de vida de las personas que por accidentes o problemas congénitos
han perdido la capacidad de mover o manipular objetos, por ello se crean
diversos dispositivos para ayudar en la vida diaria de las personas.
De acuerdo a estimaciones de la Organización Mundial de la Salud, más de
mil millones de personas viven en todo el mundo con alguna forma de
discapacidad, de ellas, casi 200 millones experimentan dificultades
considerables en su funcionamiento. De este total, al menos 785 millones
tienen 15 años o más con alguna discapacidad y 190 millones presentan
discapacidad grave. La estadística más preocupante es aquella que visibiliza
que los niños continúan teniendo una fuerte prevalencia de discapacidad y
en algunos casos su discapacidad pudo ser prevenida.
La Organización Mundial de la Salud ha estimado que la prevalencia de la
discapacidad es mayor en los países de bajos ingresos y que la
discapacidad tiene un rostro femenino, pues esta población es la que
presenta la mayor prevalencia, quizás debido a problemas de violencia
intrafamiliar y violencia de género.
En Suramérica, estimaciones internacionales consideran que Brasil,
Colombia y Perú, concentran la mayor cantidad de personas con
discapacidad en la región.
El Informe Mundial de la Discapacidad, menciona que la situación de las
personas con discapacidad en el mundo, se ve agravada por las barreras
relacionadas con políticas y normas inadecuadas, actitudes negativas, falta
de prestación de servicios, problemas con la prestación de servicios,
financiamiento insuficiente, falta de accesibilidad, falta de consultas y
participación y la falta de datos y pruebas.
Estas barreras han ocasionado que las personas con discapacidad tengan
peores resultados de salud, menos logros académicos, menor actividad
económica, tasas de pobreza más alta y, en muchos casos, la imposibilidad
de llevar una vida independiente.
1
Para asumir estos retos, desde las diferentes iniciativas de integración
regional y organismos internacionales, se han promovido mandatos y
resoluciones que demandan un abordaje a través de la adopción de planes
de acción concretos, la inclusión de la temática como eje transversal en las
intervenciones de los Estados y la inclusión de las personas con
discapacidad en la toma de decisiones sobre aspectos que afectan positiva o
negativamente su vida.
Estos mandatos y resoluciones además tienen como recomendación común,
la implementación de planes nacionales y acciones específicas para abordar
las discapacidades, basados en programas eficaces y prácticas idóneas
desarrolladas en las diferentes regiones en materia de discapacidades e
inclusión. Con el objeto de propiciar el espacio de encuentro entre los
diferentes países a nivel mundial que hayan desarrollado iniciativas exitosas
en sus respectivos países (SETEDIS, 2013).
En Ecuador según datos recolectados por el IESS en los últimos años
publicó un informe que señala, en el 2 005, hubo alrededor de 3 900
notificaciones de accidentes de trabajo, los cuales provocaron 2 826 casos
de incapacidad para el trabajo y 171 muertes. De las cuales la gran mayoría
no reciben una adecuada rehabilitación puesto que en los hospitales
públicos no poseen implementación adecuada para realizar la rehabilitación.
Cabe mencionar que en hospitales públicos relativamente nuevos como el
Hospital San Francisco, no posee implementación tecnológica para el área
de rehabilitación, como se observa en la Figura 1.1. En este hospital se
encuentran los implementos y equipos mecánico manuales de rehabilitación
que no son lo suficientemente útiles para brindar una rehabilitación
adecuada a los pacientes.
2
Figura 1.1 Centros de Rehabilitación Física Hospital San Francisco (EL
UNIVERSO)
De todo lo antes mencionado se desprende un gran problema el cual es la
ausencia de implementos tecnológicos en los centros de rehabilitación física
para personas que sufren de cierto tipo atrofias muy comunes, atrofias
vinculadas a la actividad laboral como por ejemplo un desgarre, golpe,
fractura o relacionadas con la actividad neuronal (derrame cerebral), temblor
involuntario en las manos, etc. que puede ser causada por accidentes o por
problemas neuronales (parálisis cerebral), los mecanismos de rehabilitación
que existen en la mayoría de estos centros son mecánicos, y no permiten
realizar un monitoreo de la evolución del paciente en su proceso de
rehabilitación. Con las máquinas de rehabilitación mecánica no es posible
determinar en tiempo real si el procedimiento establecido por el médico, para
rehabilitación realizara una mejora inmediata, a largo plazo o si afectara en
mayor grado a la atrofia sufrida por el paciente.
Cabe destacar también que la tecnología ha avanzado mucho en los últimos
años ha sido sorprendente en diversas áreas pero sobre todo en la medicina
ya que esta es de mayor importancia para el ser humano, pero el concepto
de los exoesqueletos robóticos vienen desarrollándose desde hace más de
50 años, en sus inicios fueron diseñados para uso industrial y con el pasar
3
del tiempo fueron evolucionando hasta llegar a lo que conocemos
actualmente.
A los exoesqueletos actualmente se los clasifica según su uso, la gran
mayoría de estos no están enfocados hacia la rehabilitación. Por tal motivo
se desarrollara un exoesqueleto de rehabilitación.
OBJETIVOS
Objetivo General
Diseñar y construir un exoesqueleto para rehabilitación de la
extremidad superior derecha.
Objetivos Específicos

Analizar los elementos biomecánicos relacionados con la
cinemática de la articulación del codo.

Diseñar e implementar el sistema electromecánico de control
de los movimientos relacionados con el codo.

Diseñar e implementar el sistema embebido de control del
sistema electromecánico que rige los movimientos de la
articulación del codo.
Se desarrollara un exoesqueleto de rehabilitación para la articulación del
codo, con el fin de participar y apoyar al desarrollo y avance de la ciencia en
el país; ya que el tema de la investigación ha sido muy poco tratado en las
áreas dedicadas al desarrollo de innovaciones tecnologías por varios
motivos.
La investigación está enfocada a determinar de un sistema que permita
monitorear y controlar el proceso de rehabilitación, para adquirir información
de la electromiografía del paciente durante rutinas específicas de trabajo.
Además
el
exoesqueleto
permitirá
realizar
una
relación
entre
la
electromiografía del paciente y el trabajo mecánico que reporta el
exoesqueleto.
4
Con este proyecto de investigación se quiere llegar a brindar una solución a
uno de los cuantos problemas que encontramos en la sociedad; como es la
ausencia de exoesqueletos de rehabilitación para personas que no pueden
tener una vida activa debido a que presentan traumatismos o atrofias a nivel
del codo, de esta manera mejorar el estilo de vida de la personas para que
en un futuro puedan ser incorporadas a la vida laboral y desarrollar una vida
de calidad sin limitaciones.
Este proyecto tiene como objetivo principal diseñar y construir un
exoesqueleto ajustable metálico-plástico para la extremidad superior
derecha de características similares al que se muestra en la Figura1.2 de
una
persona, que permita ayudar a la estimulación y movilidad de la
articulación del codo por medio del uso de motores programables que
cumplan una determinada rutina de giro desde 0º a 135º que simulen el
movimiento de la articulación del codo desde un control y a su vez obtener
una señal mioeléctrica del bíceps que tenga relación con los estímulos
mecánicos proporcionados por el exoesqueleto.
Figura 1.2 Prototipo de Exoesqueleto controlado por PC (Lebrón Rodrigo)
“En un invento nuevo, no hay que tratar de integrar todo lo que la técnica
permite, sino lo que resulta útil al paciente”. (Anónimo)
5
El desarrollo y construcción de un exoesqueleto de rehabilitación es viable
construir puesto que se cuenta con los materiales y equipos necesarios para
ser construidos como por ejemplo:

Los recursos técnicos están al alcance.

Profesionales técnicos especializados en Mecatrónica que pueden dar
guías para la construcción de dicho proyecto.

Temas relacionados con rehabilitación que se encuentran en
desarrollo.

