Instituto Tecnologico deAcapulco

Ingeniera en Sistemas Computacionales

Exoesqueleto Terapeutico MiembrosInferiores

Noe Uriostegui Munoz, Oliver Montano Villa

8 de enero de 2015

9 de enero de 2015

Indice general

1. Introduccion 11.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2. Objetivos particulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.3. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.4. Motivacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.5. Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.6. Aportacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Marco teorico 32.1. Conceptos relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1. Terapias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.2. Tipo de ejercicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.3. Caractersticas del Exoesqueleto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.4. Tipos de exoesqueletos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.5. Musculatura de la pierna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.6. Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.7. Informacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2. Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.1. Antecedente 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.2. Antecedente 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.3. Antecedente 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.4. Antecedente 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.5. Antecedente 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3. Metodologa 93.1. Metodologa Estructurada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1.1. Paso 1: Analisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.1.2. Paso 2: Propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.1.3. Paso 3: Ejecucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1.4. Paso 4: Sequimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1.5. Paso 5: Implementacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4. Desarrollo del Prototipo 124.1. Faces de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.1.1. Fase 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.1.2. Fase 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

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4.1.3. Fase 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.1.4. Fase 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.1.5. Fase 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5. Pruebas y resultados 22

6. Conclusion 25

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Indice de figuras

3.1. Metodologia estructurada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2. Modelo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.3. Modelo especifico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.4. Movimiento lateral ejecutado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.5. Movimiento lateral ejecutado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1. Estructura lumbar en 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2. Estructura lumbar y estructura de pierna en 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.3. Diagrama de media rotula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.4. media rotula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.5. Herraje de media rotula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.6. Herraje de detallado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.7. Modulo de presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.8. Eje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.9. Eje detallado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.10. Presion ejercida y de rechazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.11. Administracion de profesores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.12. Movimiento de flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

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Resumen

Este proyecto describe el modelo, control y simulacion de un exoesqueleto mecanico para rehabili-tacion de pacientes con danos motores o con dificultad de caminar causados por una lesion fsicao por algun dano cerebral, el cual tiene como objetivo optimizar la terapia de rehabilitacion y conella la recuperacion del paciente dando un seguimiento especial de rehabilitacion.

La importancia de desarrollar este tipo de investigaciones y proyectos es para crear algo dife-rente en el Instituto tecnologico que ademas de que pueda ser aprovechado y bien enfocado en lasnecesidades de las personas que lo requieran, puede ser que en primer lugar parezca algo rusticopero la diferencia y la motivacion de crear algo que pocas veces se ah visto nos empuja a seguirinvestigando sobre algun tema que nos pueda interesar aplicando las habiliddes adquiridas tantoen el Instituto como en la vida diaria y talentos naturales ya sea en la creacion, desarrollo, diseno,aplicacion, etc.

El diseno propuesto posee 2 grados de libertad que describe los movimientos y las restriccionesde cada una de las articulaciones de las extremidades inferiores del paciente, el cual realizara mo-vimientos terapeuticos especficos, obtenidos a traves de un estudio de trayectorias basadas en lateora de vision artificial.

En el ambiente tridimensional desarrollado en el software Sketchup Pro 2013, podra observar elcomportamiento del exoesqueleto en el momento de realizar diferentes ejercicios de movimientospreviamente investigados. En si el prototipo que se ha elaborado representa los movimientos basicosademas de el principio de modelado del exoesqueleto en el boceto inicial con las imagenes de refe-rencia ubicadas, el modelador 3D comienza su tarea que en este caso es Sketchup Pro 2013. Existenvarias tecnicas utilizadas en el modelado 3D y una de las utilizadas se conoce como modelado decaja.

Como se menciono anteriormente el diseno en 3d es imorescindible en estos tiempos pues si sepretende realizar un mecanismo u otro tipo de maquinaria resulta muy efectiva pues reduce costosen prueba y error, ademas que se puede tener una mejor visibilidad del proyecto que se esta reali-zando,comprendido esto hemos de hacer los modelos mas pequenos que funcionarian en el prototipo.

Posteriormente se haran las piezas necesarias de forma fisica, para esto los costos de desarrollose tienen que considerar de tal forma que este dentro del presupuesto que podamos cubrir.

Por ultimo en el documento esta incluido una breve explicacion del desarrollo del prototipo en3d ademas del costo del material, su utilizacion, y dimensiones y peso que han sido calculadas yestablecidas en el documento siguiente.

Captulo 1

Introduccion

Una de las aplicaciones de la robotica asi como de la mecanica logica dentro de la medici-na desarrollada con el fin de mejorar la vida humana, son los exoesqueletos para rehabilitacion,que ayudan a pacientes con limitacion de movimientos en sus extremidades inferiores y/o superiores.

