Instituto Politécnico Nacional · 2017. 6. 9. · instituto politécnico nacional escuela superior de ingenierÍa mecÁnica y elÉctrica departamento de ingenierÍa en control y

InstitutoPolitécnicoNacionalESCUELASUPERIORDEINGENIERÍAMECÁNICAYELÉCTRICA

DEPARTAMENTODEINGENIERÍAENCONTROLYAUTOMATIZACIÓN

“DISEÑOYACCIONAMIENTODEUN

DISPOSITIVOREHABILITADORDEMUÑECA”

TESIS

QUEPARAOBTENERELTÍTULODE

INGENIEROENCONTROLYAUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN:

MARIOHUMBERTOCRUZRODRÍGUEZ

GERARDODOMÍNGUEZCASASOLA

ASESORES:

M.ENC.MAURICIOAARÓNPÉREZROMERO

ING.ADRIÁNESTEBANMEJÍAGARCÍA

MÉXICO,D.F.DICIEMBRE2013

AGRADECIMIENTOS

Diseño y accionamiento de un dispositivo rehabilitador de muñeca

AGRADECIMIENTOS Primero que nada gracias a mis padres, quienes siempre me han y me siguen apoyando en cada una de mis decisiones; quienes me han motivado a seguir adelante, a superarme y a ser mejor cada día, y que si hoy soy lo que soy es gracias a ellos y por ellos. Gracias por estar siempre para mí, para mis hermanos y para toda mi familia; gracias por su cariño, por su reconocimiento, por sus llamadas de atención, por su ejemplo, por estar siempre al pendiente de mí. No hay manera en que pueda pagarles, así que solo me queda corresponderles de la misma forma, con mi cariño y apoyo incondicional. Gracias a mis hermanos que siempre han estado a mi lado, que de alguna u otra forma me han apoyado a lo largo de mi vida; por sus muestras de afecto, sus bromas, por el tiempo que pasamos juntos y que parece nunca terminar. A mi novia, quien me ha soportado todo este tiempo y que espero me soporte por el resto de mi vida, eres única, te amo. A mis amigos, que no son muchos pero en verdad son los mejores. Gracias a mis profesores, los cuales lograron que mi estancia en la carrera haya sido tanto grata, como provechosa y satisfactoria. Especialmente, gracias a nuestros asesores, pues sin ellos no sé qué hubiera sido de nuestro proyecto. A la Gloriosa ESIME Unidad Zacatenco. Y por último, gracias al Instituto Politécnico Nacional, por abrirme sus puertas y permitirme graduar como Ingeniero dentro de sus instalaciones.

Mario Humberto Cruz Rodríguez

AGRADECIMIENTOS


AGRADECIMIENTOS

Con todo el cariño, agradezco a esas personas importantes en mi vida, que siempre

estuvieron listas para brindarme toda su ayuda y quienes me han formado para saber

luchar ante las adversidades que se presentan en la vida.

A Dios por motivarme a continuar y darme la oportunidad más importante, la vida.

Agradezco especialmente a mi maravillosa familia, a mi padre, madre, hermano y hermana,

que hicieron todo para que yo pudiera lograr mis sueños, por motivarme y darme la mano

cuando sentía que el camino se terminaba, a ustedes por siempre mi corazón y mi

agradecimiento.

Agradezco al Instituto Politécnico Nacional por permitirme ser parte de esta gloriosa

Institución y haberme formado en el ámbito profesional, honrando con placer y orgullo sus

colores y ejerciendo ante la sociedad “La técnica al servicio de la Patria”.

A mi gloriosa ESIME Unidad Zacatenco por darme las herramientas necesarias en mi

formación académica y lograr uno de mis objetivos.

A mis profesores, especialmente a nuestros asesores, por compartir sus conocimientos,

consejos, y brindarnos sobre todo su apoyo y disposición, ya que fueron en todo momento

la base para la realización de este proyecto.

Y por último, a mis familiares y amigos que me impulsaron para seguir adelante, a todos y

cada uno de ustedes, con aprecio y esfuerzo, Gracias.

Gerardo Domínguez Casasola

DEDICATORIA


DEDICATORIA

A mis padres.

Mario Humberto Cruz Rodríguez

DEDICATORIA


DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mi familia quienes me han apoyado inmensamente para llegar a esta

instancia de mis estudios, a mis padres que se han preocupado de mí desde el momento en

que llegue a este mundo. A mi madre amada, quien sin su amor, apoyo, trabajo y sacrificios

no llegaría a realizar cada una de mis metas, por brindarme cada palabra de aliento,

desvelo, esfuerzo y fortaleza para seguir adelante sin importar los tropiezos que se crucen

en lo más importante que es la vida. A mi inigualable padre porque gracias a él sé que la

responsabilidad se la debe vivir como un compromiso de dedicación y esfuerzo, por darme

esas enseñanzas de rectitud, entrega, honestidad y trabajo, pero sobre todo por haber

formado a la persona que ahora soy. A mi amigo y hermano, por el incondicional abrazo que

me motiva y recuerda que detrás de cada detalle existe el suficiente alivio para empezar

nuevas búsquedas, que por su apoyo y paciencia me ha ayudado a confiar y darme la

oportunidad de culminar esta etapa de mi vida. A mi querida hermana por su respaldo y

cariño siempre presente, quien me enseña que con sus palabras y acciones me motiva y que

son esenciales para continuar, por tener ese carácter, que a pesar de ser la menor de los

hermanos, es la base de nuestro entorno familiar y que me siento orgulloso de que ella

lograra en un futuro esta instancia de formación académica y profesional.

A una persona muy especial quien se encuentra en el cielo, a ella por cuidarme y darme su

cariño, por confiar en mí y brindarme sus buenos deseos; que desde pequeño sentí un

hermoso cariño que no se puede explicar, te dedico a ti también por que fuiste parte

fundamental para poder lograr lo que ahora estoy cumpliendo, quedas en mí hoy y siempre,

y sé que estarás apoyándome; con todo el corazón para ti, mi querida Tía Dolores. A mi Tío

Andrés por darme el calor y cariño de su hogar, por los buenos ratos que pase con todos y

cada uno de ustedes, por ayudarme a crecer y a ser más fuerte para enfrentar la vida.

A toda mi familia, tíos, primos y amigos que con su respaldo han hecho esto posible, con

admiración se las dedico a ustedes.

Gerardo Domínguez Casasola

ÍNDICE


ÍNDICE RESUMEN .............................................................................................................................................................. i

OBJETIVO GENERAL ...................................................................................................................................... iii

OBJETIVOS PARTICULARES ....................................................................................................................... iii

ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................................... iv

ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................................................... viii

JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................................................ ix

SIMBOLOGÍA Y UNIDADES .......................................................................................................................... xi

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................................. xii

CAPÍTULO I ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................ 1

1.1 Introducción ........................................................................................................................................... 2

1.2 Antecedentes históricos .................................................................................................................... 2

1.2.1 Breve historia de la rehabilitación ........................................................................................ 3

1.2.2 Historia de la rehabilitación en Latinoamérica ................................................................ 4

1.3 Últimos avances tecnológicos .......................................................................................................... 6

1.3.1 Dispositivos desarrollados en México ................................................................................ 10

1.4 Planteamiento del problema ......................................................................................................... 13

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 15

2.1 Introducción ......................................................................................................................................... 16

2.2 Anatomía de la muñeca .................................................................................................................... 16

2.2.1 Sistema óseo ................................................................................................................................. 16

2.2.2 Ligamentos del carpo................................................................................................................ 17

2.2.3 Articulación radiocarpiana ..................................................................................................... 17

2.2.4 Articulaciones intercarpianas ............................................................................................... 18

2.2.5 Articulación mediocarpiana ................................................................................................... 18

ÍNDICE


2.3 Rangos de movimiento..................................................................................................................... 19

2.3.1 Movimientos activos ................................................................................................................. 19

2.3.2 Máximos momentos isométricos generados por los músculos de la muñeca en

flexión - extensión y radial-ulnar desviación ............................................................................. 23

2.4 Lesiones de muñeca .......................................................................................................................... 24

2.5 Rehabilitación de las lesiones de muñeca ................................................................................ 25

2.6 Mecanismos .......................................................................................................................................... 28

2.7 Actuadores ............................................................................................................................................ 32

2.7.1 Motores de corriente continua ............................................................................................. 32

2.7.2 Servomotor ................................................................................................................................... 34

2.7.3 Motor lineal .................................................................................................................................. 34

2.7.4 Motor a pasos ............................................................................................................................... 35

2.8 Interfaz ................................................................................................................................................... 36

2.9 Adquisición de datos ......................................................................................................................... 37

CAPÍTULO III DISEÑO CONCEPTUAL Y SIMULACIÓN DEL PROTOTIPO .................................. 40

3.1 Introducción ......................................................................................................................................... 41

3.2 Criterio de diseño ............................................................................................................................... 41

3.3 Parámetros de diseño ....................................................................................................................... 42

3.4 Diseño conceptual .............................................................................................................................. 44

3.5 Materiales .............................................................................................................................................. 47

3.5.1 Aluminio ........................................................................................................................................ 47

3.5.2 Latón ............................................................................................................................................... 48

3.5.3 Hierro .............................................................................................................................................. 49

3.5.4 Acero ............................................................................................................................................... 50

3.5.5 Nylamid .......................................................................................................................................... 51

ÍNDICE


3.6 Sistema IPS ........................................................................................................................................... 53

3.7 Simulación ............................................................................................................................................. 55

3.8 Especificación de las características de los actuadores ...................................................... 61

3.8.1 Actuador lineal ............................................................................................................................ 62

3.8.2 Actuador rotacional ................................................................................................................... 63

CAPÍTULO IV IMPLEMENTACIÓN ........................................................................................................... 65

4.1 Introducción ......................................................................................................................................... 66

4.2 Construcción del dispositivo ......................................................................................................... 66

4.3 Accionamiento de actuadores ....................................................................................................... 68

4.3.1 Etapa de Potencia ....................................................................................................................... 70

CAPÍTULO V PRUEBAS Y RESULTADOS ................................................................................................ 74

5.1 Introducción ......................................................................................................................................... 75

5.2 Pruebas con giroscopio .................................................................................................................... 76

5.2.1 Movimiento activo de aducción – abducción de la muñeca ....................................... 77

5.2.2 Movimiento pasivo de aducción – abducción de la muñeca con la asistencia del

mecanismo ............................................................................................................................................... 78

5.2.3 Movimiento activo de flexión – extensión de la muñeca ........................................... 78

5.2.4 Movimiento pasivo de flexión – extensión de la muñeca con la asistencia del

mecanismo ............................................................................................................................................... 79

5.3 Curvas de movimiento y área de trabajo de la muñeca ...................................................... 80

CAPÍTULO VI COSTO DEL PROYECTO ................................................................................................... 89

6.1 Introducción ......................................................................................................................................... 90

6.2 Costo de insumos ............................................................................................................................... 90

6.3 Costo de Ingeniería ............................................................................................................................ 93

6.3.1 Costo de Ingeniería de detalle ............................................................................................... 93

ÍNDICE


6.3.2 Costo de mano de obra ............................................................................................................. 93

6.4 Costos indirectos ................................................................................................................................ 94

6.5 Costo total del proyecto ................................................................................................................... 95

CONCLUSIONES .............................................................................................................................................. 96

TRABAJOS A FUTURO................................................................................................................................... 98

REFERENCIAS ................................................................................................................................................. 99

GLOSARIO ...................................................................................................................................................... 104

APÉNDICES .................................................................................................................................................... 106

ANEXOS ........................................................................................................................................................... 129

RESUMEN

Diseño y accionamiento de un dispositivo i rehabilitador de muñeca

RESUMEN

La tasa de mexicanos con lesiones de mano o muñeca que requieren sesiones de

rehabilitación actualmente es muy alta considerando el limitado número de físico-

terapeutas disponibles, además de que una tardía rehabilitación puede generar mayores

dificultades en la recuperación del paciente. La falta de terapeutas puede ser

compensada con la implementación de dispositivos rehabilitadores automáticos o

semiautomáticos que reproduzcan los movimientos activos de la muñeca y asistan a la

rehabilitación de ésta misma.

En este trabajo se presenta el diseño, simulación e implementación de un dispositivo

rehabilitador de muñeca de estructura, composición y construcción simple, de

accionamiento semiautomático con 2 grados de libertad para la reproducción de los

movimientos activos de la muñeca: flexión – extensión (115°), abducción – aducción

(60°) y con capacidad de generar el movimiento de circunducción, además de contar con

la adquisición y muestra de datos acerca del alcance en los movimientos generados para

la rehabilitación.

Para ello, se lleva a cabo un estudio de la historia y evolución de los mecanismos

rehabilitadores de muñeca hasta abordar los mecanismos actuales, presentes tanto en

México como en el resto del mundo.

A continuación se analiza la biomecánica del carpo para comprender su funcionamiento

de una forma simple y así poder proponer un mecanismo que logre reproducir el

movimiento activo de éste.

A partir de una lluvia de ideas se efectúan diversos bosquejos de mecanismos propuestos

tomando en cuenta las dimensiones antropométricas de la población mexicana y los

movimientos que se desean reproducir con los alcances necesarios. Posteriormente se

procede a simular el diseño que mejor cumple con los requerimientos planteados y así

comprobar la correcta interacción entre las partes que duplicarán en conjunto los

RESUMEN

Diseño y accionamiento de un dispositivo ii rehabilitador de muñeca

movimientos activos de la muñeca. Al final de esta etapa se eligen los materiales con los

que se construirá el mecanismo y los actuadores precisos que le proporcionarán el

movimiento.

Para la etapa de implementación se materializa la estructura, se adaptan los actuadores y

se prosigue con la programación de accionamiento de estos últimos en un

microcontrolador, adquiriendo desde el mismo código los datos para la interfaz de

visualización. Además, apoyándose de los cálculos hechos en el diseño del mecanismo se

realiza un análisis de funcionamiento y alcance del dispositivo en cuanto a rangos de

movimiento y grados de libertad se refiere, obteniendo un mapa final del área que logra

cubrir el dispositivo y comparándolo con el área de acción de una muñeca sana

idealmente.

Por último, se efectúa un análisis de los costos generados por la realización del proyecto

de diseño, implementación y accionamiento de un dispositivo rehabilitador de muñeca.

OBJETIVO GENERAL

Diseño y accionamiento de un dispositivo iii rehabilitador de muñeca

OBJETIVO GENERAL Diseñar y accionar un mecanismo que sea capaz de reproducir los movimientos activos

naturales de la muñeca (flexión-extensión, aducción-abducción), para la de

rehabilitación de ésta.

OBJETIVOS PARTICULARES

Realizar un diseño conceptual del dispositivo rehabilitador de muñeca y elegir los

actuadores que proporcionarán el movimiento.

Desarrollar un prototipo experimental.

Accionar el mecanismo rehabilitador de muñeca según parámetros generales ya

preestablecidos.

Efectuar pruebas al mecanismo para comprobar si se cumple con los requisitos.

ÍNDICE DE FIGURAS

Diseño y accionamiento de un dispositivo iv rehabilitador de muñeca

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO I Figura 1.1 Robot MIT-Manus rehabilitación para muñeca .............................................................. 7

Figura 1.2 Dispositivo Háptico Universal ............................................................................................... 8

Figura 1.3 Dispositivo InMotionSystem ................................................................................................... 8

Figura 1.4 DULEX-II para rehabilitación de muñeca .......................................................................... 9

Figura 1.5 Robot Arm Assist ........................................................................................................................ 9

Figura 1.6 RoboTherapist3D ..................................................................................................................... 10

Figura 1.7 Robot industrial para rehabilitación BUAP .................................................................... 10

Figura 1.8 Dispositivo rehabilitador Tee-R ......................................................................................... 11

Figura 1.9 Vista frontal del diseño del prototipo de exoesqueleto para rehabilitación del

miembro superior .......................................................................................................................................... 12

Figura 1.10 Diseño del mecanismo para equipo rehabilitador de hombro ............................ 12

CAPÍTULO II Figura 2.1 Huesos de la Muñeca ............................................................................................................... 17

Figura 2.2 Eje de referencia de la mano ................................................................................................ 19

Figura 2.3 Limites de movimiento activo de la muñeca a) abducción-aducción y b)

flexión-extensión............................................................................................................................................ 20

Figura 2.4 Segmento estable de la muñeca y la mano ..................................................................... 21

Figura 2.5 Posición funcional de la mano ............................................................................................. 22

Figura 2.6 Grado máximo de movimientos efectuados por la articulación (radio carpiana

o medio carpiana) para los movimientos de flexión y extensión de la mano ........................ 22

Figura 2.7 Lesión de tendón Tenosinovitis de Quervain ................................................................ 24

Figura 2.8 Esguince de ligamentos .......................................................................................................... 25

Figura 2.9 Fractura de escafoides ............................................................................................................ 25

Figura 2.10 Inmovilización de la muñeca ............................................................................................. 26

Figura 2.11 Ejercicio del movimiento de a) flexión, b) extensión de la muñeca levantando

suavemente la mancuerna ......................................................................................................................... 27

Figura 2.12 a) y b) Ejercicios de resistencia progresiva ................................................................. 27

ÍNDICE DE FIGURAS

Diseño y accionamiento de un dispositivo v rehabilitador de muñeca

Figura 2.13 Eslabón tipo biela, formado por tornillos, arandelas, cabeza de biela y

casquillos ........................................................................................................................................................... 29

Figura 2.14 a) Par cilíndrico b) Par de revolución ............................................................................ 30

Figura 2.15 a) Par prismático b) Par helicoidal ................................................................................. 30

Figura 2.16 a) Par esférico b) Par plano ............................................................................................... 31

Figura 2.17 Clasificación actuadores eléctricos ................................................................................. 33

Figura 2.18 Diagrama general de un SAD ............................................................................................. 38

CAPÍTULO III Figura 3.1 Dimensiones antropométricas ............................................................................................ 43

