UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO DE UNA MÁQUINA PARA REHABILITAR MUÑECA Y
ANTEBRAZO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
CLEBER DAMIAN PUENTE TISCAMA
DIRECTORA: ING. MARCELA PARRA PINTADO MG
© Universidad Tecnológica Equinoccial 2017.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA
EQUINOCCIAL
BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1721997920
APELLIDO Y NOMBRES: CLEBER DAMIAN PUENTE TISCAMA
DIRECCIÓN: EL QUINCHE BARRIO LA VICTORIA
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023910056
TELÉFONO MOVIL: 0967248293
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
DISEÑO DE UNA MÁQUINA PARA REHABILITAR MUÑECA Y ANTEBRAZO
AUTOR O AUTORES: CLEBER PUENTE
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 28 /08/2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
ING. MARCELA PARRA PINTADO MG.
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO MECATRÓNICO
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Este proyecto describe el proceso de diseño y construcción de una máquina para rehabilitar muñeca y antebrazo, destinado a usarse después de retirar la escayola que inmoviliza la articulación. Esta máquina ayuda al paciente a realizar ejercicios de forma pasiva, para lograr recuperar progresivamente los ángulos funcionales de la articulación. Los elementos de la máquina cumplen con los
requerimientos, tales como, la resistencia, estética, ergonomía y bajo costo porque se han tomado en cuenta, las medidas antropométricas de personas adultas, el ambiente de funcionamiento y cargas a soportar del prototipo. A través de una interfaz gráfica amigable y de fácil entendimiento al usuario (fisioterapeuta), se almacena una historia clínica de cada paciente y se controla las sesiones de rehabilitación de los movimientos de flexión – extensión y desviación radial – cubital, para las dos articulaciones tanto la izquierda como la derecha, con lo cual el fisioterapeuta puede integrar el prototipo en el proceso de rehabilitación requerido. También se realiza una electromiografía, donde se puede observar la reacción del músculo cuando se activan los nervios que lo inervan, lo cual permite diagnosticar el funcionamiento del sistema nervioso periférico (músculos y nervios).
PALABRAS CLAVES: Escayola, antropométricas, electromiografía.
ABSTRACT: This project describes the designing and
and loads to support of the prototype.
Through a friendly graphical interface and easy to understand the user, a clinical history of each patient is stored and the rehabilitation sessions of the flexion - extension and radial - ulnar deviation movements, both for the left and the right articulation, are controlled. For this reason, the physiotherapist can quickly use the prototype and adapt it to the required rehabilitation process. An electromyography is also performed, which helps to diagnose the functioning of the peripheral nervous system (muscles and nerves). This graph shows the ability of the muscle to respond when the nerves are activated.
KEYWORDS Plaster, anthropometric, electromyography.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA
EQUINOCCIAL
BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, CLEBER DAMIAN PUENTE TISCAMA, CI 1721997920 autor del
proyecto titulado: “Diseño de una máquina para rehabilitar muñeca y
antebrazo” previo a la obtención del título de INGENIERO EN
MECATRÓNICA en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las
Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo
144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la
SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de
graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión
pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial
a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito
de generar un Repositorio que democratice la información,
respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
DECLARACIÓN
Yo CLEBER DAMIAN PUENTE TISCAMA, 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
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño de una
máquina para rehabilitar muñeca y antebrazo”, que, para aspirar al título
de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por Cleber Damian Puente
Tiscama bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la
Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el
DEDICATORIA
A mi familia que me han apoyado siempre, mis padres, Damián y María
AGRADECIMIENTO
Primeramente, agradezco a Dios, por haberme regalado cada día de vida.
A mis padres, por el gran sacrificio que han hecho al privarse de muchas
cosas por apoyarme en todo y ayudarme a cumplir mis metas.
A mis hermanos que son mis amigos que siempre están pendientes de mí.
A mi directora Ing. Marcela Parra Pintado MSC, quien gracias a su
xi
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... xvii
ABSTRACT ... xviii
1. INTRODUCCIÓN ... 19
1.1. OBJETIVOS DEL PROYECTO ... 2
1.2. REVISIÓN DE LITERATURA. ... 2
1.2.1. MÚSCULOS DEL ANTEBRAZO ... 2
1.2.2. NERVIOS DEL ANTEBRAZO ... 3
1.2.3. ARTERIAS DEL ANTEBRAZO ... 3
1.2.4. ANATOMÍA TOPOGRÁFICA DEL ANTEBRAZO ... 3
1.2.5. BIOMECÁNICA DEL ANTEBRAZO ... 3
1.3. ANATOMÍA DE LA MUÑECA ... 4
1.3.1. ESTRUCTURA ÓSEA DE LA MUÑECA ... 4
1.3.2. ANATOMÍA TOPOGRÁFICA DE LA MUÑECA ... 4
1.4. BIOMECÁNICA DE LA MUÑECA ... 5
1.5. PATOLOGÍAS TRAUMÁTICAS ... 6
1.5.1. LESIONES DEL NERVIO RADIAL ... 6
1.5.2. LUXOFRACTURA DE MONTEGGIA ... 6
1.5.3. LUXOFRACTURA DE GALEAZZI ... 7
1.6. REHABILITACIÓN DE LAS LESIONES ... 8
1.6.1. MOVILIDAD PASIVA ... 8
1.6.2. MOVILIDAD ACTIVA ... 8
1.6.3. MOVILIDAD ACTIVA ASISTIDA ... 8
1.7. ELECTROMIOGRAFÍA ... 8
1.8. ERGONOMÍA ... 8
xii
1.10. PERCENTILES ... 9
1.11. KINETEC MAESTRA. MÁQUINA CPM MANO Y MUÑECA ... 9
1.12. DISPOSITIVO REHABILITADOR TEE-R ... 9
1.13. ANTROMOT F ... 10
1.14. BENCHMARK DE DISPOSITIVOS DE REHABILITACIÓN ... 11
2. METODOLOGÍA ... 13
2.1. METODOLOGÍA MECATRÓNICA ... 12
2.2. REQUERIMIENTOS ... 13
2.2.1. REQUERIMIENTOS FUNCIONALES ... 14
2.2.2. MATRIZ DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD. ... 15
2.3. DISEÑO DEL SISTEMA ... 16
2.3.1. SISTEMA MECÁNICO ... 16
2.3.2. SISTEMA ELÉCTRONICO ... 31
2.4. CONTROL ... 40
2.4.1. PROGRAMACIÓN ARDUINO ... 41
2.4.2. DISEÑO DE SOFTWARE ... 43
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 11
3.1. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 46
3.2. DIAGNOSTICO ... 50
3.2.1. SESIÓN DE REHABILITACIÓN DÍA 1 ... 51
3.2.2. SESIÓN DE REHABILITACION DÍA 10 ... 52
3.2.3. SESIÓN DE REHABILITACION DÍA 20 ... 53
3.2.4. EVALUACIÓN ... 53
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 55
BIBLIOGRAFÍA ... 56
xiii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Grados de movimiento de la muñeca ... 6
Tabla 2. Benchmark de dispositivos de rehabilitación ... 11
Tabla 3. Descripción de los requerimientos funcionales ... 14
Tabla 4. Valores de ponderación ... 15
Tabla 5. Matriz QFD ... 15
Tabla 6. Peso de hombres y mujeres según su altura ... 17
Tabla 7. Porcentaje del peso corporal de partes específicas del cuerpo ... 18
