Identificación del sistema

Como material de apoyo en esta parte, se tomó un artículo publicado por la [38] revista de ingeniería (31 de Octubre de 2005) de la facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes, de la cual, se extrae la siguiente información:

La representación clásica de movimientos realizados por extremidades humanas es muy adecuada para describir individualmente que se realiza en planos, pero presenta algunas incoherencias cuando se intentan describir de forma tridimensional, esto se vuelve relativamente complejo.

En esta parte se propone una modificación de la representación de movimientos del brazo humano, especialmente útil para poder representarlos de manera mecánica.

Evidentemente, se realiza en tres dimensiones: cada segmento del cuerpo va asumiendo posiciones y orientaciones en el espacio. Sin embargo, la comprensión es más simple si se realiza en dos dimensiones, proyectándolo en un plano adecuado.

Para poder describir la posición espacial de los segmentos del cuerpo humano se ha utilizado tradicionalmente un sistema de coordenadas cartesiano con origen en el centro de gravedad del cuerpo.

Esta representación es muy adecuada para describir movimientos, como el de la marcha humana, que están prácticamente confinados a un plano.

En el caso particular de las extremidades superiores, la referencia de movimientos se define con respecto a una posición arbitraria, denominada posición anatómica, que corresponde a tener el brazo al costado del tórax con la palma de la mano hacia el frente.

A partir de esta posición se identifican los movimientos de la cadena formada por los segmentos de la extremidad superior.

Los segmentos que componen el modelo serán tratados como cuerpos rígidos y se definen en la tabla 2.1:

El modelo biomecánico como el que se muestra en la figura 2.2 de la extremidad superior se define como una cadena abierta de 5 segmentos rígidos, conectados entre sí por 4 uniones articulares simples.

Fig. 2.2 Modelo biomecánico del brazo humano

Estos segmentos se unen por medio de cuatro articulaciones, como se muestra en la figura 2.3 que proveen un total de nueve grados de libertad. Las articulaciones que se han incluido en el modelo mostrado son, de izquierda a derecha:

 La articulación esterno-clavicular que permite 2 grados de libertad.

 El hombro que permite 3 grados de libertad y funcionalmente es la unión de las articulaciones acromio-clavicular y gleno-humeral.

 El codo y la muñeca que permiten cada uno 2 grados de libertad.

El modelo tiene algunas simplificaciones importantes con respecto a la fisiología de la extremidad superior. Las tres principales son las siguientes:

 Cada articulación se define a través de un centro articular, que es un punto que se considera fijo a los dos cuerpos adyacentes. La articulación del hombro, especialmente, se considera como una unión esférica simple, que mantiene la funcionalidad de los movimientos del hombro pero no su configuración real.

 El antebrazo se considera como un cuerpo rígido, lo cual hace que los movimientos de pronación y supinación se deban considerar alrededor del codo.

 La mano se modela como un cuerpo rígido.

Figura 2.3 Articulaciones del brazo humano

En la figura 2.4 se muestran los ejes principales que se definen para describir el movimiento del hombro: un eje transverso (T) que va desde un hombro hasta el otro; un eje antero-posterior (A) que va de atrás hacia delante a través del hombro; y un eje longitudinal (L) que atraviesa el hombro verticalmente y es perpendicular a los dos anteriores.

Adicionalmente, se define un eje longitudinal del miembro (H) fijo al húmero.

Con base en estos ejes se definen los siguientes planos de referencia:

 El plano de flexión - extensión, el cual contiene el eje antero-posterior y el eje longitudinal, y es normal al eje transverso.

 El plano de abducción - aducción, el cual contiene los ejes transverso y longitudinal, y es normal al eje antero-posterior.

 El plano neutro, el cual contiene los ejes transverso y antero-posterior, y es normal al eje longitudinal.