Figura 3.2 Par prismático para movimiento de pronación – supinación ................................. 44

Figura 3.3 Par prismático para movimiento de aducción - abducción ..................................... 45

Figura 3.4 Par de revolución para movimiento de flexión - extensión ..................................... 45

Figura 3.5 Simulación del diseño conceptual propuesto (sin estructura de soporte) ........ 46

Figura 3.6 Diseño conceptual del mecanismo rehabilitador ........................................................ 46

Figura 3.7 Perfil de Aluminio ranurado de IPS ................................................................................... 53

Figura 3.8 Dimensiones perfil de Aluminio de IPS de la serie 45 estándar ............................ 53

Figura 3.9 Comparación de costos al utilizar Aluminio o acero .................................................. 54

Figura 3.10 Perfil IPS .................................................................................................................................... 55

Figura 3.11Estructura de soporte para el mecanismo rehabilitador ........................................ 56

Figura 3.12 Base de reposo del brazo .................................................................................................... 56

Figura 3.13 Soporte de la base de reposo del brazo y del servomotor rotacional ............... 57

Figura 3.14 Soporte del motor lineal ..................................................................................................... 57

Figura 3.15 Transmisión de movimiento del par prismático entre el motor lineal y el

mango. ................................................................................................................................................................ 58

Figura 3.16 Interacción entre el vástago del motor lineal y el mango de sujeción por

medio del eslabón .......................................................................................................................................... 58

Figura 3.17 Interacción del movimiento par cinemático con el resto del mecanismo ....... 59

Figura 3.18 Mango de sujeción para desplazamiento de movimientos de la muñeca ........ 59

Figura 3.19 Barra sólida de Aluminio .................................................................................................... 60

Figura 3.20 Eslabón de deslizamiento ................................................................................................... 60

ÍNDICE DE FIGURAS

Diseño y accionamiento de un dispositivo vi rehabilitador de muñeca

Figura 3.21 Dispositivo ensamblado ...................................................................................................... 60

Figura 3.22 a) y b) Dispositivo rehabilitador propuesto movimiento aducción –

abducción (45°- 15°) .................................................................................................................................... 61

Figura 3.23 a) y b) Reproducción de los movimientos de flexión-extensión de la mano

(57.5°-57.5°) .................................................................................................................................................... 61

Figura 3.24 Actuador lineal Firgelli L16 ............................................................................................... 62

Figura 3.25 Actuador rotacional SG-5010 ............................................................................................ 63

CAPÍTULO IV Figura 4.1 a) Ensamble de perfil IPS para la base del prototipo b) Estructura final de

ensamble de perfil IPS.................................................................................................................................. 66

Figura 4.2 Actuador rotacional montado sobre la estructura ...................................................... 67

Figura 4.3 Actuador lineal montado sobre la estructura base ..................................................... 67

Figura 4.4 Vista lateral derecha de dispositivo .................................................................................. 68

Figura 4.5 Dispositivo rehabilitador ensamblado ............................................................................ 68

Figura 4.6 Modulo ARDUINO UNO basado en el microcontrolador ATMEGA328 ................ 69

Figura 4.7 Circuito de etapa de potencia del actuador lineal ....................................................... 70

Figura 4.8 Prototipo de etapa de potencia para el actuador lineal............................................. 71

Figura 4.9 Diagrama de conexiones para el actuador rotacional ................................................ 71

Figura 4.10 Prototipo de conexiones para el actuador rotacional ............................................. 72

Figura 4.11 Interfaz visual (COM7) del servomotor rotacional ................................................... 73

Figura 4.12 Interfaz visual (COM6) del actuador lineal .................................................................. 73

CAPÍTULO V Figura 5.1 Pruebas con giroscopio .......................................................................................................... 75

Figura 5.2 Movimientos de la muñeca asistidos por el mecanismo: a) aducción, b)

abducción, c) flexión y d) extensión ....................................................................................................... 76

Figura 5.3 Gráfica de posición de la mano en movimiento activo de aducción – abducción

de la muñeca .................................................................................................................................................... 77

Figura 5.4 Gráfica de posición de la mano en movimiento pasivo de aducción – abducción

de la muñeca mediante la asistencia del mecanismo ...................................................................... 78

ÍNDICE DE FIGURAS

Diseño y accionamiento de un dispositivo vii rehabilitador de muñeca

Figura 5.5 Gráfica de posición de la mano en movimiento activo de flexión – extensión de

la muñeca .......................................................................................................................................................... 79

Figura 5.6 Gráfica de posición de la mano en movimiento pasivo de flexión – extensión de

la muñeca mediante la asistencia del mecanismo ............................................................................ 80

Figura 5.7 Componentes en los ejes X y Y de la posición del punto de agarre de la mano

en los diferentes ángulos de desviación de la muñeca .................................................................... 81

Figura 5.8 Curva de flexión – extensión de la muñeca .................................................................... 81

Figura 5.9 Curva de aducción – abducción de la muñeca ............................................................... 82

Figura 5.10 Área de trabajo de la muñeca a) Vista superior b) Vista frontal ......................... 83

Figura 5.11 Área de trabajo de la muñeca a) Vista lateral derecha a 120° b) Vista lateral

izquierda ........................................................................................................................................................... 84

Figura 5.12 Curva que cubre el mecanismo reproduciendo los movimientos de flexión–

extensión de la muñeca ............................................................................................................................... 85

Figura 5.13 Curva que cubre el mecanismo reproduciendo los movimientos de aducción

– abducción de la muñeca ........................................................................................................................... 85

Figura 5.14 Área de trabajo del mecanismo a) Vista superior b) Vista frontal ..................... 87

Figura 5.15 Área de trabajo del mecanismo a) Vista lateral derecha a 120° b) Vista lateral

izquierda ........................................................................................................................................................... 88

ÍNDICE DE TABLAS

Diseño y accionamiento de un dispositivo viii rehabilitador de muñeca

ÍNDICE DE TABLAS

CAPÍTULO II Tabla 2.1 Límite superior de movimientos activos realizados por una persona sana ........ 20

Tabla 2.2 Magnitud y posición articular para el momento isométrico máximo de los

movimientos de la muñeca ........................................................................................................................ 23

Tabla 2.3 Terapias para el avance de la rehabilitación de mano ................................................ 28

CAPÍTULO III Tabla 3.1 Dimensiones de la extremidad superior ........................................................................... 43

Tabla 3.2 Propiedades de Latones forjados seleccionados ........................................................... 49

Tabla 3.3 Materiales y sus propiedades ................................................................................................ 52

Tabla 3.4 Ventajas y desventajas de un Sistema IPS ........................................................................ 54

Tabla 3. 5 Especificaciones servomotor lineal L16 140 mm ......................................................... 62

Tabla 3.6 Ventajas y desventajas del servomotor L16 140 mm .................................................. 63

Tabla 3.7 Especificaciones servomotor SG-5010 .............................................................................. 64

Tabla 3. 8 Ventajas y desventajas del servomotor SG-5010 ......................................................... 64

CAPÍTULO VI Tabla 6.1 Costo de insumos para la construcción mecánica ......................................................... 90

Tabla 6.2 Costo de insumos para la construcción electrónica ...................................................... 91

Tabla 6.3 Costo total de insumos ............................................................................................................. 92

Tabla 6.4 Costo de Ingeniería de detalle ............................................................................................... 93

Tabla 6.5 Costo de mano de obra ............................................................................................................. 94

Tabla 6.6 Costo total de Ingeniería ......................................................................................................... 94

Tabla 6.7 Costos indirectos ........................................................................................................................ 95

Tabla 6.8 Costo total del proyecto ........................................................................................................... 95

JUSTIFICACIÓN

Diseño y accionamiento de un dispositivo ix rehabilitador de muñeca

JUSTIFICACIÓN

Actualmente, una gran cantidad de lesiones en la muñeca se presentan en la población

mexicana, principalmente ocasionados por accidentes en el trabajo (Hinojal, Villaverde y

López, 1993) o en actividades deportivas. Se estima que 1, 080, 000 trabajadores sufren

al menos una lesión traumática de mano cada año (CDC, 2001). Tan solo en el 2007 se

presentaron 361 244 accidentes de trabajo registrados por el Instituto Mexicano del

Seguro Social, de las cuales las lesiones de mano como heridas, amputaciones,

traumatismos, desgarros y fracturas ocupan el primer lugar con 92 229 trabajadores

afectados (IMSS, 2008). En otro estudio realizado por Fernández D’Pool J. y Montero

(1993) en Venezuela, se encontró que el 36% del total de los accidentes laborales eran

accidentes de mano y de este porcentaje en 72% los dedos eran los afectados, en 22% las

manos y en 6% las muñecas.

Por otra parte, una vez tratada la lesión y posiblemente después de un largo periodo de

inactividad, se requiere la aplicación de un importante número de sesiones de

rehabilitación para recuperar el movimiento gradual. A su vez, investigaciones recientes

indican que las terapias de realización repetitiva de tareas específicas asistidas

por robots pueden ser más eficaces para la reducción a largo plazo de las alteraciones

motrices en un paciente. Más aún, los tratamientos asistidos por dispositivos mecánicos

han logrado ofrecer mediciones objetivas del rendimiento de los pacientes que son útiles

y fácilmente analizables por personal capacitado (Grupo de investigaciones NBIO, 2010).

En México la rehabilitación ha sido una práctica ampliamente aplicada, sin embargo, el

personal especializado en este ramo es limitado debido a que se encuentran con una

gran demanda de trabajo. Esto es entendible ya que la rehabilitación en México es en

gran medida realizada sin interacción con dispositivos robóticos y el tiempo necesario

para observar una mejoría en el paciente es considerable, lo que además conlleva a

ocasionar fatiga en el terapeuta.

JUSTIFICACIÓN

Diseño y accionamiento de un dispositivo x rehabilitador de muñeca

Por lo anterior, el diseño e implementación de sistemas auxiliares son indispensables

para agilizar el proceso de rehabilitación y reincorporar al paciente a sus actividades

diarias. No obstante, en México, el desarrollo de este tipo de dispositivos no es de gran

prioridad y son contadas las instituciones educativas que se dedican a la invención de

unidades rehabilitadoras de extremidades.

SIMBOLOGÍA Y UNIDADES

Diseño y accionamiento de un dispositivo xi rehabilitador de muñeca

SIMBOLOGÍA Y UNIDADES

Símbolo

k

Ω

Magnitud

Temperatura

Módulo de elasticidad

Temperatura

Longitud

Masa

Corriente eléctrica

Fuerza

Presión

Conductividad eléctrica

Tiempo

Diferencia de potencial

velocidad

Potencia

Resistencia eléctrica

Resistencia mecánica

Densidad

Momento

Unidad

Centígrados

⁄

Kelvin

metro

kilogramo

ampere

⁄

segundo

volt

⁄

Ohm

⁄

⁄

Nm

Nota: Se toma a consideración para simbología y unidades establecidas en esta tabla la

NOM-008-SCFI Vigente incluyendo las especificaciones en prefijos para formar múltiplos

y submúltiplos.

INTRODUCCIÓN

Diseño y accionamiento de un dispositivo xii rehabilitador de muñeca

INTRODUCCIÓN En México, solo en el Instituto Mexicano del Seguro Social (IMSS) se encontró que durante

el periodo de 1997 a 2002, ocurrieron más de 2.5 millones de riesgos de trabajo, de los

cuales, más de cien mil pensiones se produjeron por alguna incapacidad (4.4% del total).

Se diagnosticaron con más frecuencia, las amputaciones traumáticas, fracturas y heridas

de la muñeca y mano. Por otra parte, los padecimientos crónico-degenerativos, como es

la artropatía, dorsopatías y diabetes mellitus, fueron otra de las causas para conceder

pensión por invalidez (Devesa, 2006).

Aunado a esto, el desarrollo de mecanismos rehabilitadores de extremidades superiores

(en este caso, rehabilitación de muñeca) ha estado ganando terreno en el campo de la

medicina actual para dar solución a la demanda creciente de rehabilitación de miembro

superior, valiéndose de la automatización como principal medio de mejora para hacer

más eficiente el proceso de rehabilitación.

En el siguiente trabajo, se presenta la construcción y accionamiento de un mecanismo

rehabilitador de muñeca, comenzando con el estado del arte de mecanismos

rehabilitadores de mano y muñeca, continuando con el marco teórico que aborda los

parámetros generales que debe cumplir tanto el diseño mecánico como el control de

posición y velocidad de este y prosiguiendo con el diseño y construcción del mecanismo.

Una vez contando con el mecanismo rehabilitador se procede a su accionamiento y por

último a la realización de pruebas y obtención de resultados.

Diseño y accionamiento de un dispositivo 1 rehabilitador de muñeca

CAPÍTULO I

ESTADO DEL ARTE En este capítulo se presenta la investigación de los antecedentes y la historia de la rehabilitación, así como su aplicación mediante agentes físicos en la vida cotidiana del ser humano a través del tiempo. Además, los avances tecnológicos en cuanto al desarrollo de dispositivos mecánicos para la ejecución de la rehabilitación física de mano o muñeca en diversas partes del mundo, entre los que se incluyen los prototipos realizados en diferentes Universidades de México y que son esenciales para obtener un conocimiento importante en la construcción del mecanismo rehabilitador que se presentara más adelante.

CAPÍTULO I ESTADO DEL ARTE


1.1 Introducción

El ser humano desarrolla muchas actividades de las cuales son realizadas por sus

miembros superiores, ejecutando tareas tan simples como complejas y que pueden llegar

a generar algún tipo de malestar, trauma o enfermedad que imposibiliten su vida

cotidiana. Por ello, para lograr su recuperación es de importancia la utilización de

aparatos o dispositivos orientados a la rehabilitación física del miembro superior.

1.2 Antecedentes históricos

En la antigüedad, desde el hombre primitivo, se empleaban agentes físicos para

tratamientos terapéuticos. Los romanos practicaron la hidroterapia y la termoterapia en

los baños romanos. Los gimnastas griegos usaron el masaje y los ejercicios correctivos.

El renacimiento moderno del uso de modalidades de la fisioterapia y rehabilitación

empezó durante la Primera Guerra Mundial y se aceleró grandemente durante y después

de la Segunda Guerra Mundial (Andrade, 2013). Es por ello que nace en los Estados

Unidos de Norte América la especialidad en Medicina Física y Rehabilitación, debido al

gran número de lesionados de guerra que presentaban algún tipo de discapacidad y que

debían ser incorporados a la sociedad.

Esta especialidad se dedica a la investigación en todas las áreas de la discapacidad física,

teniendo como objeto de estudio la evaluación, diagnóstico y tratamiento del individuo

que muestre algún tipo de discapacidad o afectación física que impacte de alguna forma

el desarrollo e integración del ser humano a su entorno familiar y social (Sociedad

Venezolana de Medicina Física y Rehabilitación, 2013).

Hoy en día, diversas dependencias de gobierno asignan millones de dólares cada año

para rehabilitación terapéutica de niños, adultos y ancianos lesionados, enfermos o que

tienen alguna inhabilidad. Esta forma de tratamiento es útil para pacientes con

enfermedades ortopédicas, neuro-psiquiátricas, artríticas y en el pre o postoperatorio de



enfermedades torácicas; para los que sufren parálisis cerebral, lesiones de los nervios

periféricos o de la medula espinal; o que han padecido amputaciones, accidentes de

diferentes tipos y pacientes hemipléjicos o parapléjicos (Andrade, 2013).

1.2.1 Breve historia de la rehabilitación

A lo largo de la historia se prescribe que en diferentes civilizaciones ya se utilizaban

métodos y técnicas naturales de movimiento corporal, masajes y ejercicios para combatir

enfermedades; éstas en ocasiones se asociaban con la religión (Clínica de Rehabilitación

Física, 2013).

En Egipto se realizaban tratamientos a base de fricciones con las manos sobre los

cuerpos de los heridos de la guerra para aliviar el dolor. El masaje terapéutico y estético

eran de los procedimientos más utilizados, con fricciones tonificantes, aceites y

ungüentos para embellecer (Ruiz, 2013). La cultura egipcia fue en gran medida la

responsable de extender esta práctica de tratamientos terapéuticos en las culturas

griega, romana y persa.

En Grecia y Roma, destacaron en forma extraordinaria los ejercicios corporales, se

usaron para dar mantenimiento físico, sobre todo para los que practicaban la gimnasia.

En la antigua Grecia se cree que la medicina comenzó con el dios Esculapio, al cual

dedicaron algunos santuarios que denominaron “Templos de la Salud” pues no solo

atendían asuntos espirituales sino que utilizaban agentes medicinales y físicos.

Poco se conoce antes de Hipócrates, tan solo Le Clerc hace referencia a Herodico, que se

inició como instructor y desarrolló un sistema bastante detallado de ejercicios, Ars

Gimnastica, que según Plinio eran imposibles de entender sin nociones de geometría. Fue

ya en los siglos XIV y XV cuando reaparecieron datos, escritos y textos sobre la utilización

del ejercicio y remedios naturales, por ejemplo, la Escuela de Montpellier con el catalán

Arnoldo de Villanueva.



Sobre el masaje, la primera obra recogida fue escrita por Bernardino Miedes, obispo de

Albarracín, que recoge “técnicas de automasaje”, “amasamiento muscular” y “masaje

osteo-articular” (de Antolín y González, 1981). No obstante, el primer libro importante

fue De Arte Gymnastica de Mercurialis (1569). Tissot (1747) funda la “terapia

ocupacional” y en su obra Gymnastique Medicinale et Quirurgicale, da ideas muy

avanzadas acerca del ejercicio respiratorio. Fue un gran detractor del reposo prolongado

y estudioso de las úlceras por decúbito. También mostró interés por el tratamiento de los

apopléjicos. Conocedor de la relación “agonista-antagonista” de los músculos, resalta de

nuevo la movilización precoz después de una enfermedad o lesión, de preferencia al

ejercicio activo ante el pasivo y utiliza maniobras como frotación, amasamiento y

fricción.

