BLANDOS PARA REHABILITACIÓN DE LA MANO

ANTECEDENTES Y ESTADO DEL ARTE

Discapacidad motora y enfermedad cerebro vascular

Entre todas, la enfermedad cerebrovascular (también llamada ECV, accidente cerebrovascular o ACV) es la más importante porque es la principal causa de discapacidad en el mundo [18]. Además, para los países donde se registra la tasa de mortalidad, muestran una tasa de mortalidad que no supera .

Hemiplejia y técnicas de rehabilitación en la extremidad superior

El uso de la extremidad intacta ayuda a promover la recuperación funcional de la extremidad afectada mediante efectos de acoplamiento entre las extremidades superiores. Las dos características principales de CIMT son el movimiento limitado del brazo o la mano no afectados y el aumento del ejercicio y uso del brazo o la mano afectados [32].

Características de la mano

Huesos y articulaciones de la mano

27 son la extensión y flexión de la articulación metacarpofalángica de los dedos 2 y 3 (ver Fig. 1.3), así como el movimiento opuesto del pulgar (ver Fig. 1.4). 28 (área del pulgar y la pinza); así como los movimientos articulares más importantes, que son el movimiento de flexión-extensión de la articulación metacarpofalángica y el movimiento de oposición del pulgar.

Dispositivos de robótica convencional para rehabilitación de la mano

Los dispositivos de rehabilitación de dedos basados en robótica convencional se muestran en la Figura 1.5. Debido a estas carencias, se han desarrollado y probado ciertos dispositivos basados en robótica blanda como una mejor alternativa a los antes mencionados.

Robótica blanda

Aplicaciones de la robótica blanda
Dispositivos de robótica blanda para rehabilitación de la mano

33 La Figura 1.6 muestra dispositivos de rehabilitación de dedos basados en robótica blanda. La mayoría de estos dispositivos utilizan discos blandos (con la excepción del Gloreha Glove, que funciona mediante cables), esenciales para alimentar estos dispositivos tipo guante.

Conclusiones

De manera similar, el ensamblaje final del formulario del actuador se presenta en la Figura 2.26. Como se puede observar en la Figura 3.1, para la misma presión, las cámaras del actuador de 4 cámaras están mucho más infladas (lo que resulta en una mayor deformación en las cámaras, debido a su volumen interno en el actuador de 4 cámaras). que en un actuador de 3 cámaras).

DISEÑO MECÁNICO DEL ACTUADOR BLANDO

Actuadores blandos rotacionales

Dentro de los actuadores elastoméricos fluídicos se encuentran aquellos que reproducen movimientos de flexión, torsión, estiramiento o alargamiento, estiramiento, acortamiento y rotación. Continuamos con la presentación de los actuadores rotativos existentes desarrollados hasta el momento, pues dentro de esta categoría entra el actuador diseñado para este trabajo. 88] quien desarrolla y describe un actuador giratorio accionado por aire utilizado como enlace en tres brazos independientes de una abrazadera (ver Fig. 2.2) para levantar objetos pequeños.

Materiales usados en robótica blanda

Materiales usados en actuadores elastoméricos fluídicos
Teoría de hiperelasticidad
Caracterización del material mediante ensayos de tracción

Se puede observar en la Figura 2.12 y Figura 2.13 que las muestras con proceso de fabricación 100% al vacío tienen mejores valores de tensión de rotura con una tensión máxima promedio de 9,15 MPa, pero también muestran una alta variabilidad en términos de resistencia. ruptura, con 0,2 unidades de desviación estándar. Como puede verse en la Figura 2.15 y la Figura 2.16, las muestras de RTV 1520 son más confiables en términos de variabilidad. La decisión de utilizar silicona RTV 1520 también respondió a la facilidad de adquisición local.

Metodología de fabricación

El verter la mezcla de silicona en los moldes debe realizarse rápidamente, ya que la viscosidad de la mezcla inicial (7000 cps) aumentará, tienes de 15 a 20 minutos hasta que la mezcla se espese mucho para verterla en el molde. Debido a la forma de los moldes utilizados en la fabricación de actuadores, existen ciertos espacios vacíos donde es más difícil que entre la silicona y donde puede quedar atrapado el aire, por lo que el moldeador debe tener cuidado de darle forma uniforme al molde a llenar. Para el curado de los actuadores se puede dejar el molde de silicona a temperatura ambiente, el cual tardará de 3 a 4 horas en curar, también depende de la temperatura ambiente; Un segundo.

