UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE DISPOSITIVO TECNOLÓGICO
PARA REHABILITACIÓN ACTIVA Y PASIVA DE RODILLA.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
ORTEGA CHANGOTASI COSME XAVIER
DIRECTOR: ING. BONILLA VENEGAS FELIX VLADIMIR
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 171989569-8
APELLIDO Y NOMBRES: ORTEGA CHANGOTASI COSME XAVIER
DIRECCIÓN: ANTONIO ELIZALDE E6-10 Y
VALPARAISO
EMAIL: cosme.ortega@gmail.com
TELÉFONO FIJO: 022 284 257
TELÉFONO MOVIL: 0987 195 098
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE
DISPOSITIVO TECNOLÓGICO PARA REHABILITACIÓN ACTIVA Y PASIVA DE
RODILLA.
AUTOR O AUTORES: ORTEGA CHANGOTASI COSME XAVIER
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
28-02-2018
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
BONILLA VENEGAS FELIX VLADIMIR
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: DISPOSITIVO TECNOLÓGICO PARA REHABILITACIÓN ACTIVA Y PASIVA DE
RODILLA.
RESUMEN: Mínimo 250 palabras En el presente trabajo de titulación se desarrolla el diseño y construcción de un
prototipo para la terapia de rehabilitación de
rodilla, Para el diseño se han aplicado
conceptos de diferentes áreas de ingeniería
mecatrónica e ingeniería biomédica, con la
finalidad de presentar un producto
biomecatrónico que permita la interacción
de los usuarios con una máquina. Se ha
empleado la metodología en V para el
desarrollo, aplicación, seguimiento y mejora
de prototipos aplicados en terapia física. En
el proceso de diseño se utilizó el Dibujo
software de análisis matemático que
facilitan el dimensionamiento de los
diferentes componentes del prototipo, para
finalmente construir y validar en conjunto su
sistema de control y potencia.
El prototipo ayuda en la terapia de
rehabilitación del miembro inferior aplicando
un movimiento continuo pasivo (CPM) y
movimiento activo en extensión de la rodilla.
Esta terapia se recomienda para el uso en
el área de traumatología y fisioterapia en
hospitales, clínicas, y centros de
rehabilitación.
La rehabilitación con este tipo de
dispositivos permiten prevenir los efectos
negativos de una inmovilización prolongada,
así como también el restablecimiento
temprano de los movimientos de las
articulaciones. Adicional, este prototipo
puede ser usado en el tratamiento de la
mayoría de lesiones y estados
postoperatorios en las articulaciones de
rodillas.
El uso de actuadores electromecánicos
controlados y programados en ciclos de
rehabilitación permite la extensión y la
flexión de la articulación de la rodilla en un
rango ajustable entre 10 a 110 grados. Se
puede utilizar en cualquier tipo de pierna
siendo independiente de su forma, tamaño
o peso ya que posee un sistema de
regulación del tamaño de la misma y no
requiere de ningún cambio en la
configuración mecánica del dispositivo.
Los resultados del proyecto son los
protocolos adecuados para realizar una
terapia de rehabilitación de rodilla, validados
por especialistas en el tema de
PALABRAS CLAVES: Rehabilitación activa, Rehabilitación pasiva, movimiento continuo pasivo (CPM), diseño asistido por computador
(CAD), equipo médico (EM). ABSTRACT: The present titulation project develops the
design and construction of a prototype for
the knee rehabilitation therapy. For the
design, concepts of different areas of
mechatronic engineering and biomedical
engineering have been applied, in order to
present a bio mechatronic product that
allows users to interact with the machine.
The V methodology has been used for the
development, application, monitoring and
improvement of prototypes applied in
physical therapy. In the design process,
Computer Aided Drawing (CAD) and a
mathematical analysis software were used
to facilitate the sizing of the different
components of the prototype to build and
validate their control and power system
together finally.
The prototype helps in rehabilitation therapy
of the lower limb by applying passive
continuous movement (CPM) and active
movement in the extension of the knee. This
therapy is recommended to be used in the
area of traumatology and physiotherapy in
hospitals, clinics, and rehabilitation centers.
The rehabilitation with this type of devices
allows to prevent the negative effects of a
prolonged immobilization, as well as the
early restoration of the movements of the
joints. Additionally, this prototype can be
used in the treatment of most lesions and
postoperative conditions in the knee joints.
The use of electromechanical actuators
controlled and programmed in rehabilitation
cycles allows the extension and flexion of
DEDICATORIA Y AGRADECIMIENTOS
Dedico de manera especial a mi familia que han sido los responsables de mis estudios y también de los principios y valores que me han sido inculcados en toda mi vida, donde soy estimado por mi forma de ser y también por el conocimiento adquirido en mi vida de estudiante.
I
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1 INTRODUCCIÓN 3
2 METODOLOGÍA 10
2.1 ANÁLISIS 10
2.1.1 Normativa para equipos médicos 12 2.2 DISEÑO GENERAL DEL PROTOTIPO DE REHABILITACIÓN 13 2.3 DISEÑO ESPECÍFICO DEL PROTOTIPO DE REHABILITACIÓN 14
2.3.1 Diseño mecánico 15
2.3.2 Diseño electrónico 21
2.3.3 Diseño de control 25
2.3.4 Diseño de interfaz de máquina 26 2.4 IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO DE REHABILITACIÓN 26 2.4.1 Implementación mecánica 27 2.4.2 Implementación electrónica 29 2.4.3 Implementación de control 34 2.4.4 Implementación de interfaz de máquina 36 2.5 INTEGRACIÓN DEL PROTOTIPO DE REHABILITACIÓN 37 2.6 VALIDACIÓN DEL PROTOTIPO DE REHABILITACIÓN 40
3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 42
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 49
BIBLIOGRAFÍA 53
II
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1. Especificaciones del equipo OPTIFLEX 3. 5
Tabla 2. Especificaciones del equipo ARTROMOT K4. 6
Tabla 3. Especificaciones del equipo KINETEC SPECTRA. 7
Tabla 4. Especificaciones del equipo FARMATEK L-1. 8
Tabla 5. Comparación de equipos comerciales en el mercado 11
Tabla 6. Porcentaje de peso de partes especificas del cuerpo 15
Tabla 7. Propiedades mecánicas del acero estructural 19
Tabla 8. Valores de coeficiente de rozamiento 20
Tabla 9. Características del motor 21
Tabla 10. Característica de teclado 25
Tabla 11. Características del tornillo 28
Tabla 12. Características del motor reductor 29
Tabla 13. Características de driver de motor. 31
Tabla 14. Comandos de interfaz 37
Tabla 15. Lista de Componentes 43
Tabla 16. Lista de operaciones 43
Tabla 17. Relación de valores sensor angular. 45
Tabla 18. Calibración de sensor de corriente. 46
Tabla 19. Datos de sensor de presión. 47
Tabla 20. Calibración de sensor de presión. 48
III
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. OPTIFLEX 3. 4
Figura 2. ARTROMOT K4. 6
Figura 3. KINETEC SPECTRA OPTIMA S4. 7
Figura 4. FARMATEK L-1. 8
Figura 5. Metodología en V. 10
Figura 6. Esquema funcional del dispositivo. 13
Figura 7. Modelo CAD. 14
Figura 8. Esquema electrónico del dispositivo. 14
Figura 9. Esquema del modelo cinemático. 16
Figura 10. Estructura sometido a cargas. 17
Figura 11. Barras laterales de la estructura. 17
Figura 12. Barra 1 17
Figura 13. Barra 2 18
Figura 14. Soporte del pie 18
Figura 15. Análisis del tornillo 19
Figura 16. Placa Arduino UNO. 22
Figura 17. Módulos para motor. 23
Figura 18. Sensor de presión. 23
Figura 19. Sensor de posición angular. 24
Figura 20. Sensor de torque 24