Tabla 8. Medidas de las manos de hombres ... 19
Tabla 9. Datos para el modelado y análisis estructural ... 20
Tabla 10. Dimensiones de la mano de hombre sujetando el mango ... 22
Tabla 11. Dimensiones para modelado del soporte para movimientos de flexión -extensión ... 22
Tabla 12. Datos antropométricos de la población laboral española ... 24
Tabla 13. Dimensiones para modelado del soporte para el antebrazo. ... 24
Tabla 14. Dimensiones para modelado del acople del servomotor. ... 26
Tabla 15. Dimensiones para modelado de la caja-base. ... 27
Tabla 16. Materiales para equipos de rehabilitación ... 30
Tabla 17. Fuerza de la mano derecha de hombres ... 31
Tabla 18. Servomotores de 1.42 a 1.99 [N.m] ... 32
Tabla 19. Especificaciones TowerPro MG958 Servo ... 33
Tabla 20. Alternativas de tarjetas electrónicas de control ... 34
Tabla 21. Alternativas sensor muscular ... 36
Tabla 22. Alternativas de fuentes de alimentación ... 38
Tabla 23. Obtención de datos... 40
Tabla 24. . Parámetros de comunicación e inicialización del puerto serial .. 42
xiv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Estructura ósea de la mano ... 4
Figura 2. Movimiento de Flexión y extensión ... 5
Figura 3. Desviación radial y cubita. ... 5
Figura 4. Luxofractura de Monteggia ... 6
Figura 5. Luxofractura de Galeazzi ... 7
Figura 6. Maquina Kinetec Maestra ... 9
Figura 7. Dispositivo rehabilitador Tee-R ... 9
Figura 8. Antromot F ... 10
Figura 9. Metodología de diseño para sistemas mecatrónicos ... 12
Figura 10. Diagrama de requerimientos en SysML (Systems Modeling Language) ... 13
Figura 11. Medida de manos de hombres ... 19
Figura 12. Soporte para desviación radial – cubital ... 20
Figura 13. Análisis estructural del soporte para desviación radial – cubital 21 Figura 14. Dimensiones de la mano sujetando el mango ... 21
Figura 15. Soporte para movimientos de flexión- extensión ... 23
Figura 16. Análisis estructural del soporte para movimientos de flexión- extensión ... 23
Figura 17. Soporte para antebrazo ... 25
Figura 18. Análisis estructural del soporte para el antebrazo. ... 25
Figura 19. Acople del servomotor ... 26
Figura 20. Análisis estructural del acople ... 27
Figura 21. Caja - base ... 28
Figura 22. Análisis estructural de la caja – base ... 28
Figura 23. Ensamblaje en Solid Works ... 29
Figura 24. Interacción entre función, material, forma y proceso... 30
Figura 25. Esquemático Arduino uno ... 35
Figura 26. Tarjeta EKG – EMG ... 37
xv
Figura 28. Integración parte electrónica ... 39
Figura 29. Circuito para la desconexión del servomotor ... 39
Figura 30. Control de lazo abierto de la máquina de rehabilitación... 40
Figura 31. Flujograma para controlar Ángulos del servomotor... 41
Figura 32. Flujograma de la Aplicación ... 43
Figura 33. Diagrama de flujo menú inicio ... 44
Figura 34. Diagrama de flujo paciente nuevo ... 45
Figura 35. Diagrama de flujo paciente existente ... 45
Figura 36. Fisioterapeuta utilizando máquina de rehabilitación de muñeca y antebrazo. ... 46
Figura 37. Ángulos en flexión recuperados respecto a cada sesión ... 47
Figura 38. Ángulos en extensión recuperados respecto a cada sesión ... 47
Figura 39. Comparación de porcentajes de recuperación entre flexión y extensión ... 48
Figura 40. Ángulos en desviación radial recuperados respecto a cada sesión ... 49
Figura 41. Ángulos en desviación cubital recuperados respecto a cada sesión ... 49
Figura 42. Comparación de porcentajes de recuperación entre radial y cubital ... 50
Figura 43. Electromiografía tomada al paciente ... 50
Figura 44. Electrocardiograma ... 51
Figura 45. Electromiografía día 1 ... 52
Figura 46. Electromiografía día 10 ... 52
Figura 47. Electromiografía día 20 ... 53
Figura 48. Pantalla inicio aplicación del computador. ... 59
Figura 49. Historia clínica del paciente ... 59
Figura 51. Opciones para la rehabilitación. ... 60
Figura 52. Pantalla de terapia programada ... 61
Figura 53. Pantalla de terapia manual. ... 61
xvi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Manual de usuario de la aplicación ... 59
xvii
RESUMEN
Este proyecto describe el proceso de diseño y construcción de una máquina
para rehabilitar muñeca y antebrazo, destinado a usarse después de retirar
la escayola que inmoviliza la articulación. Esta máquina ayuda al paciente a
realizar ejercicios de forma pasiva, para lograr recuperar progresivamente
los ángulos funcionales de la articulación. Los elementos de la máquina
cumplen con los requerimientos, tales como, la resistencia, estética,
ergonomía y bajo costo porque se han tomado en cuenta, las medidas
antropométricas de personas adultas, el ambiente de funcionamiento y
cargas a soportar del prototipo. A través de una interfaz gráfica amigable y
de fácil entendimiento al usuario (fisioterapeuta), se almacena una historia
clínica de cada paciente y se controla las sesiones de rehabilitación de los movimientos de flexión – extensión y desviación radial – cubital, para las dos
articulaciones tanto la izquierda como la derecha, con lo cual el
fisioterapeuta puede integrar el prototipo en el proceso de rehabilitación
requerido. También se realiza una electromiografía, donde se puede
observar la reacción del músculo cuando se activan los nervios que lo
inervan, lo cual permite diagnosticar el funcionamiento del sistema nervioso
periférico (músculos y nervios).
PALABRAS CLAVES:
xviii
ABSTRACT
This project describes the designing and building process of a machine for
the rehabilitation of wrists and forearms. It is meant to be used during after
removing the plaster that immobilizes the joint. This machine helps the
patient to perform exercises in a passive way, to progressively recover the
functional angles of the joint. The elements of the machine meet the
requirements, such as strength, aesthetics, ergonomics and low cost
because they have taken into account the anthropometric measurements of
adults, the operating environment and loads to support the prototype.
Through a friendly graphical interface and easy to understand the user, a
clinical history of each patient is stored and the rehabilitation sessions of the
flexion - extension and radial - ulnar deviation movements, for two joints both
left and right, which allows the physiotherapist to integrate the prototype into
the required rehabilitation process. An electromyography is also performed,
where the reaction of the muscle can be observed when the innervating
nerves are activated, which allows to diagnose the functioning of the
peripheral nervous system (muscles and nerves).
KEYWORDS
1 Existen dispositivos de rehabilitación para muñeca y antebrazo sofisticados,
pero son costosos e inaccesibles para la mayoría de las personas por este
motivo se ha visto la necesidad de diseñar un mecanismo de bajo costo,
diseño compacto y que logre asistir a un paciente en los movimientos de flexión – extensión y movimientos de inclinación radial – cubital, brindando la
posibilidad de que el accionamiento sea automatizado en ambos
movimientos básicos y que puedan realizar las terapias de forma repetitiva.