En el mundo el desarrollo de esta herramienta ha ido aumentando con el tiempo, tan es asi quenos encontramos con estructuras mecanica como; un robot llamado Lokomathaciendo alucion alokomotion o locomocion en espanol, el cual se acoplan a las extremidades inferiores del paciente y,con ayuda mecanica, reproduce un patron de marcha normalizado en el que el tronco queda rectode manera controlada sin lastimar a la persona; otro robot de asistencia es HAL que es un trajemotorizado que se acopla al cuerpo de las personas y consigue que este se mueva sin esfuerzo algunoademas de diversos prototipos Mexicanos que estan en desarrollo entre otros.

En Mexico los avances de investigacion y desarrollo se han ido incrementando gracias a otrasherramientas que hacen mas facil su construccion con las impresoras en 3d que incrmenta el interesparticular de las personas que lo necesiten.

Las patologas que generan danos a nivel motor son diversas y varan segun la ubicacion de lalesion, se pueden presentar en ninos, adolescentes y adultos, con diferentes consecuencias, teniendola necesidad de seleccionar un tipo de patologa en especfico y un rango de edad que comienzadesde los 18 anos.

Existen una serie de tratamientos, medicamentos, cirugas y aparatos ortopedicos que permitesobrellevar las enfermedades, intentando recuperar un porcentaje de control en las extremidadesinferiores, pero no en su totalidad, lo que sera algo ideal, por lo tanto las terapias fsicas especia-lizadas, son realizadas en su mayora de forma manual por un fisioterapeuta, donde se proponendistintos movimientos, a diferentes velocidades, fuerzas y a determinadas repeticiones estas con-cisten en hacer estiramientos de la pierna asistida por un/a fisioterapeuta, despues con caminatastambien asistidas, ademas de nado y cualquier tipo de ejercicio pasivo que pueda ayudar al paciente.

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1.1. Objetivos

1.1.1. Objetivo general

Disenar un protipo mecanico que permita observar el funcionamiento basico y el principio sobreel movimiento que se hace en mecanismos de asistencia terapeutica para pacientes de bajos recurosen el Municipio de Acapulco asi como dar un seguimiento para crear un prototipo de mejor calidady funcionamiento electronico.

1.1.2. Objetivos particulares

Recabar informacion sobre el tipo de terapias motrices.

Investigar que terapias son las mas efectivas.

comparar terapias manuales asistidas por mecanicas.

crear el exoesqueleto fisico y virtual teniendo en cuenta las limitaciones.

Implementacion virtual simulada.

1.1.3. Planteamiento del problema

Como crear un exoesqueleto terapeutico que sea economico y efectivo para personas con bajosrecursos?.

1.1.4. Motivacion

Tener conocimiento de la gravedad de la situacion economica y ademas de la falta de movilidadque pueda tener una persona.

1.1.5. Justificacion

El prototipo ayudara a tener conocimiento y crear una guia de los pasos para realizar unaterapia que le ayude al paciente.

1.1.6. Aportacion

Un prototipo no electronico semifuncional ademas de un protipo virtual.

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Captulo 2

Marco teorico

2.1. Conceptos relacionados

2.1.1. Terapias

La perdida de fuerza o de control de los musculos voluntarios suele describirse como debili-dad. Termino aceptado tanto por pacientes como por facultativos; dejando otras interpretacionespopulares como torpeza o perdida de destreza. En prestigiosos tratados podemos encontrarnosdebilidad como sinonimo de perdida de fuerza muscular. Es patologa frecuente en consultas deUrgencia s y Neurologicas, tras cefaleas, alteraciones de la conciencia y convulsiones. El terminodebilidad es utilizado de forma poco estricta, indistintamente, por pacientes y facultativos, yaque su significado va desde el entumecimiento a la fatiga, pasando por la verdadera falta de fuerza,significado es te ultimo que tras la exploracion fsica no se presta a confusiones

2.1.2. Tipo de ejercicio

Deberemos explorar: fuerza muscular,reflejos osteotendinosos (tendones y huesos) para ello exis-ten terapias de estiramiento de piernas porque el nervio principal de la pierna es el nervio ciatico,pero es importante movilizar tambien los otros nervios de las piernas ya que de una u otra maneraestan relacionados.

Los tipos de ejercicio comunmente se pueden realizar solos o con asistencia de fisioterapeutaspero en muchas ocasiones el paciente necesita moverse solo y un movimiento continuo y controladoes muy recomendable

2.1.3. Caractersticas del Exoesqueleto

La maquina o prototipo contiene diversas partes moviles que son esenciales para su funciona-miento estas son:

Herraje corredizo .