Figura 21. Pantallas 25
Figura 22. Ejemplo de máquina de estados 26
Figura 23. Pantalla y botones de control. 26
Figura 24. Tubos de acero 27
Figura 25. Cojinete. 27
Figura 26. Matrimonio mecánico. 28
Figura 27.Tornillo de potencia. 28
Figura 28. Fuente de energía 120W 12-24V. 29
Figura 29. Motor reductor. 30
Figura 30. Circuito tarjeta de control. 30
Figura 31. Driver de motor IBT_2. 31
Figura 32. Sensor de posición angular. 31
Figura 33. Circuito conector del sensor angular 32
Figura 34. Sensor de presión manométrica MPX2200GP 32
Figura 35. Circuito amplificador para sensor de presión. 33
Figura 36. Sensor de corriente (ACS712 5A). 33
Figura 37. Teclados usuario y paciente. 33
Figura 38. LCD (20x4) + módulo I2C. 34
Figura 39. Menú del dispositivo 34
Figura 40. Diagrama de rehabilitación manual 35
Figura 41. Diagrama de rehabilitacion pasiva 36
Figura 42. Diagrama de rehabilitación pasiva 36
IV
Figura 44. Matrimonio mecánico. 38
Figura 45. Unidad de programación. 39
Figura 46. Esquema de integración electrónica. 39
Figura 47. Integración del prototipo 39
Figura 48. Prototipo para rehabilitación de rodilla. 40
Figura 49. Pruebas en centro de salud. 41
Figura 50. Sensor de posición angular. 44
Figura 51. Relación de valores sensor angular. 45
Figura 52. Calibración de sensor de corriente. 46
Figura 53. Pruebas de calibración (sensor de corriente). 46
Figura 54. Pruebas de calibración (sensor de presión). 47
Figura 55. Datos de sensor de presión. 47
Figura 56. Calibración de sensor de presión. 48
Figura 57. Partes del prototipo de rehabilitación. 48
Figura 58. Longitudes de la pierna 49
Figura 59. Vista isométrica del prototipo 54
Figura 60. Vista lateral del prototipo. 54
Figura 61. Partes del prototipo 54
Figura 62. Esquema del modelo cinemático 55
Figura 63. Estructura sometido a cargas 56
Figura 64. Barra lateral del muslo 56
Figura 65. Barra lateral del muslo 57
Figura 66. Barra 1 57
Figura 67. Barra 2 57
Figura 68. Estructura de la tuerca 58
Figura 69. Soporte del pie 58
Figura 70. Fuerzas en Barra 1 59
Figura 71. Fuerzas en Barra 2 59
Figura 72. Análisis del tornillo. 61
Figura 73. Circuito para la placa de conexión. 64
Figura 74. Amplificador del sensor manométrico. 64
Figura 75. Circuito del control de paciente. 64
Figura 76. Conector del sensor angular. 64
Figura 77. Diagrama para el control del prototipo. 65
Figura 78. Estructura y unidad de control finalizado. 66
Figura 79. Prototipo de rehabilitación. 66
Figura 80. Pruebas de funcionamiento. 66
Figura 81. Certificado hospital "Padre Carolo". 67
V
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Modelado 3D 54
Anexo 2. Análisis mecánico del dispositivo 55
Anexo 3. Circuitos electrónicos del dispositivo 64
Anexo 4. Modelo gráfico de control 65
Anexo 5. Avance estructura mecánica 66
1
RESUMEN
En el presente trabajo de titulación se desarrolla el diseño y construcción de un prototipo para la terapia de rehabilitación de rodilla, Para el diseño se han aplicado conceptos de diferentes áreas de ingeniería mecatrónica e ingeniería biomédica, con la finalidad de presentar un producto biomecatrónico que permita la interacción de los usuarios con una máquina. Se ha empleado la metodología en V para el desarrollo, aplicación, seguimiento y mejora de prototipos aplicados en terapia física. En el proceso de diseño se utilizó el Dibujo Asistido por Computadora (CAD) y un software de análisis matemático que facilitan el dimensionamiento de los diferentes componentes del prototipo, para finalmente construir y validar en conjunto su sistema de control y potencia.
El prototipo ayuda en la terapia de rehabilitación del miembro inferior aplicando un movimiento continuo pasivo (CPM) y movimiento activo en extensión de la rodilla. Esta terapia se recomienda para el uso en el área de traumatología y fisioterapia en hospitales, clínicas, y centros de rehabilitación.
La rehabilitación con este tipo de dispositivos permiten prevenir los efectos negativos de una inmovilización prolongada, así como también el restablecimiento temprano de los movimientos de las articulaciones. Adicional, este prototipo puede ser usado en el tratamiento de la mayoría de lesiones y estados postoperatorios en las articulaciones de rodillas.
El uso de actuadores electromecánicos controlados y programados en ciclos de rehabilitación permite la extensión y la flexión de la articulación de la rodilla en un rango ajustable entre 10 a 110 grados. Se puede utilizar en cualquier tipo de pierna siendo independiente de su forma, tamaño o peso ya que posee un sistema de regulación del tamaño de la misma y no requiere de ningún cambio en la configuración mecánica del dispositivo.
Los resultados del proyecto son los protocolos adecuados para realizar una terapia de rehabilitación de rodilla, validados por especialistas en el tema de rehabilitación.
Palabras clave
2
ABSTRACT
The present titulation project develops the design and construction of a prototype for the knee rehabilitation therapy. For the design, concepts of different areas of mechatronic engineering and biomedical engineering have been applied, in order to present a bio mechatronic product that allows users to interact with the machine. The V methodology has been used for the development, application, monitoring and improvement of prototypes applied in physical therapy. In the design process, Computer Aided Drawing (CAD) and a mathematical analysis software were used to facilitate the sizing of the different components of the prototype to build and validate their control and power system together finally.
The prototype helps in rehabilitation therapy of the lower limb by applying passive continuous movement (CPM) and active movement in the extension of the knee. This therapy is recommended to be used in the area of traumatology and physiotherapy in hospitals, clinics, and rehabilitation centers.
The rehabilitation with this type of devices allows to prevent the negative effects of a prolonged immobilization, as well as the early restoration of the movements of the joints. Additionally, this prototype can be used in the treatment of most lesions and postoperative conditions in the knee joints. The use of electromechanical actuators controlled and programmed in rehabilitation cycles allows the extension and flexion of the knee joint in an adjustable range between 10 to 110 degrees. It can be used on any type of leg being independent of its shape, size or weight since it has a regulation system of the size of it and it does not require any change in the mechanical configuration of the device.
The results of the project will be the adequate protocols to perform knee rehabilitation therapy, validated by specialists in the field of rehabilitation.
Keywords
3 La rodilla es una estructura compleja que consta de huesos, ligamentos, tendones y músculos, las rodillas soportan la mayoría del peso corporal. Los movimientos principales de esta articulación son de flexión y extensión, permitiendo caminar, correr entre otras actividades físicas. (Garcia, Fernandez de las Peñas, & Urriealde, 2003)
Esta articulación es muy utilizada para actividades cotidianas y deportes de contacto donde las exigencias biomecánicas de la rodilla son muy grandes, provocando lesiones como: (Francesc, Michael, & Hartmut, 2006)
- Lesión del ligamento cruzado anterior (LCA) - Lesión del ligamento cruzado posterior (LCP) - Esguince del ligamento lateral interno.