John Shaw (Londres, 1825) propició un programa de tratamiento para la escoliosis, de

ejercicios graduados, masaje y períodos alternativos de reposo, porque estaba

convencido de que los músculos eran el soporte natural de la columna vertebral.

De la misma época, Prevaz (1827) descubre la rueda de hombro con una manivela

ajustable. Delpech (1777-1832) se interesó tanto por las desviaciones de la columna

vertebral, que fundó en Montepellier una escuela de escoliosis para niñas. Gustav Zander

(1835) puso de manifiesto lo costoso de un tratamiento para el paciente, por la atención

individual que requería, y llegó a la conclusión de que con palancas, ruedas, pesas, podía

simultanear muchos tratamientos. Creó 71 tipos de aparatos de asistencia, resistencia y

masajes: con él nació la idea de la “mecanoterapia” en 1856.

1.2.2 Historia de la rehabilitación en Latinoamérica El auge de la rehabilitación comenzó durante y después de la 2da Guerra Mundial,

además de presentarse diversas epidemias de poliomielitis, por lo que fue impulsada por

la medicina física (Amate y Vásquez, 2006). Los primeros médicos iniciadores de la

rehabilitación en casi todos los países fueron ortopedistas, debido a la necesidad de

tratar las secuelas musculo-esqueléticas que terminaban en deformaciones de resolución

quirúrgica.



La primera organización en los Estados Unidos de América (EUA), fundada en 1890, fue

The American Electrotherapy Association y se encargó de reunir a los profesionales que se

dedicaban al uso de los medios físicos con base científica. Al igual que en EUA, los

médicos latinoamericanos se abocaron al estudio de los agentes físicos (masajes, frío,

calor, electroterapia, ejercicios) antes de implantar el concepto de rehabilitación.

En la década de 1920 los agentes físicos precedieron a cualquier otra forma de

tratamiento como alivio del dolor, de las parálisis y de las secuelas musculo-esqueléticas.

Ya en 1905 en el Hospital General de México se fundó un Departamento que incluía los

servicios de hidroterapia, mecanoterapia y electroterapia.

En Chile, Argentina y Cuba los primeros institutos fueron de rehabilitación infantil. En

1937, en Cuba, fue iniciado uno de los primeros movimientos para la rehabilitación a

través de un Comité para Niños Lisiados, que ayudaba a resolver los aspectos médicos,

facilitando servicios hospitalarios, prótesis y órtesis. La orientación principal era hacia

los agentes físicos y no hacia la rehabilitación, la cual se incluyó años después en los

programas de las carreras.

En la década 1930 aparecen las escuelas de kinesiología, fundadas por los primeros

médicos, que adquieren un nivel universitario. Hasta ese entonces no existían médicos

con especialidad en rehabilitación. En los años 40 y 50 la comunidad médica tomó

conciencia de la necesidad de tratar las secuelas de la poliomielitis con métodos más

eficaces debido a las epidemias que castigaron a varios países latinoamericanos. En ese

momento aparece el término “rehabilitación”. Sin embargo, los agentes físicos o en su

acepción más racional, la medicina física, hasta ahora no han podido separarse de la

rehabilitación, en la mayoría de los países.

En Argentina en el año de 1943 se crea la Asociación para la Lucha contra la Parálisis

Infantil (ALPI), institución privada sin fines de lucro para afrontar el flagelo de la polio.

En la década de 1960, los Dres. Alicia Amate y José Cibeira comienzan con la formación

académica de especialistas en rehabilitación. El Centro Nacional de Rehabilitación (hoy

Instituto de Rehabilitación Psicofísica) y la Asociación para la lucha contra la Parálisis



Infantil (ALPI) fueron los principales formadores de médicos especialistas y

profesionales.

En Costa Rica en 1969 el Dr. Humberto Araya Rojas funda el Servicio de Medicina Física y

Rehabilitación en el Hospital México y en 1977 se inaugura el Centro Nacional de

Rehabilitación, contribuyendo a la formación de médicos residentes que se había

iniciado unos meses antes en el Hospital México, como parte de los programas de

Postgrado de Especialidades Médicas de la Universidad de Costa Rica (Sotelano, 2011).

A lo que se refiere en México a partir de la fundación en 1943, del Hospital Infantil, contó

con un servicio de Medicina Física y Rehabilitación, a cargo del Dr. Alfonso Tohen

Zamudio. En 1965 el Instituto Mexicano del Seguro Social inició su primer curso de

postgrado en rehabilitación. Más tarde en 1972 la Facultad de Medicina de la

Universidad Nacional de México dio su aval al programa del Curso de Especialización en

Medicina de Rehabilitación con sede en el Hospital Infantil de México y después en el

Instituto Nacional de Medicina de Rehabilitación de la Secretaría de Salubridad y

Asistencia.

En el año 2000 inicia sus labores el Centro Nacional de Rehabilitación, de alta

complejidad cuyo director fue el Dr. Luis Guillermo Ibarra. En el 2005 el Dr. Juan Manuel

Guzmán González fue mentor del comienzo de Servicios de Medicina Física y

Rehabilitación en Unidades de Primer Nivel de Atención colocando, además, guías de

práctica clínicas y videos de capacitación. Actualmente hay 1500 fisiatras para una

población de 112 000 000 personas.

1.3 Últimos avances tecnológicos

Estudios realizados por el Instituto Tecnológico de Massachusetts, llevados a cabo en

cuatro casos de los Veteranos de guerra (VA) en los hospitales, mostraron que los

pacientes que utilizaron el robot MIT-Manus durante 12 semanas experimentaron un

pequeño aumento, pero significativo en la función del brazo (Figura 1.1). Otro grupo de



pacientes que recibieron alta intensidad de terapia por parte de un terapeuta, que

acertaron el número y la intensidad de los movimientos del robot, mostraron mejoras

similares (Williams, Krebs y Hogan, 2001).

Figura 1.1 Robot MIT-Manus rehabilitación para muñeca (NewmanLab, 2013) El MIT-Manus, se basa en principio, de sujetar una palanca de mando robótico que lo guía

con el brazo, muñeca o mano del usuario para hacer movimientos específicos, ayudando

de esa forma al cerebro a establecer nuevas conexiones que con el tiempo ayudará en el

paciente mover la extremidad por sí mismo.

Los pacientes que utilizan el sistema del MIT-Manus agarraron un joystick como mango

conectado a un monitor de ordenador que muestra tareas similares a las de los

videojuegos simples. En una tarea típica, el sujeto intenta mover el robot hacia una

manija estacionaria como blanco móvil que aparece en la pantalla del ordenador. Si la

persona comienza a moverse en la dirección incorrecta o no se mueve, el brazo robótico

da codazos suavemente a su brazo en la dirección correcta.

Por otra parte, el Dispositivo Háptico Universal (UHD) permite la rehabilitación de

cualquier brazo o muñeca con movimientos en dos grados de libertad (Figura 1.2). El

modo de entrenamiento depende de la configuración mecánica seleccionada, que

depende del bloqueo / desbloqueo de una junta universal pasiva. El accionamiento del

dispositivo se lleva a cabo mediante la utilización de una serie de principios de

accionamiento elástico que permite el uso de plataformas mecánicas y de actuación de

componentes (Oblak, Cikajlo y Matjacic, 2010).



Figura 1.2 Dispositivo Háptico Universal (Oblak et al., 2010)

En este mismo sentido, el InMotionSystem, presentado por Scorcia, Formica, Tagliamonte,

Campolo y Guglielmelli (2010) tiene como objetivo reducir la interacción de la fuerza

medida por un sensor instalado en la base del mango, asegurando así que el robot siga

los movimientos del usuario. Este sistema está diseñado para cumplir con las

limitaciones biomecánicas, tiene accionados tres grados de libertad, es decir, la

pronación / supinación (PS), desviación radio-cubital (RUD) y de flexión / extensión

(FE), y dos grados de libertad en la base del mango, es decir, un control deslizante lineal

y una articulación de giro, como se muestra en la Figura 1.3.

Figura 1.3 Dispositivo InMotionSystem (Scorcia et al., 2010)

En un contexto diferente, el dispositivo Dulex-II es exoesqueleto de rehabilitación activa

de muñeca que presenta un modelo que funciona neumáticamente (Ju-hwan y Inhyuk,



2012). Su sistema de control permite realizar movimientos con 3 grados de libertad para

la muñeca, el dedo índice y un mecanismo que encierra a los otros tres dedos (Figura

1.4).

Figura 1.4 DULEX-II para rehabilitación de muñeca (Ju-hwan y Inhyuk, 2012)

Ahora bien, para las personas que han sufrido un ictus podrán mejorar su rehabilitación

por medio de un sistema robótico móvil, denominado ArmAssist (Véase Figura 1.5), que

les ayuda a paliar el deterioro neuromuscular desde su propio domicilio y siempre bajo

el control y seguimiento del personal clínico (Tecnalia, 2012). La base móvil va

conectada a un ordenador estándar, de manera que permite al paciente interactuar con

distintos videojuegos, desarrollados específicamente para la terapia, mediante el

movimiento del brazo.

Figura 1.5 Robot Arm Assist (Tecnalia, 2012) De igual forma, el RoboTherapist3D (Figura 1.6) desarrollado por INSTEAD (2013) es un

sistema completo diseñado para la neuro-rehabilitación de miembro superior. Se trata

de un dispositivo modular que permite la adaptación del paciente a la terapia requerida



mediante la realización de unas actividades programadas en su software. Cuenta con un

sistema inmersivo de realidad virtual con el que el paciente puede re-aprender tareas de

la vida diaria como sujetar un vaso, beber, comer, peinarse, etc.

Figura 1.6 RoboTherapist3D (INSTEAD, 2013)

1.3.1 Dispositivos desarrollados en México Un grupo de investigación de la Facultad de Ciencias de la Electrónica de la Benemérita

Universidad Autónoma de Puebla y publicada en su página por la misma BUAP (2013),

desarrolló un prototipo de robot con múltiples aplicaciones y alto desempeño. Este

prototipo (Figura 1.7) copia las fuerzas, trayectorias y posiciones específicas para

practicar fisioterapia o asistir a personas incapacitadas.

Figura 1.7 Robot industrial para rehabilitación BUAP (BUAP, 2013)

Por otro lado, los investigadores de la Escuela de Ingeniería, Arquitectura y Salud (EIAS)

del Tecnológico de Monterrey, Campus Guadalajara, presentaron al Consejo Estatal de



Ciencia y Tecnología de Jalisco (Coecytjal), el prototipo de rehabilitación (Figura 1.8) y

estudio de movimiento de brazo llamado Tee-R. Este prototipo consta de una palanca de

mando que ayuda al brazo a recuperar su movimiento (CRONICA INTERCAMPUS, 2013).

Figura 1.8 Dispositivo rehabilitador Tee-R (CRONICA INTERCAMPUS, 2013) El dispositivo es un joystick, o palanca de mando, con la que el usuario interactúa dentro

de un ambiente virtual o videojuego. De esta manera el paciente puede realizar los

movimientos repetitivos que requiere una terapia, pero “dentro del videojuego”;

haciendo el proceso de rehabilitación menos monótono.

Entre los prototipos desarrollados en el Instituto Politécnico Nacional se encuentran los

mecanismos rehabilitadores de miembro superior o inferior, y dentro de estos está el

diseño mecánico de un exoesqueleto para rehabilitación de miembro superior enfocado

a la población mexicana; esto en la ESIME Zacatenco. El diseño parte del estudio de la

biomecánica del miembro superior para después realizar el diseño basándose en la

herramienta Blitz QFD con la ayuda de los parámetros que debe tener el exoesqueleto y

después de un análisis tanto de rangos de funcionalidad como estructurales y la

cinemática del manipulador, finalmente se manufacturó el prototipo del exoesqueleto

(como se muestra en la Figura 1.9) en el rango útil (Ayala, 2012).

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Figura 1.9 Vista frontal del diseño del prototipo de exoesqueleto para rehabilitación del miembro superior (Ayala, 2012)

Otro prototipo desarrollado en el IPN es el presentado por Acosta y Flores (2012), donde

desarrollan el diseño y construcción de un mecanismo para un equipo de rehabilitación

de hombro (Figura 1.10) en el que se realiza un mecanismo excéntrico de deslizador-

manivela, el cual guía la extremidad superior formando los arcos naturales de

movimiento del hombro y con un alto grado de precisión.

Figura 1.10 Diseño del mecanismo para equipo rehabilitador de hombro (Acosta y Flores, 2012)



Con todo lo presentado, en México, las terapias de rehabilitación de la muñeca son

aplicadas en gran medida de forma manual, lo que ocasiona no solo agotamiento en el

terapeuta, sino que también, debido a que las terapias no tienen una evolución constante,

el tiempo de recuperación del paciente sea mayor a lo esperado.

Ahora bien, de los pocos dispositivos desarrollados en México, además de que algunos

son mecanismos voluptuosos, no fueron desarrollados para ser utilizados en clínicas

pequeñas o casas habitación y esto en gran parte por el alto costo que implica la

tecnología utilizada en los respectivos dispositivos.

En cuanto a los grados de libertad de estos dispositivos, estos no cubren los suficientes

grados de libertad necesarios para los pacientes, enfocándose solamente en 1 o 2 para la

rehabilitación de la muñeca, pero de una forma activa más no pasiva. Los 2 movimientos

a los que se enfocan en realizar principalmente son movimiento de pronación –

supinación (del antebrazo), de flexión – extensión o aducción – abducción (de la

muñeca), pero muy difícilmente de los 3. Por otro lado, según la información disponible,

aunque en algunos de estos dispositivos se toma en cuenta la adquisición de datos no se

toma mucha importancia a la muestra de los datos sobre el avance de la rehabilitación

del paciente, para una evaluación más exacta por parte del terapeuta.

Por último, en el mismo Instituto Politécnico Nacional no se ha desarrollado ningún

mecanismo enfocado en la rehabilitación específica del carpo con los requerimientos que

ésta supone.

1.4 Planteamiento del problema

En el sentido expuesto, contar con un mecanismo que logre asistir a un paciente en los

movimientos de flexión – extensión y abducción – aducción, brindando la posibilidad de

que el accionamiento sea automatizado en ambos movimientos básicos y que pueda

realizar las terapias de forma repetitiva, permitirá tener un mayor dominio sobre las

sesiones. Así mismo, tomar en cuenta los parámetros que debe cumplir en cada una, y



con la seguridad de que cada repetición de la rutina será la adecuada, minimizando el

error de que el terapeuta pueda aplicar mayor o menor fuerza así como el que no cumpla

con el rango de movimiento indicado.

Sin embargo, como ya se ha mencionado previamente, a pesar de que existen varios

dispositivos (prototipos en general) no se cuenta con alguno que permita la

reproducción de ambos movimientos de la muñeca, a bajo costo y diseño compacto.

Además, específicamente en las investigaciones del Instituto Politécnico Nacional no se

han enfocado en la implementación de un rehabilitador que sea específico para la

rehabilitación de muñeca.

Por otra parte, existe la necesidad de una interfaz de interacción humano-máquina para

la especificación de los parámetros iníciales de movimiento que deberá realizar el

dispositivo.


MARCO TEÓRICO En esta parte, se describe la estructura, rangos de movimiento, lesiones y rehabilitación del miembro superior (muñeca), así como teoría acerca de pares cinemáticos, actuadores eléctricos y adquisición de datos, que son los fundamentos necesarios para el diseño del mecanismo a desarrollar.

CAPÍTULO II

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO


2.1 Introducción

Las consideraciones empleadas para el desarrollo del dispositivo son parte importante

en el diseño e implementación de los movimientos a realizar efectuando los

conocimientos necesarios para la construcción del mecanismo. Para ello, se toman en

cuenta los siguientes factores.

2.2 Anatomía de la muñeca El estudio de la anatomía de la muñeca se divide en sistema óseo y ligamentos, y estos

últimos, a su vez, en articulaciones radiocarpianas, intercarpianas y mediocarpianas.

2.2.1 Sistema óseo

La muñeca o carpo es un conjunto de 8 huesos, los cuales son los extremos distales del

radio y el cubito que interaccionan entre ellos coordinadamente para que ésta, la

muñeca, pueda realizar todos los movimientos naturales de flexión – extensión,

pronación – supinación y en una interacción más compleja el movimiento de

circunducción. Según los autores de libros sobre el tema, como lo es Lindner (1990),

dichos huesos se pueden dividir en hileras proximal y distal (Figura 2.1). De ésta

clasificación, en la hilera proximal, de lateral a medial, se encuentran el escafoides

(navicular), el semilunar, el piramidal y el pisiforme. El escafoides y el semilunar se

articulan con la extremidad distal del radio, mientras que el piramidal está separado del

extremo distal del cubito por el disco articular. La hilera distal, de lateral a medial, está

formada por el trapecio, el trapezoide, el hueso grande y el ganchoso.

Del otro lado de la clasificación, Lindner (1990) define que la hilera distal se articula

proximalmente con los huesos de la proximal y distalmente con las bases de los

metacarpianos. Las superficies palmar y dorsal irregulares de los huesos del carpo

reciben la inserción del intrincado grupo de los ligamentos del carpo. Los huesos del

carpo están formados por un corazón central de hueso canceloso rodeado por un tejido

compacto relativamente delgado.



Figura 2.1 Huesos de la Muñeca (Lindner, 1990) En los lugares donde un hueso del carpo colinda con uno adyacente, la superficie

contigua de cada hueso es bastante lisa mientras que en las superficies no adyacentes

son rugosas.

2.2.2 Ligamentos del carpo

Los ligamentos son membranas de tejido conjuntivo denso que permite la unión de dos

órganos entre sí, especialmente en los huesos y los cartílagos que sirve como medio de

unión de las articulaciones (Doctissimo, 2013). En este sentido, la porción distal del

antebrazo se articula con el área del carpo por medio de dos articulaciones: la

articulación verdadera de la muñeca proximalmente y la articulación mediocarpiana

distalmente. La articulación de la muñeca es una articulación compuesta formada por las

articulaciones radiocarpiana y radio-cubital inferior (Lindner, 1990). De este modo, el

conjunto de articulaciones de la muñeca permite los movimientos de flexión, extensión,

abducción, aducción y circunducción de la mano y la muñeca. La articulación radio

cubital permite solamente la pronación y la supinación (articulación trocoidea).