Se debe, tomar en cuenta los parámetros que se debe cumplir en cada una,
y con la seguridad que cada repetición de la rutina sea la adecuada, porque
normalmente estas sesiones de rehabilitación son manuales, causando
incomodidad al paciente, debido que produce dolor y un esfuerzo adicional
por parte de la persona que rehabilite la articulación. Por otra parte, existe la
necesidad de una interfaz de interacción humano-máquina para asignar los
parámetros iniciales de movimiento que debe realizar dispositivo
La rehabilitación del paciente con daño o lesión de la muñeca y antebrazo es
importante para las personas en sus actividades cotidianas, porque esta
articulación, es capaz de realizar actividades donde se requiere fuerza o
delicadeza.
Las lesiones de muñeca y antebrazo actualmente son una de las más
frecuentes ya que como mecanismo de defensa ante una caída, se
reacciona apoyando las manos, lo que en consecuencia genera una fuerza
mayor a la soportada por el hueso produciendo un quiebre óseo, por eso se
ha visto la necesidad del diseño y construcción de una máquina para
rehabilitar muñeca y antebrazo, con esto se pretende que los pacientes
logren recuperar los ángulos funcionales de los dos movimientos básicos:
uno semejante a seguir la forma de un abanico (llamado radial-cubital), otro
de arriba para abajo (flexión- extensión), y que facilite al fisioterapista la
realización de los ejercicios de rehabilitación y también revisar los avances
2 tratamiento y como resultado de esto se podrá disminuir el tiempo de
recuperación de la lesión.
1.1. OBJETIVOS DEL PROYECTO
El objetivo general del presente proyecto es diseñar y construir una máquina
para rehabilitar muñeca y antebrazo. Existen tres objetivos específicos el
primero es evaluar la parte anatómica y fisiológica de la articulación de la
muñeca y antebrazo y ver si existen dispositivos de rehabilitación
semejantes, segundo es diseñar y construir el sistema mecánico que sea
compacto y ergonómico para la realización de las terapias de rehabilitación y
por último diseñar el sistema de control y monitoreo de la rutina de
rehabilitación.
El dispositivo es para personas de 12 a 64 años de edad ya que la
estructura y comportamiento óseo es diferente en los niños y personas
adultas mayores, el diseño del sistema electrónico para el control del
dispositivo será validado en un software de simulación, el diseño del
sistema mecánico se validara a través de herramientas CAD y CAE y el
diseño del software, se desarrollará en dos partes: a) El software para
la programación del microcontrolador, el cual será utilizado para controlar
al sensor y actuador del dispositivo. b) Otra parte, será la programación e
implementación de una aplicación para establecer la comunicación entre el
dispositivo de rehabilitación y un ordenador.
1.2. REVISIÓN DE LITERATURA.
1.2.1. MÚSCULOS DEL ANTEBRAZO
Los músculos del antebrazo se dividen en un grupo anterior (superficiales y
profundos) y uno posterior. Los músculos del grupo anterior son los flexores
de los dedos y la muñeca, así como los pronadores. Los músculos del grupo
posterior son los extensores de la muñeca y dedos, así como los
3 Los músculos superficiales se dividen en: pronador profundo, palmar mayor,
palmar menor, cubital anterior y flexor común superficial de los dedos. Los
músculos profundos se dividen en: flexor común profundo de los dedos,
flexor largo del pulgar y pronador cuadrado (Gardner & O'Rahilly, 1989).
1.2.2. NERVIOS DEL ANTEBRAZO
Los nervios que se encuentran en el antebrazo son el nervio mediano, el
nervio interóseo anterior, el nervio cubital y el nervio radial. Los nervios
mediano y cubital pueden establecer comunicación, a través del flexor
común de los dedos.
1.2.3. ARTERIAS DEL ANTEBRAZO
Arteria radial. - En este lugar se puede sentir fácilmente sus pulsaciones,
que proporcionan información de importancia clínica, como velocidad ritmo,
compresibilidad y estado de la pared arterial.
Arteria cubital. - Las pulsaciones de esta se pueden sentir cerca de la
muñeca, tiene venas satélites, y puede variar e incluso faltar. Se ramifica en
la arteria recurrente cubital y la arteria interósea común
1.2.4. ANATOMÍA TOPOGRÁFICA DEL ANTEBRAZO
El antebrazo suele hallarse limitado por dos líneas circulares: una superior
situada a dos centímetros abajo al pliegue del codo, y otra inferior dispuesta
cerca de la muñeca. (Rouviére & Delmas, 2002)
El antebrazo se divide en dos regiones, la región antebraquial anterior que
corresponde, al borde posterior del cubito y al borde posterior del radio, y la
región antebraquial posterior ubicada atrás de los huesos del antebrazo y a
la membrana interósea del antebrazo.
1.2.5. BIOMECÁNICA DEL ANTEBRAZO
En los movimientos de pronación y supinación el antebrazo gira alrededor de
su eje longitudinal. En la supinación intervienen el supinador corto y el
4 y el músculo pronador redondo. (Gardner & O'Rahilly, 1989). La "posición 0",
a partir de la cual mediríamos el movimiento, sería aquella en la que el
sujeto tiene el codo pegado al tórax y flexionado a 90º, y su antebrazo se
encuentra en una posición de prono-supinación neutra.
1.3. ANATOMÍA DE LA MUÑECA
1.3.1. ESTRUCTURA ÓSEA DE LA MUÑECA
La muñeca es una articulación con mayor riesgo a lesiones deportivas y
laborales. Ya que por exceso de fuerza o alguna caída esta llega a
lesionarse o fracturarse. Las lesiones y facturas típicas en la muñeca son:
tenosinovitis, tendinitis, síndromes de túnel carpiano y la luxofractura de
Galeazzi
Figura 1. Estructura ósea de la mano
(Gil Chang, 2006)
En la Figura 1, se puede observar que los huesos del carpo son la unión de
la mano con el antebrazo. EL antebrazo lo conforman dos huesos el radio y
el cúbito. La mano se divide en dos partes los huesos metacarpianos y las
falanges.
1.3.2. ANATOMÍA TOPOGRÁFICA DE LA MUÑECA
La muñeca o región del carpo corresponde a la articulación radiocarpiana y a
5 pasa por la cabeza del cubito; el límite inferior es una línea circular que pasa
en sentido inmediatamente inferior al tubérculo del escafoides y a la
extremidad inferior del pisiforme. (Rouviére & Delmas, 2002)
La muñeca comprende una región carpiana anterior, región carpiana
posterior y la articulación radiocarpiana.
1.4. BIOMECÁNICA DE LA MUÑECA
En la articulación radiocarpiana se producen movimientos de flexión (flexión palmar)– extensión (flexión dorsal) tal como se muestra en la Figura 2
Figura 2. Movimiento de Flexión y extensión
(Martín, Navarro, Ruiz, & Jiménez, 2011)
La Figura 2 muestra que el movimiento de flexión es contraer la muñeca y el
movimiento de extensión es estirar la muñeca.
. En la Figura 3 muestra los movimientos de desviación radial y cubital
(ulnar) los cuales también contribuyen los movimientos entre las filas
proximal y distal de los huesos del carpo en la articulación medio carpiana.
Se produce también un cierto grado de circunduccion rotatoria y esta no se
la puede medir con exactitud en el ámbito clínico
Figura 3. Desviación radial y cubita.
6 La figura 3 muestra que la articulación tiene movimientos similares a los de
un abanico y que el movimiento de desviación radial es menor que el
movimiento de desviación cubital.