Articulaciones de una sola direccion.

Soporte lumbar.

Sujetadores de extremidades

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2.1.4. Tipos de exoesqueletos

Segun Thomas Sugar, especialista en bionica, cree que los exoesqueletos medicos y militaresganaran popularidad muy pronto, y en seguida llegar al ciudadano comun. En los proximos cincoanos vamos a ver mas y mas exoesqueletos por ah, dice Sugar, un profesor de ingeniera en laUniversidad de Arizona (EE.UU.).

Para entender esto es necesario tener en cuenta los bajos costes de produccion de materiales comoplastico y algunos metales rigidos que ayudarian al uso comun de las personas en la vida diaria sinembargo, antes de convertirse en equipos comerciales, algunas dificultades deben ser superadas. Porejemplo, necesitan una batera lo suficientemente potente como para alimentar estos exoesqueletos,y tambien que interpreten correctamente la intencion del usuario, de manera que el intento porcaminar no se convierta en una lucha contra la maquina.

2.1.5. Musculatura de la pierna

Los musculos y articulaciones de las piernas proporcionan fuerza y estabilidad al cuerpo. Estosmusculos sirven para soportar el peso del cuerpo y proporcionar la potencia necesaria para realizaractividades tan habituales como andar, correr y saltar. Tambien absorben los impactos acumulativosde esas actividades. Los huesos de las piernas estan cenidos por grupos de potentes musculos quepermiten a las piernas doblarse (flexion), estirarse (extension), moverse separandose del cuerpo(abduccion) y juntarse a el (aduccion).

Algunos de estos musculos son relativamente largos e intervienen en mas de un tipo de movi-miento.

2.1.6. Datos

Datos son los hechos que describen realidades del mundo real. Es una palabra en plural que serefiere a mas de un hecho. Son smbolos que describen condiciones, hechos, situaciones o valores, secaracterizan por no contener ninguna informacion. Un dato puede significar un numero, una letra,un signo ortografico o cualquier smbolo que represente una cantidad, una medida, una palabra ouna descripcion.

2.1.7. Informacion

La informacion es el conjunto de datos comunicados por varios tipos de smbolos tales como lasletras del alfabeto, numeros, movimientos de labios, puntos y rayas, senales con la mano, dibujos,etc. Dicho de otra manera, la informacion la componen smbolos ordenados de forma utilizable.

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2.2. Estado del arte

Entre los antecedentes relacionados con el tema estan un grupo de estudios, los cuales son unareferencia necesaria para orientar la investigacion en el desarrollo de nuestro sistema.

2.2.1. Antecedente 1

El estudio del sistema motor humano involucra aspectos cognitivos, neurologicos y biomecani-cos. La importancia de tales estudios llega a ser mas evidente si consideramos su implicacion enel diseno de herramientas artificiales, tales como dispositivos protesicos y ortesicos. El captulopresentara una revision crtica del estado del arte de los dispositivos y plataformas roboticas quehan potenciado estudios e investigaciones en dicho campo. Nos centraremos en plataformas para elmiembro inferior y particularmente en los exoesqueletos roboticos destinados no solo a la investiga-cion sino tambien a la rehabilitacion y asistencia de personas con discapacidades motoras. Teniendoen cuenta estas consideraciones, se concibe la plataforma multimodal basada en un exoesqueletorobotico, que sera utilizado en la presente investigacion.

La historia de la robotica va unida a la construccion de .artefactos, que trataban de materiali-zar el deseo humano de crear seres a su semejanza y que lo descargasen del trabajo. El ingenieroespanol Leonardo Torres Quevedo (GAP) (que construyo el primer mando a distancia para suautomovil mediante telegrafa sin hilo, el ajedrecista automatico, el primer transbordador aereo yotros muchos ingenios) acuno el termino .automatica.en relacion con la teora de la automatizacionde tareas tradicionalmente asociadas. Karel Capek, un escritor checo, acuno en 1921 el terminoRobot.en su obra dramatica Rossums Universal Robots / R.U.R., a partir de la palabra checarobota, que significa servidumbre o trabajo forzado. El termino robotica es acunado por IsaacAsimov, definiendo a la ciencia que estudia a los robots. Asimov creo tambien las Tres Leyes dela Robotica. En la ciencia ficcion el hombre ha imaginado a los robots visitando nuevos mundos,haciendose con el poder, o simplemente aliviando de las labores caseras.