Teniendo estas definiciones de ejes y planos, los movimientos del hombro se definen como:

Flexión: Este movimiento tiene lugar alrededor del eje transverso y es una descripción del movimiento que ocurre cuando se eleva el brazo hacia adelante. En el caso del hombro, se cuantifica mediante el valor del ángulo que se crea entre el brazo y el eje longitudinal en el plano de Flexión - Extensión. En la posición anatómica la flexión del hombro es nula.

Extensión: Movimiento opuesto a la flexión, también tiene lugar alrededor del eje transverso. Se describe como el movimiento que acerca el brazo hacia el cuerpo si el brazo está en flexión.

Abducción y Aducción: Estos movimientos tienen lugar alrededor del eje antero-posterior y ocurren cuando el brazo se aleja del cuerpo (abducción) y cuando se acerca nuevamente (aducción). Para el hombro, estos movimientos se cuantifican mediante el valor del ángulo creado entre el brazo y el eje longitudinal en el plano de Abducción - Aducción.

Rotación de Hombro: Este movimiento tiene lugar alrededor del eje longitudinal del miembro. Se define como la rotación del miembro sobre su propio eje.

Esta descripción del brazo es ampliamente utilizada por fisioterapeutas y médicos, y resulta especialmente útil para describir movimientos sencillos del tipo arcos de movimiento. Sin embargo, estas definiciones no son lo suficientemente claras y precisas para definir movimientos complejos, entendidos como movimientos compuestos que ocurren en el espacio tridimensional.

Para ilustrar este punto en la figura 2.5 se muestra una secuencia correspondiente a tres movimientos simples ejecutados sucesivamente: un giro de 90º respecto al eje trasverso, un giro de -90º respecto al eje longitudinal y un giro de 90º respecto al eje antero-posterior. Aunque las definiciones anteriores sobre los movimientos del brazo humano no muy específicas, es más que suficiente esta información para poder implementarlas en la construcción del exoesqueleto.

Para poder iniciar el desarrollo de la estructura, se necesita un modelo o punto de partida sobre el cual se pueda crear un diseño que cumpla con las características de un exoesqueleto que ya se han visto con anterioridad e intentando reproducir los grados de libertad con los que cuenta el brazo humano.

Fig. 2.5 Movimiento del brazo en el espacio

Tradicionalmente, se consideran cinco movimientos necesarios para describir el movimiento de las extremidades superiores: las tres rotaciones del hombro, la flexión- extensión del codo y la prono-supinación del antebrazo. Adicionalmente, se consideran dos rotaciones de la muñeca con respecto al antebrazo (flexión-extensión y desviación radio- cubital). Los movimientos se definen de forma independiente utilizando planos y ejes de referencia del cuerpo.

La representación propuesta facilita especialmente la interpretación gráfica de los movimientos tridimensionales de la extremidad superior.

Utilizando un modelo biomecánico sencillo se han ilustrado las deficiencias que tiene la representación tradicional de movimiento de la extremidad superior.

En este reporte se pueden observar varios elementos. En primer lugar, la flexión del codo es la variable que exhibe un rango de movimiento más amplio: comienza casi en una posición neutra, progresivamente va hacia flexión cuando lleva el objeto hacia la boca y regresa a una posición ligeramente más extendida que la que tenía al empezar el movimiento.

En la imagen de rotación de hombro, figura 2.4, se puede observar que comienza ligeramente en rotación interna y durante el movimiento va evolucionando hasta configurarse en una leve rotación externa. Las gráficas de flexión y abducción del hombro muestran una posición constante, lo cual indica que el sujeto tomó el objeto cuando este se encontraba cerca del plano medio del cuerpo y durante el movimiento lo alejó progresivamente. Esto es coherente con la gráfica de prono-supinación que muestra que toma el objeto en neutro y avanza hacia supinación, se puede observar que, para mantener el objeto en posición vertical, la rotación del hombro hacia externo debe ser compensada con pronación y si la rotación del hombro es interna la compensación se hace mediante supinación.

Se ha mostrado la bondad de la representación propuesta para el análisis de movimiento de extremidades superiores, pues permite describir de forma robusta y unívoca el movimiento realizado por el sujeto.