En la Tabla 1 se muestra los grados de movilidad que alcanza la muñeca en
su funcionamiento normal.
Tabla 1. Grados de movimiento de la muñeca
Amplitud normal de movimientos de la muñeca en adultos sanos Boone y Azen Ryu et al. Flexión 75±6.6° 79° Extensión 74±6.6° 59° Desviación radial 21±4.0° 21° Desviación cubital 35±3.8° 38°
(Martín, Navarro, Ruiz, & Jiménez, 2011)
La Tabla 1 muestra los resultados de dos investigaciones realizadas en
adulto sanos las cuales muestran los rangos máximos que puede moverse
la articulación sin presentar lesiones.
1.5. PATOLOGÍAS TRAUMÁTICAS
1.5.1. LESIONES DEL NERVIO RADIAL
Si la lesión es en la axila se paralizan todos los músculos inervados por él.
Se pierde la extensión del antebrazo, se debilita la flexión del mismo, y la
perdida de la extensión en la muñeca lleva a la llamada mano péndula.
Además, se pierde la extensión de las falanges proximales, se debilita la
abducción y la aducción de la mano. (Gardner & O'Rahilly, 1989)
1.5.2. LUXOFRACTURA DE MONTEGGIA
La fractura dislocación de Monteggia es una fractura del tercio proximal del
cúbito y dislocación de la cabeza del radio tal como se muestra en la Figura
4. Es una lesión rara del antebrazo cuando no se diagnostica y trata a
tiempo, puede quedar como secuela una limitación de la movilidad articular y
una incapacidad funcional importante en la extremidad traumatizada (Arenas
7
Figura 4. Luxofractura de Monteggia
(Arenas & Ortega, 2006)
La luxofractura de Monteggia se presenta de las siguientes formas:
1) Fractura en la parte media del radio con luxación externa del cúbito.
2) Fractura del radio cerca del codo con leve luxación del cúbito.
3) Fractura en la parte media del radio con luxación interna del cúbito.
4) Fractura del radio y cúbito.
1.5.3. LUXOFRACTURA DE GALEAZZI
En la Figura 5 se observa la fractura luxación de Galeazzi consiste en una
fractura de la diáfisis del radio acompañado de una luxación radiocubital
distal, la cual se presenta como luxación, con daño del complejo triangular
fibrocartilaginoso de la muñeca. (Firpo, 2010)
Figura 5. Luxofractura de Galeazzi
(Firpo, 2010)
La luxofractura de Galeazzi se presenta de las siguientes formas:
1) Fractura en la parte del radio cerca de la muñeca con luxación del
cúbito.
2) Fractura parte media del radio con leve luxación del cúbito cerca de la
8
1.6. REHABILITACIÓN DE LAS LESIONES
La rehabilitación de la muñeca y antebrazo tiene como finalidad controlar la
inflamación, restaurar e incrementar la fuerza y recuperación del movimiento,
se realiza el mismo procedimiento para las lesiones de tejido blando como
para las fracturas, con ciertas modificaciones dependiendo de la patología
(Huter-Becker & Heipertz, 2005)
1.6.1. MOVILIDAD PASIVA
Movimiento de las articulaciones mediante una fuerza externa sin existir
resistencia por parte del paciente.
1.6.2. MOVILIDAD ACTIVA
Movimiento de las articulaciones realizado por la misma fuerza del paciente
sin ayuda del fisioterapeuta.
1.6.3. MOVILIDAD ACTIVA ASISTIDA
El paciente realiza un movimiento de la articulación con su propia fuerza,
pero aparte el terapeuta ejerce una fuerza adicional asistida.
1.7. ELECTROMIOGRAFÍA
Es una técnica que mide la respuesta muscular o la actividad eléctrica en
respuesta a la estimulación nerviosa del musculo el análisis de los
resultados de la electromiografía se usa para detectar anomalías neuro-
musculares.
1.8.
ERGONOMÍA
Es la ciencia que estudia las relaciones entre las personas y sus entornos.
(Etienne, 1972). Es decir, busca un mayor rendimiento y comodidad de las
personas a partir de adaptar a la forma humana los medios que usa. Los
lugares de trabajo para garantizar su eficacia se diseñan de acuerdo a la
gama de medidas del cuerpo humano
1.9. ANTROPOMETRÍA
Es la ciencia que estudia en concreto las medidas del cuerpo, a fin de
9
1.10. PERCENTILES
Debido a las variedades de dimensiones que se presentan por persona, los
valores promedios no son de ayuda para el diseñador, por esta razón los
datos antropométricos se expresan en percentiles.
El percentil expresa el valor porcentual de personas que pertenecen a una
población que tienen una dimensión corporal de menor o igual medida.
1.11. KINETEC MAESTRA. MÁQUINA CPM MANO Y MUÑECA
Este dispositivo que se muestra en la Figura 6 fue desarrollado por la
empresa Kinetec, su funcionamiento se basa en sujetar la mano en una
palanca la cual realiza movimientos específicos, ayudando al cerebro a
establecer nuevas conexiones que con el tiempo ayudara al paciente a
mover la extremidad por sí mismo. (Kinetec, 2014)
Figura 6. Maquina Kinetec Maestra (Kinetec, 2014)
La Figura 6 muestra la máquina donde se puede realizar movimientos
continuos pasivos (CPM) y trabaja cada una de las patologías de mano y
muñeca.
1.12. DISPOSITIVO REHABILITADOR TEE-R
Los investigadores de la escuela de ingeniería, arquitectura y salud del
Tecnológico de Monterrey en el 2016 presentaron un prototipo, con el cual
se recuperará paulatinamente el movimiento de la muñeca y antebrazo con
10
Figura 7. Dispositivo rehabilitador Tee-R
(León, 2016)
Este dispositivo conta de una palanca de mando, con la que el usuario
interactúa dentro de un ambiente virtual haciendo que se recuperen las
conexiones nerviosas de la articulación afectada.
1.13. ANTROMOT F
Como se puede observar en la Figura 8 este dispositivo fue desarrollado por
la empresa TENS S.A, se acopla fácilmente a la mano del paciente y puede
tratar lesiones por trauma sin fractura o dislocación tanto de la mano
izquierda como la derecha, realizando movimientos de flexión y extensión.
Su diseño es estético y ligero.(TENS, 2016)
Figura 8. Antromot F
(TENS, 2016)
Este dispositivo consta de las siguientes partes:
1) Soporte dedos. - Sirve para inmovilizar los dedos y que se muevan en
11 2) Dispositivo de rehabilitación. - Proporciona los grados de movilidad en
flexión y extensión.
3) Soporte antebrazo. En este van acoplados los elementos del
dispositivo.
4) Mecanismo móvil. sirve para realizar los movimientos de flexión
-extensión
1.14. BENCHMARK DE DISPOSITIVOS DE REHABILITACIÓN
La técnica de Benchmark sirve para comparar las especificaciones y
características de los dispositivos que cumplen con la misma función de
rehabilitar, con esto se puede maximizar el rendimiento, minimizar costos y
obtener la mejor relación costo/beneficio y así cumplir con los requerimientos
del proyecto.
En la Tabla 2 se muestran las características y la comparación de tres
máquinas de rehabilitación las cuales se verifica si cumplen con los ámbitos
que se requiere para realizar las rutinas de ejercicio para recuperar los
ángulos funcionales de la articulación.