Unos de los mas grandes avances son:

1973 Primer robot con seis ejes electromecanicos Famulus KUKA Robot Group.

1975 Brazo manipulador programable universal, un producto de Unimation PUMA.

2000 Robot Humanoide capaz de desplazarse de forma bpeda e interactuar con las personasASIMO Honda Motor Co. Ltd

2.2.2. Antecedente 2

Despues de haber investigado la historia de la robotica y los principios basicos de la movilidadmotriz tomamos informacion acerca de los tipos de exoesqueletos realizados

Existen varias clasificaciones de estos dispositivos en funcion del tipo de actuadores utilizados(electrico,hidraulico,neumatico,etc.), el tipo de control, lacadena cinematica y la aplicacion objeti-vo . La mayora de los dispositivos actuales son interfaces sujetas a una base externa (grounded).Otra clasicacion se puede hacer teniendo en cuenta su portabilidad. Basandonos en su portabilidadpodemosclasificar a los exoesqueletos como no portatiles y portatiles.

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Exoesqueletos no portatiles Dentro de esta categora se incluyen las estructuras exoesqueleticasque se encuentran ancladas a una base fija, tal como el suelo, la pared o el techo. Engeneral estasinterfaces son mas pesadas y complejas que los exoesqueletos portatiles. Debido a que suelen tenerla capacidad de producir fuerzas de salida mayores. Ademas, la seguridad es especialmente impor-tante en su diseno. En este tipo de dispositivos, el peso y volumen de los actuadores no llega a seruna restriccion en el diseno, teniendo en cuenta que estos pueden residir en la base y transferirselas fuerzas de actuacion a traves de transmisiones como cables y poleas. De esa forma, estos dispo-sitivos pueden construirse utilizando tecnologas tradicionales en actuacion.

Exoesqueletos Portatiles Estas interfaces portatiles se distinguen de las anteriores en que el so-porte sobre el que se apoya todo el peso del exoesqueleto es el propio usuario o un dispositivo movilcon el usuario, como por ejemplo una silla de ruedas. De esta forma los exoesqueletos portatilesejercen las fuerzas de reaccion sobre el usuario en los puntos de sujecion, mientras en los dispositivosno portatiles dichas fuerzas son ejercidas sobre la base.

Segun su cronologia se encuentran

1. a Generacion. Manipuladores. Son sistemas mecanicos multifuncionales con un sencillosistema de control, bien manual, de secuencia fija o de secuencia variable.

2. a Generacion. Robots de aprendizaje. Repiten una secuencia de movimientos que ha sidoejecutada previamente por un operador humano. El modo de hacerlo es a traves de un dis-positivo mecanico. El operador realiza los movimientos requeridos mientras el robot le siguey los memoriza.

3. a Generacion. Robots con control sensorizado. El controlador es una computadora queejecuta las ordenes de un programa y las enva al manipulador para que realice los movimientosnecesarios.

4. a Generacion. Robots inteligentes. Son similares a los anteriores, pero ademas poseen sen-sores que envan informacion a la computadora de control sobre el estado del proceso. Estopermite una toma inteligente de decisiones y el control del proceso en tiempo real.

Para la entrevista se realizaron una serie de visitas a la Unidad Educativa Wenceslao Rijavec deCalceta, que permitieron obtener conocimientos de los procesos internos realizados en la institucion.En entrevista con el Rector y la secretaria se adquirio informacion importante de la misma, con elproposito de identificar los requisitos necesarios para el desarrollo del software propuesto por lospostulantes.

En la fase del analisis los autores recopilaron la informacion relevante que fue utilizada para eldesarrollo del sistema, los requerimientos de administracion y secretaria de la Unidad EducativaWenceslao Rijavec; para cumplir este objetivo fue necesario realizar varias entrevistas al Ing. VctorMartnez, Rector encargado de dicha Institucion, para poder as definir el ambito que conseguirael sistema. El objetivo primordial de esta entrevista fue la de conocer a breves rasgos los procesosque se realizaban diariamente en dicho institucion, as como tambien determinar los requerimien-tos fsicos y de funcionalidad necesarios para el sistema, determinando algunos parametros para laviabilidad y factibilidad del sistema.

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2.2.3. Antecedente 3

Enfocandonos ya en el desarrollo del exoesqueleto hemos realizado la investigacion del compor-tamiento motriz de un mecanismo de este tipo como se ve en el siguiente documento.

El Centro de Evaluacion y Rehabilitacion Bionica y Robotica (Cerebro) presento en Mexico elEkso bionics o exoesqueleto, el cual es un aparato de apoyo para simplificar, aumentar o mejorarla calidad de vida de personas con impedimentos o discapacidades motrices en la marcha.

Marco Antonio Ireta, terapeuta de ese centro, indico que el uso de esta protesis corporal esta reco-mendada para quienes presentan debilidad de extremidades inferiores o paralisis resultante de unalesion de la medula espinal con deficiencia motora completa o menor.

