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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EXOESQUELETO DE APOYO
PARA REHABILITACIÓN DEL SÍNDROME DE TÚNEL CARPIANO
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SUPPORT EXOSKELETON FOR CARPAL TUNNEL SYNDROME REHABILITATION
Brien Leonardo Abella Bejarano∗∗∗∗ Karen Liseth Acuña Suabita**
Resumen: En este documento se describe el desarrollo de un exoesqueleto que apoya
terapias de rehabilitación del miembro superior a la altura de la muñeca y la mano a través
de una interfaz interactiva donde se tiene control del dispositivo. Para ello, se diseñó cada
pieza que conforma el exoesqueleto mediante el software CAD SolidWorks, las cuales,
ensambladas junto con los sensores y actuadores, permiten realizar los movimientos que
involucran cada actividad y que son dirigidos por la PSoC® 5LP, microcontrolador encargado
de recibir a través de RS232 las variables de ejecución de cada actividad que son
determinadas por la interfaz interactiva desarrollada en Python, en la que el usuario puede,
además de monitorear la actividad que desea realizar, tener acceso a una base de datos en
la que se almacena la información correspondiente al progreso de cada sesión.
Palabras clave: base de datos, exoesqueleto, interfaz, miembro superior, rehabilitación,
túnel carpiano.
∗ Estudiante de Tecnología en Electrónica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia. E-mail:
abellacastel02@gmail.com **
Estudiante de Tecnología en Electrónica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia. E-mail: karen.suabita@gmail.com
Abstract: This document describes the development of an exoskeleton that gives supports to
rehabilitation therapies of the upper limb to the height of the wrist and hand, through an
interactive interface where you have control of the device. Therefore we designed each piece
that forms the exoskeleton using SolidWorks CAD software, which assembled along with
sensors and actuators, allows do each activity and movements that are directed by the
PSoC® 5LP, microcontroller responsible for receiving the variables of execution of each
activity which are determined by the interactive interface developed in Python via RS232 , in
which the user can, in addition to monitoring the activity that you want to perform, have
access to a database that stores the information corresponding to the progress of each
session
Key Words: Database, Exoskeleton, interface, Upper limb, rehabilitation, carpal tunnel.
1 Introducción
Las afecciones que conlleva realizar tareas repetitivas y que se manifiestan en los miembros
superiores son constantemente atribuidas al síndrome del túnel carpiano, esta neuropatía
afecta principalmente a personas en edad productiva, prevaleciendo en 1 a 5% de la
población general, incluso, aumentando hasta un 14,5% en determinados grupos de
trabajadores o pacientes con alguna enfermedad sistémica; lo cual implica un elevado costo
para el sistema de salud y las empresas, teniéndose que los costos de dicha patología para
el caso de Estados Unidos son cercanos a un billón de dólares al año, según la U.S. Bureau
of Labor Statistics.[1]
Colombia por otra parte, no resulta ajena a este problema, según una estadística realizada
por una organización que cuenta con EPS (empresa promotora de Salud) y ARL
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(Administradora de Riesgos Laborales) el 30% de las incapacidades temporales se atribuyen
al Síndrome del Túnel Carpiano. Para el año 2013, se encontró que, teniendo en cuenta que
en el país hay 8,5 millones de personas afiliadas a una ARL y que aproximadamente el 4,5%
de ellos padecen de esta neuropatía, así como los 17 días de ausentismo en promedio y el
valor del salario mínimo diario, los costos indirectos son de 127.774.125.000 de pesos [2].
De esta manera se muestra que el impacto que produce este síndrome no pasa del todo
desapercibido, es por esto, que existe una amplia variedad de tratamientos e intervenciones
quirúrgicas de las cuales no se conoce con certeza su eficiencia, ya que en ocasiones, no se
ejecutan de forma adecuada, razón por la cual, se han desarrollado dispositivos de apoyo
para aquellas personas con algún padecimiento de este síndrome. Entre estos dispositivos
se encuentran los exoesqueletos, que actúan como un elemento auxiliar para realizar los
movimientos como apretar y sujetar; algunos de ellos se caracterizan por haber sido hechos
mediante una impresora 3D [3], otro de estos por tener dos grados de libertad y ser
controlado a través de señales mioeléctricas [4], y algunos similares a este simulan prótesis
de antebrazo transradial [5]. También, se han llevado a cabo dispositivos que refuerzan los
tratamientos de rehabilitación de manera interactiva como juegos (laberinto virtual) que
cuentan con una base de datos en el que se evidencia el avance del paciente en cada sesión
[6].