Tabla 2. Benchmark de dispositivos de rehabilitación
PRODUCTO
Kinetec Maestra. Rehabilitador Tee-R Antromot F ÁMBITO
Variedades de diseños X
Fácil Control X X
Durabilidad X X X
Fiabilidad X X X
Ergonomía X X X
Modulación ajustable. X
Multifuncional X X
Portátil X
Acero inoxidable X X
Duradero X X X
Bajo costo X
12 Según el análisis de las características de los dispositivos de rehabilitación,
estos cumplen con la función de rehabilitar la extremidad afectada. Existen
dispositivos sofisticados y multifuncionales, pero son costosos lo que dificulta
la adquisición de equipos en los centros de rehabilitación. También existen
dispositivos que son simples y portátiles de bajo costo, pero de limitada
funcionalidad ya que solo pueden rehabilitar el movimiento de flexión y
12
2.1. METODOLOGÍA MECATRÓNICA
El modelo en V que se describe en la Figura 9, hace explícita la tarea, parte
de la iteración de las actividades del proceso y la obtención de los
requerimientos del sistema. Las pruebas de cada fase ayudan a corregir
posibles errores sin tener que esperar a que sean rectificados en la etapa
final y esto hace que el proceso sea más dinámico, con la opción de realizar
pruebas que ayudan a corregir posibles errores durante su fase de desarrollo
además de poseer ventajas realmente notables que lo convierten en un
modelo más completo y robusto que ayuda a obtener un sistema de mejor
calidad.
Figura 9. Metodología de diseño para sistemas mecatrónicos
(Verein Deutscher, 2004)
El ciclo de diseño empieza con la etapa conceptual, que consiste de
requerimientos específicos y análisis de la situación. El resultado de este es
un diseño específico y un conjunto claramente formulado de
comportamientos deseados del futuro producto (Verein Deutscher, 2004) .El
diseño especifico realiza una iteración detallada y los cálculos necesarios
que nos aseguraran el desempeño de cada subfunción. La integración del
13 retroalimentación al sistema corrigiendo errores para finalmente obtener el
producto final.
2.2. REQUERIMIENTOS
El análisis de requerimientos se realiza tomando en cuenta, las diferentes
características que componen el sistema para un correcto funcionamiento en
las rutinas de rehabilitación, para esto se toma en cuenta los requerimientos
de los pacientes, requerimientos del fisioterapista y requerimientos de
ingeniería tal como se muestra en la Figura 10.
Figura 10. Diagrama de requerimientos en SysML (Systems Modeling Language)
Se ha utilizado el software Enterprise Architect para realizar el diagrama de
requerimientos en lenguaje SysML mostrado en la Figura 10. Se consideró
como requerimientos principales, las dimensiones, peso, actuador, custom Requerimientos
«requirement» Materiales
tags id = R9
text = Los que se utilizan para equipo médico «requirement»
Dimensiones
tags id = R1 text = 24X21x25cm
«requireme... Altura
tags id = R1.1 text = 25cm
«requireme... Peso
tags id = R2 text = 3 Kg
«requirement» Actuador rotacional
tags id = R3 text = servomotor
«requirement» Tecnologia de control
tags id = R4
text = Se debe utilizar un microntrolador para el control del dispositivo
«requirement» Alimentación
tags id = R5
text = Alimentar con una fuente de corriente continua
«requirement» Sensor
tags id = R6 text = sensor muscular
«requirement» Ergonomía
tags id = R8
text = Utilizar datos antropométricos
«requirement» Funcionamiento
tags id = R7
text = Cumplir las rutinas de ejercicio
«requirement» Monitoreo
tags id = R8
text = Crear una aplicación
«requirement» Costo
14 tecnología de control, alimentación, funcionamiento, ergonomía, material,
monitoreo y costo. En las etiquetas del diagrama se asigna una identificación
(id) y se describe las características de cada elemento.
2.2.1. REQUERIMIENTOS FUNCIONALES
Para obtener los requerimientos funcionales se debe analizar las funciones
que debe cumplir el dispositivo para alcanzar los objetivos planteados tal
como se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3. Descripción de los requerimientos funcionales
Ámbito N D Denominación CL CN
Fabricación
X Cantidad exacta de material para evitar perdidas X X Seleccionar el proceso de manufactura X
X Personalización del modelo X X Minimización de costos de fabricación X
Control X Utilizar microcontrolador X
X Aplicación de monitoreo X
Material
X Durabilidad X
X Resistencia X
X Vida útil del material X X Selección del material X
Ensamble X X Fácil montaje X
Ergonomía X Medidas antropométricas X
Funcionalidad
X Cumplir las rutinas de ejercicio X
X Bajo costo X
X Selección de sensor y actuador X X X Fusión entre estético, portátil y funcional X
Ambiental X Amigable con el ambiente, materiales no contaminantes X
En la Tabla 3 se describe cada requerimiento funcional o global y se los
clasifica en necesidad (N) o deseo (D). A las descripciones o requerimientos
secundario se los clasifica si son cualitativos (CL) o cuantitativos (CN). Con
esto se puede ver la interacción entre el sistema y su ambiente
15
2.2.2. MATRIZ DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD.
La matriz Función de Despliegue de la Calidad (QFD) es una representación
gráfica para la Calidad, que permite entender mejor las prioridades o
requerimientos de los clientes y de manera técnica dar solución a estas
necesidades como lo se muestra en la Tabla 5
A partir de los requerimientos funcionales del producto se desarrolla la matriz
QFD.
En la Tabla 4 se muestra la ponderación dada a los requerimientos del
cliente y a los de ingeniería.
Tabla 4. Valores de ponderación Alto 5
Medio 3 Bajo 1
Tabla 5. Matriz QFD
TÉCNICOS O DE INGENIERÍA
IMP O RT AN CIA F ABRICA CIÓ N CO NT RO L MATERI AL E NS AMBL E E RG O NÓ MICO F UNCIO NAL IDAD AMBI E NT AL T O T AL
CLIENTE %
16
AMIGABLE CON EL
AMBIENTE 5 1 1 5 1 1 1 5 20
TOTAL 100 31 23 31 25 27 23 21 277
Luego de analizar y calcular las ponderaciones dio como resultado que en
los requerimientos técnicos o de ingeniería, los que obtuvieron mayor
calificación fueron la fabricación y el material con un valor de 31, seguido de
ergonómico con un valor de 27. En los requerimientos del cliente el de más
valor fue el precio con un valor de 38 seguido por fácil control con un valor
de 37. En base a los resultados obtenidos en la casa de calidad la selección
de alternativas se basará en los parámetros antes mencionados.
2.3. DISEÑO DEL SISTEMA
2.3.1. SISTEMA MECÁNICO
Modelado y análisis estructural de cada componente
En modelado de las partes de la máquina de rehabilitación se tomó en
cuenta la ergonomía y las medidas antropométricas de la mano, además se
contó con la ayuda de un licenciado en fisioterapia que sugirió realizar el
diseño para que cualquier persona adulta pueda realizar la rehabilitación.
Para el modelado de las diferentes partes de la maquina se utilizó el
software de diseño Solidworks el cual permite el ensamblaje de los
componentes previo a su fabricación.