Proyectos relacionados con la adquisición de señales mioeléctricas y
el procesamiento de las mismas.
Para el modelado del exoesqueleto se presenta un análisis de factibilidad en
la Tabla 1.1 sobre 25 puntos de SolidWorks con una calificación de 1 a 5 en
cada punto.
Tabla 1.1 Análisis de factibilidad sobre el uso de SolidWorks
Características
SolidWorks
Soporte técnico de fabrica
4
Elementos de diseño
5
Vinculación con otro software
4
Prototipo virtual 3D
5
Facilidad de uso
5
Total
23/25
SolidWorks brinda herramientas de prototipado 3D completas para crear,
simular, publicar y administrar los datos. Los productos de SolidWorks son
fáciles de aprender y utilizar; obtendrá mejores diseños, más rentables y de
forma más rápida. La facilidad de uso de los productos de SolidWorks
permite a más ingenieros, diseñadores y profesionales de la tecnología
centrarse más que nunca en las ventajas del 3D al darles vida a los diseños.
6
Para la parte de control y visualización de señales del exoesqueleto se
interactúa con MATLAB para gestionar los movimientos de exoesqueleto y a
su vez visibilizar las señales mioeléctricas de igual manera se procede a
realizar un análisis de factibilidad como se muestra en la Tabla 1.2 con una
puntuación sobre 25 puntos con calificación de 1 a 5 puntos por cada literal.
Tabla 1.2 Análisis de factibilidad sobre el uso de MATLAB
Características
MATLAB
Soporte técnico de fabrica
3
Herramientas de trabajo
5
Interfaz
4
Vinculación con otro software
4
Facilidad de uso
4
Total
20/25
MATLAB es un lenguaje de alto nivel y un entorno interactivo para el cálculo
numérico, visualización y programación. Usando MATLAB, se puede analizar
los datos, desarrollar algoritmos y crear modelos y aplicaciones. El lenguaje,
las herramientas y funciones matemáticas integradas que permiten explorar
múltiples enfoques y llegar a una solución más rápida que con hojas de
cálculo o lenguajes de programación tradicionales, como C / C + + o Java.
Se puede utilizar MATLAB para una gama de aplicaciones, incluyendo el
procesamiento de señales y comunicaciones, procesamiento de imágenes y
vídeo, sistemas de control, prueba y medida, finanzas computacionales, y la
biología computacional.
Adicional a todo lo antes mencionado se encuentra principalmente el costo
de los implementos materiales y equipos que se necesitan para la
construcción de un exoesqueleto que se detallan en la Tabla 1.3 como por
ejemplo: servomotores piezas de aluminio y la parte de circuitería así como
también la mano de obra para la implementación y fabricación de la placa
electrónica en conjunto con las piezas de aluminio.
7
Tabla 1.3 Costos de la construcción del Exoesqueleto de Rehabilitación
Descripción
Cantidad
Valor unitario
Valor total
Servomotor
1
80
80
Férula antebrazo
1
50
50
Férula brazo
1
70
70
Platinas de Al
1
30
30
Baterías 9V
2
10
20
Arduino Mega
1
80
80
Acelerómetros
2
30
60
5
20
100
5
25
125
10
15
150
1
100
100
1
30
30
DAQ
1
1300
1300
Cables EMG
4
50
50
Electrodos
40
6
240
Gel EMG
1
20
20
1
5
5
Total
2 510
Amplificador de
instrumentación
ina118
Amplificador de
instrumentación
tl074
Amplificador de
instrumentación
OPA 2134
Elementos varios
del circuito
Elaboración de
placa electrónica
Alcohol
antiséptico
Todos estos materiales están disponibles y se los pueden conseguir en
tiendas electrónicas, centros de venta de aluminio, tiendas virtuales o
8
también construir y/o fabricar, a su vez están dentro de las posibilidades
económicas para poder ser adquiridos de una manera fácil.
Con esto se puede llegar a concluir que es viable construir un exoesqueleto
de rehabilitación puesto que se cuenta tanto con los recursos académicos
como materiales y equipos.
9
2. MARCO TEÓRICO
El mito de vincular una máquina con el ser humano, no es solo ciencia
ficción moderna como ROBOCOP o IRONMAN, ni mucho menos. Desde los
inicios de la medicina, ya se pensaba intercambiar funciones del cuerpo
humano por máquinas que permitieran suplir las mismas. Un gran ejemplo
de esto es el gran compendio de férulas renacentista que puestas todas
juntas parecen una armadura como se muestra en la Figura 2.1 donde
vemos la ausencia de la persona del siglo XVI, (Oplomoclion de Hyeronunys
Fabricius d'Acquapendente, Italia 1 592).
Figura 2.1 Férulas renacentista (Oplomoclion de Hyeronunys Fabricius,
1592)
2.1.
EXOESQUELETO
¿Qué es un exoesqueleto? “Exo es una palabra griega que significa fuera.
De manera opuesta al esqueleto humano, el cual sostiene el cuerpo desde
10
adentro,
un
exoesqueleto
sostiene
al
cuerpo
desde
afuera”.
Los
exoesqueletos son generalmente diseñados para ayudar a caminar o
aumentar la fuerza y resistencia a las personas en sus diferentes
extremidades las cuales poseen diversos tipos de desórdenes de movilidad
(Emmer, 2013).
Los exoesqueletos nacen con la idea principal de generar súper soldados
como se observa en la Figura 2.2 capaces de soportar grandes cargas
durante su trabajo o a su vez potencializar la fuerza de la persona que lo
utilice durante una determinada actividad (Emmer, 2013).
Figura 2.2 Exoesqueleto de uso militar para soportar cargas (Raytheon
Sarcos XOS) (Engadget, 2013)
2.1.1. ESTRUCTURA
Están fabricados de materiales ligeros, la estructura debe ser lo
suficientemente fuerte para sostener el peso del cuerpo así como el peso del
exoesqueleto y sus componentes. La estructura también debe poder
sostener el cuerpo o las extremidades en su lugar de una manera segura sin
el riesgo para la persona que lo use.
11
El desarrollo de la tecnología trajo consigo desarrollo en los diseños de los
exoesqueletos, llegando a la actualidad donde diversas universidades y
entidades del mundo, están desarrollando investigaciones de gran contenido
científico y de ingeniería. Entre las investigaciones actuales se pueden
encontrar:
2.1.2. HARDIMAN
En 1965, General Electric fue el primero en intentar la creación de un
exoesqueleto para los seres humanos. Se le dio el nombre de Hardiman. La
idea era crear un exoesqueleto de potencia que pudiera multiplicar la fuerza
del operador suficientemente de manera que le permita levantar 1500 libras
(680 Kg) con gran facilidad. General Electric tenía grandes esperanzas en
Hardiman, previendo que se utilice a bordo de portaaviones para la carga de
bombas, la construcción bajo agua, en plantas de energía nuclear, y en el
espacio exterior. Sin embargo, en 1970 sólo uno de los brazos se completó,
este podía levantar 750 libras (340 Kg) y respondía de acuerdo a
especificaciones, como se puede ver en la Figura 2.3, pero el sistema entero
pesó tres cuartas partes de una tonelada (750 Kg).
Figura 2.3 Exoesqueleto Hardiman (Clemotte, 2009)
Cualquier intento de utilizar el exoesqueleto completo resultó en un sistema
con
movimientos
violentos
e
incontrolables,
y
como
resultado
el
12
exoesqueleto nunca se activó con una persona dentro. Se perdió interés en
el desarrollo de Hardiman y el proyecto nunca tuvo éxito (Clemotte, 2009).
2.1.3. BLEEX
La DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) financió el
proyecto BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton) en el año 2000. La
U.C. Berkeley’s Human Engineering and Robotics Laboratory, demostró con
éxito el primer exoesqueleto experimental donde el usuario pudo transportar
una carga pesada (Emmer, 2013).
Figura 2.4 Berkeley exoesqueleto para extremidades inferiores (BLEEX,
2004)
El objetivo principal del proyecto BLEEX en la UC Berkeley es crear un
exoesqueleto autoalimentado para aumentar de la fuerza y resistencia de los
seres
humanos
que
sea
ergonómico,
muy
maniobrable,
robusto
mecánicamente, ligero y duradero. El primer prototipo experimental del
exoesqueleto se compone de dos piernas de potencia, una unidad de
potencia, y una mochila como marco en el que se puede montar una
variedad de cargas como se observa en la Figura 2.4, el dispositivo se
conecta de forma rígida al piloto en el pie y, a fin de evitar la abrasión. El
exoesqueleto permite a una persona ponerse en cuclillas cómodamente,
doblar, saltar de un lado a otro, girar, caminar y correr; además de subir,
bajar las pendientes, pasar por encima y debajo de las obstrucciones. El
13
sistema está diseñado de tal manera que, si el dispositivo pierde poder (por
ejemplo, por agotamiento del combustible), las piernas del exoesqueleto se
pueden quitar y convertirse en una mochila estándar (Berkeley, 2014).
2.1.4. RAYTHEON SARCOS XOS
Las instalaciones de investigación de Raytheon en la ciudad de Salt Lake,
Utah, están desarrollando un traje robótico para el soldado del futuro
financiados por la El exoesqueleto es esencialmente un robot portátil que
amplifica la fuerza de su portador, la resistencia y agilidad. El más avanzado
exoesqueleto, la XOS, otorga a su portador extraordinaria fuerza y
resistencia, el XOS va más lejos que otros exoesqueletos mediante la
adición de movimiento asistido a la parte superior del cuerpo, así como las
piernas como se indica en la Figura 2.5, El objetivo de la XOS se centra en
tareas no combativas como la carga de los misiles en los aviones,
precisamente el tipo de tarea de la Hardiman fue diseñado para hacer en los
años 60 (DARPA, 2013).