Con este proyecto se buscó generar una solución que contenga elementos de estas dos
alternativas de una manera práctica, interactiva y económica, es decir, desarrollar un
dispositivo exoesqueleto que apoye las terapias por medio de la ejecución de tres actividades
a través de una interfaz que permite mediante una base de datos, tener un seguimiento del
avance del usuario sin tener que asistir continuamente a centros especializados que implican
costos y tiempo.
2 Marco teórico
2.1 Ciencias de la salud
2.1.1 Articulación radio carpiana
La articulación de la muñeca o radio carpiana, está constituido por la unión de del antebrazo
(huesos cúbito, radio) y el carpo, perteneciendo morfológicamente al género de las
condíleas, cuenta con dos grados de libertad de movimiento uno de ellos alrededor del eje
transversal, que produce la flexión y extensión de la muñeca. La amplitud de la extensión
radio carpiana es de 60° a 85° aproximadamente encontrándose limitada de una manera
pasiva por los ligamentos anteriores y posteriores, esta se completa con la extensión de los
dedos consiguiendo un mayor grado. [7]
El movimiento de extensión corresponde al movimiento de aproximación del dorso de la
mano a la superficie posterior del antebrazo.
2.1.2 Síndrome del Túnel Carpiano
El síndrome de túnel carpiano es una neuropatía periférica, que se refiere al atrapamiento del
nervio mediano en el túnel del carpo encargado de controlar las sensaciones del lado palmar
del dedo pulgar, dedo índice, medio y parte del anular, producido por diferentes causas como
movimientos repetitivos o trabajos que implican aplicar mucha fuerza que pueden provocar el
engrosamiento de tendones o alguna inflamación en el túnel carpiano que presionan el
nervio. [8]
Este síndrome genera perdida sensorial, déficit en la movilidad, pérdida de fuerza, etc., he
impide llevar a cabo actividades básicas como el agarre de objetos con total normalidad. Los
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síntomas que conlleva este síndrome son dolor nocturno, debilidad muscular,
entorpecimiento, parestesias en la cara ventral de la mano.
Resulta ser la neuropatía por compresión más frecuente, presentándose mayormente en
mujeres que en hombres; actualmente, existen diversos tratamientos, así como
intervenciones quirúrgicas para aliviar los síntomas. [9]
2.1.2 Tendinitis
Es una patología que implica la inflamación de los tendones, de alta reincidencia, capaz de
provocar fuertes dolores alrededor de la articulación, así como sensibilidad, está ligada a una
sobrecarga muscular o algún tipo de lesión por movimientos repetitivos, así como alguna otra
patología, que provoque el desgaste del tendón, realizar actividades que impliquen aplicar
mucha fuerza constantemente, etc. [10]
La tendinitis puede ocurrir en cualquier zona del cuerpo, pero es común en articulaciones
como la muñeca y el tobillo.
2.2 Dispositivos electrónicos
2.2.1 32-bit ARM® Cortex®-M3 CY8CKIT-059 PSoC® 5LP
El procesador ARM® Cortex®-M3, es el líder en la industria de procesadores de 32-bits,
debido a que los dispositivos que lo usan son de baja potencia, tienen un costo bastante bajo
a pesar de las múltiples aplicaciones embebidas que se pueden realizar con dispositivos que
manejen este procesador, este procesador es ampliamente configurable e ideal para
aplicaciones donde se requiere controlar la memoria y el espacio que ocupa el dispositivo.
Como se puede apreciar en la figura 1,CY8CKIT-059 PSoC® 5LP es un kit de desarrollo
PSoC 5LP ,es el PSoC programable más integrado de la industria, combinando periféricos
analógicos y digitales de alta precisión y programables con una CPU ARM® Cortex®-M3 en
un solo chip, tiene bloques programables, esto se refiere a que desde el software de PSoC
se pueden intercomunicar diferentes bloques como son comunicación, PGA, pines, filtros,
comparadores, etc., además de estar diseñado para flexibilidad , permitiendo el acceso a
todos las entradas y salidas de esta tarjeta, conectividad USB 2.0 , y acceso a un hardware
bastante pequeño. [11]
Figura 1 . CY8CKIT-059 PSoC® 5LP Prototyping Kit With Onboard Programmer and Debugger. [11]
2.2.2 MPU 6050
Es una Unidad de Medición Inercial (IMU) que integra un acelerómetro de tres ejes, un
giroscopio de tres ejes y un Digital Motion Processor™ (DMP) capaz de procesar complejos
algoritmos MotionFunsion. Este dispositivo, el cual se muestra en la figura 2, cuenta con tres
conversores análogos digitales de 16 bits para digitalizar las salidas del giroscopio, y otros
tres conversores para tratar las salidas del acelerómetro. Es posible ajustar el rango del
acelerómetro a ±2g, ±4g, ±8g y ±16g así como del giroscopio a ±250, ±500, ±1000,
±2000°/sec (dps) para mayor precisión.