Ademas, como para quienes estan parcialmente inmoviles por secuela de Evento Vascular Cerebral;hemiplejia o lesion cerebral adquirida, esclerosis multiple, sndrome de Guillain-Barre o debilidadgeneralizada causada por otras condiciones.

Entre las caractersticas fsicas que deben tener los candidatos al uso de este aparato estan: unaestatura mnima de 1.60 metros y maxima de 1.90 metros, pesar maximo 100 kilogramos y tenercerca del rango normal de movimiento en las caderas, las rodillas y tobillos.

El unico exoesqueleto que existe en America Latina se encuentra en Cerebro y la primera pa-ciente en usarlo es Laura Ramrez, de 29 anos de edad, quien tres anos atras tuvo un accidente vialy resulto con lesion medular completa.

2.2.4. Antecedente 4

Sabiendo las oportunidades y limitaciones, las caracteristicas mas escencialesde un exoesqueletose apartaron de las que por ahora no estan en el enfoque del prototipo para cubrir la necesidad deProporcionar una herramienta.

El sistema que forma un exoesqueleto mecanico y una persona se puede describir como un siste-ma hbrido donde interactuan fsicamente ambos .actoresde forma dinamica. Particularmente, lascaractersticas cinematicas y dinamicas del miembro inferior imponen diversas restricciones sobreel exoesqueleto robotico. As, la biomecanica del miembro humano en cuestion y sus aproxima-ciones a traves de modelos, proporcionan informacion valiosa para el diseno de estos dispositivosque actuan en paralelo a la persona. Para seleccionar la arquitectura general del exoesqueleto queeste acorde con las extremidades inferiores del paciente y afn con el objetivo de rehabilitacion, serealiza un estudio del modelo geometrico y de la cinematica de esta parte del cuerpo y se analizael movimiento articular del paciente.

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2.2.5. Antecedente 5

Como ultima referencia de antecendetes se ha optado por ver nuevos armazones mecanicos queayuden a desarrollar el prototipo.

Exoesqueleto mecanico o exoesqueleto robot. Es un armazon metalico externo que ayuda a mo-verse a su portador y a realizar cierto tipo de actividades, como lo es el cargar peso. Durantesu funcionamiento, una serie de sensores biometricos detectan las senales nerviosas que el cerebroenva a los musculos de nuestras extremidades cuando vamos a comenzar a andar. La unidad deprocesamiento del exoesqueleto responde entonces a estas senales, las procesa y hace actuar alexoesqueleto en una fraccion de segundo. Entonces decimos que un exoesqueleto es basicamente unrobot que se viste.

El proyecto HALEn un principio el proyecto iba orientado a ayudar a las personas ancianas o discapacitadas a

andar por su propio pie, cosa que se consiguio en el 2000 con el HAL-3. En el 2005 se doto alultimo modelo, el HAL-5 de protesis de cintura para arriba, de unidades de potencia mas compac-tas, se le redujo el peso, se aumento la duracion de la batera y se mejoro su diseno externo. HALson las siglas en ingles de Hybrid Assistive Limb que describen la funcionalidad del traje respectoa la ayuda hbrida a las extremidades.

Exoesqueleto bionico: el supersoldado

La empresa tecnologica SARCOS, ha estado desarrollando este exoesqueleto mecanico que pro-porciona una fuerza sobrehumana a quien lo usa.El funcionamiento es muy sencillo, cuando temetes en el exoesqueleto, este imita tus movimientos, pero multiplicando tu fuerza y potencia. As,seras capaz de mover objetos de enorme peso sin apenas esfuerzo. Seguramente lo hayas visto enpelculas como Alien o Matrix. Bueno, pues ya es real. Y quien si no el ejercito, sera el primero enusarlo. Apanados vamos, porque ademas como les de por anadirle el rocket-belt, apaga y vamonos.

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Captulo 3

Metodologa

3.1. Metodologa Estructurada)

La metodologa sera a base de analisis, propuestas, ejecucion, seguimiento, certificacion, man-tenimiento estos estan concentrados en un pasos secuenciales donde para poder uno se tiene queterminar el otro. Para seleccionar la arquitectura general del exoesqueleto que este acorde con lasextremidades inferiores del paciente y afn con el objetivo de rehabilitacion, se realiza un estudio delmodelo geometrico y de la cinematica de esta parte del cuerpo y se analiza el movimiento articulardel paciente.

En la figura 1 se muestra la metodologa LGS. Esta metodologa se considera de tipo estructu-rada, ya que requiere se cumplan todas las etapas, para poder cumplir las siguientes.