Desarrollo del actuador rotacional blando

Requerimientos de diseño y consideraciones iniciales
Actuador rotacional blando
Optimización por método de elementos finitos

Continuamos obteniendo las constantes para el modelo matemático de Money-Rivlin de 3 parámetros (ver Figura 2.31), que mostró un mejor ajuste a los datos de la prueba de tracción. Como se puede observar en la Figura 2.32, se muestran los casos de estudio, para el diseño de experimentos, de los actuadores que fueron simulados y con los cuales se obtuvieron los resultados presentados en la Figura 2.33. Los actuadores de 5 cámaras presentan un "límite de fabricación" porque al no variarse el ángulo de partida en todos los actuadores, la forma de la pieza 1 ("Central_Part" ver figura 2.24) sería muy débil en la parte inferior, que sería cámara. negativo.

Diseño de la férula

La figura 2.35a), b y c) muestran las partes que componen la férula para la posición de apoyo para el dedo índice y medio, como se ve, la férula es modular y desmontada, en la figura 2.35d) y e) muestra el entorno real ensamblado. y cómo tomaría la mano del paciente. 69 Figura 2.36: Configuración de la segunda versión de la férula para movimiento inverso del pulgar. a) Parte más grande de la férula, b) Parte pequeña móvil de la férula. En la figura 2.36.a), b y c) se pueden observar las piezas que componen la férula para la posición de apoyo de los dedos, como se puede observar en la figura 2.36.d) y se muestra la férula real montada y cómo se sujetaría. la mano del paciente.

Conclusiones

La presión interna, al igual que en las pruebas de desplazamiento angular, se midió con el sensor de presión Honeywell ASDXAVX100PGAA5 que se muestra en la Figura 3.4. 75 Para actuadores de 4 cámaras con paredes internas de 1,5 mm de espesor, exhiben una fuerza de 24,31 N en la superficie libre donde el actuador está fijado a 30° con respecto a la horizontal, con una presión interna de 55 kPa. Resultados de simulación para actuadores de 38 mm de largo y presión interna de 75 kPa para configuración de 3, 4 cámaras.

CARACTERIZACIÓN DE ACTUADORES

Pruebas de presión máxima

Como primera prueba se muestra la presión interna máxima que pueden soportar los actuadores, esto guiará los requisitos de seguridad para el proceso de rehabilitación. Se probaron 3 actuadores para cada configuración, las pruebas de presión máxima muestran que los actuadores pueden soportar presiones entre 90 kPa y 110 kPa, se establece una presión interna máxima de actuación de 55 kPa, por lo que existe un factor de seguridad entre 1,6 a 2 con respecto a el rango de presión máxima ofrecido.

Pruebas de Amplitud

Como se muestra en la Figura 3.2, se muestran las relaciones de desplazamiento angular relacionadas con la presión interna de cada actuador. Incluso a estas bajas presiones, las cargas que generan en el actuador crean un nivel importante de deformación en el actuador de 4 cámaras, también debido a su configuración geométrica, que produce un cierto tipo de inercia a medida que el material tiende a asentarse en su lugar. permanecer. estado anterior (que estaría más inflado), y por lo tanto se puede ver que la curva de retorno está por encima de la curva de salida.

Pruebas de Fuerza

74 La gráfica de poder vs. La presión interna de los distintos actuadores se ha obtenido fijándolos a 60° de la horizontal, soplando aire y midiendo la carga normal generada en la cara libre. Uno de los puntos más importantes de las gráficas es la fuerza inicial que genera cuando el actuador está a 30°, que sería la posición inicial de la mano ejerciendo una restricción correspondiente a la fuerza indicada en el primer conjunto de curvas (ida y vuelta). ). retorno) contando de arriba a abajo. Los momentos de la curva (reciprocos) en las posiciones segunda, tercera y cuarta, vistos en el mismo orden descendente después de la curva de 30°, representan la fuerza que se puede obtener estableciendo un desplazamiento angular máximo de 40°, 50° y 60° respectivamente. .