Figura 2.5 DARPA (Engadget, 2013)
Construido a partir de una combinación de sensores, actuadores y
controladores, el traje futurista permite al usuario llevar fácilmente a un
hombre en la espalda o levantar 200 libras, elevando a varios cientos de
veces su fuerza sin cansarse. Sin embargo, el traje, que está siendo
14
desarrollado para el Ejército de EE.UU., también es lo suficientemente ágil
como para permitir que a su portador patear una pelota de fútbol, golpear
una bolsa a gran velocidad, o subir escaleras y rampas con facilidad
(DARPA, 2013).
2.1.5. HAL
El traje robótico HAL es un robot que puede ampliar y mejorar la capacidad
física. Cuando una persona intenta moverse, las señales nerviosas se
envían desde el cerebro a los músculos a través de las motoneuronas,
moviendo el sistema músculo-esquelético como consecuencia. "HAL"
capturas las señales a través de un sensor conectado en la piel del usuario,
la unidad de control mueve el conjunto con el movimiento muscular del
usuario, que permite apoyar las actividades diarias del usuario. "HAL" no es
sólo un sistema de control voluntario, sino también un "sistema de control
robótico autónomo" que proporciona movimientos como los humanos sobre
la base de un sistema robótico que trabaja integralmente junto con el
sistema de control autónomo. "HAL" está destinado a ser aplicado en
diversos campos como el apoyo a la rehabilitación y el apoyo a la formación
física en campo de la medicina, el apoyo para personas con discapacidad, el
apoyo a trabajos pesados en las fábricas, y el apoyo de rescate en lugares
de desastres, así como en el campo del entretenimiento (Cyberdyne, 2013),
un ejemplo de esto se observa en la Figura 2.6.
El desarrollo de la tecnología ha hecho que en el mundo entero el diseño del
exoesqueleto mejore como se puede ver en las figuras anteriores desde un
exoesqueleto grande robusto y pesado llegando a la actualidad a uno ligero
pequeño y de gran fuerza, con esto se puede decir que la gran mayoría de
exoesqueletos se hayan orientado mucho al diseño de instrumentos para
satisfacer las necesidades de fuerza y movimiento de los pacientes que
sufren de lesiones, que los llevan a realizar una rehabilitación. Este tipo de
dispositivos de igual modo llamados exoesqueletos, tienen el objeto de suplir
o ayudar a las personas que los emplean en sus movimientos, sin embargo
este tipo de exoesqueleto sigue siendo un tipo de dispositivo anclado a un
15
sistema de control de laboratorio, lo cual impide que este sea llevado o
transportado por su operador (Emmer, 2013).
Figura 2.6 HAL Hybrid Assistive Limb (Cyberdyne, 2013)
2.2.
REHABILITACION
La especialidad de la Rehabilitación, como la conocemos actualmente, tiene
su origen en los Estados unidos, a comienzos del siglo XX en el año 1921.
La rehabilitación se puede definir también como la rama de la medicina que
se encarga del tratamiento y adiestramiento de las personas que han sufrido
una lesión que puede ser congénita o adquirida la cual limita la realización
de actividades de la vida diaria con normalidad (Restrepo Arbeláez & Lugo
Agudelo, 1995).
La rehabilitación en la actualidad ayuda a los pacientes a realizar más
entrenamiento consumiendo menos recurso humano terapeuta el cual a su
vez genera un trabajo mucho más competente durante las citas de
rehabilitación. Además esto a su vez ayuda a generar y desarrollar un
trabajo mucho más preciso durante las rutinas y movimientos repetitivos que
16
se desarrollan en conjunto con cargas ajustadas de acuerdo al trabajo y al
paciente que se va a rehabilitar (Arrebola, 2006).
2.2.1. REHABILITACIÓN TECNOLÓGICA
En esta sección se muestra los equipos e implementos tecnológicos usados
actualmente por los centros de rehabilitación en diferentes partes del mundo,
los cuales podrían obtener un monitoreo adecuado y más minucioso.
2.2.1.1.
Rehabilitación en cinta de marcha
Esta cinta consiste en una caminadora la cual posee un soporte con un
arnés para las personas que poseen alguna discapacidad en sus
extremidades inferiores con la cual se realiza un entrenamiento para ayudar
con la recuperación de la movilidad y regeneración
de los músculos. El
entrenamiento de la marcha en cinta rodante, en la que el niño está
suspendido por un arnés, como se puede observar en la Figura 2.7, ofrece
una
oportunidad
para
deambular
con
apoyo
durante
periodos
suficientemente largos de tiempo para adquirir las habilidades necesarias
para la marcha independiente (Valenzuela, 2011).
Figura 2.7 Cinta en marcha rodante con soporte de peso parcial para niños
(Valenzuela, 2011)
17
2.2.1.2.
Lokomat
Este es un exoesqueleto motorizado para las extremidades inferiores como
se observa en la Figura 2.8, usado principalmente para aquellas personas
que tiene una pérdida parcial o total de movimiento, este además es un
dispositivo ortésico basado en la tecnología DGO, (driven gate ortosis o de
conducción de la ortosis), simula y reproduce la marcha fisiológica del
individuo. Las adaptaciones del Lokomat se acoplan a las extremidades
inferiores del paciente y, con ayuda mecánica, reproduce un patrón de
marcha normalizado en el que el tronco queda suspendido de manera
controlada (Hocoma, Lokomat Pro).
Figura 2.8 Exoesqueleto motorizado para extremidades inferiores (Hocoma,
Lokomat Pro)
2.2.1.3.
Armeo
Es un exoesqueleto diseñado para la extremidad superior con el objetivo de
realizar actividades que designa un ordenador como indica la Figura 2.9,
mediante movimientos coordinados entre el exoesqueleto y el ordenador,
que proyecta una pantalla con diferentes objetos dentro de un lugar virtual
(Hocoma, Armeo Therapy Concept).
18
Figura 2.9 Exoesqueleto de interacción (Hocoma, Armeo Therapy Concept)
2.2.1.4.
Bi Manu Track
El Bi-Manu-Track permite a los pacientes para llevar a cabo las unidades de
ejercicios pro-y-supinación y la axila para entrenar la flexión y extensión de
muñeca como se indica en la Figura 2.10. Gracias a la capacidad de realizar
todos los ejercicios simétricamente o reflejado, el Bi-Manu-Track abre una
amplia gama de aplicaciones. Amplitud, la velocidad y la resistencia también
se pueden ajustar fácilmente a las necesidades y capacidades de sus
pacientes (Reha-Stim, 2012).
Figura 2.10 Mesa de rehabilitación para manos (Reha-Stim, 2012)
19
2.2.1.5.
Manus inmotion
Este está basado en la evidencia, la tecnología inteligente e interactiva que
es capaz de adaptarse continuamente y desafiando la capacidad de cada
paciente. Este puede detectar fuerzas del paciente y lo ayuda según sea
necesario, adaptándose continuamente a cada uno de los pacientes, estas
habilidades permiten al clínico para entregar una óptima comprensión
sensorial, motora, intensiva y terapia de la mano puesta en libertad
(InmotionsArm, 2013).
2.3.
PRINCIPIOS DE LA BIOMECANICA
Los principios de la biomecánica son aquellos que hacen referencia al
funcionamiento muscular mecánico de las extremidades (Bronzino, 2006), en
este
caso
los
movimientos
que
realiza
el
brazo,
focalizándonos
específicamente en la articulación del codo.
2.3.1. ANATOMIA DE LA EXTREMIDAD SUPERIOR
La extremidad superior está compuesta por un mecanismo de 64 unidades
que trabajan en conjunto para que este logre accionar y moverse
armoniosamente. Esta se divide en tres partes. Brazo, antebrazo y mano,
incluyendo también los huesos del hombro y muñeca (Bendetti, 2009) .
Figura 2.11 Huesos de la extremidad superior (Malu, 2011)
20
En este caso participan principalmente tres huesos como son el humero,
cubito y el radio las cuales se detallan en la Figura 2.11, en el caso de los
músculos el bíceps y el tríceps los cuales entran en acción directamente
durante los movimientos de flexión y extensión que la extremidad superior
realiza.
En el caso del codo se efectúan dos movimientos, permitiendo que los
músculos bíceps y tríceps se contraigan o se relajen como se muestra en la
Figura 2.12.
Figura 2.12 Contracción y extensión de los músculos del brazo
Todos estos movimientos se desarrollan en conjunto con los huesos de cada
extremidad en este caso con la extremidad superior.
2.3.2. TRABAJO DE LOS MÚSCULOS
Los músculos o grupo muscular trabajan de mejor manera cuando se
encuentran en una posición media del movimiento total que se realiza.
Porque el musculo al momento de contraerse usa menos espacio y al
momento de relajarse se estira (Carrera Angulo & Dobao Álvarez, 2010).
Los movimientos de flexión y extensión de la extremidad se delimitan por un
ángulo de 160° como se indica en la Figura 2.13 puesto que si se sobrepasa
este ángulo de trabajo se generaría algún tipo de atrofia en la extremidad.
En nuestros caso se trabajara con 135°
21
Figura 2.13 Movimientos de flexión y extensión del brazo (Clinicas
Catedrauno, 2013)
El comportamiento de tensión de un músculo como un todo (elementos
contráctiles y elásticos) bajo contracción isométrica tetánica. En la Figura
2.14 se puede observar la curva de tensión activa, representa la tensión
desarrollada por los elementos contráctiles del músculo.
Figura 2.14 Comportamiento muscular durante la flexión y extensión (Caillet,
2005)
22