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El MPU6050 se comunica a través de I2C, se alimenta con un voltaje entre 2.375V-3.46V e
incluye un sensor de temperatura embebido y un chip oscilador con ±1% de variación en todo
el rango de temperatura de operación. [12]
Figura 2. MPU 6050 [13]
2.2.3 Sensor de presión absoluta MPX5700AP
Este es un sensor de presión de silicio monolítico de vanguardia diseñado para una amplia
gama de aplicaciones, pero particularmente para aquellas en las que se usa un
microcontrolador o microprocesador con entradas A/D. Este sensor mide la presión de
manera absoluta es decir mide la diferencia de presión entrante respecto a una cámara de
presión de referencia, esta presión de referencia es o bien un vacío perfecto o una presión
calibrada, dependiendo de la aplicación, su estructura se puede ver en la Figura 3.
Este sensor mide presiones entre 15 a 700 kpa (kilo pascales) con una precisión de ± 2.5%
de 4.5Vdc, y con una precisión de 6.4mV/kpa, más que suficiente para la aplicación realizada
en este proyecto. [14]
Figura 3. MPX5700AP [14]
2.2.4 Python 3.0 y PyQT
La primera característica Python es que es un lenguaje de programación que es totalmente
abierto, es decir no pertenece a nadie y no es necesario pagar por su uso. Python es un
lenguaje que es muy amigable y es fácil de aprender debido a la flexibilidad en la sintaxis que
usa, y es ampliamente usado ya que tiene muchas librerías y aplicaciones para su desarrollo.
Se trata de un lenguaje de programación multiparadigma, ya que soporta orientación a
objetos, programación imperativa y, en menor medida, programación funcional. Es un
lenguaje interpretado, usa tipado dinámico y es multiplataforma.
Una de sus librerías es PyQT, es una librería que permite junto a Qdesigner una aplicación
en la cual se usa PyQT, realizar GUI's, las cuales son intuitivas, el código tiene una sintaxis
que se caracteriza por el rápido aprendizaje y amabilidad. [15]
2.2.4 SolidWorks®
SolidWorks® es un software de diseño el cual brinda herramientas de software 3D completas
para crear, simular, publicar y administrar los datos. La facilidad de uso de los productos de
SolidWorks permite a más ingenieros, diseñadores y profesionales de la tecnología centrarse
más que nunca en las ventajas del 3D al darles vida a los diseños. [16]
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3. Desarrollo del proyecto
Con el fin de realizar un tratamiento para el síndrome del túnel carpiano se plantean 3
actividades que interfieren directamente en el nervio mediano; la primera actividad se
planteó para realizar la extensión de muñeca como se muestra en la figura 4.a, usualmente
aplicada para aliviar el dolor debido a que reduce la presión que posibles inflamaciones o
afecciones en los tendones causan sobre el nervio.
Figura 4.a. Extensión de la muñeca. Fuente: https://espanol.kaiserpermanente.org/
Figura 4.b. compresión. Fuente: http://padelstar.es/
La segunda actividad fue planteada para ayudar a mejorar el cierre de la mano, puesto que
al sufrir del síndrome del túnel carpiano, el nervio mediano, (clave para garantizar la
sensibilidad de los dedos pulgar, índice y mayor, así como de una parte de la palma de la
mano) que es comprimido, impide a quienes lo padecen llevar a cabo sus actividades diarias
con normalidad ya que se produce pérdida de fuerza de agarre y dificultades para sujetar
objetos, ver figura 4.b.