2.2.3 Articulación radiocarpiana Según Lindner (1990) la articulación radiocarpiana es de tipo elipsoidea. El extremo

distal del radio y el borde distal del disco articular forman una superficie cóncava para la

articulación. La porción convexa de las superficies superiores del escafoides, semilunar y

piramidal se adapta bien a esta concavidad.

El ligamento radiocarpiano palmar se extiende desde el extremo distal del radio

hasta las superficies palmares de los tres huesos del carpo de la hilera proximal.



El ligamento radiocarpiano dorsal se extiende desde el radio hasta las superficies

posteriores del escafoides, semilunar y piramidal.

La articulación de la muñeca permite todos los movimientos, excepto la rotación.

2.2.4 Articulaciones intercarpianas

Con respecto a las articulaciones intercarpianas, Lindner (1990) identifica tres

divisiones:

1. Articulaciones intercarpianas de los huesos del carpo de la hilera proximal

2. Articulaciones intercarpianas de los huesos del carpo de la hilera distal, y

3. Articulaciones entre los huesos del carpo de ambas hileras. Son de tipo deslizante

soportadas por los ligamentos interóseos palmar y dorsal.

2.2.5 Articulación mediocarpiana La articulación mediocarpiana es aquella entre los huesos escafoides, semilunar y

piramidal y los cuatro huesos de la hilera distal (Lindner, 1990). Está soportada por los

ligamentos carpianos dorsal y palmar y los laterales interno y externo.

La articulación mediocarpiana es un complejo de tres articulaciones separadas:

1. La articulación esferoidea entre la cabeza del hueso grande y la superficie

superior del ganchoso distalmente y la cavidad en forma de media luna

constituida por las superficies distales del escafoides y el semilunar

proximalmente.

2. La articulación lateral (radial) entre el escafoides, el trapezoide y el trapecio, y

3. La articulación medial (cubital) entre el ganchoso y el piramidal. Las dos últimas

son de tipo deslizante.

Según sea el movimiento que la muñeca realice, será la interacción y las articulaciones

que ejerzan movimiento, por ejemplo:



La flexión de la muñeca se realiza por medio de los músculos palmar mayor,

cubital anterior y palmar menor.

La extensión de la muñeca se realiza por medio de los músculos, primer radial

externo, segundo radial externo y cubital posterior.

La aducción (flexión cubital) de la muñeca se debe a contracciones de los

músculos, cubital anterior y cubital posterior.

La abducción (flexión radial) se efectúa por contracciones simultáneas de los

músculos primer radial externo, segundo radial externo y palmar mayor.

2.3 Rangos de movimiento Los rangos y los momentos generados por la muñeca varían según sea el tipo de

movimiento, activo o pasivo, así como, el grado de flexión de los dedos, lo cual es muy

importante tomar en cuenta a la hora de realizar una rehabilitación del miembro

superior.

2.3.1 Movimientos activos Para determinar los rangos de movilidad de la mano, se considera que el dedo medio es

la línea de referencia

Figura 2.2). La flexión de la muñeca disminuirá a medida que se flexionan los dedos, y los

movimientos de flexión y extensión son limitados, por lo general por los músculos y

ligamentos antagonistas (Magee, 1994).

Figura 2.2 Eje de referencia de la mano (Magee, 1994)

Del libro de Magee (1994) se tiene que un paciente sano debe poder hacer activamente

los movimientos siguientes (con los dedos extendidos):



La pronación y supinación activas son casi de 85 a 90°, aunque es variable entre

personas y es más importante comparar el movimiento con el lado normal. Casi 75% de

la supinación y la pronación ocurre en las articulaciones del antebrazo.

Aproximadamente, el 15% restante se debe a la acción de la muñeca. La sensación final

normal de ambos movimientos es el estiramiento tisular.

Las desviaciones radial y cubital de la muñeca son de 15° y de 30 a 45° (Figura 2.3),

respectivamente, la sensación final normal de estos movimientos es de hueso con hueso.

En el caso de la flexión y extensión de la muñeca (Figura 2.3), ambas logran desviarse en

algunos casos hasta 90° (Ver Tabla 2.1).

Figura 2.3 Limites de movimiento activo de la muñeca a) abducción-aducción y b) flexión-extensión (Palastanga, Field y Soames, 2000)

Tabla 2.1 Límite superior de movimientos activos realizados por una persona sana

(Magee, 1994)

*Los límites superiores de movimiento de la muñeca pueden variar para cada paciente debido a

diferentes factores.

Movimientos Activos Límite superior* (°)

Pronación del antebrazo 85 a 90°

Supinación del antebrazo 85 a 90°

Abducción de muñeca(desviación radial) 15°

Aducción de la muñeca (desviación cubital) 30 a 45°

Flexión de la muñeca 80 a 90°

Extensión de la muñeca 70 a 90°

a) b)



Es importante recalcar que la aducción de la mano (desviación cubital) es mayor que la

abducción (desviación radial) por el acortamiento de la apófisis estiloides cubital, y esta

es la razón del porqué de los diferentes rangos de movimiento en cada sentido. Además,

la supinación del antebrazo es más fuerte que la pronación, en tanto que la abducción

tiene mayor límite de movilidad en supinación que en pronación. El límite de movilidad

de la aducción y abducción es mínimo cuando se extiende o se flexiona por completo la

muñeca. La flexión y extensión en los dedos son máximas cuando la muñeca se encuentra

en posición neutral (sin abducción ni aducción); la flexión y extensión de la muñeca son

mínimas cuando la muñeca está en pronación (Magee, 1994).

La muñeca y la mano tienen un segmento fijo y otro móvil. El fijo es la hilera distal de los

huesos del carpo (trapecio, trapezoide, hueso grande y ganchoso) y el segundo y tercer

metacarpianos. Este es el segmento de estabilización de la muñeca y la mano (Figura 2.4)

y el movimiento entre estos huesos es menor que el de los huesos de los segmentos

móviles. Esta disposición proporciona estabilidad sin rigidez y permite que la mano se

mueva más discretamente y con docilidad. El segmento movible está constituido por las

cinco falanges y los huesos primero, cuarto y quinto del metacarpo (Magee, 1994).

Figura 2.4 Segmento estable de la muñeca y la mano (Magee, 1994)

La posición funcional de la muñeca es en extensión de 20 a 35° con desviación cubital de

10 a 15° como se puede observar en la Figura 2.5. Esta posición, que a veces se denomina

posición de reposo, reduce al mínimo la acción de restricción de los tendones extensores

largos y permite la flexión completa de los dedos (Magee, 1994).



Figura 2.5 Posición funcional de la mano (Magee, 1994)

Durante la extensión, casi todo el movimiento ocurre en la articulación radiocarpiana,

(casi 50°) y menos en la mediocarpiana (unos 35°) como se muestra en la Figura 2.6. El

movimiento de extensión se acompaña de una ligera desviación radial y pronación del

antebrazo. Durante la flexión, casi todo el movimiento ocurre en la articulación

mediocarpiana (casi 50°) y menos en la radiocarpiana (unos 35°). Este movimiento se

acompaña de una ligera desviación cubital y supinación del antebrazo. La desviación

radial ocurre principalmente entre las hileras proximal y distal de los huesos del carpo

(0 a 20°), con la hilera proximal moviéndose hacia el cubito y la distal hacia el radio. La

desviación cubital ocurre sobre todo en la articulación radiocarpiana, de 0 a 37° (Magee,

1994).

Figura 2.6 Grado máximo de movimientos efectuados por la articulación (radio carpiana o medio carpiana) para los movimientos de flexión y extensión de la mano (Magee, 1994)



2.3.2 Máximos momentos isométricos generados por los músculos de la

muñeca en flexión - extensión y radial-ulnar desviación

En una investigación realizada por Delp, Grierson y Buchanan (1996) se midieron los

máximos momentos isométricos y pasivos sobre la muñeca para una serie de

movimientos de flexión-extensión y ángulos de desviación radial-cubital en 10 hombres

adultos sanos, como se muestra en la Tabla 2.2. Los picos de momento de flexión

variaron desde 5,2 hasta 18,7 Nm (media = 12,2), como se observa en la Tabla 2.2,

mientras que los momentos de extensión máximos variaron desde 3,4 hasta 9,4 Nm

(media = 7,1). El momento de flexión promedio alcanzó los 40º de flexión, mientras que

el momento en que la extensión promedio fue relativamente constante de 30º de flexión

a la extensión de 70°.

Ahora bien, en el caso de los momentos pico generados por los desviadores radial y

cubital variaron desde 7,9 hasta 15,3 Nm (media = 11,0) y 5.09 a 11.09 Nm (media = 9,5),

respectivamente. Los momentos pasivos en flexión-extensión estaban cerca de cero en

las centrales 150° de movimiento, pero aumentaron al final del rango de movimiento. El

momento promedio en la forma pasiva fue de 0,5 Nm en 90° de flexión y 1,2 Nm en

extensión 90º. Los momentos promedio pasivo alrededor del eje de desviación radial-

cubital estaban cerca de cero con la muñeca radialmente desviada y en neutral, pero

aumentó a 0,9 Nm en la desviación cubital completa.

Tabla 2.2 Magnitud y posición articular para el momento isométrico máximo de los

movimientos de la muñeca (Delp et. al. 1996)

Movimiento del carpo Media del momento

máximo (Nm)

Ángulos del momento

máximo

Flexión 12,2 40° de flexión

Extensión 7,1 De 30° de flexión a 70° de

extensión

Desviación radial 11,0 0° (neutro) Desviación cubital 9,5 0° (neutro)



2.4 Lesiones de muñeca

Las lesiones de tendón son las más frecuentes en deportes, debido a la repetitividad de

uso en actividades físicas. La tendinitis y la tenosinovitis estenosante (Figura 2.7), son las

alteraciones del tendón de la muñeca más comunes de lesión. Pueden estar implicados

los mecanismos extensores como los flexores, dependiendo de la acción que provoque la

tensión (Lephart, 2001).

Figura 2.7 Lesión de tendón Tenosinovitis de Quervain (Traumatología, Cirugía

Ortopédica, 2013)

El tratamiento agudo debe incluir la interrupción de la actividad causante de la lesión

inflamatoria y la aplicación de medidas conservadoras para disminuir la inflamación.

Para casos graves se aconseja la inmovilización para reducir la irritación de los tendones

lesionados. Una vez estabilizada la inflamación, se procede a restaurar la flexibilidad.

Esto es esencial para prevenir la formación de adherencias del tendón, que puede tener

como resultado un incremento en la rigidez. Se inicia con ejercicios de resistencia que

haga hincapié en el desarrollo de la fuerza y resistencia de la musculatura implicada,

haciendo una rehabilitación progresiva (Lephart, 2001).

Otra de las lesiones de muñeca más comunes en el ser humano es la conocida como el

síndrome del túnel carpiano. Esta lesión va ligada por el sobre uso de flexión de la

muñeca, como por ejemplo en deportes: golf, tenis, actividades repetitivas de trabajo, etc.

La inflamación de los tendones flexores en el espacio del túnel carpiano cerrado

comprime el nervio mediano, ocasionando dolores o parestesia en la cara radial de la

mano. Esta lesión puede ocasionar una atrofia muscular tenar, como obtención de la

derivación causada por la compresión del nervio medio.



El tratamiento a utilizar, es la inmovilización y métodos antiinflamatorios para aliviar la

compresión que surge en el nervio medio. En casos graves, se necesita la cirugía para la

descompresión, liberando el ligamento carpiano transverso, que limita la cara anterior

del túnel (Lephart, 2001).

Esguinces (Figura 2.8) y fracturas (Figura 2.9) con respecto a la muñeca, y porciones

distales del antebrazo suelen ocasionar síntomas de lesión en el complejo

fibrocartilaginoso del ligamento triangular el cual se ubica entre el cúbito y la hilera

proximal de huesos carpianos.

Figura 2.8 Esguince de ligamentos (Lesiones frecuentes, 2013)

Figura 2.9 Fractura de escafoides (Información para pacientes de cirugía de la mano,

2013)

2.5 Rehabilitación de las lesiones de muñeca

La rehabilitación de la muñeca tiene como objetivos controlar la inflamación y restaurar

e incrementar la fuerza y la flexibilidad, son los mismos para las lesiones del tejido

blando que para las fracturas. Dependiendo de la patología de la lesión suele indicarse



ciertas modificaciones, pero los protocolos suelen a ser similares (Lephart, 2001).

Después de la fractura e inmovilización de la muñeca se debe enfocar en la recuperación

del movimiento, pasando a la restauración de la fuerza, energía y resistencia muscular.

La mayoría de lesiones inflamatorias del tendón se generan como consecuencia de una

irritación crónica y pueden ser diagnosticadas como lesiones por sobre uso. Para tratar

este tipo de lesión, es esencial interrumpir las actividades que ocasionan dicha

inflamación. Es necesario el reposo, así como aplicación de hielo, agentes

antiinflamatorios, y en casos graves, inmovilización (Lephart, 2001).

Tratamiento y rehabilitación de las lesiones de muñeca (Tabla 2.3).

Etapa 1: Aguda.

Reposo/inmovilización (Figura 2.10)

Hielo (inmersión o bolsas)

Antiinflamatorios.

Figura 2.10 Inmovilización de la muñeca (Lephart, 2001)

Etapa 2: Inflamación estabilizada.

Técnicas crio-cinéticas.

Flexibilidad activa/activa asistida

Amplitud de movimiento activa.

Etapa 3: Amplitud de movimiento indolora.

Baños tibios a presión/amplitud de movimiento activa.



Ultrasonidos.

Flexibilidad activa/activa asistida.

Ejercicios de flexión, extensión (Figura 2.11), abducción, aducción, etc. (terapias

de movimiento, gomas elásticas, mancuernas, etc.).

Etapa 4: Fuerza y amplitud de movimiento cercanas al nivel normal.


Flexibilidad activa/activa asistida.

Ejercicios de resistencia progresiva (Véase Figura 2.12).

Figura 2.11 Ejercicio del movimiento de a) flexión, b) extensión de la muñeca levantando suavemente la mancuerna (Mahiques, 2013)

Figura 2.12 a) y b) Ejercicios de resistencia progresiva (Fundación MAPFRE, 2013)

La potenciación de hombro y codo debe acompañar la rehabilitación de mano y muñeca

para mejorar la función global de la extremidad.

a) b)

a) b)



Las fracturas y lesiones de muñeca requieren de reposo y a menudo de una

inmovilización prolongada. Tras este proceso, es necesario recuperar e incrementar la

flexibilidad de los flexores y extensores de la muñeca, realizando movimientos que

cumplan con lo requerido para su rehabilitación (dispositivos rehabilitadores, sesiones

terapéuticas, etc.).

Tabla 2.3 Terapias para el avance de la rehabilitación de mano

Terapia Avances en la rehabilitación

Reposo/inmovilización Aparición de movimiento, disminución o

desaparición de inflamación

Flexibilidad activa/activa asistida Movimientos de Extensión, flexión y

circundante

Amplitud de movimiento activa. Movimientos de Extensión, flexión y

circundante

Ejercicios con gomas elásticas, mancuernas Movimientos de flexión, extensión,

supinación, pronación y desviación con resistencia progresiva


Fuerza y amplitud de movimiento cercanas al nivel normal.

2.6 Mecanismos Con los notables avances realizados en diseños de instrumentos, controles automáticos y

equipo automatizado, el estudio de los mecanismos toma un nuevo significado. La

Mecánica es la rama que se encarga del estudio del análisis científico que se ocupa de los

movimientos, el tiempo y las fuerzas, y se divide en estática y dinámica (Shigley y Uicker,

2001). La estática es aquella que trata de los análisis de sistemas estacionarios, de

aquellos en que el tiempo no es determinante. La dinámica, lo contrario a lo anterior, se

encarga del estudio del análisis de sistemas que son dependientes del tiempo.

Para el diseño de un sistema mecánico es importante saber la cinemática de éste. La

cinemática es el estudio del movimiento, independientemente de las fuerzas que lo

producen (posición, desplazamiento, rotación, rapidez, velocidad y aceleración). La

cinemática de máquinas y mecanismos es el factor importante para su estudio (Shigley y

Uicker, 2001).



Un mecanismo es un dispositivo que tiene el propósito de transferir movimiento y/o

fuerza de una fuente a una salida, el cual está compuesto por eslabones. Un eslabón es

un cuerpo rígido que compone la parte de un mecanismo (Erdman y Sandor, 1998).

En cualquier mecanismo que se analice es importante entender su funcionamiento, por

lo tanto es esencial el conocimiento del número de variables independientes a definir,

para conocer en cualquier instante el estado de cualquier eslabón y por tanto del

mecanismo, es decir, el número de grados de libertad (GDL) o la movilidad del

mecanismo (García y Castejón, 2007). La movilidad de un mecanismo es el número de

parámetros de entrada que se deben controlar independientemente, para llevar al

dispositivo a una posición en particular.

Un eslabón (Figura 2.13), barra o elemento de un mecanismo en el espacio tiene seis

grados de libertad, restringiendo su movimiento al plano pasa a tener tres grados de

libertad, siendo tres de rotación y tres de traslación.

Figura 2.13 Eslabón tipo biela, formado por tornillos, arandelas, cabeza de biela y casquillos (García y Castejón, 2007)

Como los eslabones están conectados mediante pares (conexión entre dos eslabones),

puede definirse los movimientos relativos posibles de acuerdo a cada par. Existen pares

de acuerdo al tipo de contacto entre miembros: puntual, lineal o superficial. Estos

últimos se denominan pares inferiores, mientras que los otros son pares superiores

(puntual, lineal), tal como un rodamiento de bolas o entre los dientes de un engrane en

contacto.