La curva denominada tensión pasiva refleja la tensión desarrollada cuando
un músculo sobrepasa su longitud de reposo y la parte no contráctil del
vientre muscular se estira. Esta tensión pasiva se desarrolla principalmente
en los componentes elásticos en paralelo y en serie. Cuando el vientre
muscular se contrae, la combinación de las tensiones activas y pasivas
produce la tensión total ejercida, la curva demuestra que a medida que un
músculo se estira progresivamente más allá de su longitud de reposo, la
tensión pasiva crece y la tensión activa decrece (Caillet, 2005).
- La tensión es máxima a la longitud slack o de reposo de la sarcomera (2
um), donde la superposición de la actina sobre la miosina es máxima.
- La tensión cae progresivamente al aumentar la longitud de la sarcómera,
hasta llegar a cero tensión, donde la superposición ya no existe (3.6 um).
- La tensión también disminuye cuando la longitud de la sarcómera se
reduce bajo la longitud de reposo (acortamiento), alcanzando cero tensiones
a las 1,27 um.
2.4.
SEÑALES MIOELÉCTRICAS
Las señales mioeléctricas o también llamadas electromiográficas EMG son
generadas a partir de la actividad o contracción muscular realizada por una
persona las cuales se clasifican de distinta manera según como estén
localizadas en el cuerpo humano, en la Tabla 2.1 se detallan estas señales
con su correspondiente magnitud, ancho de banda y técnica que se usa para
realizar la adquisición.
Las señales EMG superficiales (EMGS), son esencialmente un patrón
unidimensional, por lo que cualquier técnica de procesamiento de señales
para extracción de características y reconocimiento de patrones se puede
aplicar a este tipo de señales. La información extraída de las señales EMGS,
es seleccionada de tal manera que se minimice el error en el control de los
sistemas de prótesis mioeléctricas. La necesidad de una rápida respuesta de
la prótesis limita la longitud de las muestras de la señal sobre las cuales se
23
extraen las características. La tendencia en el control de prótesis a partir de
señales EMGS obedece a que se constituye en la técnica más sencilla de
implementar por su facilidad en la recolección sin intromisión directa sobre el
organismo del usuario, remoción de electrodos y equipo para efectos de
mantenimiento y/o calibración y su reutilización de una persona a otra
(Ramiro Ramos Mario , Vergara Betancour Ángel, Vazquez, Hernández
García, & Juáres, 2011).
Tabla 2.1 Tipos de señales Bioeléctricas del cuerpo humano (Ferro Corral,
Loma, & Amau Vives)
Tipo de Señal
Potencial de acción
Magnitud
50mV 150mV
Ancho de
Banda
Micro electrodos metálico
0.1Hz – 1kHz
0.5mV –
0,01Hz –
(electrocardiograma)
0.4mv
250Hz
5uV –
0,01Hz –
300uV
150Hz
(Electroencefalogram
a)
o de vidrio con puntas de
0,1 a 1um
ECG
EEG
Técnica
Electrodos de superficie
en puntos normalizados
sobre miebros y torso
Electrodos de superficie
en puntos normalizados
sobre el cuero cabelludo
EGG
10 –
(Electrogastrograma)
1000mV
EMG
100uV – 5
0,01Hz –
Electrodos de aguja
(Electromiograma)
mV
10kHz
insertados en musculos
EOG
50 –
(Electrooculograma)
3500mV
ERG
(Electroretinograma)
0 – 900mV
DC – 1
DC – 50
DC – 50
Por lo general las señales EMG presentan polaridad negativa y positiva. Por
lo tanto la adquisición de las señales mioeléctricas se tiene que realizar con
señales muy bajas que va desde micro voltios a mili voltios, siendo estas
24
oscilantes (Rothstein, Roy, & Wolf), de comportamiento similar al que se
muestra en la Figura 2.15.
Figura 2.15 Tipos se señales mioeléctricas y formas como se presentan
(Rothstein, Roy, & Wolf)
La adquisición de Señales EMGS, se realiza mediante electrodos bipolares
de superficie, ubicados sobre la piel. Estas han sido utilizadas para el control
de prótesis de miembros superiores desde 1948. Estas señales proveen
información sobre la actividad neuromuscular que las origina, siendo
esencial esta información en: diagnóstico clínico, rehabilitación y como
fuente de control para dispositivos activos y esquemas de estimulación
eléctrica funcional (Bruce, 2001).
Hargrove L. (2005), realizo un trabajo comparativo de clasificación con
señales
EMG
superficiales
e
intramusculares,
concluyendo que
la
información extraída en las dos clases de señales es igualmente valiosa, sin
encontrar diferencias significativas en su capacidad de clasificación. Este
resultado es importante, a que brinda la seguridad de continuar utilizando las
señales EMGS en futuros trabajos de investigación aplicada.
Las señales EMGS son generadas por la contracción muscular, por lo que
su adquisición requiere de una correcta identificación de las regiones
musculares comprometidas en la ejecución de los movimientos a clasificar.
Debido a la elevada resistencia eléctrica natural de la piel, es recomendable
25
la aplicación de un gel que mejore la conductividad además de lograrse una
buena superficie de contacto y adherencia con los electrodos. A pesar de
estas disposiciones, las señales recogidas serán demasiado débiles, por lo
que se hace necesario un procesamiento previo de filtraje y amplificación
antes de su análisis. Así mismo, según la complejidad de las prótesis será
necesario disponer de un mayor o menor número de canales o electrodos de
recolección (Ramiro Ramos Mario , Vergara Betancour Ángel, Vazquez,
Hernández García, & Juáres, 2011). Estos aspectos se detallan a
continuación.
2.4.1. PREPROCESAMIENTO.
La amplitud típica de las señales EMGS es de 0.6 mv por lo que se requiere
pasarlas por un amplificador diferencial de alta ganancia (unas 5000 veces),
que evita distorsiones de la información contenida en la señal como se
muestra en la Figura 2.16.
Figura 2.16 Métodos habituales de procesamiento de señales (Rothstein,
Roy, & Wolf)
26
Una vez amplificada la señal, se debe considerar la eliminación de las
componentes de ruido de alta frecuencia y las provenientes de fuentes del
entorno, como la componente típica de ruido de baja frecuencia introducida
por la red de distribución eléctrica de 60 Hz. Para eliminar esta última
componente de ruido, lo más común es utilizar un filtro tipo “notch” aunque
no sea lo más recomendable, ya que este podría eliminar o atenuar también
componentes
de
frecuencia
con
información
útil
dada
la
mayor
concentración de energía en las señales EMGS entre los 50 Hz y 150 Hz,
aunque su canal de información va de los 20 Hz a los 500 Hz (Rothstein,
Roy, & Wolf).
2.4.2. UBICACIÓN DE ELECTRODOS.
La posición de los electrodos es muy importante en la recolección de
registros EMGS con propósitos de control y registro de las señales
mioeléctricas. Por ello, se recomienda la asistencia de personal médico
especializado, quienes pueden identificar con mayor precisión las regiones
musculares con mayor compromiso en la ejecución de los movimientos de
interés, demuestran que unas regiones son mejores que otras para la
ubicación de los electrodos; disponiendo para ello de 16 electrodos
alrededor del antebrazo y por comparación en la precisión de clasificación se
identifican posiciones de los electrodos con los mejores resultados de
discriminación para el conjunto de movimientos estudiados. Sin embargo, la
generalización de dichas posiciones no es recomendable para todos los
pacientes, así que el procedimiento de identificación de las regiones
musculares debe realizarse particularmente con cada paciente. Estas
señales son presentadas por el cambio de iones a través de membranas de
al fibras musculares debido a una contracción del musculo (Hargrove ,
Englehart , & Hudgins, 2005).
La electromiografía consiste básicamente en la adquisición, registro y
análisis de la actividad eléctrica generada por los nervios que interactúan en
los músculos durante la contracción muscular mediante el uso de electrodos
superficiales los cuales se encuentren ubicados en el musculo ya sea este el
27
bíceps o tríceps a una distancia mínima de 2cm como se indica en la Figura
2.17 para poder obtener la diferencia de potencial eléctrico que se presenta
y así también mostrar diversos patrones de activación muscular, con un
electrodo ubicado en la muñeca para que este sea tomado como referencia
durante la adquisición (Semmlow, 2004).
Figura 2.17 Ubicación de los electrodos en el bíceps y tríceps (Biothecare,
2014)
2.5.
TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DAQ
La DAQ es una tarjeta de adquisición de datos con la cual se realiza la
adquisición de datos del mundo real y en nuestro caso de señales del
musculo de la extremidad que está siendo analizada para poder pasarlas a
un ambiente virtual y así estas sean manipuladas, analizadas y/o estudiadas.
El análisis, adquisición y tratamiento de las señales se las realizo por medio
de una DAQ Ni USB 6212 la cual se muestra en la Figura 2.18, que nos
ayuda a obtener las señales con una mejor fidelidad que otras placas puesto
que posee una mejor resolución dentro de su estructura.
28
Figura 2.18 Tarjeta de adquisición de datos DAQ (National Instruments,
2014)
Con esta tarjeta se puede obtener datos con una resolución de hasta 16 bits
de tal manera que la adquisición de señales sea realizada de una manera
más clara (National Instruments, 2014).
Características