- Esguince del ligamento lateral externo. - Artritis y artrosis.
- Condromalacia rotuliana.
- Desgarro menisco y ruptura de menisco
Estas lesiones requieren rehabilitación, pero en la mayoría de casos mostrados se realizan terapias de movimiento pasivo de manera manual debido a costos que genera un equipo médico especializado para dicha rehabilitación, causando incomodidad al paciente y cansancio físico por parte del especialista en la rehabilitación. (Umivale, 2001)
En Ecuador aún no se cuenta con la facilidad de adquirir máquinas de movimiento continuo pasivo (CPM).
Se propone realizar un prototipo para rehabilitar la rodilla con el cual los pacientes logren recuperar el ángulo funcional de movimiento de la articulación y mejorando el tono muscular, siendo así una máquina de movimiento pasivo y movimiento activo en extensión.
El objetivo de este trabajo es diseñar y construir un dispositivo para rehabilitación de rodilla. El dispositivo se diseñará de forma que sea económico, ergonómico, confortable, estético y funcional. Este proyecto, genera investigación y desarrollo de tecnología que conlleven a innovar y adaptar al medio nacional
Para la finalización del proyecto de tesis, se obtendrá protocolos adecuados para realizar una terapia de rehabilitación de rodilla, siendo validados por especialistas en el tema de rehabilitación.
4 El dispositivo debe tener un bajo precio accesible para la adquisición por parte de centros de rehabilitación cumpliendo las expectativas de rehabilitación. Se analizará los diferentes productos del mercado, estructura mecánica del dispositivo, y para finalizar con el diseño electrónico y de control, ya que esto depende de requerimientos de especialistas en la rehabilitación para que sea un dispositivo que cumpla sus requerimientos y que sea de manejo intuitivo. También se observará los aspectos fundamentales para llevar a cabo el diseño de un rehabilitador de rodilla, iniciando con características anatómicas y ergonómicas de la articulación y miembros inferiores, patologías traumáticas así como su respuesta ante la acción de cargas mecánicas responsables de las lesiones y los equipos que existen en el mercado.
En la actualidad la mayor parte de rehabilitación por movimiento continuo pasivo es hecha manualmente porque los centros médicos no cuentan con estos equipos tecnológicos que permitan esta labor. El elevado precio de estos productos de rehabilitación es una razón por la que no adquieren el dispositivo, donde las ventajas de tener un producto de rehabilitación es evitar malestar o daño a la ergonomía física de la persona lesionada y persona encargada de la rehabilitación.
Equipos de rehabilitación para rodilla.
En el mercado existen varios productos para la rehabilitación de rodilla entre los principales es posible mencionar:
OPTIFLEX 3 Fabricado por la empresa Chattanooga es un sistema diseñado para ayudar al paciente a recuperarse después de la cirugía de articulación. Esta unidad se usa en el post-operatorio, normalmente para una sustitución total de rodilla y reparaciones del ligamento cruzado anterior (LCA). Este equipo se muestra en Figura 1 con sus respectivas partes.
Figura 1. OPTIFLEX 3.
5 1. Placa de pie ajustable
2. Ajuste del pivote del reposapiés 3. Perilla de ajuste tibial
4. Potenciómetro de ángulo
5. Escala de ajuste de la barra de fémur
6. Perilla de ajuste de la barra del fémur
7. Base de marco 8. Interfaz de usuario
9. Manija de almacenamiento y transporte
10. Cubierta de acceso posterior 11. Interruptor encendido / apagado 12. Cable de alimentación de red 13. Fuente de alimentación universal
14. Conjunto de motor
15. Tablero de control de motor 16. Cable de receptáculo colgante 17. Cubierta de acceso frontal En la Tabla 1, se indica las especificaciones de operación de la máquina OPTIFLEX 3 para una terapia de movimiento continuo pasivo.
Tabla 1. Especificaciones del equipo OPTIFLEX 3.
Flexión 120°
Extensión -10°
Velocidad 30-50°/min
Máximo peso del paciente 159 kg
Rango de longitud de la pierna inferior 25.4 - 59.7 cm
Rango de longitud del muslo 30.5 – 48.3 cm
Precio aproximado en el exterior $2,245.36
(Chattanooga, 2007)
Después de una cirugía importante de articulación se agarrotará y se formará tejido cicatricial, dando como resultado una articulación con rango limitado. Flexionando y extendiendo repetidamente la articulación afectada por un arco de movimiento prescrito durante un periodo prolongado de tiempo, la unidad de MPC (movimiento pasivo continuo) OPTIFLEX 3 reduce los efectos adversos de la inmovilización y trauma en la articulación de rodilla. El dispositivo no cuenta con la función de rehabilitación con movimiento activo.
6 inoxidable duradero. En la Figura 2, se muestra el modelo K3 de rehabilitador de rodilla.
Figura 2. ARTROMOT K4.
(Chattanooga, 2007)
1. Bandeja de apoyo del muslo 2. Palanca de bloqueo para el ajuste de altura de la bandeja de apoyo del muslo
3. Escala de longitud del muslo 4. Tornillos de fijación para el ajuste de la longitud del muslo 5. Puntos de rotación de la tablilla de movilización en la zona de la rodilla
6. Bandeja de apoyo de la pantorrilla
7. Palanca de bloqueo para el ajuste de altura de la bandeja de apoyo de la pantorrilla
8. Tornillos de fijación para el ajuste de la longitud de la pantorrilla
9. Escala de longitud de la pantorrilla
10. Correa para fijar el pie dentro de la bandeja de apoyo
11. Bandeja de apoyo del pie
12. Tornillo de fijación para ajustar el ángulo de posicionamiento del pie y para girar la bandeja de apoyo del pie
13. Palanca de bloqueo para ajustar la rotación y la altura de la bandeja de apoyo del pie así como para retirar la bandeja de apoyo del pie 14. Conexión de la unidad de programación
15. Conexión para el cable de red del aparato
16. Tapa de cierre del fusible de protección del aparato
17. Interruptor principal On/Off 18. Placa indicadora de tipo 19. Unidad de programación
En la Tabla 2, se indica las especificaciones de operación de la máquina ARTROMOT K4 para una terapia de movimiento continuo pasivo
Tabla 2. Especificaciones del equipo ARTROMOT K4.
Flexión 125°
Extensión -10°
Velocidad 30-50°/min
peso del dispositivo 13 kg
Rango de longitud de la pierna inferior 39.5 - 56 cm
Rango de longitud del muslo 32 - 50 cm
Fuerza 25 - 45 kp
Precio aproximado en el exterior $1,350.00
7 El dispositivo también cuenta con certificados de equipo médico eléctrico que garantiza su funcionamiento y comercialización a casas de salud. El dispositivo no cuenta con la función de rehabilitación con movimiento activo.
KINETEC SPECTRA OPTIMA S4 Fabricado por la empresa Enrafnonius el cual es un equipo para el MPC (movimiento continuo pasivo) de rodilla, pie y cadera, rompe el ciclo traumático inflamatorio y la perdida de rango de movimiento, elimina la rigidez articular en la rodilla. Proporciona un tratamiento post-operatorio inmediato, reduce el periodo de hospitalización. En la Figura 3, se muestra el modelo Kinetic Spectra de rehabilitador de rodilla.
Figura 3. KINETEC SPECTRA OPTIMA S4.