Para los pares inferiores existen diferentes tipos tales como:



Par cilindro (C): Las zonas en contacto son cilíndricas de revolución, de manera que los

movimientos son independientes entre los miembros, lo cual uno es de traslación a lo

largo de un eje común a ambos miembros y el otro de rotación alrededor del mismo eje.

Por tanto permite dos grados de libertad de uno con respecto al otro, Figura 2.14.

Par de revolución o articulación (R): La unión de contacto es de revolución excepto las

cilíndricas, por lo que únicamente se realiza la rotación de uno de los dos miembros

alrededor de un eje común. En este par existe un grado de libertad (Figura 2.14).

Figura 2.14 a) Par cilíndrico b) Par de revolución (Cardona y Clos, 2001)

Par prismático (P): Solo permite un grado de libertad, ya que las superficies que se

encuentran en contacto son prismáticas, por lo que solo existe una traslación relativa

entre ellas mediante un eje común (Figura 2.15).

Par helicoidal (H): Permite un movimiento relativo de rotación más traslación según un

eje, por lo que las superficies de contacto son esféricas, teniendo un grado de libertad

(Figura 2.15).

Figura 2.15 a) Par prismático b) Par helicoidal (Cardona y Clos, 2001)

a) b)

a) b)



Par esférico (S): Es una articulación de rotula. Realiza una rotación arbitraria de un

miembro con respecto al otro, las superficies de contacto son esféricas, por lo que

permite tres grados de libertad relativos entre los miembros (Figura 2.16).

Par plano (P): Las zonas de contacto son planas, de manera que permite el movimiento

relativo de traslación según las dos direcciones del plano, teniendo tres grados de

libertad (Figura 2.16).

Figura 2.16 a) Par esférico b) Par plano (Cardona y Clos, 2001)

Para la determinación de grados de libertad de movimiento relativo de una cadena de n

eslabones conectados, considerando un eslabón fijo se tiene la ecuación para la

movilidad resultante de un mecanismo plano se tiene:

(1)

Dónde:

El número de eslabones móviles es (n-1).

J1: Pares de 1 GDL

J2: Pares de 2GDL

Un conjunto de eslabones unidos mediante articulaciones da lugar a una cadena

cinemática (Shigley y Uicker, 2001), la cual puede ser cerrada o abierta dependiendo de

los eslabones. La utilización de cadenas cinemáticas hace que a uno de los eslabones se le

restrinja su movimiento completamente, convirtiéndolo en eslabón tierra o fijo.

Al analizar la movilidad de un mecanismo, si se obtiene un número de grados de libertad

nulo, entonces se considera que no es un verdadero mecanismo, denominándolo como

estructura. La elección del eslabón al que se restringe su movimiento, en una cadena

a) b)



cinemática es arbitrario, por lo que en una cadena cinemática de n eslabones da como

lugar a n mecanismos dependiendo del eslabón que se elija como fijo (García y Castejón,

2007). Debido a esto, cada uno de los n posibles mecanismos obtenidos, se denomina una

inversión.

Una de las consideraciones de mayor importancia es al diseñar un mecanismo, ya que se

debe asegurar que un eslabón realice una revolución completa para que pueda ser útil su

aplicación. Para poder inducir movimiento a cada tipo de par existen actuadores que

ayudan o ejecutan este movimiento.

Los actuadores rotacionales promueven movimiento de acuerdo a los pares cilíndricos,

helicoidales, de revolución y del par plano en uno de sus tres grados de libertad. Además,

existen actuadores lineales los cuales estimulan un movimiento para el par prismático,

así como, el par plano que se realiza en dos de sus tres grados de libertad, y de los cuales

se efectúa el movimiento y el desplazamiento permitidos en el accionar del mecanismo

y/o eslabón.

2.7 Actuadores

Los actuadores eléctricos poseen un amplio campo de aplicación dado a que son muy

utilizados en accionamientos que necesiten características de precisión, control, con fácil

instalación, fiabilidad, además de la fácil disponibilidad de la energía eléctrica a través de

las redes de distribución (Somolinos, 2002). Los actuadores eléctricos se pueden

clasificar de acuerdo al esquema mostrado en la Figura 2.17.

2.7.1 Motores de corriente continua

Los motores de corriente continua están compuestos por el estator en el que se

encuentra el devanado de excitación, el cual se encarga de crear el campo magnético de

dirección fija denominado excitación, y por el rotor en el que se encuentra el inducido

(Somolinos, 2002). El rotor gira debido a la interacción del campo magnético producido



por la excitación y las corrientes que se encuentran en el inducido. El colector de delgas

en los motores de corriente continua es un conmutador sincronizado con el rotor, el cual

permite que los campos magnéticos en el estator y rotor se mantengan estáticos entre sí.

El motor de corriente continua es utilizado en aplicaciones donde se necesita controlar la

velocidad y/o par, además de que pueden invertir su sentido de rotación, invirtiendo el

flujo de corriente a través del campo o la armadura. También son empleados en

mecanismos utilizados en robótica debido a su disponibilidad de uso y en donde se

requiere un espacio físico pequeño.

Figura 2.17 Clasificación actuadores eléctricos (Somolinos, 2002)

ACTUADORES ELÉCTRICOS

C.A. Síncronos

Asíncronos

C.D.

Campo bobinado

Serie

Paralelo

Compuesto

Imán permanente

Brushless

Especiales

Motor paso a paso

Motor de reluctancia

Universal Servomotores



2.7.2 Servomotor

Los servomotores son motores de corriente continua que presentan un mecanismo de

control para realizar su movimiento y detectar su posición angular. La entrada de control

indica la posición deseada, haciendo que el circuito lógico en el interior del motor lo

colocará en esa posición. El servomotor cuenta con un potenciómetro, el cual le permite a

la circuitería de control, supervisar el ángulo actual en el que se encuentra el servomotor.

Generalmente los servomotores tienen un rango restringido de movimientos, entre un

giro de 0° y 180°.

La alimentación de estos motores deberá ser dada por una señal modulada por ancho de

pulso (PWM) para controlar su movimiento. El ancho de pulso enviado a la entrada de

control indica la posición deseada del motor. Son muy utilizados en robótica, debido a

que son pequeños y sumamente poderosos de acuerdo a su tamaño, ya que ofrecen un

momento de torsión elevado y una carga ligera haciendo su uso en máquinas de

precisión.

Los servomotores son una mejor alternativa que los motores paso a paso, ya que éstos

motores trabajan mediante un sistema en lazo abierto, mientras que los servomotores

trabajan mediante un sistema en lazo cerrado, por lo que se consigue una posición muy

precisa (Solbes, 2013). El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites

mecánicos internos construidos en el servomotor.

2.7.3 Motor lineal

Entre los tipos de servomotores se encuentra el motor lineal, mismo que permite el

control de posición. Éste motor es una máquina cuya fuerza de accionamiento es lineal y

no rotatoria como otros motores eléctricos. Para comprender su funcionamiento,

suponemos que el estator de un motor trifásico es cortado por un plano diametral y

desarrollado sobre un plano. Si el devanado trifásico se alimenta con corriente eléctrica

trifásica, los polos se mueven, ya sea el caso de derecha a izquierda (Senner, 1994).



En los motores lineales el estator se llama inductor y es constituido por un grupo de

chapas en forma de peine, en donde en sus ranuras va colocado un devanado trifásico.

La otra parte del motor, corresponde al rotor, el cual está formado por un conductor

macizo llamado inducido, y se encuentra situado entre los dos inductores.

La corriente que circula por el devanado del inductor origina un campo magnético que se

desplaza en línea recta, que a su vez origina corrientes parásitas en el inducido. Con esto,

da lugar a una fuerza en la dirección de dicho campo móvil del inductor para el

movimiento lineal.

En estos motores el entrehierro es mayor que un motor en cortocircuito, además la

resistencia del inducido es mayor que la resistencia rotórica. Por consecuencia su

característica fuerza-velocidad es más plana que la de par motor-velocidad de giro de un

motor asíncrono. Es por ello que el motor lineal actuando con carga, su velocidad

disminuye rápidamente (Senner, 1994). Su arranque es suave a su máxima fuerza,

haciendo que la velocidad se mantenga inferior a la del campo móvil.

2.7.4 Motor a pasos

En los motores a pasos, el rotor gira un ángulo por cada paso que realiza. El estator es

polifásico y tiene p pares de bobinas enfrentadas, en donde se conectan las distintas

fases. El rotor es un cilindro en donde en uno de sus extremos hay distribuidos

radialmente q polos norte; y en el otro extremo se distribuyen intercalados con los

anteriores q polos sur (Linares y Page, 1997). Dicho rotor tiende a colocarse de tal

manera que la resistencia magnética es mínima; por ello estando el motor parado, se

tiene un par de mantenimiento, que puede incluso ser mayor que el par motor en

servicio (Senner, 1994). Estos motores son dispositivos que convierten pulsos digitales

en rotación mecánica; la cantidad de rotación es directamente proporcional al número de

pulsos de la señal de control y la velocidad de rotación es relativa a la frecuencia de

dichos pulsos. Este tipo de motores avanzan a un ángulo prefijado.



Los motores paso a paso se diferencian entre sí, por la forma en la que se genera el

campo magnético, ya sea unipolar o bipolar el devanado del estator y por la construcción

del rotor mediante imán permanente o hierro dulce. Los motores a paso son diferentes a

varios de los motores de CD, debido a que no tienen escobillas ni conmutador mecánico,

en su lugar, la acción de conmutación para realizar la rotación es mediante señales

externas, el rotor no tiene devanado de armadura, por ello se constituye de imanes

permanentes dentados.

Su principal ventaja con respecto a los servomotores, es su capacidad para asegurar un

posicionamiento simple y exacto, además de que pueden girar de forma continua, con

velocidad variable, obedeciendo a secuencias complejas de funcionamiento.

2.8 Interfaz

Interfaz es un término que procede del vocablo inglés interface (“superficie de

contacto”). En informática, esta noción se utiliza para nombrar a la conexión física y

funcional entre dos sistemas o dispositivos de cualquier tipo dando una comunicación

entre distintos niveles (Definición.de, 2013).

Además, según Scolari (2004), la palabra interfaz se utiliza en distintos contextos:

1. Interfaz como instrumento: desde esta perspectiva la interfaz es una "prótesis" o

"extensión" de nuestro cuerpo. Por ejemplo, el ratón en una PC es un instrumento

que extiende las funciones de nuestra mano y las lleva a la pantalla bajo forma de

cursor. Así, la pantalla de una computadora es una interfaz entre el usuario y el

disco duro de la misma.

2. Interfaz como superficie: algunos consideran que la interfaz nos trasmite

instrucciones ("affordances") que nos informan sobre su uso. La superficie de un

objeto (real o virtual) nos habla por medio de sus formas, texturas, colores, etc.



3. Interfaz como espacio: desde esta perspectiva la interfaz es el lugar de la

interacción, el espacio donde se desarrollan los intercambios y sus manualidades.

Una interfaz define el límite de comunicación entre dos elementos, tales como software,

hardware o un usuario, puede proveer medios de traducción entre elementos que no se

comunican en el mismo lenguaje, como por ejemplo humano-maquina, la cual

particularmente recibe el nombre de interfaz de usuario, aquella entre dos elementos de

hardware es denominada una interfaz física y la última es la interfaz de software, que

consiste en enlazar dos programas de cómputo separados (Scolari, 2004).

Se define a una interfaz hombre-máquina (H.M.I.) como el conjunto de componentes

empleados para comunicar instrucciones a una máquina, donde el usuario controla y

dirige mediante instrucciones (Scolari, 2004).

2.9 Adquisición de datos

Como explica Viera (2013), un sistema de adquisición de datos no es sino un equipo

electrónico cuya función es el control o simplemente el registro de una o varias variables

de un proceso cualquiera, de forma general puede estar compuesto por los siguientes

elementos:

1. Sensores.

2. Amplificadores operacionales.

3. Amplificadores de instrumentación.

4. Aisladores.

5. Multiplexores analógicos.

6. Multiplexores digitales.

7. Circuitos Sample and Hold.

8. Conversores A-D.

9. Conversores D-A.

10. Microprocesadores.



11. Contadores.

12. Filtros.

13. Comparadores.

14. Fuentes de potencia.

Con la información fluyendo como muestra el diagrama de la Figura 2.18.

Figura 2.18 Diagrama general de un SAD (Viera, 2013)



El principal objetivo de los "Sistemas de Adquisición de Datos"(S.A.D) es la unificación de

los diferentes recursos que lo integran : Transductores de diferentes tipos y naturaleza,

multiplexores, amplificadores, sample and hold, conversores A/D y D/A, además el uso

de un microcontrolador como CPU del SAD diseñado, utilizando de este

microcontrolador todas sus prestaciones: interrupciones, temporizadores, comunicación

serie, así como hacer uso de memorias y puertos externos y creando con todo ello un

sistema que se encargue de una aplicación especifica cómo es monitorear una variable

(PH, humedad relativa, temperatura, aceleración, velocidad, posición, iluminación,

concentración, etc. ) para una posterior utilización dela misma ya sea con fines docentes,

científicos, de almacenamiento o control y utilización de la misma (Viera, 2013).


CAPÍTULO III

DISEÑO CONCEPTUAL Y SIMULACIÓN DEL PROTOTIPO En éste capítulo se presenta el diseño conceptual del dispositivo, tomando en cuenta los requerimientos y parámetros necesarios que se desean cubrir para su desarrollo en el proceso de selección de material, así como la funcionalidad y etapas a realizar para su accionamiento mecánico, planteando además los conceptos para la solución del diseño final que será implementado en la simulación del prototipo garantizando la ejecución de los movimientos deseados descritos anteriormente.

CAPÍTULO III DISEÑO CONCEPTUAL Y SIMULACIÓN DEL PROTOTIPO


3.1 Introducción

El proceso de diseño de una máquina es la parte fundamental para tomar en cuenta los

requerimientos planteados de la necesidad a cubrir. En este caso, se presentan los

parámetros y funciones a realizar para abarcar el diseño final. Los conceptos utilizados

parten de la descripción y solución de funcionamiento del mecanismo, como se empleará

a continuación.

3.2 Criterio de diseño

En la definición del proceso de diseño de un sistema o mecanismo, surge la necesidad de

obtener un producto que satisfaga condiciones de seguridad, confiabilidad, producción,

etc., así como también los requisitos y restricciones del dispositivo establecidas por el

diseñador y el usuario o cliente.

Para la construcción del rehabilitador de muñeca es necesario cumplir con diversas

consideraciones, las cuales se toman para su diseño las mencionadas a continuación:

• Funcionales El dispositivo rehabilitador debe de reproducir los movimientos de la muñeca

considerando los siguientes máximos de desviación de la muñeca:

Flexión (80 a 90°)

Extensión (70 a 90°)

Abducción (15°)

Aducción (30 a 45°)

Además de que el dispositivo pueda realizar los movimientos de muñeca de manera

continua para la rehabilitación y evolución del paciente.

• Dimensionales



Para el dispositivo rehabilitador es necesario contar con las dimensiones o longitudes

que se requieren para establecer y desarrollar los movimientos requeridos, por ello se

tienen las siguientes medidas uniformes de acuerdo a personas que cumplen con mayor

número estos parámetros:

Dimensión de mano: 18.082 cm.

Peso: 0.533 Kg (Gowitze y Milner, 1999).

Antebrazo y mano: 1.5Kg (Gowitze y Milner, 1999).

Dimensión de muñeca: 4.5 cm.

Ancho de la mano incluyendo dedo pulgar: 9.74 cm.

• Composición La selección de componentes para el diseño del dispositivo rehabilitador, deberán

cumplir con requisitos de seguridad y funcionamiento, que obtengan un adecuado

desempeño en la rehabilitación del paciente.

La construcción del prototipo se inicia con la edificación de los módulos considerados

como críticos (estructura del prototipo), que luego, al ser evaluados, podrían o no

realimentar las etapas de búsqueda de principios de solución, y de ser necesario, cambiar

el principio seleccionado. Para ello, en la selección de materiales (Hierro, Latón, nylamid,

acero, etc.) se optará de acuerdo a sus características propias, las cuales resulten

apropiadas para la construcción del dispositivo, tal es el caso de la estructura para el

soporte del antebrazo y mano, además de la estructura del dispositivo y el accionamiento

de éste.

3.3 Parámetros de diseño

Las dimensiones antropométricas de población mexicana (Zona Metropolitana de la

Ciudad de México), que son las que se toman en cuenta para el diseño del dispositivo

rehabilitador, se realizaron con una muestra total de 974 sujetos con un rango de 18 a 68

años.



Figura 3.1 Dimensiones antropométricas (Ávila, Prado y González, 1999) La Tabla 3.1 concentra las dimensiones antropométricas de una mano, señaladas en la

Figura 3.1, de la población mexicana.

Tabla 3.1 Dimensiones de la extremidad superior (Ávila, Prado y González, 1999)

Descripción Guadalajara

(mm) Cd México

(mm) León, Guanajuato

(mm)

1.Longitud de la mano 171 180.82 181

2.Longitud palma mano 97 --- 103.2

3.Anchura mano 93 97.4 97.8

4.Anchura palma mano 76 82.70 84.4

5.Diámetro empuñadura 44 35.75 38.7

6.Espesor mano 29 --- 30.5

7.Altura de mano --- 46.32 ---

8.Diámetro máximo de mano

--- 91.59 ---

9. Longitud de muñeca al centro de empuñadura:

--- 75 ---

10.Dimensión de muñeca: --- 45 ---



3.4 Diseño conceptual

En esta parte o etapa de síntesis de diseño se procede la interpretación del dispositivo

rehabilitador de muñeca con la finalidad de obtener un criterio en el funcionamiento del

desarrollo de trabajo que ejercen los elementos empleados para el dispositivo, además

del material y dimensiones a utilizar de acuerdo a sus características y estructuración del

mismo.