La última actividad planteada fue un masaje terapéutico, dado que este puede ayudar a tratar
y prevenir esta afección médica al promover la circulación, reducir la inflamación, eliminar los
residuos metabólicos y aliviar los músculos y tendones irritados, sin embargo, hay varios
tipos de masajes, entre los cuales se escogió uno que permitiera el acople al exoesqueleto y,
para nivelar la falta de variedad de masajes terapéuticos, se amplió el tiempo en el que
puede ser realizado, dejándolo entre 1,6 a 5 min.
Se escogieron estas tres actividades dado que en su conjunto, son alternativas de
tratamiento para las afectaciones en el miembro superior que dificultan la ejecución de los
movimientos básicos, cabe resaltar que hay una gran variedad de estos orientados a tratar
dolores y problemas específicos.
Para llevar a cabo estas actividades, el proyecto se dividió en dos partes, el diseño del
exoesqueleto y la implementación del mismo siguiendo el diagrama de la figura 7.
3.1 Diseño del exoesqueleto
Para llevar a cabo el diseño de cada una de las piezas, fue necesario tomar las medidas de
antebrazo y mano de diferentes personas con el fin de crear un exoesqueleto en el que se
pudiera realizar pruebas con un grupo de usuarios, teniendo en cuenta además que dichas
piezas debían ser cómodas para quien hiciera uso del dispositivo y ligeras para poder
acoplar fácilmente los sensores y actuadores, se optó por el diseño que se muestra en la
Figura 5.a. y figura 5.b. El diseño se realizó en el software SolidWorks® y el ensamble de las
piezas junto con la base en acrílico se muestra en la figura 6.a y 6.b.
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Figura 5.a. Diseño de las piezas que permiten
realizar el movimiento de extensión utilizando
SolidWorks®. Fuente: elaboración propia.
Figura 5.a. Diseño de la base en acrílico.
Fuente: elaboración propia.
Figura 6.a. Piezas ensambladas Figura 6.b. piezas ensambladas con la base.
Para la fabricación de cada una de las piezas a excepción de la base, se utilizó una
impresora 3D; el material que constituye dichas piezas es ABS y PLA con un refuerzo en
masilla para garantizar la durabilidad y resistencia.
3.1 Diagrama de bloques
En la figura 7 se aprecia el diagrama de bloques implementado para desarrollar el sistema
que permitirá al exoesqueleto realizar las actividades de rehabilitación, estos bloques son:
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Interfaz gráfica, comunicación rs232, control psoc5, sensores y actuadores, y por último base
de datos.
Figura 7. Diagrama de desarrollo del proyecto
3.1.1 Interfaz gráfica
La interfaz gráfica fue diseñada en Python usando la librería PyQT y el Designer, esta
permite la verificación de que puerto se está usando al momento de conectar el dispositivo al
enviar caracteres y esperar la respuesta del dispositivo para guardar el puerto serial (COM)
que se usará durante el resto de la terapia como se muestra en la figura 8.a, una vez con el
puerto serial guardado este entra al inicio de la interfaz y luego de una comprobación de
conexión va a un menú. En este menú están contenidas las diferentes actividades, un botón
de salir y un botón llamado “pedir datos” como se puede apreciar en la figura 8.b, el cual
genera un archivo en Excel con los datos de las actividades y gráficas que muestran el uso y
el progreso, en las respectivas actividades están los parámetros que permiten al usuario
realizar el ejercicio más acorde a su estado.
Figura 8.a. Verificación de puertos, Fuente: Figura 8.b. Menú, Fuente: Elaboración propia
Elaboración propia
Una vez se requiera empezar la sesión de tratamiento el usuario debe entrar pulsando el
botón de “Actividad 1 “, lo cual lo llevará a una pantalla donde podrá ver cómo debe ubicar
el brazo en el exoesqueleto, además de poder seleccionar los grados de extensión y las
repeticiones a llevar a cabo en la primera actividad, estas repeticiones mínimo pueden ser de
un valor de 1 hasta un máximo de 5, con el fin de no provocar un sobre esfuerzo en la
articulación, en adición estas se realizan lentamente con el fin de asegurar un tratamiento
eficiente, como se ve en la figura 9.
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Figura 9. Actividad 1 en Python, Fuente: Elaboración propia
Una vez seleccionado los grados y las repeticiones el usuario debe oprimir el botón empezar,
es de vital importancia saber que el menor ángulo posible es de 10 grados y el mayor ángulo
posible es de 80°, este rango se decidió debido a que se buscó evitar alguna lesión al
usuario, y basándose en literatura de fisioterapia, no se recomienda más de este ángulo, una
vez escogidos los valores y oprimido el botón “Empezar”, este lleva a una ventana la cual,
menciona al usuario que debe esperar mientras se realiza el ejercicio; al terminar pueda salir
de esta y volver al menú para ejecutar la actividad 2.