El análisis estructural se lo realizó mediante el análisis de elementos finitos
en el software ANSIS, en el cual se carga el modelo realizado en el software
Solidworks, luego se elige el material. Para las cargas a soportar como es un
dispositivo de rehabilitación pasiva se asume que la articulación no ejercerá
fuerzas a este, más que su propio peso por tal motivo de la Tabla 6 que
muestra el peso de las personas según su género y altura, se escoge el
peso máximo de la persona [Kg], se multiplica por el porcentaje de la parte
17 para obtener el resultado de la carga [N]. Lo cual se expresa en la ecuación
[1].
Carga=Peso máximo personas [kg]x%parte del cuerpo x gravedad[m/s] [1]
Tabla 6. Peso de hombres y mujeres según su altura
Altura [mts.]
Mujeres Hombres
18
2.02 83.65 91.81 85.69 95.89 87.73 100.46 91.81 102.01 2.04 85.31 93.64 87.39 97.80 89.47 102.46 93.64 104.04 2.06 86.99 95.48 89.12 99.72 91.24 104.48 95.48 106.09 2.08 88.69 97.34 90.85 101.67 93.02 106.52 97.34 108.16
(Zonadiet.com, 2017)
De la Tabla 6 para realizar los cálculos necesarios para el diseño se toma el
valor mayor del peso que es 108.16 Kg que corresponde a una persona de
sexo masculino y de altura 2.08 metros
La Tabla 7 muestra los porcentajes de peso de cada parte del cuerpo con la
cual nos facilitara saber que peso tiene cada una.
Tabla 7. Porcentaje del peso corporal de partes específicas del cuerpo
Parte del cuerpo Porcentaje [%]
Tronco sin miembros 50,0
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 5,9
Parte inferior de la pierna sin el pie 4,4
Muslo 10,1
Pierna completa 16,0
(Institute, 1996)
De la Tabla 7 para realizar los cálculos necesarios para el diseño se utiliza el
porcentaje de la mano que es 7% y el porcentaje del brazo completo que es
5%, ya que para la rehabilitación el paciente apoyara su brazo en el
dispositivo.
De la ecuación [1] se calcula la carga que genera la mano sobre el
19 Carga Mano= 108.16[kg]x0.7%x9,8[m/s]=7,46[N]
De la ecuación [1] se calcula la carga que genera el brazo sobre el
dispositivo de rehabilitación.
Carga Brazo= 108,16[kg]x5%x9,8[m/s]=52.9[N]
Soporte para desviación radial y cubital.
Este elemento es encargado de soportar el peso de la mano durante la rehabilitación de los movimientos de desviación radial – cubital. En la Figura
11 se puede observar las medidas antropométricas de la mano de un
hombre.
Figura 11. Medida de manos de hombres
(Tilley, 1993)
La Tabla 8 muestra las medidas antropométricas de la parte de la muñeca y
mano obtenidas de la Figura 11 la cual muestra los datos clasificados por
percentiles (%il) y las medidas en milímetros (mm).
Tabla 8. Medidas de las manos de hombres
Designación Percentiles (mm)
20
(Tilley, 1993)
De la tabla 8 se utilizará los valores del percentil 95 ya que son las medidas
mayores y por ende garantizara que cualquier persona adulta pueda utilizar
el dispositivo.
Datos de partida para el diseño del soporte para desviación
radial y cubital.
Para el modelado y análisis estructural del soporte para realizar los movimientos de desviación radial – cubital se toman los datos necesarios de
la Tabla 8 y los valores de los cálculos antes realizados, para generar la
Tabla 9 en la cual solo se muestran los datos que se necesitan para el
diseño del elemento.
Tabla 9. Datos para el modelado y análisis estructural
Datos Valor máx.
Longitud muñeca punta de dedos 219 mm Ancho de la mano 120mm Ancho de agarre 90 mm Longitud palma 117mm Masa 0.76 Kg Carga a soportar 7.46 N
En la tabla 9 se muestra los valores de masa que es 0.76 Kg y la carga a
soportar es de 7.46N.
Modelado en 3D del soporte para desviación radial y cubital.
Se ha utilizado la herramienta CAD Solid Works para modelar los planos de
la pieza de la Figura 12, los cuales se pueden observar en el Anexo 2. Este
soporte sirve para rehabilitar los movimientos de desviación radial en
21±4.0°, y en desviación cubital 35±3.8°
21
Figura 12. Soporte para desviación radial – cubital
Análisis estructural en ANSIS del soporte para desviación
radial – cubital.
En la Figura 13 se visualiza por medio de los diferentes colores los puntos
donde se concentran los esfuerzos, también el software analiza el elemento
en tensión elástica lo cual genera un valor máximo de deformación que es
1,8305e-5 [mm] y en el análisis de esfuerzo normal genera un valor máximo
de 0,0535 [Mpa]. Se infiere que el soporte para desviación radial - cubital
tiene la capacidad de soportar los esfuerzos para los cuales está diseñado.
TENSIÓN ELÁSTICA ESFUERZO NORMAL
Figura 13. Análisis estructural del soporte para desviación radial – cubital Soporte para movimientos de flexión y extensión.
De los datos de las medidas antropométricas de la Tabla 9 se escoge las
medidas que se necesitan para realizar el modelado en Solidworks.
De la Figura 14 se realizó la Tabla 10 donde se describen las dimensiones
de la mano tomando el mango, estas medidas están divididas en percentiles
22
Figura 14. Dimensiones de la mano sujetando el mango
(Tilley, 1993)
En la Figura 14 se puede observar las dimensiones de una persona adulta
que esta subdividida en percentiles y también las medidas vienen dadas en
milímetros y pulgadas.
En la Tabla 10 se presenta las dimensiones antropométricas de la mano de
un hombre sujetando un mando, estas medidas ergonómicas se las utiliza
para realizar el soporte para movimientos de flexión- extensión.
Tabla 10. Dimensiones de la mano de hombre sujetando el mango
(Tilley, 1993)
Datos de partida para el diseño del soporte para movimiento
de flexión – extensión.
Se ha realizado la Tabla 11 con los valores máximos de las medidas
antropométricas obtenidas de las Tablas 8 y 10 , con estos datos se
procederá al modelado y análisis del soporte.
23
Datos Valor max.
Ancho de la mano 120mm
Ancho de agarre 90 mm
Longitud palma 117mm
Longitud de la muñeca al centro del mango 85 mm Diámetro optimo del mango 38 mm
Masa 0.76 Kg
Carga a soportar 7.46 N
En la Tabla 11 se muestra los valores de masa que es 0.76 Kg y la carga a
soportar es de 7.46N.
Modelado en 3D del soporte para movimientos de flexión
–
extensión.
Este elemento es el encargado de soportar el peso de la mano, y por medio
de un acople transmitir el movimiento para la rehabilitación de la articulación.
Los planos de la pieza de la Figura 15 se pueden observar en el Anexo 2.
Este soporte sirve para rehabilitar los movimientos de flexión 75±6.6°, y en
extensión en 74±6.6°.
Figura 15. Soporte para movimientos de flexión- extensión
Análisis estructural en ANSIS del soporte para movimientos
de flexión – extensión.
Según la simulación hecha y mostrada en la Figura 16 para el soporte para
el movimiento de flexión y extensión, da como resultado que en tensión
elástica el máximo valor es 2.6049e-6 [mm] y en el análisis de esfuerzo
normal el valor máximo es 0.0038 [Mpa], estos análisis garantizan la
resistencia mecánica del sistema y a la vez su buen funcionamiento a la hora
24
TENSION ELÁSTICA ESFUERZO NORMAL
Figura 16. Análisis estructural del soporte para movimientos de flexión- extensión
En la Figura 16 se observa los puntos de concentración de esfuerzos de color rojo.