Figura 3.1: Metodologia estructurada

Se maneja como proyecto contiene un volumen de datos y transacciones considerables ademasde que abarca varias areas organizativas contiene un tiempo de desarrollo y requiere que se cumplantodas las etapas, para poder cumplir las siguientes (progresion lineal y secuencial de una fase a laotra)

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3.1.1. Paso 1: Analisis

Para seleccionar la arquitectura general del exoesqueleto que este acorde con las extremidadesinferiores del paciente y afn con el objetivo de rehabilitacion, se realiza un estudio del modelogeometrico y de la cinematica de esta parte del cuerpo y se analiza el movimiento articular delpaciente.

Figura 3.2: Modelo general

3.1.2. Paso 2: Propuesta

La primera articulacion A1 esta unida a la base M0 y al eslabon M1, es una articulacion tiporotula (junta con tres articulaciones rotoides con ejes concurrentes [18]), y simboliza la articulacionde la cadera. La segunda articulacion A2 que une los eslabones M1 y M2. Representara la articula-cion de la rodilla, la cual es rotoide de dos ejes concurrentes Y y Z. La tercera articulacion A3 queune los eslabones M2 y M3, indica la articulacion del tobillo que sera una articulacion tipo rotula.Esta relacion es la misma para la pierna izquierda como se observa a continuacion.

Figura 3.3: Modelo especifico

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3.1.3. Paso 3: Ejecucion

Se investigara de la manera mas adecuada y comoda para crear un producto estable y quesatisfaga nuestras expectativas. Debido a las investigaciones que se han hecho en el campo de larehabilitacion se tienen que hacer las ecuaciones y simulaciones complementarias para el desarrollodel mismo.

Figura 3.4: Movimiento lateral ejecutado

3.1.4. Paso 4: Sequimiento

Obtenido todos los modelos matematicos, as como la ejecucion del prototipo y el tratamientode las trayectorias, es necesario desarrollar la simulacion en un ambiente 3D empleando Sketchup yUnity, teniendo en cuenta la fsica eintegrada en el modelo simulado gracias a los datos recabadosdel peso, fuerza y hasta la gravedad.

Figura 3.5: Movimiento lateral ejecutado

3.1.5. Paso 5: Implementacion

La presentacion del prototipo es lo mas importante para nosotros pues estamos conscientes delas limitaciones tanto de tiempo y materiales para obtener un bueno producto no obstante siendolos mas realistas posible es un reto que debemos cubrir con nuestro mayor esfuerzo.

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Captulo 4

Desarrollo del Prototipo

4.1. Faces de desarrollo

Con la metodologia antes mencionada se procede a crear la estructura base en la cual aplicaremoslos calculos y los

4.1.1. Fase 1

Tipo de estructura a desarrollar. Mediante la herramienta Sketchup 2013 Pro se crea unaestructura que cumpla con los requsitos requeridos y asi tener una base virtual que sostenga elmetodo estructurado.

Se consdera escencial hacer primero el soporte lumbar oblicuo y vertebral ya que la cadera sos-tiene.

Es muy importante crear una medida exacta para el paciente mayor de edad pues el soporte lumbartiene un peso de 3 kg, no obstante el paciente solo cargara aproximadamente 1.5 a 2 kg pues laspiernas se encargan de recibir el peso

Figura 4.1: Estructura lumbar en 3D

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Desarrollo General virtual. Teniendo en cuenta que el desarrollo en 3d es escencial se procededespues de haber creado el tipo de estructutra es escencial hacer la estructura general .

Teniendo el soporte lumbar que se piensa hacer de aluminio con un espesor de 3 mm posteriormentese crean las uniones rotatorias para el movimiento de 2 grados de libertad siendo limitada a +38.5grados y -15 grados para asi tener un control del movimiento optimo

Habiendo creado las extremidades que unen el soporte lumbar con los 38.5 grados hacia adelante secrea la seccion de la rodilla, esta misma es la seccion con un conjunto de piezas importantes parael movimiento deseas haciendo pauta en el desarrollo del mismo.

Figura 4.2: Estructura lumbar y estructura de pierna en 3D

4.1.2. Fase 2

Creacion de la media rotula (rodilla) Le hemos dado el nombre de media rotula 2a que solotiene dos grados de libertad pero aun asi es muy escencial para la accion de caminar

Diseno total Mediante la herramienta Sketchup se crean partes escenciales para el funciona-miento de la media rotula.

4.1.3. Fase 3

Partes de la media rotula El numero de grados de libertad del exoesqueleto mecanico vienedado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen. Puesto que las articulaciones

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Figura 4.3: Diagrama de media rotula

empleadas son unicamente de rotacion (desplazamiento angular), con un solo grado de libertadcada una, el numero de GDL del exoesqueleto coincide con el numero de articulaciones que locomponen. se definen 2 articulaciones rotacionales para cada pierna, por lo tanto el exoesqueletorobotico posee 4 GDL.