Cuando el botón de “Actividad 2” es pulsado, este llevará a la ventana mostrada en la figura
10.
Figura 10. Actividad 2 en Python, Fuente: Elaboración propia
En esta ventana se requiere que el usuario seleccione un porcentaje de que tanto puede
apretar la pelota sin sentir dolor o con un leve esfuerzo, este porcentaje va desde 10 hasta el
99 %, esto con el fin de ver que tanto puede apretar, dado que una persona con el síndrome
del túnel carpiano, le es más difícil apretar y sostener este movimiento y siguiendo la misma
metodología de la actividad 1 se oprime el botón Empezar y se espera a que se realice la
actividad, una vez terminada se puede volver al menú para ejecutar la actividad 3.
Al oprimir el botón “Actividad 3” este lleva a una ventana nueva que se puede ver en la figura
11, en esta debe escoger solamente el tiempo entre 100 y 300 segundos, ya que este tiempo
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es el recomendado por fisioterapeutas para reducir la inflamación y relajar el nervio mediano
permitiendo al usuario recibir un estímulo relajante.
Figura 11. Actividad 3 en Python, Fuente: Elaboración propia
3.1.2 Comunicación rs232
Debido a que mediante la interfaz se controlan variables de las diferentes actividades, es
necesario establecer un protocolo de comunicación en el que se envía esta información para
realizar el control del sistema satisfactoriamente y en la que se reciba los datos que
corresponden al progreso del usuario en cada actividad para posteriormente ser
almacenados en una base de datos. Para realizar la comunicación por rs232 se utilizó en
Python la librería Pyserial con la cual se configura: el puerto COM a utilizar, la velocidad de
transmisión, el tiempo de espera, la apertura del puerto, datos enviados, los datos recibidos y
el cierre del puerto, como se muestra en la figura 12.Para recibir los datos en la Psoc5, se
utilizó el módulo de comunicación UART el cual se muestra en la figura 13, configurándolo de
la misma manera que en python y desempaquetando los datos enviados a través de este
medio.
Figura 12. Comunicación serial en python, Fuente: Elaboración propia
Figura 13.Módulo UART en PSoC 5, Fuente: Elaboración propia
3.1.3 Control PSoC 5
El PsoC 5lp permite tener control de los sensores y los actuadores en respuesta a lo
determinado por el usuario a través de la interfaz, así como del almacenamiento de datos en
la EEPROM que son enviados a Python con el fin de realizar la base de datos en Excel. El
proceso inicia con el desempaquetado de los datos provenientes de la interfaz, estos se
convierten a variables de tipo entero (int), las cuales se utilizan como variables de control
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para realizar las distintas actividades. En el caso de la actividad 1 se tienen en cuenta los
valores de los grados de extensión de la muñeca y las repeticiones; para accionar el
servomotor, se toman lecturas del acelerómetro del MPU6050 correspondientes al ángulo de
elevación o cabeceo (pitch) y se comparan con los valores determinados por la variable de
control proveniente de la interfaz a fin de asignar una señal PWM al servomotor, en la que se
establece el sentido de giro y según la cual, aumenta o disminuye el grado de extensión
como se observa en la figura 14; por otra parte, el número de repeticiones indica el límite de
una variable de incremento también mostrado en la figura 14.
Figura 14. Control del servomotor, Fuente: Elaboración propia.
Para el caso de la actividad número 2 la variable de control corresponde al número de
repeticiones y al igual que en la actividad 1 indica el límite de una variable de incremento; en
adición, para mejorar el agarre de objetos, por medio de un ADC se toma la lectura del
sensor MPX5700AP correspondiente al valor de la presión del aire contenido que varía
dependiendo de la fuerza que ejerce el usuario al apretar la pelota, para posteriormente ser
guardado en la EEPROM y finalmente ser enviado por RS232 a Python obteniendo el
registro en la base de datos, ver figura 15.
Figura 15. Control actividad 2, Fuente: Elaboración propia.
Por último, para ejecutar la actividad 3, se tiene en cuenta la duración de la actividad en
segundos como variable de control, esta determina el valor al que se carga el TIMER y que
permite mantener activos los motores vibradores, ver figura 16.