Soporte para el antebrazo
Se consideran los datos de dos fuentes, la Tabla 12 que son datos de la
población española realizada en diciembre 1996 y corregidos octubre 1999.
Estos datos están clasificados por percentiles (%il) y las medidas en
milímetros (mm).
Tabla 12. Datos antropométricos de la población laboral española
(Carmona Benjumea, 1999)
Datos de partida para el diseño del soporte del antebrazo.
Se ha realizado la Tabla 13 con los valores máximos de las medidas
antropométricas obtenidas de la Tabla 12 , con estos datos se procederá al
modelado y análisis del soporte para el antebrazo.
Tabla 13. Dimensiones para modelado del soporte para el antebrazo.
Datos Valor max.
Perímetro de la muñeca 187 mm
# (Refer.ISO
250:1996) DESIGNACIÓN
TAMAÑO MUESTRA
PERCENTILES (mm)
POBLACIÓN CONJUNTA 5%il 50%il 95%il
1(4.2.6) Longitud hombro-codo 1721 312 356 395 40(4.4.3) Longitud codo -puño 1715 282 317 326 42(4.4.5) Longitud codo-punta de
dedos
1717 396 448 495
25
Diámetro del antebrazo 120 mm Longitud codo-punta de dedos 523 mm
Masa 5.40 Kg
Carga a soportar 52,9 N
Modelado en 3D del soporte para el antebrazo
Los planos de la pieza de la Figura 17 se pueden observar en el Anexo 2.
Este elemento soporta todo el peso del brazo y es móvil para que el
fisioterapeuta pueda ajustar la longitud, lo cual permite que la rehabilitación
se realice correctamente.
Figura 17. Soporte para antebrazo
Análisis estructural en ANSIS del soporte para el antebrazo
Como se puede observar en la Figura 18 la pieza de soporte para el
antebrazo está trabajando sobre sus límites físicos ya que presenta zonas
de concentración de esfuerzos y están de color rojo y es debido a la carga
que está soportando, en tensión elástica el máximo valor es de 0.00065741
[mm], y para el esfuerzo normal el valor máximo es de 0.8717 [Mpa], sin
embargo, al tratarse de una pieza estática, no representa mayor
inconveniencia para el buen funcionamiento del dispositivo.
26
Figura 18. Análisis estructural del soporte para el antebrazo.
Acople del servomotor
En este elemento se unen el soporte para desviación radial y cubital y el
soporte para movimientos de flexión y extensión con el servomotor. Este
elemento debe transmitir el torque del servomotor a los soportes para la
rehabilitación.
Datos de partida del acople del servomotor
En la tabla 14 se observan los valores de las cargas que soportara este
elemento. El torque del servomotor se transformó a N.mm debido para poder
ingresar este valor en el software ANSIS.
Tabla 14. Dimensiones para modelado del acople del servomotor.
Datos Valor max.
Masa 0.76 Kg
Carga a soportar 7.46 N Torque servomotor 1.96 N.m
Modelado en 3D del acople del servomotor
Los planos de la pieza de la Figura 19, se pueden observar en el Anexo 2.
Este elemento permite el fácil montaje y desmontaje de los soportes de
27
Figura 19. Acople del servomotor
Análisis estructural en ANSIS del acople del servomotor
Como se puede observar en la Figura 20 el elemento tiene en tensión
elástica tiene un valor máximo de 7,336e-5[mm/mm], y en esfuerzo normal
su valor máximo es de 0.057[Mpa] este demuestra que el elemento tiene
resistencia mecánica y funcionara correctamente a la hora de utilizarse.
TENSIÓN ELÁSTICA ESFUERZO NORMAL
Figura 20. Análisis estructural del acople
Caja - base
En este elemento van acoplados todos los elementos de la máquina para
rehabilitación de muñeca y antebrazo. Este elemento es el que soporta la
28 soportes para evitar pandeo y también existen dos canales donde se puede
regular la distancia del soporte del antebrazo.
Datos de partida para el diseño de la caja – base.
En la Tabla 15 se toman valores máximos de las medidas antropométricas
de la Tabla 12 y las cargas que soportará este elemento.
Tabla 15. Dimensiones para modelado de la caja-base.
Datos Valor max.
Longitud codo puño 326 mm Longitud codo-punta de dedos 523 mm Masa de soporte antebrazo 0,1221 kg
Masa total 5,5301 kg
Carga a soportar 54,1953N
Modelado en 3D de la caja – base
Los planos de la pieza de la figura 21, se pueden observar en el Anexo 2, se
los realizo en el software Solidworks. Este elemento está dividido en 3
partes: 1) la caja principal, la base, y los soportes interiores.
Figura 21. Caja - base
Análisis estructural en ANSIS de la caja – base
Como se puede observar en la Figura 22, el elemento caja -base en tensión
29 valor máximo es de 0.2319 [Mpa], sin embargo, este es capaz de soportar
todas las fuerzas aplicadas por el sistema.
TENSION ELÁSTICA ESFUERZO NORMAL
Figura 22. Análisis estructural de la caja – base
En la Figura 22 se observa los puntos de concentración de esfuerzos de color rojo y naranja.
Ensamblaje de la parte mecánica
La Figura 23 se divide en dos partes: a) el dispositivo con el soporte para
realizar los movimientos de flexión – extensión y b) el dispositivo con el soporte para realizar los movimientos de desviación radial – cubital.
30 Las partes del dispositivo que se muestra en la Figura 23 se describen a
continuación:
1-Soporte del antebrazo. - Aquí el paciente coloca la articulación afectada
para cumplir con las rutinas de ejercicio.
2.- Soporte para movimientos de flexión-extensión. - Sirve para realizar las
rutinas de ejercicio para movimientos de flexión- extensión.
3-Soporte para desviación radial-cubital. - Sirve para realizar las rutinas de
ejercicio para movimientos de desviación radial-cubital.
4-Acople del servomotor. - Transmite los movimientos del servomotor a los
soportes.
5-Caja-base. - Es donde van acoplados los demás elementos
Selección de material
El problema central de la selección de material es la interacción que existe
entre la función, material, forma y proceso tal como se muestra en la Figura
24.
Figura 24. Interacción entre función, material, forma y proceso
(Ashby, 2005)
En la función se toma en cuenta las cargas que va a soportar, si es expuesta
a corrosión, a altas temperaturas. En material se elige los atributos de estos
como es densidad, propiedades mecánicas, propiedades eléctricas,
propiedades térmicas, propiedades ópticas entre otras. En el proceso se
selecciona como se manufactura los elementos del dispositivo. En la forma
es la parte estructural, ergonómica y estética.
31 Los materiales que se utilizan para las industrias médicas deben tener
resistencia a la oxidación en todos los ambientes, acabado superficial,
estética y gran durabilidad, las características de los materiales más
utilizados en equipos de rehabilitación se pueden ver en la Tabla 16.