16 entradas analógicas (16 bits, 400 kS/s).

2 salidas analógicas (16 bits, 250 kS/s), 32 E/S digitales (24 para
terminación masiva), 2 contadores de 32 bits.

Energizado por bus USB para una mayor movilidad, conectividad
de señal integrada.

Tecnología NI Signal Streaming para transferencia de datos
sostenida a alta velocidad en USB; la versión OEM está
disponible.

Compatible con LabVIEW, ANSI C/C++, C#, Visual Basic .NET y
Visual Basic 6.0.

El software de NI-DAQmx y software interactivo LabVIEW
SignalExpress LE para registro de datos.
29
3. METODOLOGÍA
La mecatrónica está compuesta de “meca” de mecanismos y “trónica” de
electrónica (Yasakawa, 2008), cabe recalcar que el termino mecatrónica
aparece en 1972 en la empresa Yasakawa Electronics que registró una
patente comercial con el nombre de Mecatrónica.
La mecatrónica es la integración de la ingeniería mecánica con la ingeniería
eléctrica y electrónica basada en control inteligente computarizado para el
diseño y manufactura de productos y procesos. (Shetty y Kolk 1997), su
interpretación se presenta en la Figura 3.1.
Figura 3.1 Áreas del saber Ingeniería Mecatrónica (PFCI, 2014)
3.1.
METODOLOGÍA DE DISEÑO MECATRÓNICA
La metodología de diseño mecatrónico se presenta a continuación por
medio de diagramas
en los cuales se detallan el orden y los
componentes que son necesarios para realizar un determinado proyecto
o producto como se muestra en la Figura 3.2.
30
Adicionalmente se detalla el orden con el cual se trabajará, desde la
especificación del sistema para a continuación integrar las áreas de la
mecatrónica las cuales conllevan a realizar un prototipo virtual, el cual
puede ser realizado físicamente y aprobado por medio de test de
fabricación, para consecuentemente poder obtener un resultado que
respalde la fabricación a una escala real y finalmente que garantice el
funcionamiento del mismo.
Figura 3.2 Metodología Mecatrónica (Kolk, Shetty 1997)
3.2.
ANÁLISIS DEL PROBLEMA
En la actualidad todas las personas somos vulnerables a sufrir algún tipo de
accidente y más en las extremidades principalmente en los brazos ya que
interaccionan durante la realización de diferentes actividades, por esta razón
cuando sufrimos algún tipo de golpe, contusión, fractura, desgarre o a su vez
personas que tienen enfermedades como parálisis cerebral, temblor
involuntario en la extremidad, etc. Es necesario realizar una rehabilitación
focalizada a una articulación, esto no es posible puesto que en la actualidad
los centros de rehabilitación del país poseen equipamiento inadecuado.
31
3.3.
REQUERIMIENTOS DEL PROBLEMA
Para la construcción adecuada del exoesqueleto se necesita cumplir:

Movimientos de flexión y extensión de 0° a 135° máximo.

1 grado de libertad para el mecanismo.

Control de rutina y desplazamiento angular.

Velocidad de movimiento programable.

Actuador eléctrico para simular los movimientos del codo.

Estructura para el exoesqueleto y acoplamiento del brazo.
Con la Tabla 3.1 se detallan las dimensiones del exoesqueleto, estas
pueden variar de acuerdo a la altura de la persona puesto que los huesos
del cuerpo humano están relacionados directamente con la altura de cada
persona.
Tabla 3.1 Dimensión de los segmentos de la extremidad superior en base a
la altura H (Brizuela)
Segmento
Distancia
Hombro
0.094 H [cm]
Brazo
0.186 H [cm]
Antebrazo
0.146 H [cm]
Muñeca
0.108 H [cm]
El movimiento debe efectuarse con 135° de desplazamiento en flexión y
extensión donde solo se moverá el antebrazo mientras que el brazo debe
mantenerse fijo para obtener las señales adecuadas del bíceps y tríceps
basándonos en el trabajo de Hargrove (2005) que menciona que estos
músculos son los principales involucrados en el movimiento de la articulación
del codo.
Todas los soportes base serán analizados con una carga del 5% del peso
completo de una persona basándonos en la Tabla 4.1, que es el porcentaje
de peso promedio de la extremidad superior, el análisis se lo realizó con una
32
persona que pesa 80Kg consecuentemente se obtiene que la extremidad
pesa 4Kg carga con la cual el exoesqueleto debe trabajar.
Tabla 3.2 Porcentaje de peso de distintas partes del cuerpo (Charney P,
2009).
PARTE DEL CUERPO
PORCENTAJE
DEL PESO TOTAL
Tronco sin miembros
50 %
Cabeza
8,0 %
Mano
0,7 %
Antebrazo con la mano
2,3 %
Antebrazo sin la mano
1,6 %
Parte superior del brazo
2,7 %
Brazo completo
5,0%
Pie
1,5 %
Parte inferior de la pierna con el
pie
Parte inferior de la perna sin el
pie
5,9 %
4,4 %
Musculo
10,1 %
Pierna completa
16,0 %
3.4. CONSTRUCCIÓN
DEL
PROTOTIPO
CON
DISEÑOS
EN
PARALELO
En la Figura 3.3 se puede observar el proceso de construcción del
exoesqueleto. La realización del proyecto mediante diseños en paralelo
consiste en desarrollar soluciones independientes para juntarlas y obtener
un resultado final que pueda ser desarrollado y así obtener un prototipo que
33
combine opciones adecuadas de cada diseño para poder ser desarrollado y
obtener los mejores resultados.
Diseño
Mecanico
Diseño
Electronico
Prototipo
Final
Diseño de
Control
Figura 3.3 Diseño en paralelo
La construcción del exoesqueleto se basó en la selección de varias opciones
de cada parte que conforma el exoesqueleto para obtener un buen
funcionamiento. Como se muestra en la Tabla 3.3 se seleccionó una de cada
tres opciones dadas para la construcción del exoesqueleto.
Tabla 3.3 Selección de alternativas
34
3.4.1. DISEÑO MECÁNICO
Para la realización de esta sección se debe tomar en cuenta los
requerimientos mecánicos del sistema como se observa en la Figura 3.4.
Requerimientos mecánicos del sistema: Grados de libertad del sistema
mecatrónico de rehabilitación, un grado de libertad para realizar el
movimiento de flexión y extensión en el codo, y focalizar la actividad
muscular en el bíceps y tríceps.
Para el diseño mecánico se necesita un sistema CAD SolidWorks y
SimMechanics para simular los diseños virtuales dentro del ambiente de
control. El modelo mecánico responde a un sistema de segundo orden que
se indica en la ecuación [1].
( )
Donde
( )
( )
( )
[1]
(t) es el torque generado por el motor y θ (t) el desplazamiento
angular. Los parámetros M, C, y K describen las magnitudes de las
resistencias dependientes de la aceleración, velocidad y posición angular
respectivamente.
Sistema de actuadores: Debido a la necesidad de controlar la posición,
velocidad, y aceleración del sistema se establece la integración de un
actuador al sistema.
La integración del actuador al componente mecánico se debe realizar en un
ambiente virtual, en Simulink se analizará el comportamiento y la respuesta
del sistema.
35
Requerimientos del
Sistema Mecánico
Fuerzas y Movimientos
de Interacción del
Sistema
Elementos y Actuadores
que del Sistema
Subsistema de
Trabajo Mecánico
Simulación y
Pruebas
Implemen
tación
Figura 3.4 Proceso de Diseño Mecánico
3.4.2. DISEÑO ELECTRÓNICO
En la Figura 3.4 se puede ver todas las etapas de manera independiente y
de acuerdo a su aporte y funcionamiento en el sistema total.
Requerimientos del sistema: Obtener los biopotenciales del bíceps y tríceps
cuando la articulación del codo se mueve para realizar la flexión y extensión
del brazo.
Las especificaciones del sistema son el coeficiente de amplificación (1 000) y
el muestreo (2000 sample/sec).
Además se requiere de una etapa de potencia para la alimentación del
actuador eléctrico que trabajará en el sistema mecánico.
36
Requerimientos del
Sistema Electronico
Especificaciones del
Sistema
Subsistemas Electronicos
de Trabajo
Sistemas de
Comunicacion y
Velocidades
Simulación e
Implementacion
Figura 3.5 Proceso de Diseño Electrónico
3.4.3. DISEÑO DEL CONTROL
El diseño de control consiste en analizar todas las variables que intervienen
en el funcionamiento del exoesqueleto como: el controlador que se usara
para dirigir el funcionamiento, en nuestro caso servirá también como medio
de comunicación entre el ordenador y el sistema mecánico, las restricciones
que serán asignadas para la lógica de control como las rutinas de
movimiento el ángulo de giro y el tiempo de desplazamiento.
Los requerimientos del Sistema de control del exosqueleto son los que se
aprecian en la Figura 3.6 donde inicia desde un requerimiento global hasta
llegar a la implementación en conjunto con las pruebas de error y
correcciones.
37
Requerimientos del Sistema
de Control
Controlador del Sistema
Programa Principal y logica
de control
Programas de Cada
Subsistema
Implementacion,
Pruebas de
Funcionamiento y
Correccion de
Errores
Figura 3.6 Proceso de Diseño de Control
La integración de un sistema parametrizable de control permite elevar al
sistema electromecánico (Mecánica y actuador) a un sistema mecatrónico.
Selección de un microcontrolador para embeber el software de control que
mueva el actuador por una trayectoria que corresponda a los perfiles de las
aceleraciones y velocidades establecidas.
Adicionalmente trabajar con la lógica de una máquina de estados permitirá
establecer diferentes ciclos de moviendo en el exoesqueleto, el ángulo final
de movimiento
y las repeticiones del movimiento.
38
La activación de la lectura de datos se realiza mediante una tarjeta de
adquisición de datos, y procesamiento en una PC, que interactúan con el
exoesqueleto para la activación de los ciclos de trabajo y la recolección de
datos.
39
4. DISEÑO
El diseño consiste en construir y respaldar cada pieza del exoesqueleto
mediante el análisis riguroso de las etapas de diseño seleccionadas, donde
se detallaran los componentes electrónicos utilizados y las configuraciones
principales implementadas, en la parte mecánica analizaremos los
mecanismos y la estructura implementada así como también la lógica de
seguimiento y simulación de movimiento de la articulación del codo.
4.1.
DISEÑO ELECTRÓNICO
Esta etapa consiste en la adquisición de señales y potencia para la
alimentación de energia del exoesqueleto, se implementa estrategias de
procesamiento de información mediante el uso de nuevos componentes y
desarrollo de circuitos integrados de aplicación específica.
4.1.1. AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN
Los amplificadores de instrumentación nacen ante la necesidad de medir
tensiones de un nivel muy bajo en presencia de señales indeseadas (ruidos);
como por ejemplo en nuestro caso las señales no deseadas, que perturban
la información y son filtradas durante la adquisición de la electromiografía.
Un amplificador de instrumentación es un circuito con entrada diferencial
cuya función principal es amplificar con precisión las señales de muy bajo
nivel aplicadas a su entrada, eliminando además las posibles señales
interferentes y de ruido que lleguen en modo común. Para esto tiene que
tener las siguientes características:

Ganancia diferencial en lazo cerrado estable, que pueda ajustarse
externamente sin modificar sensiblemente sus características de
entrada.