El diseno esta basado en la morfologa humana bpeda pues es un diseno funcional entre los mamfe-ros y ademas de su versatilidad en las extremidades superiores. Tambien tenemos en cuenta los cos-tos del material y el peso que soportara una persona Basandonos en productos como el siguiente.La empresa israelita ARGO Medical Technologies ha desarrollado un exoesqueleto para personascon paralisis en las piernas llamado ReWalk. El aparato funciona gracias a un motor electrico conbatera recargable que junto a una serie de sensores que mandan senales a un ordenador colocadoen la mochila que es parte de la estructura, permite a las personas con este tipo de problemas fsicoslevantarse de la silla de ruedas y volver a caminar

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Figura 4.4: media rotula

Figura 4.5: Herraje de media rotula

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Especificacion de partes Como se ha mencionado antes, a esta parte corresponde la mayorinversion en tiempo y esfuerzo del proyecto. El desarrollo de las partes mas pequenas y movilesdefinen el tipo de movimiento a realizar.

El herraje mostrado en la Figura 10 tiene un tamano de 6cm x 3cm x 2 cm,este tiene la fun-cion principal de ir acoplado en la parte superior de rodilla y la extremidad de la pierna en elexoesqueleto.

Este todo un rodillo que funciona como polea ya que un cable lo atravieza dando movilidad alcable.

Figura 4.6: Herraje de detallado

El movimiento de la rodilla es en donde nos enfocamos con mayor interes ya que tiene 10 cmde ancho para dar estabilidad y soportar 10kg de todo el peso neto del material aproximadamentees ahi donde la pierna y la antepierna se coordinan con un angulo de 39 grados aproximadamente.

Media rotula La media rotula completa esta dada por el herraje con los rodillos y tiene uneneje entre la parte de la pierna y el tobillo que es un tornillo de 11 cm de largo y .7 cm de ancho,este funciona como eje ya antes mencionado pero esta fijado gracias a un modulo de presion a basede remaches de acero.

Da soporte a la rodilla que esta formada por la union de 2 importantes huesos, el femur en suporcion distal, y la tibia en la porcion proximal. Dispone asimismo de un pequeno hueso, llamadorotula, que se articula con la porcion anterior e inferior del femur. Puede realizar principalmentemovimientos de flexion y extension.

Esta rodeada por una capsula articular y varios ligamentos que le dan estabilidad. En susproximidades se insertan potentes musculos que hacen posible el movimiento de la extremidad.

El eje que es el tornillo funciona con dos grados de libertad tanto + y - ademas de que el aceroda soporte a 10 kg de peso en la accion de flexion y extension con 39 grados.

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Figura 4.7: Modulo de presion

Figura 4.8: Eje

Teniendo en cuenta la presion que soporta se ha remachado de manera que se le da estabilidad.Si los datos son correctos desplegara el mensaje como se muestra en la figura 7 y se habra abierto

la sesion, mandando al usuario a la pagina principal del sistema.

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Figura 4.9: Eje detallado

Figura 4.10: Presion ejercida y de rechazo

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Simulacion completa Despues de haber hecho las partes individuales la presentacion delprototipo virtual es lo mas importante para nosotros pues estamos conscientes de las limitacionestanto de tiempo y materiales para obtener un bueno producto no obstante siendo los mas realis-tas posible es un reto que debemos cubrir con nuestro mayor esfuerzo. Con la misma herramientaSketchup es posible animar el prototipo teniendo en cuenta el tiempo.

Figura 4.11: Administracion de profesores

En estos momentos el prototipe esta en modo idle o desocupado en el lexico de la animacion,este estado es neutral sin movimiento alguno y es generalmente en el inicio de un proceso.

Para realizar un movimiento es necesario tener en cuenta las limitacion en grados de libertady la gravedad de 9.81 Newton/s al cuadrado entonces tenemos un aproximado de 98 Newtons depeso total.

Habiendo calculado procedemos a realizar los movimientos necesariosAdemas,el sistema musculo-esqueletico no solo trabaja como un generador de fuerza, sino que

tambien posee una viscoelasticidad no lineal. En este sentido, diversos estudios han propuesto elcontrol de la impedancia mecanica como un metodo importante en el control motor humano. Enel sistema musculo esqueletico humano, los huesos no son cuerpos rgidos, peroteniendoencuenta-supequenadeformacionbajolaaplicaciondeesfuerzos,

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Figura 4.12: Movimiento de flexion