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Figura 16. Control actividad 3, Fuente: Elaboración propia.
3.1.4 Sensores y actuadores
Los sensores que se utilizaron en la actividad 1 y actividad 2 fueron el MPU6050 y el
MPX5700A respectivamente. Para llevar a cabo la actividad 1, se acoplo la IMU a la pieza
que sujeta los dedos, con el fin de detectar los grados de extensión y según los que se define
el sentido de giro del servomotor (ver figura 17.a). Para la actividad 2 se utilizó el sensor de
presión absoluta MPX5700A, el cual permite saber la presión que reside dentro de la pelota,
y de esta manera poder determinar el progreso del usuario en el agarre de objetos (ver figura
17.b).
Figura 17.a. IMU acoplado al exoesqueleto.
Fuente: elaboración propia.
Figura 17.b. sensor MPX5700A acoplado al
exoesqueleto. Fuente: elaboración propia.
Para los actuadores se utilizaron 2 tipos de motores. Para la actividad 1 se utilizó un
servomotor MG 996R capaz de levantar hasta 8 kilos, este servomotor se adecuó de tal
manera que pudiera girar más allá de los 180° que tiene como rango de operación, para
conseguir el giro continuo de la varilla roscada que tiene acoplada y que permite realizar el
movimiento (ver figura 18). Para la actividad 3, el tipo de motor usado para ejecutar el masaje
es un motor vibrador, estos están sujetos a la base del exoesqueleto y vibran durante el
tiempo que el usuario haya decidido en la interfaz gráfica.
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Figura 18. Servomotor acoplado al exoesqueleto. Fuente: elaboración propia.
El prototipo exoesqueleto se observa en la figura 19.a y 19.b.
Figura 19.a. Exoesqueleto. Fuente: elaboración propia.
Figura 19.b. Exoesqueleto. Fuente: elaboración propia.
3.1.5 Base de datos
Para la creación de la base de datos en Excel se utilizó la librería openpyxl, la cual permite
insertar los datos y generar gráficas para hacer seguimiento de las sesiones que ha realizado
el usuario. Los datos que se usan para realizar la base de datos son obtenidos de la
memoria EEPROM de la PSoC 5, y se guardan cada vez que se termina una sesión, siendo
esta la finalización de las 3 actividades propuestas. Una vez es pulsado el botón en el Menú
“Pedir datos”, se solicita por comunicación serial los datos y en python se separan y se
guardan para crear el archivo. En la figura 20 se muestran una parte de las líneas de código
usadas para la creación del archivo Excel.
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Figura 20 Algunas líneas de código para creación de archivo Excel, Fuente: Elaboración propia
4. Resultados
Para la prueba inicial del funcionamiento del prototipo, se realizó una sesión por cada usuario
que incluye el uso de las tres actividades.
Se hicieron pruebas con tres personas, una de ellas con el síndrome del túnel del carpo;
como se puede observar en la tabla 1, la persona representada en la tabla como número 3
es la que padece esta enfermedad y tiene un menor ángulo de extensión, un número menor
de repeticiones y un porcentaje menor de compresión de la pelota, ver figura 21.a y figura
21.b.
Figura 21.a. Ejecución de actividad 1. Fuente elaboración propia.
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Figura 21.b. ejecución de actividad 2. Fuente elaboración propia.
Tabla 1. Prueba inicial de prototipo. Fuente: Elaboración propia.
Para determinar el error del sistema al realizar la actividad 1 mediante la ecuación 1, se
estableció como patrón de medida un transportador, con él se realizaron las medidas a 25°,
30° y 50° comparándolas con 9 lecturas tomadas del acelerómetro del MPU 6050, los cuales
se encuentran en la tabla 2.
Patrón de medida
(grados)
Lectura MPU6050
(grados)
Patrón de medida
(grados)
Lectura MPU6050
(grados)
Patrón de medida
(grados)
Lectura MPU6050
(grados)
25 26,859182 30 29,932611 50 48,924946
25 27,275856 30 30, 036665 50 49,11795
25 26,51083 30 29,441628 50 48,876694
25 26,632851 30 29,236486 50 48,916889
25 25,26124 30 28,931948 50 49,979507
25 25,313292 30 29,351557 50 49,543797
25 24,945766 30 29,181038 50 50,017128
25 24,934649 30 29,140392 50 49,710926
25 25,157963 30 29,932611 50 48,924946
Tabla 2. Lectura del IMU en comparación con el patrón de medida. Fuente: Elaboración propia.