Rechazo al modo común (CMR) alto, tanto en continua como en
frecuencias que puedan aparecer ruido en modo común de la entrada.

Impedancia de entrada elevada.

Tensión y corriente de offset bajas y con pocas derivas.

Impedancia de salida baja.
40

Tensiones de entrada en modo común altas.
Comercialmente se dispone tanto de circuitos integrados monolíticos como
de circuitos integrados híbridos y circuitos modulares que cumplen estas
condiciones. Para el caso de estos dos últimos, todos los modelos tienen
una estructura que deriva de una básica llamada amplificador de
instrumentación con tres AO’s. El estudio de este circuito es de gran interés
por cuanto se puede realizar empleando componentes discretos, incluso de
bajo coste, obteniéndose a veces prestaciones suficientes para muchas
aplicaciones, con un coste económico inferior al de los montajes comerciales
integrados.
Cuando se debe escoger un amplificador de instrumentación, es necesario
conocer primero las características, según los datos proporcionados por el
fabricante, no es fácil decidir si el circuito es o no apropiado para cumplir las
especificaciones requeridas. La solución al problema no está en elegir el
mejor amplificador de instrumentación, sino aquel que reúna las exigencias
mínimas al costo más bajo posible.
Con la finalidad de sistematizar el análisis de una cadena de medida, se van
a estudiar los errores de un Amplificador de Instrumentación, agrupándolos
en dos parámetros que nos permitan trabajar de manera cómoda, en el
análisis y diseño de un sistema de medida: no linealidad (NL) y no exactitud
(NE).
4.1.2. CIRCUITO DE ADQUISICIÓN DE SEÑALES EMG
El circuito de adquisición de señales consta de la electromiografía EMG que
es la inspección visual en bruto (sin procesar) de la actividad muscular a
medida que cambia con el tiempo, esta permite observar el tamaño y la
forma de los biopotenciales musculares presentes en la persona durante la
actividad muscular de la persona.
41
4.1.2.1.
INA118
El INA118 es un amplificador de instrumentación de baja potencia, el
propósito general es ofrecer una excelente precisión con una configuración
como se detalla en la Figura 4.1. Su versátil diseño y pequeño tamaño lo
hace ideal para una amplia gama de aplicaciones. Circuitos de entrada de
corriente de retroalimentación proporcionan un gran ancho de banda, incluso
una alta ganancia (70 kHz en G=100). (Burr Brown, 2009).
Figura 4.1 Configuración de pines INA118 (Burr Brown, 2009)
Una sola resistencia externa “RG” establece una ganancia de 1 a 10.000. La
protección de entrada interna puede soportar hasta ± 40 V sin sufrir daños.
El INA118 está recortado con láser para tensiones muy bajas, de
compensación (50μV), la deriva (0.5μV / ° C) y alto rechazo al modo común
(110dB a G = 1,000). Funciona con una fuentes de alimentación de ± 1,35
V, y la corriente de reposo es de 350μA ideal para sistemas operados con
batería (Burr Brown, 2009).
Este amplificador se usó para recibir el biopotencial de los dos electrodos
ubicados en el bíceps y la referencia que en nuestro caso es el electrodo
que se encuentra ubicado en la muñeca
adicionalmente se colocó una
resistencia variable que nos da una amplificación en base a los 50Ω que es
42
valor de esta resistencia, obteniendo así una Ganancia (G) de 1001 de
amplificación.
Figura 4.2 Conexión INA 118
4.1.2.2.
Tl074
Los amplificadores operacionales JFET- entrada en el TL07x son similares a
la serie TL08x, con baja polarización de entrada y la velocidad de respuesta
rápida para compensación. La baja distorsión armónica y bajo nivel de ruido
hacen que el TL07x serie ideal para aplicaciones de pre amplificación de
Protección de cortocircuito de alta fidelidad (Texas Instruments, 2014). Su
estructura se presenta en la Figura 4.3.
43
Figura 4.3 Configuración de pines TL074 (Texas Instruments, 2014)
Los dispositivos C- sufijo se caracterizan por la operación de 0 °C a 70 °C.
Los dispositivos de E - sufijo son caracterizado por la operación de -40 °C a
85 °C. Dispositivos M- sufijo se caracterizan para poder funcionar durante el
rango de temperatura militar llena de -55 °C a 125 °C. (Texas Instruments,
2014).
En la Figura 4.4 se aprecia la conexión, esto con la finalidad de configurarlo
como “seguidor inversor” el cual se comporta como regulador de alta a baja
impedancia (Piel a DAC).
Figura 4.4 Seguidor TL074
4.1.2.3.
OPA2134
La serie OPA134 es de ultra-baja distorsión, es decir que no genera mucho
ruido; estos amplificadores operacionales son generalmente usados para
aplicaciones delicadas de audio y lectura de señales.
Una etapa de entrada FET se incorporó para proporcionar una calidad
superior y una excepcional velocidad de rendimiento en el procesamiento de
señales. Esta combinación con salida de alta capacidad de tracción y un
44
excelente rendimiento de corriente continua permite el uso en una amplia
variedad de aplicaciones de altas exigencias (Burr Brown, 2009).
Amplificadores operacionales FET- entrada. Pueden funcionar con fuentes
de alimentación de ± 2.5 V a ±18 V. La entrada de los circuitos “cascode”
proporcionan un excelente rechazo en modo común y mantiene baja
corriente de polarización de entrada sobre su amplia entrada Rango de
tensión, lo que minimiza la distorsión. Serie OPA134 amplificadores
operacionales son de ganancia unitaria estable y proporcionan un excelente
comportamiento dinámico en un amplio rango de condiciones de carga,
incluidos los de alta capacidad de carga. El dual y versiones cuádruples
cuentan con circuitos completamente independientes la diafonía baja y la
libertad de la interacción, incluso cuando se sobre manejan o sobre cargan
(Burr Brown, 2009).
Figura 4.5 Configuración de pines OPA2134 (Burr Brown, 2009)
En la Figura 4.6 se presenta la configuración como un “no inversor” con la
finalidad de evitar que se eliminen los biopotenciales negativos que se
presentan durante la adquisición de la electromiografía.
(
)
45
Figura 4.6 No inversor OPA2134
4.1.3. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON UN SUMADOR
RESTADOR
Esta configuración se utiliza con la finalidad transformar los voltajes de
entrada negativos en voltajes positivos como se puede ver en la Figura 4.7
del comportamiento del circuito, donde se detallan tres etapas: a) voltajes de
entrada antes del rectificador de media onda b) voltaje rectificado después
de la etapa de la rectificación de media onda c) voltaje final rectificado con la
suma del voltaje negativo
Figura 4.7 Configuración de Restador de media onda con sumador restador
Los valores empleados en el circuito permiten obtener el mismo valor del
voltaje de entrada pero transformando a un valor absoluto como se muestra
en la parte c) de la figura anterior.
46
|
(
|
|
|
|)
|
4.1.4. DETECTOR DE PICO
Es lo mismo que un rectificador con un filtro de entrada con condensador. En
teoría, el condensador se carga hasta el valor de pico de la tensión de
entrada. Esta tensión de pico se emplea después para la tensión de salida
del detector de pico.
Figura 4.8 Detector de pico
47
Figura 4.9 Circuito completo de adquisición de señales
48
Gracias a la unión lógica y ordenada de las configuraciones y los
componentes se obtuvo un circuito con el comportamiento que se presenta
en la Figura 4.10 donde se modulo una señal para la simulación y
comprobación del sistema con el cual finalmente se obtuvo las señales que
se indican tanto de entrada como de salida (Vin y Vout).
Figura 4.10 Simulación del sistema de amplificación y rectificación de la
señal
4.2.
DISEÑO MECÁNICO
En este proceso se dará forma, dimensiones, materiales, tecnología de
fabricación y funcionamiento de la estructura del exoesqueleto para que
cumpla los requerimientos y necesidades del proyecto. Además se toman en
cuenta los requerimientos y limitaciones de la metodología, la estructura será
analizada en base a las peores condiciones de trabajo puesto que el
exoesqueleto trabaja en posición vertical y no horizontal como se analiza.
49
El diseño mecánico nos permite verificar la funcionalidad de la estructura y
nos garantiza el diseño de las piezas y el material de las piezas soportaran
las cargas que interactúan en él.
Figura 4.11 Soportes base izquierda y derecha para servomotor
Por lo tanto los soportes base del servomotor Figura 4.11 serán analizados
bajo las siguientes condiciones:
K = 2.1 columna empotrada libre.
A = 0.000058 [m2].
L = 0.077 [m].
E = 71 [GPa].
Sy = 28 [MPa].
P = 39.2 [N].
Dónde:
K = constante que depende del extremo fijo,
A = área de la columna,
L = longitud de los soportes,
E = módulo de elasticidad del material,
Sy = resistencia de fluencia del material
Cc = constante de columna
r = radio de giro de la pieza.
KL/r = relación de esbeltez.
50
√
√
⁄
√
⁄
√
⁄
⁄
⁄
La siguiente comparación indica que clase de análisis se debe realizar.
⁄
No se cumple por lo tanto se analizara con la fórmula de
Johnson, debido a que se trata de una columna corta.
(
[
[
⁄ )
]
(
)
]
Pcr es la carga critica donde la columna empezara a pandearse para lo cual
se aplica un factor de diseño N = 3 para determinar la Pa carga admisible.
51
⁄
⁄
La carga admisible es mayor a P, que es la carga real aplicada, esto quiere
decir que el soporte resistira la carga de la extremidad.
La Figura 4.12 es un sujetador para la parte frontal del servomotor para
mejorar la sujeción con las bases en el ANEXO 1 se indica el lugar que
ocupa en la estructura total del exoesqueleto.
Figura 4.12 Soporte frontal para servomotor
En la Figura 4.13 se muestra un soporte base para la parte del brazo el cual
trabajara con los mismos condicionamientos ya determinados en los
anteriores soportes para el servomotor.
K = 2.1 columna empotrada libre.
A = 0.000116 [m2].
L = 0.077 [m].
E = 71 [GPa]
Sy = 28 [MPa].
P =39.2 [N]
52
√
√
⁄
√
⁄
√
⁄
⁄
⁄
⁄
No se cumple por lo tanto se analizara con la fórmula de Johnson,
debido a que se trata de una columna corta.
(
[
⁄ )
[
]
(
)
]
Esta es la carga critica de pandeo para lo cual se aplicara un factor de
diseño N=3 para determinar la carga admisible.
53
⁄
⁄
La carga admisible es mayor a P que es la carga real aplicada, esto quiere
decir que el soporte resistira la carga de la extremidad.
Figura 4.13 Soporte base para brazo
La Figura 4.14 es un soporte transversal donde se sujeta un sostén para