4.1.4. Fase 4

Despues de haber realizado una identificacion del sistema y teniendo ya un modelo del cualpartir, se procede a dar parte con el diseno de cada una de las piezas con las que se realizara laconstruccion estructural del exoesqueleto. Para la construccion del diseno estructural, se han se-leccionado una serie de materiales que son mas comunmente utilizados en el diseno de ingenieramecanica, como lo son, aluminio, acero, titanio y una especie de polmero nombrado nylamid. Sedescribiran cada uno de estos 4 materiales, mostrando sus propiedades y aplicaciones, haciendo unadebida comparacion entre cada uno y al final determinando el mas adecuado para su utilizacion enel proyecto. A continuacion se procede a describir cada uno de los materiales. El aluminio es unmetal no ferroso, y es el mas abundante de los metales, constituyendo cerca del 8 % de la cortezaterrestre. Sus propiedades han permitido que sea uno de los metales mas utilizados en la actualidad.

Es de color blanco y es el mas ligero de los metales producidos a gran escala. Es el unico me-tal que proporciona dureza con bajo peso, es sumamente facil de pulir, tenaz, ductil y maleable,posee una gran resistencia a la corrosion y alta conductividad termica y electrica, teniendo la mejorrelacion beneficios - costo que cualquier otro metal comun. Brinda a los ingenieros, arquitectos,disenadores, etc., la posibilidad de desarrollar una gran variedad de disenos, ya sea con el uso deperfiles estandares o a traves del desarrollo de perfiles personalizados. La ligereza de la masa (peso)del aluminio es una de las propiedades mas conocidas que este metal posee. Un centmetro cubicode aluminio puede tener una masa de aproximadamente 2,699 g, comparado con los 7,85 g del aceroy 8,46 g del cobre. Su peso es casi un tercio del acero.

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Propiedades del aluminio:

Ligero

De baja densidad

Ductil y maleable pero a temperatura cercana a su punto de fusion se vuelve quebradizo

Buen conductor de calor

No es toxico

Si se combina con otros metales la nueva aleacion es dura y liviana

Resiste el ataque de la mayora de los acidos organicos

Resistente a la corrosion

Debido a su gran reactividad qumica, el aluminio se usa finamente pulverizado como combustiblesolido de cohetes espaciales y para aumentar la potencia de los explosivos. Tambien se usa comoanodo de sacrificio y en procesos de aluminotermia (termita) para la obtencion y soldadura demetales.

4.1.5. Fase 5

En este caso se iniciara con el registro de datos reales por parte de los usuarios para hacerpruebas. Posteriormente, se realizara un reporte de problemas detectados en base a las pruebasobtenidas de la operacion del sistema. Finalmente, se terminara con la actividad de generacion deun reporte de resultados obtenidos.

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Captulo 5

Pruebas y resultados

Las pruebas concluyentes son dadas por el prototipo virtual ya que el prototipo fisico no ahsido terminado aun por falta de material y preupuesto con un coste total actual de 745.50 pesosmexicanos, aun asi hemos creado un sistema rustico pero que compone las bases y principios demovimiento de la rodilla.

El peso total del aparato fue de 12.67 kg, teniendo la mayor parte del peso en las extremida-des inferiores con un peso aproximado de 4.23 kg en la pierna completa derecha y 4.30 kg en lapierna completa izquierda proporcionando estabilidad.

Se hicieorn pruebas con el protipo fisico y se obtuvo soporte, estabilidad, pero no la suficientefuerza de flexion para hacer caminar a una persona como se esperaba; no obstante aunque no secamino con la facilidad que pensabamos que habria si lo hizo aunque con dificultades entre otrascosas de la fuerza de gravedad que no soportaba un peso muerto de pierna de 20 kg pero si demenor peso y masa.

Por cuestiones de poca decision y planeacion no elaboramos una base de datos que recabara lainformacion de los grados de libertad que una persona podia hacer en el metodo practico ya queen toria serian de 30.5 grados bidireccionales.

A continuacion se muestran el movimiento de las articulaciones:

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Captulo 6

Conclusion

Con lo referente a esta prueba, se realizara una serie de pruebas las cuales tendran diferentespesos para poder verificar cuanto peso podra soportar nuestro exoesqueleto. Los resultados espera-dos a partir de las pruebas que se realizaran, nos mostraran si el exoesqueleto es funcional y sobretodo confiable para su uso. Primeramente se tendra que verificar si el paciente es apto para el usodel exoesqueleto, ademas se tendra en cuenta el estilo de vida del paciente. Uno de los resultadosesperados es la capacidad de resistencia que tendra el exoesqueleto, ademas de la flexibilidad quese tendra de acorde a cada paciente.

La propuesta es crear un exoesqueleto terpauetico que ayude en el progreso de terapia motriza personas con debilidad muscularSe espera obtener

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Bibliografa

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