� =�̅���
��100% (1)
Usuario Actividad 1 Actividad 2 Actividad 3
Grados Repeticiones % compresión Tiempo masaje (s)
1 54 5 85 300
2 58 5 90 300
3 47 3 65 300
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Donde �̅ es el promedio de las muestras y ��es el patrón; obteniendo los valores que se
muestran en la tabla 3.
Patrón de medida (Grados)
% Error
25 0,035073907 30 0,01978198 50 0,01228041
Tabla 3. Error para cada uno de los patrones. Fuente: Elaboración propia.
Para determinar el porcentaje de compresión en la segunda actividad, se tiene en cuenta el
valor de la presión del aire contenido dentro de la pelota en un estado de reposo y su
equivalente en voltaje tomado por el conversor análogo/digital para precisar el cero; al
realizar las pruebas, se tuvo que el voltaje correspondiente a un estado de reposo es de
0.67v, por lo que la presión dentro de la pelota en un momento inicial es de 73.1062kPa
siguiendo la ecuación 2 que se establece en el datasheet del MPX5700A; donde ���es el
voltaje tomado por el ADC, � es voltaje de alimentación (5v) y ± 2.5% corresponde al
porcentaje de error del sensor.
� =
����
����.��
�.�������± 2.5% (2)
Al continuar con las pruebas, se tuvo 0.85v como máximo valor de voltaje tomado por el
conversor análogo/digital, lo que según la ecuación 2 es 101.1043kPa, correspondiente a la
máxima compresión que aplica una persona sana. A partir de estos valores mínimo y
máximo, se determina el voltaje ( ") adquirido por el ADC equivalente al porcentaje de
compresión que podría realizar el usuario siguiendo la ecuación 3.
" = 0.67 +�.���∗%'�()*+�,ó.
�� (3)
Teniéndose que el sistema es confiable, se procedió a que una persona afectada por el
síndrome del túnel carpiano, realizará 5 sesiones implicando las 3 actividades completas.
Una vez terminada cada sesión la información se grabó en la EEPROM de la tarjeta PSoC
5LP, y cuando las 5 sesiones culminaron, se generó el archivo Excel que muestra la
información puesta en la tabla 4, y las figuras 22,23 y 24, siendo estas gráficas la
representación de los datos de cada actividad según el número de la sesión realizada.
SESION ACTIVIDAD 1 GRADOS REPETICIONES ACTIVIDAD 2 %Compresión ACTIVIDAD 3 TIEMPO
1 1 30 5 2 35 3 300
2 1 31 5 2 40 3 278
3 1 35 5 2 42 3 280
4 1 38 3 2 45 3 270
5 1 38 5 2 50 3 300
Tabla 4. Base de datos usuario con síndrome del túnel carpiano. Fuente: Elaboración propia.
Al realizar la actividad 1, esta persona mostró dificultades debido al avanzado estado del
síndrome, esto se evidencio al llegar al ángulo 38, donde las repeticiones se rfedujeron de 5
a 3 puesto que comenzó a presentar dolor, sin embargo, en una sesión posterior, aunque se
aumentaron las repeticiones de 3 a 5 el ángulo se mantuvo a 38° para evitar posibles dolores
o cansancio. En la figura 22 se muestra el ligero avance que tuvo en las 5 sesiones
realizadas.
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Fecha de envío: Fecha de recepción:
Fecha de aceptación:
Figura 22 Sesiones realizadas vs grados alcanzados. Fuente: Elaboración propia.
En las figuras 23 y 24 se puede mostrar del mismo modo los valores escogidos por el usuario
y logrados por el mismo, de esta manera se puede realizar el seguimiento, viendo que
actividad le cuesta más e incluso saber con qué frecuencia utiliza el sistema exoesquelético.
Figura 23 Sesiones realizadas vs porcentaje de compresión. Fuente: Elaboración propia.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6
GR
AD
OS
SESION
SESION VS GRADOS
GRADOS
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6
% c
om
pre
sió
n
SESION
SESION VS % Compresión
% Apretado
Figura 24 Tiempo de masajes en segundos vs grados alcanzados. Fuente: Elaboración propia.
Conclusiones
• Se logró un prototipo exoesqueleto capaz de realizar tres actividades de rehabilitación
para el síndrome de túnel carpiano las cuales son controladas por medio de una
interfaz gráfica que permite acceder a una base de datos.