humero, ver ANEXO 2 que sujetara e inmovilizara el brazo para mantenerse
en fijo y en posición para realizar las rutinas de rehabilitación. Este a su vez
trabaja en flexión bajo las siguientes condiciones:
σperm = 38 [MPa].
F = 39.2 [N]
Dónde:
F = fuerza aplicada.
σperm = esfuerzo permisible.
R = reacciones en los extremos.
Mmax = momento máximo.
S = modulo de sección (real y requerido)
54
Figura 4.14 Soporte para brazo
⁄
Estos valores se pueden observar en los diagramas de la Figura 4.15 donde
se muestra el comportamiento del soporte para el brazo y los puntos donde
se producen los mayores momentos.
Figura 4.15 Diagrama de momento del soporte para el brazo
55
Con los valores de momento máximo se puede obtener los siguientes datos;
los valores de S se pueden observaren el ANEXO 6.
(
)(
)
Con esto se demuestra que el Sreq es inferior al S que se tuvo en el soporte
para el brazo, con los que se puede decir que soportará la carga del brazo
establecida.
Este es el sujetador al cual se fijara la férula dorsal para muñeca que se
muestra en el ANEXO 3, la cual es la principal para el antebrazo que es el
que realiza los movimientos de flexión y extensión durante las rutinas de
rehabilitación. Este a su vez trabaja como una viga en voladizo bajo las
siguientes condiciones:
56
σperm = 38 [MPa]
F = 39.2 [N]
Figura 4.16 Soporte Antebrazo
Estos valores se pueden observar en los diagramas de la Figura 4.17 donde
se muestra como está trabajando el soporte para el antebrazo y los puntos
donde se producen los mayores momentos.
Figura 4.17 Diagrama de momentos del soporte para el antebrazo
57
Con los valores de momento máximo se pudo obtener los siguientes datos;
los valores de S se pueden observaren el ANEXO 6.
(
)(
)
Con esto se demuestra que el Sreq es inferior al S que se tuvo en el soporte
para el brazo, esto quiere decir que si resistirá la carga del brazo
establecida.
Para un análisis más detallado del diseño mecánico se presentan las
gráficas del comportamiento de cada una de las piezas que trabajan en el
exoesqueleto en el Anexo 4.
4.3.
DISEÑO DE CONTROL
Finalmente comprobaremos el mecanismo para que las cosas se realicen
como fueron previstas, de acuerdo con los límites y lineamientos fijados
58
previamente para garantizar el cumplimiento del funcionamiento del
exoesqueleto.
En esta etapa se realizó la integración del actuador al componente
mecánico, se trabajó en Simulink con la librería SimMechanics y
SimElectronics para poder vincular el prototipo virtual de SolidWorks con la
lógica de control, gracias a la cual se generó un sistema de simulación,
como se observa en la Figura 4.18 se analizó la respuesta del sistema
electromecánico deacuerdo a los perfiles de la aceleración y velocidad
propuesto en el presente trabajo
Figura 4.18 Perfil de las trayectorias en el actuador del exoesqueleto
Se utilizó la tarjeta de prototipo ArduinoMega para embeber el software y a
su vez que sirva como medio de comunicación entre el computador que
mueve el actuador por una trayectoria que responde a los perfiles de las
aceleraciones y velocidades planificadas en la plataforma Simulink.
Adicional, con una máquina de estados es posible establecer diferentes
ciclos de moviendo en el exoesqueleto, el ángulo final de movimiento (θf) y
las repeticiones del movimiento.
59
Para garantizar la ubicación espacial del exoesqueleto durante los
movimientos se adquirieron datos. Tabla 4.1
Tabla 4.1 Tabla de valores de la ubicación el exoesqueleto cada 15 deg
Angulo
Eje X
[V]
Eje Y
[V]
Eje Z
[V]
Eje X
[m]
Eje Y
[m]
Eje Z
[m]
Valor
Hip
0
1.612
1.955
1.656
0.0000
0.037
0.000
0.0365
15
1.524
1.906
1.656
0.0094
0.035
0.000
0.0365
30
1.441
1.867
1.661
0.0183
0.032
0.000
0.0365
45
1.367
1.803
1.661
0.0258
0.026
0.000
0.0365
60
1.323
1.735
1.666
0.0316
0.018
0.000
0.0365
75
1.299
1.656
1.666
0.0353
0.009
0.000
0.0365
90
1.298
1.563
1.666
0.0365
0.000
0.000
0.0365
105
1.303
1.485
1.666
0.0353
-0.009
0.000
0.0365
120
1.338
1.416
1.671
0.0316
-0.018
0.000
0.0365
135
1.387
1.348
1.666
0.0258
-0.026
0.000
0.0365
150
1.455
1.303
1.666
0.0183
-0.032
0.000
0.0365
165
1.539
1.269
1.666
0.0094
-0.035
0.000
0.0365
180
1.602
1.264
1.666
0.0000
-0.037
0.000
0.0365
Los valores anterior son datos emitidos por los acelerómetros los cuales nos
arrojan valores en voltios [v] y fue necesario trasformarlos para poder
obtener ecuaciones de la ubicación del exoesqueleto en metros [m]. Cabe
mencionar que los datos que se presentan en el eje “Z” son despreciables
debido a la sensibilidad de los acelerómetros, puesto que el exoesqueleto
solo trabaja en los ejes “X” y “Y”, para lo cual se presentaron las siguientes
gráficas de las que se obtuvieron ecuaciones.
60
Comportamiento del eje "X" 0° a 90°
0,0400
0,0350
Metros [m]
0,0300
y = -0,1133x + 0,182
0,0250
0,0200
0,0150
0,0100
0,0050
0,0000
0,000
-0,0050
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
Voltios [v]
Figura 4.19 Comportamiento de 0° a 90° del exoesqueleto eje “X” metros vs
voltios
Las trayectorias del eje X se dividieron en dos segmentos para obtener una
ecuación lineal como la que se indica en la Figura 4.19 puesto que el
exoesqueleto recorre las mismas distancias de ida y vuelta en el eje “X” por
lo que con una sola grafica no se logró obtener el comportamiento del
exoesqueleto en una ecuación lineal.
Comportamiento del eje "Y" 0° a 180°
0,050
y = 0,1097x - 0,1736
0,040
0,030
Metros [m]
0,020
0,010
0,000
-0,0100,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
-0,020
-0,030
-0,040
-0,050
Voltios [v]
Figura 4.20 Comportamiento de 0° a 180° del exoesqueleto eje “Y” metros
vs voltios
61
Con estas ecuaciones que se obtuvieron de las Figuras 4.19, 4.20 se realizó
una vinculación del prototipo virtual realizado en SolidWorks con Simulink
con lo cual se logró obtener una simulación de control del prototipo virtual
bajo condiciones reales de funcionamiento.
En la Figura 4.21 se muestra el sistema de control generado en Simulink
durante la vinculación del prototipo virtual diseñado en solidworks, con el
cual se logró crear un sistema embebido de control para los movimientos del
exoesqueleto. En este diseño se regularizaron y parametrizaron los
movimientos que el exoesqueleto necesita para un correcto funcionamiento
además de simular el control que se estableció antes de embeber el código
generado.
62
Figura 4.21 Integración del sistema mecánico con actuador
63
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
El exoesqueleto final consta de tres partes principales que son la parte
electrónica, mecánica y de control las cuales se desarrollaron en paralelo y
de esta manera poder obtener una solución funcional. Este está controlado
por un ordenador que comanda las rutinas, ángulos de movimiento y a su
vez inicia el registro de datos, por la DAC y poder visualizarlos en un
ambiente gráfico.
La puesta en marcha del exoesqueleto se la realizó en una posición vertical
puesto que en dicha posición la extremidad se encuentra relajada lo cual
ayuda a disminuir el ruido presente en los electromiogramas y así
visualizarlos de mejor manera.
Finalmente al obtener el exoesqueleto funcional, éste cumple las
necesidades y requerimientos previamente establecidos, el exoesqueleto en
conjunto con la extremidad superior logro levantar la extremidad sin ningún
problema, además de esto se realizaron otras pruebas de funcionamiento
con carga es decir que el exoesqueleto movió a la extremidad superior
mientras esta sujetaba una carga (pesa). Cabe mencionar que este
exoesqueleto fue diseñado para realizar movimientos rutinarios de
rehabilitación y estimular a la extremidad, mas no para levantar cargas
elevadas puesto que esto haría que el sistema se desgaste con mayor
rapidez ya que la unión al servo es plástica y el eje del servo es metálico.
Durante los movimientos de flexión y extensión con el equipo se pudo
apreciar que los músculos del bíceps y tríceps reaccionan ante los estímulos
mecánicos, provocando se generen señales del brazo. Dando como
resultado un exoesqueleto que brinda un apoyo a las personas durante el
proceso de rehabilitación puesto que al mismo tiempo que estimula a los
músculos este obtiene un test en tiempo real de la reacción musculas y el
comportamiento que se tiene en base a los movimientos mecanicos, una vez
obtenidas las gráficas del comportamiento del brazo se puede almacenar
estos EMG y así obtener un registro de la rehabilitación en cada sesión, en
la Figura 5.1 se puede observar el exoesqueleto funcional durante las
pruebas de trabajo.
64
Figura 5.1 Exosqueleto funcional. Sistema mecatrónico y sistema de
adquisición de datos
Mientras el exoesqueleto se mueve, el sistema de adquisición guarda las
señales del biopotencial del bíceps además de la posición espacial del
exoesqueleto con lo cual se garantiza una ubicación más real del brazo
durante los movimientos de rehabilitación. Esta información puede ser
utilizada para analizar la evolución del paciente en el proceso de
rehabilitación. En la siguiente figura se indica el muestreo de una flexión del
codo a 75 deg, con una carga de 5Kg durante 4seg.
65
Figura 5.2 Electromiograma adquirido durante el movimiento del
exoesqueleto durante 4seg con una carga de 5Kg
En la Figura 5.2 se muestra una señal que contiene mucho ruido lo cual no
permite ver cuando el brazo está realizando el trabajo sino tan solo el
cambio que se produce cuando el brazo esta estático y cuando empieza el
movimiento, para mejorar la visualización de estas señales fue necesario
utilizar métodos virtuales de filtración.
De igual manera el sistema permitió realizar un análisis de las frecuencias
presentes en el bíceps durante el movimiento de la articulación del codo. Es
importante indicar que la transformada de Fourier da un muestreo general de
las frecuencias presente en la realización del movimiento bajo las
condiciones determinadas por el experimento: músculo relajado, posición
vertical, tiempo de movimiento 4seg, y con el perfil de trayectoria de la
Figura 5.3.
66
Figura 5.3 Transformada de Fourier del biopotencial obtenido del bíceps
A todo esto se agregó filtros virtuales como cambios de tiempos durante el
registro y adquisición de datos, y así poder observar mucho mejor el
comportamiento total tanto del brazo como del exoesqueleto. Finalmente se
realizó dos pruebas principales donde se trabajó bajo las siguientes
condiciones:

Movimiento de 0 a 75 deg. en flexión y extensión

Carga en la mano de 0kg.

Duración de movimiento 4 seg.

Duración del registro de datos 10
67
Figura 5.4 Electromiograma de la extremidad sin carga
En la Figura 5.4 que se aprecian dos curvas, en parte superior a) es el
EMG de la actividad muscular presente durante los movimientos de flexión y
extensión bajo las condiciones ya establecidas y la curva de la parte inferior
b) es la trayectoria del ángulo que giro el exoesqueleto durante la toma de
mediciones.
El siguiente muestreo consistió en realizar el mismo movimiento con un
cambio ya que se utilizó una pesa de 5kg bajo las siguientes condiciones:

Movimiento de 0 a 75 deg. en flexión y extensión.

Carga en la mano de 5kg.

Duración de movimiento 4 seg.

Duración del registro de datos 10
68
Figura 5.5 Electromiograma de la extremidad con carga
En la Figura 5.4 que se aprecian dos curvas, en parte superior a) es el
EMG de la actividad muscular presente durante los movimientos de flexión y
extensión, con la diferencia de que esta se presentó con mayor intensidad
porque la que la extremidad está sujetando una masa en este caso de 5 Kg
lo cual hace que el biopotencial en los músculos aumente de manera
proporcional y la curva de la parte inferior b) es la trayectoria del ángulo que
giro el exoesqueleto durante la toma de mediciones, esta no cambio ya que
las
características
de
movimiento
se
mantuvieron.
69
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES

El exoesqueleto al mover a la extremidad superior hace que se
generen señales mioeléctricas de baja intensidad, en cambio cuando
el
brazo
sujeta
un
peso
cualquiera
este
presenta
señales
mioeléctricas de mayor intensidad por ello se demuestra que los
músculos del brazo reacciona a los estímulos mecánicos presentando
señales mioeléctricas directamente proporcionales al peso que sujete
la extremidad.

La estructura del exoesqueleto debe estar de manera vertical de tal
manera que la extremidad superior se encuentre relajada para
mejorar la calidad de lectura de las señales puesto que estas se
presentan de mejor manera cuando los músculos están relajados.

La selección adecuada y correcta de los amplificadores de
instrumentación permite un mejor tratamiento y visualización de las
señales mioeléctricas tomando en cuenta que las señales se
presentaran de manera similar en cada persona pero con diferente
intensidad dependiendo de la masa muscular que posea cada
persona en su extremidad además del al ángulo de movimiento con el
que se realice las rutinas de rehabilitación.

Los
mecanismos
seleccionados
para
el
funcionamiento
del
exoesqueleto fueron adecuados ya que los movimientos de flexión y
extensión son de 1 grado de libertad y además los materiales
empleados fueron adecuados puesto que si se colocaban materiales
de características mayores se sobredimensionaba las piezas del
exoesqueleto.
70
RECOMENDACIONES

Para que el exoesqueleto pueda ajustarse de manera adecuada sin
dañar ni perjudicar a la extremidad se recomienda la implementación
de férulas para el agarre y sujeción de la extremidad tanto en el brazo
como en el antebrazo.

Se recomienda no sujetar elementos muy pesados puesto que esto
puede hacer que se genere un mayor desgaste en la pieza de
sujeción que está anclada al servomotor y a su vez puede superar el
torque del servomotor lo cual haría que este no sea suficiente para
levantar la extremidad.

La adquisición de las señales mioeléctricas en lo posible debe ser
cuando la extremidad este relajada puesto que de esta manera los
músculos están distensionados
y así se lograra mejorar la
visualización de las señales será mucho mejor.

La ubicación de electrodos debe realizarse correctamente en los
músculos del bíceps o tríceps a una distancia mínima de 2 cm para de
esta manera obtener una diferencia de potencial mioeléctrica
adecuado para la adquisición de las señales.

Al momento de realizar la adquisición de señales usar gel EMG para
mejorar el contacto de transmisión de las señales.

El trabajo del exoesqueleto debe ser rutinario y con cargas
moderadas caso contrario el trabajo con exceso de carga haría que el
sistema se desgaste con mayor facilidad por esta razón es
recomendable no sobrepasar los 5 a 7 [Kg] para obtener un buen
rendimiento de trabajo.
71
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76
ANEXOS
ANEXO 1 PIEZAS DEL EXOESQUELETO
77
ANEXO 2 FERULA DORSAL PARA MUÑECA
78
ANEXO 3 SOSTEN PARA FRACTURA DE HUMERO
79
ANEXO 4 ANÁLISIS ESTUDIO Y SIMULACIÓN DE TENCIONES
DESPLAZAMIENTOS Y DEFORMACIONES
80
81
82
83
84
85
ANEXO 5 DIMENCIONES DEL EXOESQUELETO
86
ANEXO 6 PROPIEDADES DE LAS AREAS
87