(Enrafnius, 2009)
1 Soporte de extremidad inferior. 2 Muslo de apoyo
3 Soporte de pie 4 Control de mano
5 Soporte de muslo bloqueo de configuración.
6 Bloqueo de fijación del soporte de la extremidad inferior.
7 Soporte de pie posicionamiento bloqueo.
8 Manija de transporte.
9 Interruptor ON / OFF y fusibles.
En la Tabla 3, se indica las especificaciones de operación de la máquina KINETEC SPECTRA OPTIMA S4 para una terapia de movimiento continuo pasivo
Tabla 3. Especificaciones del equipo KINETEC SPECTRA.
Flexión 130°
Extensión -3°
Velocidad 30 - 160°/min
peso del dispositivo 15 kg
Peso máximo del paciente 135 kg
Rango de longitud de la pierna inferior 30 - 60 cm
Rango de longitud del muslo 25 - 50 cm
Precio aproximado en el exterior $2,395.00
(Enrafnius, 2009)
8 FARMATEK L-1 Fabricado por la empresa es un equipo médico de nuevo diseño para CPM (movimiento continuo pasivo), para la rehabilitación de la articulación del tobillo y de rodilla. Esta máquina se compone de una computadora, una estructura de apoyo, sujetadores de cuero y un control remoto como se indica en la Figura 4.
Figura 4. FARMATEK L-1.
(New age Italia SRL, 2017)
1 Rueda de arrastre inferior 2 Toma de corriente
3 Interruptor de alimentación 4 Panel de control
5 Sujetar el perno 6 Placa de pie 7 Seguro de correa
8 Función de articulación de rodilla / tobillo
9 Cambiar el botón 10 Seguro de correa 11 Sujetador por perno 12 Mando de control
En la siguiente Tabla 4 se indica las especificaciones de operación de la máquina FARMATEK L-1 para una terapia de movimiento continuo pasivo
Tabla 4. Especificaciones del equipo FARMATEK L-1.
Flexión de rodilla 120°
Extensión de rodilla -5°
Velocidad 1 - 5°/s
Rango de movimiento del tobillo 5°-90°
Rango de longitud de la pierna inferior 30 - 60 cm
Rango de longitud del muslo 25 - 50 cm
Potencia 80W
Precio aproximado en el exterior $2,700.00
(New age Italia SRL, 2017)
9 El objetivo es diseñar y construir un dispositivo para la rehabilitación activa y pasiva de rodilla. Por lo tanto se diseñará la estructura mecánica que corresponda a la ergonomía de la extremidad inferior con el rango de movimiento funcional para la rehabilitación de la rodilla. Se diseñará e implementará el sistema eléctrico que conectará la placa de control, módulos electrónicos y los diferentes sensores. En la interfaz, se diseñará de tal manera que sea de fácil utilización para los usuarios.
El alcance es realizar un dispositivo apto para la rehabilitación de la rodilla construyendo este dispositivo con materiales que se pueden encontrar en el mercado nacional a un bajo costo, con la finalidad de proponer, a los centros de rehabilitación, un prototipo funcional y económico.
10 El método que se emplea para la realización del proyecto está basado en el modelo en V, usada en la realización de proyectos mecatrónicos mejorando los procesos de diseño, implementación y validación con una verificación continua en todo el proceso del proyecto.
En la Figura 5 parte izquierda se establece las necesidades y requerimientos, la parte derecha representa la integración, validación y verificación (evaluado en cada proceso). (Verein Doutscher Ingenieure, 2004)
Figura 5. Metodología en V.
Este tipo de metodología es de utilidad en el desarrollo y seguimiento de proyectos mecatrónicos de innovación. Se muestra el proyecto de tesis bajo un enfoque de integración de sistemas, así como los análisis requerimientos y resultados más significativos de sistemas mecatrónicos desarrollados para diversas aplicaciones.
2.1 ANÁLISIS
Se analizará los diferentes dispositivos que existen en el mercado con la finalidad de conocer su funcionamiento y el cumplimiento de normas internacionales acerca de equipos médicos, además de generar ideas para innovar con este tipo de dispositivos médicos de rehabilitación. En la etapa de pruebas y validación se debe tener recomendaciones de expertos de la rehabilitación.
11 logrando ser apta para realizar la rehabilitación después de una cirugía de rodilla.
Tabla 5. Comparación de equipos comerciales en el mercado
OPTIFLEX ARTROMOT KINETEC
SPECTRA FARMATEK
Flexión 120° 125° 130° 120°
Extensión -10° -10° -3° -5°
Velocidad 30-50°/min 30-50°/min 30 - 160°/min 60 - 300°/min Máximo peso
del paciente 159 kg ~ 135 kg ~
Rango de longitud de la pierna inferior
25.4 - 59.7 cm 39.5 - 56 cm 30 - 60 cm 30 - 60 cm
Rango de longitud del
muslo
30.5 – 48.3 cm 32 - 50 cm 25 - 50 cm 25 - 50 cm
Precio aproximado en el exterior
$2,245.36 $1,350.00 $2,395.00 $2,700.00
Peso del
dispositivo ~ 13 kg 15 kg ~
Fuerza ~ 25 - 45 kp ~ ~
Rehabilitación
de tobillo ~ ~ ~ Si
Rehabilitación movimiento
activo
No No No No
La rodilla es una articulación importante, debido a que permite acciones como caminar, correr, entre otras, lo cual lo hace vulnerable a sufrir impactos directos, generando traumatismos que causan lesiones que deben ser atendidas lo más rápido posible ya sea con rehabilitación o intervención quirúrgica con finalidad de que no se atrofien los músculos implicados en el movimiento. Para proporcionar una mejor rehabilitación, los médicos recomiendan utilizar equipos que ayuden a los fisioterapistas a realizar su tarea de movimientos en el área afectada; sin embargo, la mayoría de centros médicos no dispone de algún dispositivo MPC (movimiento continuo pasivo) por lo que se realiza la rehabilitación de manera manual.
12 para la rehabilitación de rodilla, que permita al fisioterapista realizar terapias necesarias para la mejora continua de pacientes con lesión de rodilla.
2.1.1 Normativa para equipos médicos
El prototipo debe de cumplir con normas para aseverar que es un dispositivo de rehabilitación de rodilla apto para la comercialización en el mercado y obteniendo un reconocimiento por entidades de equipos médicos. Como las siguientes:
UL 60601-1 El objeto de esta Norma es especificar los requisitos generales para la seguridad del EQUIPO MÉDICO ELÉCTRICO y servir de base para los requisitos de seguridad de las Normas Particulares.
Aunque esta Norma se refiere primordialmente a la seguridad, contiene algunos requerimientos con respecto al funcionamiento confiable cuando está conectado con seguridad.