• Dado que las medidas del antebrazo y mano de cada persona son diferentes, las
piezas son diseñadas en base a dichas medidas para que cada paciente pueda tener
un exoesqueleto que se ajuste mejor y brinde mayor apoyo en el proceso de
rehabilitación, este prototipo en particular está dirigido para personas de una
contextura mediana.
• Contar con una interfaz interactiva en la que el usuario pueda tener además
información del avance en las terapias, facilita llevar el control para conseguir una
pronta recuperación.
265
270
275
280
285
290
295
300
305
0 1 2 3 4 5 6
MA
SA
JE
SESION
SESION VS MASAJE
TIEMPO
Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
Fecha de envío: Fecha de recepción:
Fecha de aceptación:
• El máximo número de sesiones se limita a nueve, puesto que para un mayor número
implica un aumento del nivel de complejidad del almacenamiento de datos, en adición,
realizar las actividades de manera aleatoria traía consigo una programación aún más
densa que no estaba propuesta para este proyecto pero que puede ser mejorado en el
futuro.
• Como alternativa para llevar a cabo terapias de rehabilitación, este dispositivo
funcional puede ser el punto de partida para ejecutar proyectos innovadores en el área
de la fisioterapia y medicina.
Referencias
[1] C. A. Guevara, and Y. Takeuchi, “Costo-utilidad de intervenciones en pacientes con síndrome del túnel carpiano atendidos en un centro de alta complejidad en Cali, Colombia,” Ciencias la Salud, vol. 13, no. 2, pp. 129–145, 2015.
[2] F. Palencia, O. Garcia y M. I. Riaño, “Carga de la Enfermedad Atribuible al Síndrome de Túnel del Carpo en la Población trabajadora Colombiana: Una Aproximación a los costos Indirectos de una Enfermedad,” Value In Health Regional Issues, vol. 2, pp. 381-386, diciembre 2013.
[3] M. Colon, Y. Hamid, J. Lopez, L. Scully, S. Kim, and B. F. Busha, “3-D Printed Hand Assistive Exoskeleton for Actuated Pinch and Grasp,” pp. 14–15, 2014.
[4] A. Gil, M. Balza “Diseño y construcción de un exoesqueleto de brazo con dos grados de libertad controlado con señales mioeléctricas para rehabilitación motora”, 2015.
[5] J.D. Vivas Mateus, J. Pacanchique Martínez, “Diseño e implementación de exoesqueleto para simulación de prótesis mioeléctrica de antebrazo transradial” [Online], Colombia, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, 2016, Disponible en: http://hdl.handle.net/11349/2838.
[6] J. F. García Robayo, D. A. Ortiz Sierra, “Sistema de rehabilitación metacarpiana
mediante un laberinto” [Online], Colombia, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, 2016, Disponible en: http://hdl.handle.net/11349/2800.
[7] V. Smith, E Ferrés, and M. Montesinos, “manual de embriología y anatomía general” Universitat de Valencia: España, 1992, pp. 461.
[8] F. G. García, I. F. William, D. Silva, I. I. Darío, and R. Reis, “Síndrome del túnel carpiano,” Revista Habanera de Ciencias Médicas, vol. 13, no. 5, pp. 728-741, 2014.
[9] J. Roel Valdés, V. Arizo Luque, and E. Ronda Pérez, “Epidemiología del síndrome del túnel carpiano de origen laboral en la Provincia de Alicante, 1996-2004,” Rev. Esp. Salud Publica, vol. 80, no. 4, pp. 395–409, 2006.
[10] Medicina, Tendinitis [online] Unidad Editorial de Revistas, 2017. Disponible en: htttp://www.dmedicina.com/enfermedades/musculos-y-huesos/tendinitis.html.
[11] Cypress Semiconductor, [online]:http://www.cypress.com/documentation/development-
kitsboards/cy8ckit-059-psoc-5lp-prototyping-kit-onboard-programmer-and. [12] InvenSense, MPU-6000/MPU-6050 Product Specification, PS-MPU-6000A-00, 2013. [13] Arduino, MPU-6050 Accelerometer + Gyro, [online]:
https://playground.arduino.cc/Main/MPU-6050
[14] Freescale Semiconductor, Integrated Silicon Pressure Sensor On-Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated MPX5700 series, 10, 2012.
[15] Python [online]: https://www.python.org/about.
[16] Dassault System, [online]: http://www.solidworks.es/
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