En primera instancia, de acuerdo a la Tabla 3.1, se propone un dispositivo que cumple

con los movimientos aducción-abducción (15°-45°), flexión-extensión (90°-90°) y

pronación-supinación (90°-90°), realizando cada uno de ellos de manera continua,

posibilitando la ejecución de movimiento de la muñeca a rehabilitar con el menor

esfuerzo con respecto a su función y progreso de recuperación (Figura 3.2).

Figura 3.2 Par prismático para movimiento de pronación – supinación La ejecución de cada uno de estos movimientos es de acuerdo a la interacción de los

elementos mecánicos del dispositivo ensamblado, haciendo uso de los pares cinemáticos

generados entre los componentes, en este caso pares prismático (Figura 3.3) y de

revolución (Figura 3.4), para obtener un mecanismo acorde a las necesidades requeridas.



Figura 3.3 Par prismático para movimiento de aducción - abducción

Figura 3.4 Par de revolución para movimiento de flexión - extensión En la Figura 3.5 se presenta el ensamble de las piezas diseñadas antes mostradas,

simulado en un programa de cómputo CAD-CAE para apreciar de mejor manera su

funcionamiento como un conjunto.



Figura 3.5 Simulación del diseño conceptual propuesto (sin estructura de soporte)

De acuerdo a la propuesta de diseño de este mecanismo, se ratificó de manera relevante

la complejidad de construcción de sus componentes, además de la prescripción del

movimiento de pronación-supinación y enfocándose únicamente en la generación de los

movimientos cinemáticos que efectúa la muñeca de una persona, lo cual engloba solo los

movimientos de flexión, extensión, aducción y abducción, principalmente. Por ello se

planteó un diseño que cubrirá las dificultades que se han presentado (Figura 3.6),

reestructurando su accionamiento y la elaboración de sus componentes.

De igual forma se busca conseguir un diseño más simple con el modo de fijar a una

estructura de soporte.

Figura 3.6 Diseño conceptual del mecanismo rehabilitador Para el caso del accionamiento de los movimientos básicos de la muñeca, se plantea el

uso de dos tipos de motores, los cuales son un servomotor rotacional, debido a los altos



torques que éstos logran en comparación a su reducido tamaño y fácil accionamiento por

PWM (Modulación por Ancho de Pulso), y un servomotor lineal para la ejecución del

movimiento del par cinemático prismático de acuerdo al diseño conceptual propuesto.

3.5 Materiales

Los materiales empleados en la estructura del accionar del dispositivo forman en su

conjunto las características y propiedades de desempeño del mecanismo de acuerdo a la

constitución de cada una para desarrollar una función. Para la fabricación del mecanismo

se considera los siguientes materiales: Aluminio, latón, Hierro, acero y nylamid.

3.5.1 Aluminio

El Aluminio presenta buena conductividad eléctrica entre los 34 y 38 y es

también buen conductor de calor. Es fácil de laminar y de estirar, su resistencia de

laminado en caliente de 130 a 200 , y a la tracción, moldeado es de 90 a 120

(Senner, 1994).

El Aluminio se puede alear con otros materiales (Cobre, Silicio, Magnesio, Cinc,

Manganeso, etc.), así como, estañar y soldar fácilmente. Su conductividad aumenta al

bajar la temperatura hasta ⁄ , a 4.2 K. Su punto de fusión es más bien

bajo, en torno a los 660° C. Tiene una densidad de 2.6 a 2.8 (para el Aluminio puro

2.8 ) (Hufnagel, 2004).

Debido a su resistencia a la corrosión y a su baja densidad, el Aluminio puro se puede

utilizar para revestimientos de cables y en disminuciones de masa en construcciones

móviles y estáticas. Su buena deformabilidad lo hace apropiado para laminar, así como

su ligereza (sobre un tercio del peso del Cobre y el acero). Además el Aluminio es un

material reciclable, ya que se puede reciclar sin que pierda sus cualidades.



3.5.2 Latón

Cuando el contenido de Cinc no excede del 36%, el latón es una solución solida

monofásica de Cinc en Cobre. En latones de alto Cinc las cualidades para el trabajo en frío

son bastante deficientes, pero la deformabilidad es buena en caliente. Como el Cobre, el

latón se endurece con el trabajo frio y, se puede encontrar con diferentes grados de

pureza (Degarmo, Black y Kohser, 2002).

El color de los latones va desde el cobrizo hasta casi blanco, siendo los de cobrizo los de

Cinc bajo, sin embargo, la adición de un tercer elemento puede alterar ampliamente su

color. El latón resiste a la corrosión. En la zona de 0 a 40% de Cinc, la adición de una

pequeña cantidad de estaño produce una excelente resistencia a las atmosferas salinas.

Los latones de 20 a 36% de Cinc suelen sufrir corrosión selectiva que se le denomina

descincado, al introducirse en soluciones acidas o salinas. Para los latones con más de un

15% de Cinc aparece la corrosión intergranular o fisuración por corrosión,

produciéndose por tensiones internas combinadas con exposición a un ambiente

corrosivo.

Muchas de sus aplicaciones del latón se basan en sus elevadas conductividades eléctrica

y térmica combinadas con una resistencia mecánica suficiente. Sus características

galvanoplásticas son notables, haciendo que esta aleación sea excelente para el cromado

decorativo o recubrimientos similares (Degarmo, Black y Kohser, 2002).

Algunas de las aleaciones se demuestran en la Tabla 3.2 de acuerdo a su tipo de

resistencia.

El comportamiento de acuerdo a la corrosión de las aleaciones Cu-Zn se caracteriza

según su medio de ataque por corrosión selectiva y por tensión-corrosión inter e

intercristalina. Es también conocida la sensibilidad del latón de acuerdo a las variaciones

de temperatura, debido a que el frio de invierno por ejemplo, puede ocasionar corrosión

por grietas de tensiones. El latón no es resistente a ácidos oxidantes, a sus sales y

soluciones acuosas.



Tabla 3.2 Propiedades de Latones forjados seleccionados (Kalpakjian y Schmid, 2002)

Tipo y número UNS

Composición nominal (%)

Resistencia tensil

máxima (MPa)

Elongación en 50 mm

Aplicaciones

Latón rojo, 85%

(C23000)

85.0 Cu. 15.0 Zn

270-725 55-3

Extintores de incendio, tubería

para condensadores, e intercambiadores

de calor

Latón para cartuchos,

70% (C26000)

70.0 Cu. 30.0 Zn

300-900 66-3

Depósitos de radiadores, lámparas,

sujetadores, etc.

Latón de libre maquinado,

(C36000)

61.5 Cu. 35.5 Zn

3.0 Pb 340-470 53-18

Engranes, piñones, piezas de

maquinaria para roscar a alta

velocidad

Latón naval, (C46400 a C46700)

60.0 Cu. 39.25 Zn 0.75 Sn

380-610 50-17 Balines, pernos,

remaches, placas de condensador, etc.

3.5.3 Hierro

El Hierro es un material de color grisáceo, dúctil y maleable, que aleado con Carbono se

obtiene el acero. Químicamente puro es quebradizo y prácticamente no tiene resistencia

mecánica, su punto de fusión es a 1530°C, peso específico 7.85, su densidad es de 7.874

(Millan, 2012).

Es uno de los materiales más abundantes en la naturaleza, es magnético y con el calor se

ablanda y se hace muy plástico. Su módulo de elasticidad de acuerdo a su composición

como el Hierro colado es de , y del Hierro .Una propiedad importante

en la siderurgia es la que posee, cuando se encuentra al estado líquido, de disolver su



óxido de Hierro. Esta propiedad aumenta con la temperatura, lo que constituye un

defecto muy conocido, pues el óxido disuelto en la masa de Hierro líquido, no puede ser

eliminado por reducción, y este óxido hace al metal quebradizo.

El Hierro es particularmente afectado por la acción del Oxígeno especialmente a

temperaturas elevadas, formándose el óxido de Hierro magnético. En temperatura

ambiente, con atmosfera húmeda, forma óxido férrico hidratado. De acuerdo a sus

propiedades se obtienen diversas aleaciones del Hierro, que se pueden obtener por

procesos metalúrgicos con diversas propiedades del material.

3.5.4 Acero

El acero es esencialmente una aleación de Hierro y Carbono. Cuando se obtiene

comercialmente contiene pequeñas cantidades de Magnesio, Fosforo, Azufre y Silicio.

Cuando sucede esto, la resistencia del material depende del contenido de Carbono, su

ductibilidad decrece y su templabilidad es muy baja. Además las temperaturas tanto

altas como bajas perjudican sus propiedades y sufren de corrosión en la mayoría de los

ambientes.

Se pueden clasificar a los aceros ordinarios al Carbono en grupos de tres categorías. Los

aceros pobres en Carbono o de Carbono bajo, contienen menos de un 0.3% de dicho

elemento, se conforman y sueldan bien, pero carecen de templabilidad para que se

puedan endurecer en profundidades interesantes. Están constituidos por perlita y

ferrita, se emplean en estado bruto de conformación en caliente o frio.

Los aceros de Carbono medio poseen entre 0.2 y 0.8% de Carbono, pueden templarse

para formar bainita si la selección es pequeña. Con estas proporciones se consigue un

equilibrio entre las distintas propiedades, pues el límite de fatiga y tenacidad del metal

pobre en Carbono encuentra un buen compromiso con la mayor resistencia y dureza

propias de los contenidos de Carbono más elevados.



Están los aceros ricos en Carbono, que poseen más del 80% de Carbono, su tenacidad y

conformabilidad son muy escasas, pero su dureza y resistencia al desgaste altas. Cuando

este material se apura hasta sus límites suelen aparecer grietas de temple. Los aceros

ordinarios al Carbono son los aceros más baratos y deben tenerse en cuenta para muchas

aplicaciones. Las impurezas (P y S) pueden provocar efectos perjudiciales, especialmente

en construcciones solidas (Bassegoda, 1982).

A los aceros se les agrega varios elementos a fin de impartirles propiedades de

templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, capacidad

de trabajo, soldabilidad y maquinabilidad para diversas aplicaciones en el ámbito

industrial en la fabricación de puentes o edificios, además de la elaboración de

instrumentos quirúrgicos y químicos, así como, la trasportación de diversos fluidos

debido a sus propiedades de conservación y durabilidad.

3.5.5 Nylamid

La barra de nylon es un producto fabricado con procesos avanzados de Ingeniería de

plásticos. Sus extraordinarias características le permiten operar en severas condiciones

de uso, abrasión, corrosión y flamabilidad. El nylamid está dentro de la familia de las

poliamidas (PA) nylon, con facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión. Por su

estructura resulta ser de dos a sietes veces más ligero que los metales (su peso es 1/7 del

peso del Bronce); se mantiene por largo tiempo sin necesidad de lubricación, la

resistencia de desgaste es grande, teniendo buenas propiedades mecánicas y eléctricas.

El balance de resistencia y tenacidad es ideal, además de su mayor eficacia para la

eliminación de ruido.

Este tipo de material es ideal para el maquinado de piezas y partes donde el peso sea

prioritario cuando la lubricación sea de difícil acceso o poco frecuente y en casos donde

el desgaste sea excesivo para las piezas, al ser muy ligero y resistente a la corrosión.

Su resistencia para uso general a la tracción es de 82.4-87.3 MPa, su elongación equivale

de 15-30%, teniendo resistencia al impacto de 8 , y su dureza de 80-82



shore-D. Su densidad es de 1.14 , teniendo una resistencia de tensión de 720

, así como resistencia al impacto de 8 , y su módulo de elasticidad de

24000 .

En la ¡Error! La autoreferencia al marcador no es válida. se muestra una síntesis de

estos materiales y sus propiedades:

Tabla 3.3 Materiales y sus propiedades (Kalpakjian y Schmid, 2002)

Material Maleabilidad Corrosión Tenacidad Oxidación

Aluminio Elevada Resistente Débil Resistencia Alta

Latón Elevada Resistente Buena Resistencia Baja

Hierro Elevada No Resistente Buena Resistencia Baja

Acero Elevada (Pequeña

cantidad de Carbono)

No Resistente Buena Resistencia Baja.

Alta (Acero inoxidable)

Nylamid Elevada Resistente Buena Resistencia alta

En el entendido de que cada material con sus propiedades tiene sus ventajas y

desventajas, se establece la utilización de Aluminio en la fabricación de las piezas para la

construcción del mecanismo de rehabilitación, desde la estructura de soporte (en el que

se eligió específicamente el material estructural IPS de Aluminio) hasta las piezas de

ensamble que transmitirán y permitirán la reproducción de los movimientos de la

muñeca, desistiendo de su uso únicamente en partes especificas cuya función requería de

propiedades más enfocadas, como lo es la necesidad de un material con menor fricción,

como el nylamid, para el eslabón de transmisión de movimiento, o como en el caso del

soporte de antebrazo o base de reposo que requería de otro tipo de material, que fuera

firme pero suave y moldeable a la forma del antebrazo.



3.6 Sistema IPS

Un sistema estructural IPS, es un sistema de construcción industrial a base de perfiles de

Aluminio ranurado de alta resistencia (Figura 3.7) con ranuras en forma de Ty en un

gran extenso de presentaciones en cuanto a formas y medidas (Parker, 2013).

Figura 3.7 Perfil de Aluminio ranurado de IPS (Parker, 2013)

Existen varias series y grupos en los cuales se clasifican los productos de IPS, desde el

grupo 10 hasta el 40, según el catálogo de Parker (2013) y de las series 20, 28, 30, 40, 45

y 50 (mm), además de las series1´´ y 1.5´´, siendo el más utilizado de la serie 45 estándar,

el perfil mostrado en la Figura 3.8 de 45 x 45 mm (Parker, 2013), para aplicaciones de

automatización, embalaje, diseño de máquinas y carcasas.

Figura 3.8 Dimensiones perfil de Aluminio de IPS de la serie 45 estándar (Parker, 2013)



Entre las ventajas y desventajas que presenta el uso de un sistema IPS, se encuentran las

mostradas en la Tabla 3.4.

Tabla 3.4 Ventajas y desventajas de un Sistema IPS (Parker, 2013)

Ventajas Desventajas

Cumple casi con cualquier requerimiento de carga y rigidez

No es recomendable cuando:

Periodo muy corto entre el diseño y la fabricación

El perfil está en contacto con sustancias corrosivas

Personal no calificado para su manufactura

En temperaturas superiores a 200°C

Permite cambios futuros Cuando una mínima deflexión afecta

el funcionamiento de la máquina

Apariencia estética sin requerir acabados superficiales

En muchas ocasiones es una consideración de Ingeniería

En la Figura 3.9 se muestra la comparación de costos de un sistema IPS frente a uno

tradicional de acero soldado, tomando en cuenta no solo el material empleado sino

también la mano de obra requerida y costos indirectos. Con esto se puede apreciar que si

bien no existe un ahorro notable en costos por proyecto, si lo hay en mano de obra, lo

que conlleva a un ahorro en tiempo de trabajo.

Figura 3.9 Comparación de costos al utilizar Aluminio o acero (Parker, 2013)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

ALUMINIO ACERO

80

30

5

20

15

50

PO

RC

ENTA

JE

MATERIAL

COMPARACIÓN DE COSTOS

MO

INDIRECTOS

MATERIAL



3.7 Simulación

En la simulación del prototipo se utiliza un programa de computo CAD-CAE en el cual se

construye cada una de las partes que componen al mecanismo.

El diseño propuesto del dispositivo rehabilitador, se desarrolla de acuerdo a los

movimientos básicos generados por la muñeca, abducción – aducción (15°-45°) y flexión

–extensión (90°-90°), tomando en cuenta los rangos de movimiento preestablecidos en la

Tabla 2.1 y con las dimensiones referidas en la Tabla 3.1, pero debido a que su

construcción física necesita de un soporte (de material estructura IPS) sobre el que

montar el mecanismo, se reduce el rango de movimiento para la desviación en flexión –

extensión de la muñeca al máximo posible de 57.5° para cada uno.

Para la edificación del soporte simulado, se hace uso de un sistema estructural IPS a base

de perfiles de Aluminio ranurado de alta resistencia de la serie 45 (Rodríguez, 2013) con

3 diferentes dimensiones: 20, 22 y 30 cm. En la Figura 3.10 se aprecia la simulación en el

software CAD-CAE del perfil de Aluminio de IPS.

Figura 3.10 Perfil IPS

En la figura siguiente (Figura 3.11) se aprecia el soporte del dispositivo formado con

perfiles de IPS casi en su totalidad, con el fin de obtener la estabilidad y rigidez adecuada

para el mecanismo rehabilitador.



Figura 3.11Estructura de soporte para el mecanismo rehabilitador

Para el reposo de la extremidad superior (brazo), se diseña una base con dimensiones de

6 cm por 20 cm de lado, con una longitud de 31 cm de largo y un corte circular con radio

de 5 cm (Figura 3.12). Esta parte del dispositivo es esencial, ya que de acuerdo a la

posición o reposo de la extremidad, se cumplirá la correcta ejecución de los movimientos

realizados por el mecanismo.

Figura 3.12 Base de reposo del brazo

La utilización de dos soleras de Aluminio, una con dimensiones de 0.635 cm por 4.44 cm

de lado con una longitud de 20 cm (Figura 3.13), y la segunda con un tamaño de 0.415

cm por 3.8 cm de lado y 31 cm de largo. Para la primera, que además sirve de soporte de

la base de reposo del brazo, se realiza un orificio circular con un radio de 0.4 cm, y cuatro

perforaciones de 0.2 cm para la sujeción del motor que proporcionara un

desplazamiento rotatorio para inducir el movimiento de flexión – extensión a la mano,



con la ayuda de un mango que fungirá como intermediario entre el motor (servomotor) y

la mano, además de otros componentes.