No se considerarán PELIGROS DE SEGURIDAD resultantes de la función fisiológica deseada del EQUIPO cubierto por esta Norma. (Standardscatalog, 2016)
IEC/EN 60601-1, 60601-1-2 Equipo eléctrico médico - Parte 1-2: Requisitos generales para la seguridad básica y el rendimiento esencial - Norma colateral: Alteraciones electromagnéticas - Requisitos y pruebas
Se aplica a la seguridad básica y rendimiento esencial del equipo de Equipo Médico (ME) y sistemas de ME en presencia de perturbaciones electromagnéticas y de las perturbaciones electromagnéticas emitidas por mi equipo y sistemas. Este estándar colateral especifica los requisitos generales y las pruebas para la seguridad básica y rendimiento esencial con respecto a las perturbaciones electromagnéticas y para las emisiones electromagnéticas del equipo ME y sistemas ME. (webstore, 2015)
MDD 93/42/EEC, CE 0413 Directiva europea sobre dispositivos médicos - 93/42 / CEE con la Directiva 2007/47 / CE
La presente Directiva se aplicará a los productos sanitarios y sus accesorios. A efectos de la presente Directiva, los accesorios se considerarán dispositivos médicos por derecho propio. Ambos dispositivos y accesorios médicos se denominarán en lo sucesivo dispositivos. (emergogroup, 2016)
13 normas consultadas se observó que existen normativas de seguridad y calidad en donde el instructivo de normas son pagadas para poder así adquirir un certificado, norma o registrarse en una organización competente en caso de equipos médicos. El prototipo para rehabilitación de rodilla será funcional y cumplirá con los objetivos propuestos, para que en la fase de validación de la metodología usada cumpla con la validación de un médico o centro de salud entendidos en el tema de rehabilitación, teniendo siempre en cuenta la seguridad del paciente.
2.2 DISEÑO
GENERAL
DEL
PROTOTIPO
DE
REHABILITACIÓN
La principal función del dispositivo de rehabilitación es conseguir la recuperación en menor tiempo de la articulación afectada, con fin de que el paciente realice actividades cotidianas normalmente.
Figura 6. Esquema funcional del dispositivo.
Como requerimientos del dispositivo tiene que ser móvil, es necesario poder llevarlo a diferentes habitaciones para el uso de los pacientes. La forma, tiene que adaptarse a la forma de la pierna (izquierda y derecha). El rango de movimiento puede ser ajustado dentro del límite de 10° en extensión hasta 120° en flexión establecido por el especialista mediante la interfaz hombre-máquina. La estructura mecánica debe soportar el peso de un paciente y ser capaz de flexionar la rodilla de acuerdo a lo ajustes previos, también el prototipo posee paro de emergencia para realizar pruebas seguras con pacientes; la velocidad, fuerza y número de ciclos son ajustados en la unidad de programación.
Se diseñará para que el costo del prototipo sea alcanzable para los interesados relacionando con el mercado de equipos de rehabilitación, ya que existen estos dispositivos de rehabilitación de movimiento continuo pasivo con precios muy altos y tienen que ser importados de otros países.
14
Figura 7. Modelo CAD.
En la Figura 8, se indica los módulos que forman el sistema electrónico del dispositivo de rehabilitación con el propósito de controlar los diferentes sensores y el actuador del prototipo. Se toma en cuenta ciertos parámetros de seguridad como fusibles y paro de emergencia para realizar correspondientes pruebas en un centro de salud especializada.
Figura 8. Esquema electrónico del dispositivo.
El diseño estético es un proceso que no afectará a la funcionalidad del prototipo, lo que nos permite realizar una elección independiente de forma de la carcasa del circuito y su apariencia.
2.3 DISEÑO
ESPECÍFICO
DEL
PROTOTIPO
DE
REHABILITACIÓN
Para el diseño específico se analiza los requerimientos, identificando mejoras de funcionamiento, geométricas, y estructurales. A continuación se presenta las especificaciones técnicas del dispositivo.
- Peso liviano del dispositivo alrededor de 25Kg, es necesario poder llevarlo a diferentes lugares para el uso de los pacientes. - Longitud para muslo 30 a 45cm.
15 - Forma, tiene que adaptarse a la forma de las dos piernas (izquierda,
derecha).
- Rango de movimiento, el cual puede ser configurado dentro del rango 10° en extensión hasta 110° de flexión.
- Soportar como máximo el peso de un paciente de 100 kg. - Paro de emergencia
- Velocidad y fuerza variable (velocidad lineal =3mm/s y fuerza=100 - 400N.
- Visualizador de parámetros (Angulo de flexión, tiempo de rehabilitación y fuerza)
La condición de trabajo de este dispositivo es en el área hospitalaria como ejemplo en las áreas de rehabilitación y traumatología, se tomará en cuenta requerimientos del cliente y requerimientos técnicos.El sistema debe ser compacto; a fin de que no se desarme, robusto; que pueda soportar caídas involuntarias por parte de los ocupantes; Hermético, es necesario que sea de estructura cerrada para la protección de elementos electrónicos y para evitar que se deterioren los componentes mecánicos por partículas del ambiente.
2.3.1 Diseño mecánico
Para el diseño mecánico se tomará en cuenta el peso de la pierna de acuerdo al porcentaje de peso corporal mostrado en la Tabla 6 y así calcular la fuerza a la que está sometida cada eslabón del mecanismo, con el fin de seleccionar el material y forma que resista las cargas en el caso más extremo.
Tabla 6. Porcentaje de peso de partes especificas del cuerpo
Porcentaje de peso corporal correspondiente a partes especificas del cuerpo
Parte del cuerpo Porcentaje
Pierna completa 16
Muslo 10.1
Pie 1.5
(Lefton & Malone, 2009)
Para el caso extremo se tomará en cuenta una persona con el peso mayor que el promedio y las dimensiones de los mecanismos será la medidas promedio a la que se regula el tamaño, ya que este dispositivo puede ser regulado según cada paciente. En la rehabilitación activa se tomará en cuenta que el paciente puede ejercer fuerza en las piernas para poder elevar su propio peso, por lo cual se sobredimensionará las fuerzas ejercidas en el dispositivo. Las medidas y cálculos para el diseño estructural se encuentran en el Anexo 2.
Análisis cinemático del dispositivo
16
Figura 9. Esquema del modelo cinemático.
Donde:
Lp= longitud de pie
Lpp= longitud de pie-pantorrilla Lm= longitud muslo
Lsp= longitud soporte pie
ángulo α= Entre los puntos ACB ángulo λ= Entre los puntos CAB ángulo β= Entre los puntos ABC
ángulo φ= ángulo con respecto a la horizontal
Se calcula el recorrido lineal que realiza la tuerca del tornillo se puede expresar en la siguiente ecuación [1].
[1] También se lo puede expresar el recorrido de la tuerca en función del ángulo inicial y final entre el fémur y la tibia de la pierna
[2]
Para este análisis se usa la ley de cosenos en función del ángulo λ final e inicial entre las barras que permiten el movimiento a la articulación.
Análisis de fuerzas del dispositivo
En el análisis de fuerzas se conoce las fuerzas ejercidas en la estructura, la longitud de las barras y los ángulos que se forman, para finalmente hacer un análisis estático que permita conocer las reacciones en los apoyos y en cada una de las barras como muestra la Figura 10.
Conociendo las reacciones en las barras se puede ver los esfuerzos en las mismas y así seleccionar el material y la forma de las barras para la estructura.
Rec Lpp2 cos ( ) Lm cos ( )
17
Figura 10. Estructura sometido a cargas.
Donde:
Fp= fuerza en el soporte del pie Wpp= fuerza en el pie-pantorrilla Wm= fuerza en el muslo
M= momento resistivo
Rd= reacciones en el punto D Rb= reacciones en el punto B
Se analiza las barras transversales como muestra la Figura 11 donde se apoya la pierna para sacar las reacciones que posteriormente se analizará la estructura
Figura 11. Barras laterales de la estructura.
Se aplica ecuaciones de la estática para calcular las reacciones en los apoyos
[3]
A continuación se realiza un análisis de cada barra por separado, para encontrar las reacciones que se encuentra sometida cada barra.
Barra 1:
Figura 12. Barra 1
; [4]
; [5]
[6]
F xy 0 M 0
F x 0 Rcx Rax Fp1
F y 0 Rcy Rtpp1 Ray
18 Barra 2:
Figura 13. Barra 2
; [7]
; [8]
[9]
Análisis del soporte del pie Figura 14 donde se encuentra el mayor esfuerzo.