Tabla 16. Materiales para equipos de rehabilitación
Propiedad Acero inoxidable 304
Aluminio Polímero
Densidad (g/cm^3) 2.7 7.8 1.24 Punto de fusión (ºC) 1500 660 120-170 Elasticidad (E), módulo de
Young (MPA)
210000 70000 10000
Esfuerzo (MPA) 400 250 25 Proceso (Manufactura) CNC
Torneado, Fresado CNC Torneado, Fresado Impresión 3D inyección, extrusión-inyección y recocido Costo Caro Caro Barato Resistente a la corrosión Si Si Si
(Pages, Carrasco, & Gámes, 2010)
El material polímero cumple con los requerimientos del dispositivo de
rehabilitación y se manufacturó en impresión 3D, este proceso facilita la
fabricación de las piezas ya que al realizarlas en diferente material o proceso
de manufactura se incrementaría el costo y el tiempo de fabricación.
2.3.2. SISTEMA ELÉCTRONICO
Selección del servomotor Cálculo del torque del servomotor
Según el cálculo de momentos, donde la ecuación [2] se muestra a
continuación.
M= F x d [2]
Donde:
M: Momento [N.m]
F: Fuerza [N]
32 Para realizar el cálculo respectivo de momento, los datos de fuerza se
obtienen de la Tabla 17 donde están los valores de fuerza de la mano
derecha tanto de hombres como de mujeres, como es un dispositivo de
rehabilitación pasiva se calcula con las medidas del percentil 5 [5%il], ya que
no es necesaria mucha fuerza en esta etapa de rehabilitación, y no se debe
forzar la extremidad porque puede ocurrir una lesión.
Para los datos de distancia de la Tabla 10.se escoge el mayor valor de la
longitud de la muñeca al centro del mango, esta medida es 0,085 [m]. De la
ecuación [2] se remplazan los datos y se obtiene la ecuación [3].
M=5%il x longitud de la muñeca al centro del mango [3]
En la Tabla 17 se incluyen los resultados obtenidos del cálculo del torque o
momento.
Tabla 17. Fuerza de la mano derecha de hombres
(Mateo Lázaro & Penacho Lázaro, 2008)
Fuerza de la mano derecha
Edad # de casos 5%il [N] 50%il
[N] 95%il [N]
Torque o momento [N.m]
Mujeres
20-29 67 13,4 20,0 28,4 1,14 30-39 138 11,9 21,5 30,0 1,01 40-49 241 13,0 20,0 29,0 1,11 50-59 212 10,0 19,0 26,0 0,85
Hombres
20-29 31 17,6 39.0 54,0 1,50 30-39 85 21,6 39.5 53.4 1,84 40-49 144 23,3 37.0 53.7
1,96
50-59 157 18,7 34.0 46.6
33 Como se puede observar en la Tabla 17 se escoge el valor de 1.96 [N.m]
que se calculó en una persona de sexo masculino de edad entre cuarenta y
cuarenta y nueve años
Alternativas del servomotor
Analizando los resultados obtenidos del torque en la Tabla 17 se escoge el
resultado de mayor valor, entonces se debe seleccionar un servomotor de
1.96[N.m]
De acuerdo a las características de la hoja de especificaciones de
servomotores y los que se pueden encontrar en el mercado se han
seleccionado como alternativas los servomotores que se muestran en la
Tabla 18.
Tabla 18. Servomotores de 1.42 a 1.99 [N.m]
Marca Torque 4.8[V] Torque 6[V] Peso [g] costo
6221MG 1.69 1.99 62 Medio MG958 1.76 1.96 65 Bajo MG995 1.42 1.47 55 Bajo
De acuerdo con el torque que se necesita y al costo que es un requerimiento
se optó por escoger el servomotor MG958 cuyas características se detallan
en la Tabla 19.
Tabla 19. Especificaciones TowerPro MG958 Servo
Modulación Digital
Torque o momento 4.8[V] =1,76[ N.m] 5[V]=1,96 [N.m]
Peso 65 [g]
Velocidad de operación 4.8[V] =0.20 [s]/60[grados] 5[V]=0.18 [s]/60[grados]
Dimensiones Largo=40.2[mm]
Ancho=20.1[mm] Alto=36.8[mm]
(Chang, 2014)
Como se puede observar en la descripción de la Tabla 19 este servomotor
34 tiene el torque necesario para poder mover la mano y realizar los
movimientos en la recuperación de los ángulos funcionales de la articulación,
sin que ocurra una lesión en los pacientes.
Cálculo de potencia y corriente del servomotor
De la Tabla 19 se obtienen los datos que se necesitan para proceder a
calcular. Estos datos son cuando el servomotor esta alimentado con 5[VDC]
Datos:
M=1,96 [N.m]
α= 60 grados = 1.04[rad]
t=0.18[s]
Como es un dato necesario se calcula la velocidad angular, este valor se
obtiene de la ecuación [4].
W = a/t [4]
Donde:
α= Angulo recorrido [rad]
t=Tiempo [s]
W=1,04/0,18=5,77[rad/s]
La potencia desarrollada por el par del servomotor se expresa en la ecuación
[5]
P=MXW [5]
Donde:
P= Potencia [watts]
M= Momento [N.m]
W= Velocidad angular [rad/s]
P=1,96x5,77=11.30[watts]
Con el valor de la potencia se puede determinar el valor de la corriente,
mediante la ecuación [6].
I=P/V [6]
Donde:
P= Potencia [watts]
35 I=11,30/5=2,26ª
Para seleccionar la tarjeta de control se debe analizar muy bien
requerimientos puesto que la elección del sensor y control del servomotor
depende de esta.
Alternativas de tarjetas electrónicas de control
Existen diferentes tipos de tarjetas electrónicas y adquisición de datos cada
una con sus respectivas especificaciones, pero se analizará la funcionalidad
y si se las puede adquirir en el mercado local. Las especificaciones se
muestran en la Tabla 20
Tabla 20. Alternativas de tarjetas electrónicas de control
Placas de
control Costo
Compatibilidad
con placa Soporte Durabilidad
Raspberry Pi 3B $50 Si Si Si Arduino uno $26 Si Si Si Intel Galileo $117 Si Si Si
La tarjeta electrónica escogida en este caso es Arduino Uno como se
muestra en la Figura 25. Esta tarjeta consta de un microcontrolador ATmega
328, además de constar con 14 pines digitales de entrada/ salida (6 salidas
PWM), 6 pines de entradas análogas y 32K de memoria flash y puede
36
Figura 25. Esquemático Arduino uno
(Libelium, 2017)
Una de las principales características de esta tarjeta es su compatibilidad
con el shield (módulos), puesto esto brinda todas las facilidades de
compatibilidad y comunicación
Selección de sensor muscular
Puesto que en los objetivos de este proyecto está el monitoreo de los ciclos
de la rutina de rehabilitación, es necesario contar con un sensor capaz de
medir de una manera adecuada la actividad de los nervios en la extremidad
lesionada.
37 Se puede adquirir diferentes tipos de sensores musculares, en base a las
especificaciones propias del sensor, se han seleccionado las siguientes
alternativas que se muestran en la Tabla 21.
Tabla 21. Alternativas sensor muscular
Cumpliendo con los requerimientos de este proyecto se seleccionó al
módulo EKG - EMG. En la Figura 26 se puede observar el módulo el cual se
adapta muy bien a la tarjeta Arduino uno, que se seleccionó anteriormente y
es apto para el desarrollo de aplicaciones médicas.
Los electrodos adhesivos se colocarán a los sensores, luego se conectan
estos a la placa. Los tres sensores tienen las mismas características, su
función varía dependiendo al puerto de la tarjeta donde va conectado. El
electrodo negro se conectó a GND, el azul a MID y el rojo a END luego de
esto se conecta a las diferentes partes del cuerpo para obtener las señales