Figura 3.13 Soporte de la base de reposo del brazo y del servomotor rotacional

De igual forma, en la barra siguiente que sirve de soporte para el motor lineal, se hace

una perforación de 0.4 cm para el eje del motor mencionado anteriormente (rotacional),

seis más para poder fijar esta solera al eje del motor, así como una inclinación de 13.12

cm de solera a 9.5° (Figura 3.14) con un corte de 8.44 cm por 1 cm de longitud, que

servirá como guía para mantener en curso el movimiento del mango según sea el

accionamiento, ya sea del servomotor rotacional o el lineal.

Figura 3.14 Soporte del motor lineal

Se utiliza un eslabón del polímero nylamid (Figura 3.15) para la transmisión de

movimiento del motor lineal al vástago de sujeción o mango, el cual tiene como

dimensiones, una distancia de 1.4 cm por 2 cm de lado, con una longitud de 3 cm de

largo, así como dos perforaciones en la parte lateral con un radio de 0.2 cm y un orificio

en la parte superior de 0.5 cm de radio.



Figura 3.15 Transmisión de movimiento del par prismático entre el motor lineal y el mango.

La función del eslabón es cubrir la distancia necesaria para continuar transmitiendo la

fuerza ejercida por el motor lineal al efectuar el movimiento de aducción y abducción de

la muñeca, que será realizado por el dispositivo rehabilitador (Figura 3.16).

Figura 3.16 Interacción entre el vástago del motor lineal y el mango de sujeción por medio del eslabón

El cálculo de los parámetros necesarios que determinan el funcionamiento del eslabón

de acuerdo a los movimientos de aducción-abducción se considera una circunferencia de

radio de 15 cm (mango), y una distancia de 12.68 cm de la posición del motor con

respecto a dicho radio, se tiene:

(2)

Dónde:

Debido al movimiento dado por la muñeca (aducción - abducción) con un rango total de

60°, el desplazamiento máximo que realiza sobre el vástago guía, se logra en un ángulo

de 30°.



Por lo tanto: (3)

Al considerar la altura del eslabón de 1.4 cm y el radio de la barra circular de 0.5 cm de

acuerdo al desplazamiento máximo x, se tiene como resultado la distancia total que

requiere el vástago, para que pueda recorrer la longitud establecida por el actuador

lineal (Figura 3.17):

(4)

Figura 3.17 Interacción del movimiento par cinemático con el resto del mecanismo

Se elabora además, el mango de sujeción (Figura 3.18), una barra cilíndrica con forma

semi-circular, de tal modo que abarque un ángulo de 60° generados por los movimientos

de aducción - abducción de la muñeca, de acuerdo al accionamiento del motor lineal. Con

esta forma, al mover el mango de 15 cm de radio en el ángulo requerido, la mano del

paciente (que se encuentra sostenida de la empuñadura y la cual se encuentra a una

distancia de 7.5 cm desde la muñeca o centro de movimiento) se desplaza en el mismo

sentido y con el mismo ángulo.

Figura 3.18 Mango de sujeción para desplazamiento de movimientos de la muñeca



A la estructura del mecanismo se le agrega una barra sólida de Aluminio semicircular de

25 cm de radio (Figura 3.19) y un eslabón de nylamid para el deslizamiento y apoyo del

motor lineal en la ejecución del movimiento de abducción – aducción de la muñeca

(Figura 3.20).

Figura 3.19 Barra sólida de Aluminio

Figura 3.20 Eslabón de deslizamiento

En la Figura 3.21 se muestran las piezas ya ensambladas que forman el dispositivo

rehabilitador.

Figura 3.21 Dispositivo ensamblado



Los movimientos de aducción - abducción (Figura 3.22 a) y b) Dispositivo rehabilitador

propuesto movimiento aducción – abducción (45°- 15°)) y de flexión – extensión (Figura

3.23 a) y b) Reproducción de los movimientos de flexión-extensión de la mano (57.5°-

57.5°)) efectuados por el dispositivo funcionando con el accionamiento de los motores se

muestran a continuación:

a) b)

Figura 3.22 a) y b) Dispositivo rehabilitador propuesto movimiento aducción – abducción (45°- 15°)

a) b)

Figura 3.23 a) y b) Reproducción de los movimientos de flexión-extensión de la mano (57.5°-57.5°)

3.8 Especificación de las características de los actuadores

En el accionamiento del dispositivo rehabilitador se consideran aspectos importantes de

acuerdo a las características de cada actuador utilizado, incluyendo especificaciones de



velocidad, par motor y alimentación para el funcionamiento adecuado del prototipo

mecánico.

3.8.1 Actuador lineal En cuanto al actuador lineal empleado de la línea Firgelli, que están diseñados para

aplicaciones de Ingeniería, se utilizó la versión L16 (Figura 3.24) con un eje de 140 mm

de longitud, y que debido a sus características, es un actuador sofisticado por sus

capacidades de funcionamiento y control de posición. En la Tabla 3. 5 se presentan las

especificaciones de este actuador lineal L16 y en la Tabla 3.6 sus ventajas y desventajas

más sobresalientes:

Figura 3.24 Actuador lineal Firgelli L16 (Firgelli, 2013)

Tabla 3. 5 Especificaciones servomotor lineal L16 140 mm (Firgelli, 2013)

Especificaciones

Potencia máxima 50 N - 16 mm/s

Máxima velocidad (sin carga) 32 mm/s

Fuerza máxima 50 N

Peso 84 g

Exactitud posicional 0.5 mm

Retroalimentación potenciómetro 9 kΩ±30%

Voltaje de entrada 0‐15 VDC. Nominal a 12VDC.

Corriente 650 mA 12V

Temperatura de operación -10° C a 50° C

Protección IP-54



Tabla 3.6 Ventajas y desventajas del servomotor L16 140 mm


Cumple con el control de posición mediante retroalimentación

No es recomendable un uso rudo

Gran rango de carga de acuerdo a su condición física.

Limitación de eje del actuador L16 140 mm

Tamaño compacto Limitación de velocidad

Fácil instalación

Mantiene su posición

Gran campo de aplicación

3.8.2 Actuador rotacional

El actuador rotacional SG-5010 de la línea TowerPro (Figura 3.25) es uno de los

actuadores que debido a sus características se define como un motor con alto par de

torsión para ser empleado en diversas aplicaciones. Permite utilizar cualquier código de

servo, hardware o biblioteca, respondiendo su control a ser manejado por un

microcontrolador.

Figura 3.25 Actuador rotacional SG-5010 (Tower Pro, 2013)

Las especificaciones que presenta este actuador, así como sus ventajas y desventajas, son

mostradas en la Tabla 3.7 y Tabla 3. 8, respectivamente:



Tabla 3.7 Especificaciones servomotor SG-5010 (Tower Pro, 2013)

Especificaciones

Torque 5.5 kg*cm

Máxima velocidad (sin carga) 0.2sec/60°

Peso 38 g

Ejecución de grados 180°

Voltaje de entrada 4.8-6 VDC.

Temperatura de operación 20° C a 60° C

Ancho de banda muerta 4µs

Tabla 3. 8 Ventajas y desventajas del servomotor SG-5010


Variación de velocidad No es recomendable un uso rudo

Gran rango de carga de acuerdo a su condición física.

Baja velocidad con carga

Tamaño compacto

Fácil instalación

Mantiene su posición

Gran campo de aplicación


CAPÍTULO IV

IMPLEMENTACIÓN Aquí se describe la construcción del dispositivo, denotando aspectos esenciales para su construcción. Además se presenta la lógica de accionamiento de los actuadores que efectuaran la reproducción de los movimientos activos de la mano, incluyendo los diagramas de conexión, etapa de potencia y programación en la plataforma ARDUINO.

CAPÍTULO IV IMPLEMENTACIÓN


a) b)

4.1 Introducción

De acuerdo a las etapas anteriores, el objetivo final del diseño mecánico es llegar a

realizar el mecanismo físicamente, que cumpla con las características y los parámetros

establecidos para el maquinado del dispositivo propuesto.

4.2 Construcción del dispositivo

En la parte de diseño conceptual se mencionan los elementos que se utilizaran para la

construcción del mecanismo, teniendo en cuenta la simulación y funcionamiento de éste.

El material que se utilizó para la construcción del mecanismo es en su mayoría Aluminio,

debido a sus características y propiedades, por lo cual se considera el uso del perfil

estructural IPS en la estructura que será la base del prototipo (Figura 4.1 a) Ensamble de

perfil IPS para la base del prototipo b) Estructura final de ensamble de perfil IPS).

Figura 4.1 a) Ensamble de perfil IPS para la base del prototipo b) Estructura final de ensamble de perfil IPS

Los actuadores fueron fijados sobre la estructura de acuerdo al diseño simulado,

haciendo uso de perfiles del mismo metal (Aluminio, Al). Para el caso del motor

rotacional es necesario un corte con las dimensiones del motor para su sujeción en la

estructura base del prototipo (Figura 4.2).



Por otro lado, para el soporte del actuador lineal se requiere de un perfil que guiara a

este motor de acuerdo al movimiento del actuador rotacional, de tal forma que la

interacción requerida se efectúe para la generación de los movimientos finales del

mecanismo, así como los realizados por el mango en conjunto con el actuador lineal

(Figura 4.3).

Figura 4.2 Actuador rotacional montado sobre la estructura

En cuanto al eslabón, éste se coloca para la transmisión del movimiento del actuador

lineal hacia el mango de sujeción, teniendo el ensamble preparado para el accionamiento

de los movimientos que se establecen en las etapas anteriores; este acoplamiento del

mango de sujeción con el actuador lineal se puede apreciar en la Figura 4.4.

Figura 4.3 Actuador lineal montado sobre la estructura base



Figura 4.4 Vista lateral derecha de dispositivo

Finalmente se coloca el reposa mano que servirá de apoyo al brazo a la hora de realizar

los movimientos de la muñeca (Figura 4.5).

Figura 4.5 Dispositivo rehabilitador ensamblado

4.3 Accionamiento de actuadores

Como se ha descrito antes, el mecanismo rehabilitador cuenta con un actuador lineal y

uno rotacional, los que permiten manipular la estructura para reproducir los

movimientos que efectúa la muñeca además de que gracias a sus características es

posible regular la velocidad y posición en estos dos tipos de motores; el actuador

rotacional al ser un servomotor (modelo SG-5010) accionado por pulsos de PWM



permite controlar su posición y también su velocidad por medio de retardos entre cada

paso angular que éste efectúe; en el caso del actuador lineal de la marca Firgelli modelo

L-16 cuenta con una retroalimentación por potenciómetro que nos indica la posición en

la que se encuentra en ese momento y mediante el uso de uno de los dos puentes H

(etapa de potencia) incluidos en el circuito integrado modelo L293D, es posible regular la

velocidad utilizando una señal de PWM como entrada en su pin 1, ajustando la

alimentación de cada motor.

Para generar la lógica de funcionamiento del mecanismo rehabilitador se hizo uso de la

plataforma ARDUINO UNO con el microcontrolador ATMEGA328 (Figura 4.6), la cual

cuenta con 14 entradas y salidas digitales, 6 de ellas con capacidad para ser usadas como

salidas de señales PWM y con otros 6 pines para funcionar como entradas analógicas. Es

con esto que se generan las señales de accionamiento de los motores y se procesa la

información proveniente de los sensores.

Figura 4.6 Modulo ARDUINO UNO basado en el microcontrolador ATMEGA328

Para el proyecto en el que son necesarios 2 módulos ARDUINO UNO, se utilizan 5

entradas analógicas, de las cuales en el caso del servomotor rotacional una se utiliza

como entrada de datos del selector de velocidad (aumentando el retardo entre grados de

movimiento) y la otra para seleccionar el rango de movimiento del motor y por ende del

mango de agarre. Para el segundo actuador, una de las entradas analógicas se utiliza para

medir el valor de la retroalimentación del motor lineal con lo que se puede conocer la



posición exacta del vástago y las otras 2 entradas se utilizan, una como seleccionador de

velocidad (variando una salida de PWM por medio de un potenciómetro) y la segunda

como seleccionador de rango de movimiento.

4.3.1 Etapa de Potencia

Para conjuntar la acción del microcontrolador con los actuadores es necesaria una etapa

de potencia que provea la correcta alimentación hacia los actuadores. En el caso del

motor lineal que se alimenta a 12 V, en la etapa de potencia se utiliza un puente H del C.I.

modelo L293D y dos opto acopladores modelo 4N25 conectados, como muestra el

circuito de la Figura 4.7, al microcontrolador ATMEGA328 y en la Figura 4.8 se muestra

el prototipo de etapa de potencia para el actuador lineal de CD.

Figura 4.7 Circuito de etapa de potencia del actuador lineal



Figura 4.8 Prototipo de etapa de potencia para el actuador lineal

Para el servomotor rotacional quien requiere de una alimentación de 6 V y cuya etapa de

control incluye su propio arranque y paro por medio de su señal de PWM, no demanda el

uso de una etapa de potencia, y se alimenta directamente de una fuente de 6 V como se

aprecia en la figura 4.9, que en conjunto muestra el diagrama de conexiones del control,

botonera para configuración de parámetros así como los potenciómetros de regulación

de velocidad y rango de movimiento.

Figura 4.9 Diagrama de conexiones para el actuador rotacional



En la Figura 4.10 se muestra el prototipo de conexiones entre la etapa de control, así

como la botonera y, selectores de velocidad y rango de movimiento (potenciómetros).

Figura 4.10 Prototipo de conexiones para el actuador rotacional

Una vez contando con el prototipo de conexiones se programa el microcontrolador

ATMEGA328 utilizando la plataforma de ARDUINO UNO, empleando un

microcontrolador para cada actuador, debido a que para la programación de regulación

de la velocidad del motor rotacional (servomotor) se hace uso de delay´s (retardos), y

dada esta programación la ejecución en tiempo real de las acciones por parte del

actuador lineal se verían afectadas.

La programación resuelta responde a la secuencia lógica mostrada en los diagramas de

flujo disponibles en el anexo, APENDICES A para el caso del actuador rotacional y B para

el accionamiento del actuador lineal; En los APENDICES C y D se presentan los códigos de

programación sobre la plataforma ARDUINO referentes a las secuencias lógicas de los

apéndices A y B, respectivamente. Para la realización de estas secuencias se centraliza en

conseguir manipular la velocidad y rangos de movimiento disponibles a conciencia,

siempre respetando las limitaciones del mecanismo y a los ángulos de desviación

máxima de la muñeca, además, con la visualización de los valores a los que se está

modificando cada variable, en este caso utilizando una interfaz visual aportada por la

plataforma ARDUINO, llamada “monitor serial”, como las presentadas en la imagen

Figura 4.11 y Figura 4.12, referente a las pantallas mostradas para la configuración de los



movimientos que ejercerá el dispositivo en la asistencia tanto de desviación de la

muñeca en flexión- extensión como en aducción-abducción, respectivamente.

Figura 4.11 Interfaz visual (COM7) del servomotor rotacional

Figura 4.12 Interfaz visual (COM6) del actuador lineal


CAPÍTULO V

PRUEBAS Y RESULTADOS En esta parte, se realizan las pruebas y resultados del dispositivo físico, por medio de la

obtención de graficas de acción tanto de una muñeca de prueba como del dispositivo

desarrollado, verificando con esto su funcionalidad y operación con respecto a los rangos

requeridos de acuerdo a la posición de movimiento.

CAPÍTULO V PRUEBAS Y RESULTADOS


5.1 Introducción

Al desarrollar el diseño físico del mecanismo, se efectúan pruebas utilizando 2 ejes de un

giroscopio (Figura 5.1) para verificar si el mecanismo genera los movimientos con los

rangos para los que fue diseñado, tal y como se observa para el cumplimiento en la

simulación propuesta; eje Y para el movimiento de aducción – abducción y eje Y para el

movimiento de flexión – extensión. Además, se grafican curvas de acción de la muñeca y

el área de trabajo, tanto las propias de una muñeca de prueba sana como las del

mecanismo desarrollado.

Figura 5.1 Pruebas con giroscopio



a) b)

c) d)

5.2 Pruebas con giroscopio

Se registran los rangos de movimiento de flexión-extensión y aducción-abducción, con

los siguientes valores:

aducción-abducción: 45° -- 15° (Figura 5.2 Movimientos de la muñeca asistidos por el

mecanismo: a) aducción, b) abducción, c) flexión y d) extensión)

flexión-extensión: 57.5°-- 57.5° (Figura 5.2 Movimientos de la muñeca asistidos por el

mecanismo: a) aducción, b) abducción, c) flexión y d) extensión)

Figura 5.2 Movimientos de la muñeca asistidos por el mecanismo: a) aducción, b) abducción, c) flexión y d) extensión



5.2.1 Movimiento activo de aducción – abducción de la muñeca

Entre las pruebas realizadas se encuentran las de movimiento activo de aducción –

abducción de la muñeca de un paciente sano (es importante destacar que los rangos de

movimiento de la muñeca son diferentes para cada paciente), esto con el mango

desacoplado del actuador lineal, y que se muestra en la gráfica de posición de la mano, de

la Figura 5.3 (para cada ángulo de desviación de la muñeca) y misma en la que se aprecia

la posición máxima en movimiento de aducción de forma activa en 25° (205 unidades) y

el máximo rango en movimiento de abducción de la muñeca en 10° (185 unidades).

Rangos máximos de movimiento

Aducción: -205 u = 25°

Abducción: 185 u = 10°

Figura 5.3 Gráfica de posición de la mano en movimiento activo de aducción – abducción

de la muñeca

*El signo indica únicamente el tipo de movimiento, “-” para aducción y “+” para abducción de la muñeca.



5.2.2 Movimiento pasivo de aducción – abducción de la muñeca con la

asistencia del mecanismo

De igual forma, acoplando el mango al actuador lineal y accionando este último, se

determinan las posiciones máximas que puede cubrir el mango del mecanismo para la

asistencia en el movimiento de aducción – abducción de la muñeca, obteniéndose así,

valores máximos de - 255 unidades (con el mango desviado de la horizontal 45°), en

movimiento de aducción y de 200 unidades (15°) en movimiento de abducción (Figura

5.4).