Se usó la formulas en voladizo con carga del libro Budynas & Keith Nisbett, (2011).
Figura 14. Soporte del pie
; [10]
Para calcular los esfuerzos en la estructura se aplica lo siguiente ecuación para seleccionar la forma y tipo de material tomada del libro Budynas & Keith Nisbett, (2011)
.
esfuerzos combinados
;
= módulo de la sección
[11]
0 Rtpp1 Lpp
2
Rcx Lpp2 sin( ) Rcy Lpp2 cos( ) Fp1 Lp 2
F x 0 Rax Rbx F y 0 Rby Rtm1Ray
M A 0
0 Rby Lm cos( ) Rbx Lm sin( ) Rtm1 Lm
2 cos( )
Mp1
Mpmax Fp
2 Lp Rp Fp
T M N
M Mmax
Wtubo N
Fmax Ac
19 = esfuerzo flector
= esfuerzo normal = área de sección
Se selecciona el diámetro con el espesor del tubo a usar
área de sección de un tubo [12]
módulo de la sección de un tubo [13] Finalmente se calcula el factor de seguridad con respecto a la resistencia del material, relacionado con el diámetro y el espesor del tubo.
Tabla 7. Propiedades mecánicas del acero estructural
Grado
Propiedades físicas Propiedades. Mecánicas densidad Resistencia a la tracción,
ultima
Resistencia a la tracción, rendimiento
gr/cm3 Lb/cm3 MPa psi MPa psi
UN 7.8 0.282 310 45000 270 39160
(aceroscenter, 2016)
= factor de seguridad = resistencia del acero
[14]
El rango para escoger un el factor de seguridad es entre 1.5 y 2.5
Análisis de reductor mecánico lineal del dispositivo
Con los resultados de las fuerzas que se ejercen sobre el tornillo se analiza como si fuera una viga con apoyos fijos y carga central, con el fin de seleccionar un diámetro adecuado para que soporte la carga y tenga deflexión mínima.
Figura 15. Análisis del tornillo
Para análisis del tornillo se toma el módulo de la fuerza para su análisis. [15]
Análisis de una viga con apoyos fijos y carga central, donde la formula se toma del libro Budynas & Keith Nisbett, (2011).
M N
Ac
Ac D
2
2 d 2
2
Wtubo 32 D 4 d4
D nd Smat T
nd Smat
20
; ; [16]
Calculando la deflexión máxima del tornillo, tomando formula del libro
Budynas & Keith Nisbett, pág. 983)
.
= módulo de elasticidad, = longitud del tornillo
= inercia
[17]
Diseño del tornillo de acuerdo a los parámetros establecidos. Las fórmulas para la selección del mecanismo de tornillo de potencia son del libro Mott, (2006).
= ángulo de avance = paso
= diámetro promedio
[18]
Tabla 8. Valores de coeficiente de rozamiento
VALORES DE COEFICIENTE DE ROZAMIENTO “u”
Coeficiente de contacto Estático Cinético
Metal sobre metal(secos) 0.2 0.1
Metal sobre metal (engrasada) 0.1 0.05
(Mott, 2006) Torque necesario para trasladar una carga.
= ángulo de rosca
= coeficiente de fricción estático = coeficiente de fricción cinético
[19]
Potencia necesaria para impulsar el tornillo
= velocidad angular
[20]
Me Rdt Lt
8 Mmax Me Vt
Rdt 2
ymax Rdt Lt 3
192 E I
E Lt
I
atan p
Dp
p DpTne Fopositoria Dp
2
cos( ) tan ( ) fe
cos( ) fe tan ( )
Tnc Fopositoria Dp
2
cos( ) tan ( ) fc
cos( ) fc tan ( )
fe fc21 De acuerdo a los cálculos se obtuvo las dimensiones de la estructura y la forma y material de la estructura. En el análisis del tornillo lineal se obtiene el material, tipo de rosca y paso, el cual se relaciona con el motor y características como velocidad torque, y potencia.
2.3.2 Diseño electrónico
Para el diseño electrónico se tomará en cuenta lo existente en el mercado nacional para utilizarlo, así se puede usar los diferentes módulos electrónicos apropiados para realizar el sistema electrónico del prototipo. También se realizará el diseño de placas para circuitos impresos necesarios para realizar conexiones entre placas y circuitos de amplificación para el sensor de presión manométrica. Es sistema electrónico posee fusibles de protección para proteger el circuito de exceso de corriente que soporta el dispositivo, estas protecciones se encuentran en el sistema de control y en la electrónica de potencia encargada de suministrar energía al motor. Se diseñó el sensor angular ya que no existe en el mercado, apto para los eslabones del dispositivo de rehabilitación.
Se deberá tomar en cuenta los rangos de funcionamiento de los diferentes módulos electrónicos utilizados en el sistema electrónico del dispositivo para tener un funcionamiento adecuado del sistema electrónico.
Motor
Este actuador es importante ya que relaciona la parte mecánica y electrónica del dispositivo, además cuenta con un análisis matemático para la elección del motor. Según lo analizado se necesita un motor con las siguientes características mostradas en la Tabla 9.
Velocidad 132 rpm
Torque 2.2 N.m
Potencia 31 W
Tabla 9. Características del motor
En el mercado existen muchos tipos de motores eléctricos, se escogerá el motor que tenga características semejantes a las calculadas.
Fuente de energía
Es necesario una fuente capaz de energizar a todo el dispositivo, el funcionamiento al motor es el de mayor demanda energética en el dispositivo. Por lo tanto es necesario obtener una fuente que cumpla con la potencia requerida y tener otra fuente de energía encargada de alimentar el sistema electrónico del dispositivo, a fin que no exista una caída de voltaje por uso del motor.
[21]
22 Se tomará en cuenta la potencia del motor y consumo de corriente del sistema electrónico para la elección de la fuente de energía.
Cálculo de corriente necesaria para un motor de 12 voltios
El cálculo se basará a la corriente máxima que soporta el regulador de voltaje de la placa electrónica de control.
Cálculo de potencia de sistema electrónico del dispositivo
Por lo tanto la potencia total es:
La potencia del dispositivo es 33.5 vatios, donde la mayor parte de consumo es del motor por lo tanto se necesita una fuente conmutada que sobrepase la potencia calculada para el funcionamiento del dispositivo.
Tarjeta de control
Para elección de la tarjeta controladora se basará en el número de entradas y salidas que tiene cada placa, relacionando el número de pines de sensores y actuadores. Para controlar el dispositivo de rehabilitación es necesario un controlador, por lo que elegirá una placa arduino UNO Figura 16 debido a su facilidad de manejo, bibliotecas para manejo de actuadores o sensores, información con diferentes usos de electrónica y el costo.
Figura 16. Placa Arduino UNO.
(APM, 2017)
La placa arduino posee una plataforma open source que permite realizar un código embebido en el prototipo gratuitamente.
Pmotor 31W
Vmotor 12V
I Pmotor
Vmotor 2.583A
Vtarjeta 5V Itarjeta 500mA
Ptarjeta VtarjetaItarjeta 2.5W
23
Módulo para motor
El uso de este módulo es importante porque es la parte de potencia en el circuito electrónico general, por lo cual se verifica las características eléctricas del motor para la elección (12 voltios a 31 vatios). Este módulo Figura 17 será el encargado de energizar al motor y moverlo a la dirección deseada la cual permite el movimiento continuo pasivo en la rehabilitación, generalmente es un circuito de puente H.