Pruebas de Fatiga

76 Los modos de falla tienen dos causas directas, el proceso de fabricación y las zonas de concentración de tensiones debido al diseño del actuador. de la curvatura que tiene la articulación. En el proceso de fabricación, la cara de uno de los lados del actuador, denominada cara libre, no tiene un espesor de pared uniforme de 2 mm como ocurre con la cara inferior, por lo que existe una sutil diferencia de espesor en la cara libre. esto se debe al efecto de capilaridad cuando la silicona está en estado líquido y se seca en el molde. Se observa que los actuadores siempre fallan en las juntas donde se inicia una pequeña grieta que se hace más grande al inflar y desinflar, además, esta falla siempre ocurre en la cara libre como resultado del proceso de fabricación.

Conclusiones

Para la calibración se toma como referencia la amplitud inicial máxima que el paciente puede alcanzar. Como sexto paso se le pidió al paciente que se colocara el guante para seguir calibrando el movimiento mínimo y máximo de la articulación metacarpofalángica e iniciar el juego. Estas pruebas demuestran que el actuador es capaz de realizar el movimiento de extensión rotacional de la articulación metacarpofalángica de los dedos de la mano y el movimiento de extensión del pulgar, importantes para la oposición.

INTEGRACIÓN DEL SISTEMA ROBÓTICO

Sistema electroneumático

Para accionar el actuador se ha implementado un sistema electroneumático, como se muestra en la figura 4.1. El sistema parte de un tanque de aire comprimido, a cuya salida se conecta una válvula neumática 3/2 con accionamiento por solenoide y retracción por resorte. La válvula es operada por un microcontrolador (placa Arduino Nano). Cuando se activa la válvula, el aire fluye hacia la válvula de control de flujo, la cual se encarga de controlar el flujo o velocidad del aire que circula en ese punto, luego el aire pasa por una válvula de control de presión que baja la presión entre 0 y 0. 55kPa. Durante la calibración, el sensor toma un valor máximo o umbral para luego, al recolectar datos, el microcontrolador compara los valores leídos con el valor máximo o umbral y si activa o no el relé, que a su vez controla el 3/2. Válvula neumática que controla el paso del aire.

Guante con sensor de deformación

Juego serio

Calibración

Integración del dispositivo de rehabilitación

Ejemplo de utilización del dispositivo

84 sin que el paciente genere ningún movimiento voluntario, está diseñado para manos flácidas que no tienen movimiento voluntario propio y deben tener activos los músculos de la mano y el antebrazo para evitar su rigidez. La secuencia lógica explicada en esta sección también se puede entender con el siguiente diagrama de bloques en la Figura 4.5.

Pruebas en paciente

85 - Como segundo paso, se le pidió que colocara su mano y antebrazo sobre el fuelle y soporte. Para el caso específico del paciente de esta prueba, el ajuste alcanzó un rango total de 90° debido a que la rigidez indicada por el paciente no era demasiado grande. Como quinto paso, se le explicó la dinámica del juego y la calibración necesaria para explotar el juego.

Resultados

Como paso final, el paciente podría jugar y hacer las repeticiones necesarias en un tiempo marcado por los especialistas de 10 minutos. Respecto al juego, el paciente estaba un poco confundido al principio, pero era producto de su afasia (dificultad para comunicarse), por lo que referir dudas sobre cómo funcionaba el juego le resultaba un poco complicado. 87 Para la prueba de movimiento de extensión del pulgar se utilizó la técnica de movimiento pasivo continuo, tanto para el dedo índice como para el medio (ver figura 4.8), la retroalimentación recibida del paciente fue que la sensación de uso era cómoda, sin embargo el especialista enfatizó eso. la disociación de movimientos fue la clave de este ejercicio, por lo que se nos pidió realizar un soporte que impida el movimiento de los dedos y deje libre solo el pulgar, ya que durante el tratamiento después de mover el pulgar, el paciente se ayudaba con el movimiento. de los demás dedos (sinergia muscular), los cuales deben limitarse a realizar un proceso de rehabilitación centrado únicamente en el pulgar.

Conclusiones

Hirzinger, "The KUKA-DLR Lightweight Robotic Arm - A New Reference Platform for Robotics Research and Production", the Robot. Yeow, “A Soft Exoskeleton for Hand Assist and Rehabilitation Applications Using Variable Stiffness Pneumatic Actuators,” the Robot. Xu, "Soft Robotics Technology and a Soft Table for Industrial Applications", the Robot Intelligence Technology and Applications 4, Vol.

Resultados de las simulaciones

Gráficas de fuerza vs presión interna

Código interface Arduino con Processing

Código del juego en Processing