Figura 17. Módulos para motor.
(APM, 2017)
El dispositivo tiene que superar los 3 amperios de corriente nominal y alrededor de 9 amperios de corriente pico que los motores generan al arrancar debido que tienen superar la inercia que genera la carga que moverán.
Sensor de presión
Este sensor nos permitirá medir la presión ejercida por la planta del pie del paciente en la rehabilitación activa, con la finalidad de medir la fuerza que puede aplicar el paciente controlando un rango de fuerza adecuado para la rehabilitación con el movimiento activo en extensión. El sensor se muestran en la Figura 18 donde se observa un conducto que medirá la presión manométrica.
Figura 18. Sensor de presión.
(APM, 2017)
El sensor elegido debe sensar una fuerza máxima de 34% de peso corporal que corresponde a elevar el propio peso cuando la pierna está en buen estado, en este caso los cálculos se realizaron con el máximo peso al que fue diseñado la estructura de 100 kg.
Pesopaciente 100kg
Pesopierna 16% Pesopaciente 16kg
Fempleada Pesopaciente 2 Pesopierna
24
Sensor de posición angular
Este sensor de posición angular es necesario para observar el ángulo entre fémur y tibia, donde esta medida será un indicador del avance de la rehabilitación y permitirá limitar rangos de movimiento. El sensor que se puede usar se muestra en la Figura 19.
Figura 19. Sensor de posición angular.
(APM, 2017)
El rango angular que normalmente se mueve una pierna es de -10 a 125° aproximadamente. En la implementación se diseñara una estructura para que el sensor se acople con los eslabones de la estructura.
Sensor de torque
Este sensor permite sensar el torque que realiza el actuador (motor reductor), a fin de controlar y limitar el torque que ejerce el motor cuando realiza el movimiento para la rehabilitación pasiva o activa, donde debe medir hasta 2Nm.
Figura 20. Sensor de torque
(APM, 2017)
Este sensor permite controlar la fuerza que debe realizar el paciente en cada rutina, este parámetro es establecido por el especialista a cargo de la rehabilitación. Sabiendo que la corriente es proporcional al torque, se utilizara un sensor de corriente y realizará pruebas para ajustar una curva de corriente vs torque.
Teclados
25
Tabla 10. Característica de teclado Tipo de teclado Nro
de botones
Pines
de conexión Precio($)
(APM, 2017)
12 7 6
Para que la elección cumpla con los objetivos, donde se escoge el más económico para reducir los costos del dispositivo. Otra opción puede ser diseñar su propia tarjeta con pulsadores con el fin de diseñar la forma y número de pulsadores.
Pantalla
La pantalla es necesaria para la visualización e interacción entre el usuario y máquina, de esta manera se puede usar la pantalla de la Figura 21.
Figura 21. Pantallas
(APM, 2017)
La elección depende del costo, también tomando en cuenta que la pantalla LCD cuenta con librerías que permite programar rápidamente.
2.3.3 Diseño de control
El control del dispositivo está basado en máquina de estados por programación basada en C++.
Una máquina de estados finitos es un modelo de un sistema. El modelo define un conjunto finito de estados y comportamientos, donde el sistema pasa de un estado a otro cuando las condiciones cumplen. (MathWorks, 2017)
26 funciones que se implementaran en la interfaz, las flechas indican los eventos provocados por el teclado para la selección de función.
Figura 22. Ejemplo de máquina de estados
El control cuenta también con pausa/continuar para dar seguridad al paciente, ya que se necesita realizar pruebas para la verificación y validación de especialistas en la rehabilitación.
2.3.4 Diseño de interfaz de máquina
El diseño para la interfaz usuario-máquina se desarrolló a base de lo especificado por los especialistas en la rehabilitación y a los equipos similares de rehabilitación.
Figura 23. Pantalla y botones de control.
La interacción entre el usuario y la máquina será a través de una pantalla para la visualización y teclados para la selección de parámetros y comandos que permitirán ejecutar las funciones programadas para el tipo de protocolo de rehabilitación que se use.
2.4 IMPLEMENTACIÓN
DEL
PROTOTIPO
DE
REHABILITACIÓN
27
2.4.1 Implementación mecánica
Después de haber realizado los cálculos estructurales y los modelos CAD, se tiene parámetros iniciales (forma, peso, rango de movimiento, mecanismo), parámetros de salida (fuerza, materiales, energía) con los cuales ya se puede realizar la construcción de cada parte del dispositivo para finalmente integrarla en un solo sistema.
Tubos de acero
Se seleccionó tubos de acero estructural A36, con la sección obtenida en los cálculos. Por el motivo de costos, facilidad de maquinar, doblar y soldar se empleó este material ya que se trata de un prototipo.
Figura 24. Tubos de acero
(aceroscenter, 2016)
La estructura mecánica de equipos similares son de aluminio con un grosor en sus perfiles mayor al que se pueden conseguir en el mercado nacional. La estructura del prototipo tendrá las características mecánicas de tubos de acero estructural A36.
Cojinete
Esta pieza mecánica es la encargada de fijar el tornillo de potencia, la cual se fija y permite girar libremente gracias a que posee rodamientos y prisioneros
Figura 25. Cojinete.
(IVAN BOHMAN C.A., 2017)
28
Matrimonio (love joint coupling)
Este mecanismo conecta el eje (tornillo de potencia) al motor, lo que permite trasmitir el movimiento rotativo, corregir descentramientos y absorbe impactos.
Figura 26. Matrimoniomecánico.
(IVAN BOHMAN C.A., 2017)
Este matrimonio mecánico permite aumentar la vida útil del motor y tornillo de potencia mecánica.
Tornillo
El tornillo que se eligió es de acero galvanizado, el cual debe ser maquinado para ajustar con los cojinetes y acoplar con el matrimonio (love joint coupling). Las características del tornillo se indican en la Tabla 11. Se usa una varilla roscada para que cumpla esta función ya que se encuentra en el mercado.
Tabla 11. Características del tornillo Diámetro medio ¾ pulgadas
paso 9 hilos por pulgada
Largo 0.70 metros
Tipo Rosca triangular UNC (Rosca unificada de paso grueso)
(IVAN BOHMAN C.A., 2017)
Las características nos permiten el análisis del tornillo y la resistencia porque el análisis mecánico se relacionó como una viga
Figura 27.Tornillo de potencia.
(IVAN BOHMAN C.A., 2017)
29 La tuerca y el tornillo de potencia, permiten el movimiento lineal, con su respectiva velocidad, dirección y fuerza. Esta pieza tiene que estar lubricada para disminuir la fricción y el esfuerzo del motor sea menor.
2.4.2 Implementación electrónica Fuente de energía
Una fuente conmutada de 120W de potencia y 12-24 voltios regulables. Se emplea para el dispositivo que aporta con energía necesaria para poner en funcionamiento al motor y demás partes electrónicas. Esta fuente provee de energía al sistema de control y al motor el cual es el encargado de la traslación de la pierna el cual tiene mayor demanda de energía. La fuente también cuenta con otro canal de alimentación 5 voltios a 1 amperio, el cual se usa para energizar el sistema electrónico.
Figura 28. Fuente de energía 120W 12-24V.
(APM, 2017)
La corriente nominal del motor es de 2 amperios y la corriente de motor a máxima carga es de alrededor de 4 amperios. Por lo que esta fuente supera los valores de potencia calculados con un voltaje regulable y la existencia de otra fuente, que evitará la caída de voltaje.
Motor reductor
Este actuador es importante ya que relaciona la parte mecánica y electrónica del dispositivo, cumpliendo las características obtenidas en el cálculo de tornillo de potencia matemático para elección del motor.
Tabla 12. Características del motor reductor Velocidad 120 rpm
Torque 2.4 N.m Potencia 30.8W
30
Figura 29. Motor reductor.
Este motor reductor consta de un mecanismo reductor que permite emplearlo para nuestro propósito para tener un mayor torque y reducir la velocidad.
Tarjeta de control
Para el uso de controlar el dispositivo de rehabilitación se usó un arduino UNO, tomando en cuenta sus características como número de puertos digitales y análogos. Se toma en cuenta el voltaje y corriente que soporta la placa sea en alimentación como en pines de entrada y salida.
Para conectar la tarjeta de control arduino UNO se armó una placa para poder conectarlo con los demás dispositivos como sensores, controles, pantallas y módulos empleados en el sistema electrónico.
Figura 30. Circuito tarjeta de control.
31
Modulo para motor (Driver IBT_2)
El uso de este módulo es importante porque es la parte de potencia en el circuito electrónico general, por lo cual se verifica las características eléctricas para la elección.
Tabla 13. Características de driver de motor. Voltaje de entrada (motor) 6V-27V
Corriente máxima (motor) 43A Nivel de entrada (control) 3.3V-5V a 3 mA
Según la Tabla 13 se puede observar el uso con el controlador, logrando el control del motor de acuerdo a lo programado.
Figura 31. Driver de motor IBT_2.
(APM, 2017)
Este módulo electrónico será el encargado de energizar al motor y moverlo a la dirección deseada la cual permite el control de movimiento continuo en la rehabilitación.
Sensor de posición angular
Este sensor se diseñó para el dispositivo, ya que en el mercado nacional no existía un sensor que se acople a la forma de la estructura. Por lo que se usó un potenciómetro 10KΩ lineal con el fin de tener valores más precisos del ángulo entre fémur y tibia, su carcasa fue hecha de acrílico cortado por láser.
(a)
(APM, 2017) (b)
Figura 32. Sensor de posición angular.
32 El conector de sensor angular se diseñó para que se pueda manipular, este es conectado al potenciómetro lineal para leer los valores analógicos que entregue en el movimiento de flexión y extensión.
Figura 33. Circuito conector del sensor angular
Posteriormente se realizará pruebas para escalar el valor analógico y el ángulo entre eslabones de la articulación.
Sensor de presión manométrica (MPX2200GP)
Este sensor nos permitirá medir la presión manométrica ejercida por la fuerza del paciente a una bolsa de caucho cerrada, con el fin de medir la fuerza que puede aplicar el paciente controlando los rangos adecuados para la rehabilitación activa.
Figura 34. Sensor de presión manométricaMPX2200GP
(APM, 2017)
Sin embargo los niveles de voltaje de este sensor son muy bajos (mili voltios), por lo que es necesario realizar un amplificador de voltaje para leer este sensor con el controlador.
Amplificador de voltaje para sensor de presión manométrica
33
Figura 35. Circuito amplificador para sensor de presión.
El circuito permite realizar una tarjeta para la amplificación de voltaje del sensor con bornes tipo rj11 de conexión.
Sensor de corriente (ACS712 5A)
Este sensor permite relacionar la corriente con el esfuerzo que realiza el actuador (motor reductor), la cual es proporcional entre torque y corriente del motor. A fin de controlar y limitar el torque que ejerce el motor cuando realiza el movimiento para la rehabilitación pasiva o activa.
Figura 36. Sensor de corriente (ACS712 5A).
(APM, 2017)
Este sensor debe probarse con el dispositivo en funcionamiento a fin de realizar pruebas para escalar el valor analógico y la corriente del motor.
Teclados
Los teclados sirven para la selección de funciones y parámetros de la máquina, existen dos controles para el usuario (especialista) y paciente respectivamente.
(a)
(APM, 2017) (b)
Figura 37. Teclados usuario y paciente.
34 Se usó un teclado matricial y se realizó una placa para el control del paciente con el número de botones necesario para su uso.
LCD (20x4) + módulo I2C
El LCD y el módulo I2C funcionan en conjunto, la finalidad es tener una comunicación serial entre el controlador y la pantalla LCD, de esta manera se puede usar más pines del controlador y mostrar parámetros en la pantalla.
Figura 38. LCD (20x4) + módulo I2C.
(APM, 2017)
Existe una librería que permite el fácil manejo para mostrar caracteres en la pantalla ayudando a simplificar la programación en el controlador.
2.4.3 Implementación de control Menú de control
El menú para la selección de las diferentes funciones que presenta la maquina está basada en máquina de estados finitos, la cual nos permite un fácil manejo para la selección de funciones, parámetros y permite tener un seguimiento de las operaciones realizadas, lo cual es importante cuando se genera el código.
35 En la Figura 39, se muestra el menú con su manejo para la elección de funciones, parámetros y ejecución del prototipo de rehabilitación. Cada cuadrado indica un estado y las flechas representan un evento accionada por un pulsador específico. En el Anexo 4, se muestra el esquema pera mejor entendimiento acerca de la forma de ejecutar la interfaz del prototipo.
Función 1 Rehabilitación Manual
En esta función el paciente es el encargado de controlar la flexión y extensión de la pierna por medio de un control para su uso exclusivo, también tiene la opción de salir de la función. Así él paciente tiene una rehabilitación de movimiento continuo pasivo y puede forzar su movimiento de acuerdo a lo que pueda soportar.
Figura 40. Diagrama de rehabilitación manual
La Figura 40 indica el diagrama de funcionamiento, donde en la unidad de programación permite escoger esta función, luego el paciente se encarga de controlar el movimiento con un control de mano.
Función 2 Rehabilitación Pasiva
36
Figura 41. Diagrama de rehabilitacion pasiva
El movimiento depende también del esfuerzo del motor para cambiar la dirección de movimiento según el nivel de fuerza escogido.
Función 3 Rehabilitación Activa
La rehabilitación activa tiene los mismo parámetros de la rehabilitación pasiva, pero se diferencia por tener en funcionamiento el sensor de presión el cual mide la fuerza que ejerce el paciente, si esta supera el parámetro de fuerza seleccionado en la maquina permitirá la flexión.
Figura 42. Diagrama de rehabilitación pasiva
En la Figura 42 muestra en un diagrama el funcionamiento del programa en cada fase del protocolo de rehabilitación activa en extensión.
2.4.4 Implementación de interfaz de máquina
37
Tabla 14. Comandos de interfaz
Icono de
botones
Vizualización en pantalla LCD
Ejecucion de programas de rehabilitación
Vizualización en pantalla LCD
Casa
Ejecucion de rehabilitacion manual
Funciones
Ejecucion de rehabilitacion Pasiva
Parámetros
Niveles
Ejecucion de rehabilitacion Activa
iniciar
Este botón ejecuta la función asignada y también se encarga de pausar la rehabilitación.
Finalización de rehabilitacion Pasiva
configurar
Este botón permite entrar a un modo para modificar rangos de flexión y extensión.
Finalización de rehabilitacion Activa
Control de movimiento
2.5 INTEGRACIÓN DEL PROTOTIPO DE REHABILITACIÓN
En esta etapa se procede a unir cada sistema del dispositivo como la electrónica, mecánica y el control. Ya que todos están relacionados para la función específica del dispositivo de rehabilitación. En el Anexo 5 se muestra imágenes del prototipo.