Rangos máximos de movimiento

Aducción: -255 u = 45°

Abducción: 200 u = 15°

Figura 5.4 Gráfica de posición de la mano en movimiento pasivo de aducción – abducción de la muñeca mediante la asistencia del mecanismo

*El signo indica únicamente el tipo de movimiento, “-” para aducción y “+” para abducción de la muñeca.

5.2.3 Movimiento activo de flexión – extensión de la muñeca

Del mismo modo en que se realizan las pruebas del mecanismo en movimientos de

aducción – abducción, se determinan las posiciones máximas que la misma muñeca sana



puede lograr (con el actuador de movimiento rotacional des-energizado),

consiguiéndose los siguientes resultados: -305 unidades a un ángulo de desviación del

carpo del eje horizontal de 53° en el movimiento de flexión y 300 u (50°) en el

movimiento de extensión de la muñeca (Figura 5.5).

Máximos rangos de movimiento

Flexión: - 305 u = 53°

Extensión: 300 u = 50°

Figura 5.5 Gráfica de posición de la mano en movimiento activo de flexión – extensión de la muñeca

*El signo indica únicamente el tipo de movimiento, “-” para flexión y “+” para extensión de la muñeca.

5.2.4 Movimiento pasivo de flexión – extensión de la muñeca con la

asistencia del mecanismo

Se evalúa el funcionamiento del mecanismo en los movimientos de flexión – extensión de

la muñeca junto con el motor rotacional accionado. Así, el mecanismo construido cubre

los rangos de posición máxima que una muñeca normal y sana requiere, puesto que

como se aprecia en la gráfica de posición de la Figura 5.6, el mecanismo diseñado cubre



una posición máxima en movimiento de flexión del carpo de -520 unidades a un ángulo

de desviación de 57.5° y de 520 unidades con el mismo ángulo de extensión de la muñeca

que en la flexión de la misma.

Máximos rangos de movimiento

Flexión: - 520 u = 57.5°

Extensión: 520 u = 57.5°

Figura 5.6 Gráfica de posición de la mano en movimiento pasivo de flexión – extensión de la muñeca mediante la asistencia del mecanismo

*El signo indica únicamente el tipo de movimiento, “-”para flexión y “+” para extensión de la muñeca.

En estas graficas de posición se observa como el mecanismo cumple con rangos de

movimiento (en aducción – abducción) mayores a las que realiza una muñeca de forma

activa, dando un margen considerable para aumentar los rangos de movimiento máximo

según lo requiera cada paciente.

5.3 Curvas de movimiento y área de trabajo de la muñeca

A partir de las mediciones al paciente sano realizadas (ángulos máximos de: flexión = 53°

y extensión = 50°), se graficó la curva de flexión – extensión de la muñeca, en la que se

muestra la longitud de la componente en el eje Y (que posteriormente, junto con los



valores de la curva de aducción – abducción, utilizaremos para calcular la gráfica de

superficie de acción de la muñeca) de la posición del punto de agarre de la mano al

centro del carpo (Figura 5.7) para diferentes ángulos de desviación de éste (Figura 5.8),

teniendo como máximo ángulo en el movimiento de flexión de 53° y para el de extensión

de la muñeca de 50°.

Figura 5.7 Componentes en los ejes X y Y de la posición del punto de agarre de la mano en los diferentes ángulos de desviación de la muñeca

Figura 5.8 Curva de flexión – extensión de la muñeca

Además se obtiene la gráfica de los movimientos de aducción (con un ángulo máximo de

25°, de acuerdo a las mediciones del paciente sano) y abducción (con un ángulo máximo

de 10°, según mediciones hechas) de la muñeca en la que se muestra la posición del



punto de agarre para los diferentes valores de desviación de la muñeca en dichos

movimientos (Figura 5.9).

Figura 5.9 Curva de aducción – abducción de la muñeca

Con los valores del componente en el eje Y de los movimientos de abducción – aducción y

de flexión – extensión y los diferentes ángulos cubiertos se obtuvo la gráfica de superficie

que muestra el área de trabajo de la muñeca y en la que se puede apreciar claramente

que la componente en el eje Y del punto de agarre tiene su máximo valor en 0° para

ambos movimientos, es decir, cuando la muñeca se encuentra en posición neutral y no

existe movimiento de flexión, extensión, abducción o aducción.

Así mismo, en la Figura 5.10 se observa (según los diferentes tonos de color) la altura a la

que se encuentran los puntos, que la distancia de la componente en Y mínima es

diferente para cada movimiento, ya sea de flexión, extensión (apreciable en la Figura

5.10) abducción o aducción (Figura 5.11), pues depende del ángulo de desviación en el

que se encuentre y tipo de movimiento.



a)

b)

Figura 5.10 Área de trabajo de la muñeca a) Vista superior b) Vista frontal



a)

b)

Figura 5.11 Área de trabajo de la muñeca a) Vista lateral derecha a 120° b) Vista lateral izquierda

De igual modo, se grafica la curva de acción de los movimientos generados por el

mecanismo para la asistencia de la muñeca en las desviaciones de flexión y extensión, las

cuales en ambos casos tienen como máximo rango de 57.5° y dados los parámetros de



diseño del mecanismo, una distancia mayor en el componente Y de la recta trazada entre

la muñeca y el punto de agarre de la mano cuando la desviación angular es igual a 0

(Figura 5.12).

Figura 5.12 Curva que cubre el mecanismo reproduciendo los movimientos de flexión– extensión de la muñeca

También, se obtiene la gráfica de los movimientos de Aducción y abducción que puede

reproducir el mecanismo con angulos máximos de desviación de 45° y 15°,

respectivamente (Figura 5.13).

Figura 5.13 Curva que cubre el mecanismo reproduciendo los movimientos de aducción – abducción de la muñeca



A partir de los valores de las curvas de acción de la muñeca, se consigue graficar el área

de trabajo del mecanismo desarrollado (Figura 5.14), logrando éste reproducir los

movimientos activos del carpo en flexión y extensión hasta un máximo de 57.5° cada uno,

como se muestra en la Figura 5.14, y en abducción y aducción de 15° y 45° (Figura 5.15),

respectivamente, y con los cuales, en conjunto y sincronía es posible efectuar el

movimiento de circunducción de la muñeca al ser cada uno de los 2 accionamientos del

mecanismo independientes uno del otro, es decir sin que interfiera la posición de uno en

el accionamiento del segundo, pero contando con que la posición final en el espacio del

mango depende de ambos.

a)



b)

Figura 5.14 Área de trabajo del mecanismo a) Vista superior b) Vista frontal

a)



b)

Figura 5.15 Área de trabajo del mecanismo a) Vista lateral derecha a 120° b) Vista lateral izquierda


CAPÍTULO VI

COSTO DEL PROYECTO Una vez terminado el proyecto de construcción y accionamiento del dispositivo rehabilitador de muñeca se elabora el análisis de los costos generados en el transcurso del proceso. La importancia del análisis de costos generados por el proyecto radica en la valoración de la viabilidad del proyecto como tal, tomando en cuenta que este fue un trabajo desarrollado desde el diseño, continuando con la simulación, construcción y automatización del dispositivo. Así, en esta parte se consideran los costos de insumos, costos de Ingeniería y los costos indirectos.

CAPÍTULO VI COSTO DEL PROYECTO


6.1 Introducción El costo total del dispositivo se divide en dos partes principalmente, costo de insumos y

costo de Ingeniería, más una tercera que abarca los costos que se derivaron del uso y

desgaste de la herramienta utilizada en la construcción del dispositivo.

6.2 Costo de insumos En esta primera etapa se especifica el costo de los materiales que se ocupan tanto para la

construcción de la parte mecánica del dispositivo, Tabla 6.1, como para la construcción

de la parte electrónica, Tabla 6.2.

Tabla 6.1 Costo de insumos para la construcción mecánica

Cantidad Descripción Precio

unitario ($)

Sub-total

($)

2.68 Metro de perfil Estructural IPS 4.5

cm x 4.5 cm 250.00 670.00

1 Metro de solera de 5/32 plg x 1

1/2 plg 35.76 35.76

0.40 Metro de solera 1 ¾ plg x ¼ 40.00 16.00

0.1 Metro de barra Nylamid 2.5 cm x

2.5 cm 26.50 2.65

1 Metro de barra solida 1/2 plg

diámetro 60.00 60.00

0.81 Metro de perfil angular de

aluminio 3/16 x 1 1/4 plg 80.00 64.80

36 Tornillo estándar 3/8 plg 2.50 90.00

36 Tuerca estándar 3/8 plg 1.40 50.40



36 Rondana de presión estándar 3/8

plg 0.60 21.60

1 Cojín con base de madera 150.00 150.00

1 Motor rotacional TowerPro SG-

5010 140.00 140.00

1 Actuador lineal Firgelli serie L16 1570.00 1570.00

4 Tornillo 5/64 plg 1.00 4.00

4 Tuercas 5/64 plg 0.50 2.00

2 Tornillo 7/64 plg 1.50 3.00

2 Tuerca 7/64 plg 0.50 1.00

Total 2881.21

Tabla 6.2 Costo de insumos para la construcción electrónica

Cantidad Descripción

Precio

unitario

($)

Sub-total

($)

2 Tarjeta ARDUINO UNO 450.00 900.00

2 Protoboard 120.00 240.00

4 Resistencia 10 kΩ 1.00 4.00

6 Resistencia 330 Ω 1.00 6.00

2 Potenciómetro de carbón 1 kΩ 10.00 20.00

3 Potenciómetro de carbón 5 kΩ 10.00 30.00



1 Fuente de poder 24 VCD

Ajustable 300.00 300.00

2 Cable USB 2.0 de conector tipo A

a conector tipo B 50.00 100.00

5 Metro de cable para protoboard 2.00 10.00

15 Jumper de conexión 5.00 75.00

4 Push-boton normalmente

abiertos 3.00 12.00

1 Puente H L293D 30.00 30.00

2 Opto-acoplador 4N25 24.00 48.00

Total 1775.00

El costo total de los insumos necesarios para la construcción de la parte mecánica del

dispositivo rehabilitador es de $ 2881.21 pesos, y el correspondiente a la construcción de

la parte electrónica asciende a $ 1775.00 pesos, de la suma de estos dos totales se

obtiene el costo total de insumos, como se muestra en la Tabla 6.3, el cual es de $4656.21

pesos.

Tabla 6.3 Costo total de insumos

Tipo de Insumo

Sub-total

($)

Costo de insumos para construcción mecánica 2881.21

Costo de insumos para construcción electrónica 1775.00

Total 4656.21



6.3 Costo de Ingeniería En esta segunda etapa, la cual también se analiza en dos secciones, se toma en cuenta el

costo por las horas de personal capacitado invertidas en el diseño y en la construcción

del dispositivo.

6.3.1 Costo de Ingeniería de detalle

En la Tabla 6.4 se aprecia el número de horas invertidas en el diseño de la parte

mecánica del rehabilitador y en el diseño de la parte electrónica, abarcando ésta última la

parte de la programación lógica de las secuencias de funcionamiento del dispositivo,

tomando la hora de Ingeniería a un costo de $ 550.00 pesos.

Tabla 6.4 Costo de Ingeniería de detalle

Horas Actividad Precio por hora

($)

Sub-total

($)

68 Diseño de parte mecánica 550.00 37400.00

56 Diseño de parte electrónica 550.00 30800.00

Total 68200.00

Sumando el sub-total de las dos categorías obtenemos el costo de la Ingeniería de detalle

que es de $ 68, 200.00.

6.3.2 Costo de mano de obra

El costo por mano de obra aplicada al proyecto se presenta en la siguiente Tabla 6.5:



Tabla 6.5 Costo de mano de obra

Horas Actividad Precio por hora

($)

Sub-total

($)

39 Construcción de la parte

mecánica 100.00 3900.00

26 Construcción de la parte

electrónica 100.00 2600.00

Total 6500.00

De esta forma, 39 horas son utilizadas para la construcción del mecanismo, que a un

precio de $100.00 pesos por hora, nos da un total de $3,900.00 pesos tan solo para la

construcción mecánica, y de $2,600.00 pesos por 26 horas necesarias para la

construcción electrónica y programación.

De lo anterior y como se observa en la Tabla 6.6, el costo total por Ingeniería es de

$74,700.00 pesos.

Tabla 6.6 Costo total de Ingeniería

Tipo de Costo Sub-total

($)

Costo de Ingeniería de detalle 68200.00

Costo de mano de obra 6500.00

Total 74700.00

6.4 Costos indirectos Por último, la Tabla 6.7 muestra los costos indirectos que se generan a causa del uso y

desgaste de las maquinas herramientas y herramientas manuales que se emplearon en la

construcción del dispositivo.



Tabla 6.7 Costos indirectos

Horas Maquinaria

Precio por

hora

($)

Sub-total

($)

5

Maquinas herramienta

(fresadora, sierra, dobladora,

pulidora, taladro)

100.00 500.00

60

Desgaste de herramientas

manuales (Pinzas, Brocas,

destornillador, llaves, llave

inglesa)

2.00 120.00

Total 620.00

6.5 Costo total del proyecto

Una vez teniendo los costos de insumos, costos de Ingeniería y costos indirectos, se

calcula el costo total del proyecto de diseño y accionamiento del dispositivo

rehabilitador de muñeca, véase Tabla 6.8.

Tabla 6.8 Costo total del proyecto

Tipo de Costo Sub-total

($)

Costo de insumos 4656.21

Costo de Ingeniería 74700.00

Costos Indirectos 620.00

Total 79976.21

Así, el costo total del proyecto es de $79, 976.21 pesos.

CONCLUSIONES


CONCLUSIONES Al realizar la investigación referente a la necesidad de implementación de un dispositivo

rehabilitador de muñeca se encontró que en México existe una gran demanda de

terapeutas debido principalmente a personas que sufrieron algún tipo de accidente

laboral o deportivo en el que está involucrada la mano y muñeca y para la cual requieren

de asistencia médica de calidad y tratamiento periódico y constante. Al mismo tiempo, se

percibió que al igual que existe la insuficiencia de terapeutas en México también lo había

en cuanto a tecnologías enfocadas a la rehabilitación del miembro superior o a los

movimientos de la muñeca que estos mismos cubrían.

Al momento de desarrollar el trabajo se presentaron varias dificultades entre las que

resaltan la escasez de información en los estudios sobre la antropometría del cuerpo

humano tanto a nivel mundial como nacional, siendo este último, el que más afecto el

progreso del proyecto, al estar éste enfocado a las características de la población

mexicana y sobre la cual existían aún más deficiencias en sus contenidos,

específicamente sobre las dimensiones de partes esenciales de la mano, muñeca y brazo.

Otra dificultad presentada es el tiempo de dedicación al proyecto, puesto que al ser un

trabajo que reclama su construcción física y no solo su simulación, requiere de total

enfoque en el proceso de desarrollo y así poder resolver problemas que muchas veces no

se toman en cuenta en un diseño conceptual o en la simulación de prototipo. Además, se

afrontaron limitantes de recursos y conocimientos sobre áreas de trabajo en las cuales

no se tiene una capacitación adecuada como lo es el área de maquinado de piezas o la

programación avanzada de sensores y actuadores inteligentes.

Aun así, la utilización de un programa de computo CAD-CAE para la simulación del

mecanismo fue de vital importancia puesto que gracias a él fue posible probar la

adecuada interacción de las diferentes partes del mecanismo para conseguir la

realización de los movimientos que se deseaban llevar a cabo, los cuales son

CONCLUSIONES


movimientos de asistencia a la flexión, extensión, abducción y aducción de la muñeca,

antes de su construcción física.

En la etapa de la construcción del dispositivo rehabilitador surgieron más situaciones,

puesto que para lograr efectuar los movimientos del mecanismo según la simulación se

tiene que apegar lo más posible a las medidas milimétricas del diseño con el material

disponible, este hecho se presentó principalmente en la fijación de los motores.

Una vez construido el mecanismo y al efectuar las pruebas de funcionamiento del mismo

con pacientes sanos se comprobó la correcta reproducción de los movimientos que la

muñeca realiza de forma activa y posteriormente, la correcta asistencia del dispositivo

fabricado a los movimientos de muñeca del mismo paciente.

Se advirtió gracias a las gráficas de trabajo de la muñeca que al efectuar en conjunto los

movimientos básicos de la muñeca de flexión-extensión y aducción-abducción para

generar un tercero, movimiento de circunducción, éste no describe una trayectoria

circular sino más bien con forma de elipse, teniendo como límites de área de trabajo los

máximos ángulos de desviación de la muñeca.

Finalmente, después de la conclusión de este proyecto se percibe la importancia de la

investigación y desarrollo en este rubro. Este proyecto sienta las bases y muestra una

parte de todo lo que se tiene que tomar en cuenta para conseguir un dispositivo

rehabilitador de miembro superior o inferior, además promete en las áreas de

oportunidad que tienen la mayoría de los mecanismos rehabilitadores, como por ejemplo

la necesidad de control y total autonomía en un dispositivo para estos fines. Por otro

lado, es importante recalcar que este trabajo es en sí un prototipo de dispositivo

rehabilitador del carpo, es necesario hacer correcciones, mejoras y ajustes para

conseguir un producto que pueda ser aplicado a pacientes reales, proporcionar

asistencia adecuada y analizar resultados arrojados desde una perspectiva médica y de

mercado.

TRABAJOS A FUTURO


TRABAJOS A FUTURO

Como se ha mencionado, el desarrollo de este proyecto ha permitido dar cuenta de lo que

se puede conseguir, avances en el área de mecanismos para la rehabilitación, errores y

nuevas ideas, siendo que se podrían plantear nuevos diseños de mecanismos con

mejores características tan solo tomando como base el presente.

Aun así, los trabajos que se proponen para desarrollar en un futuro partiendo del

presente proyecto son:

Diseñar un mango cuya empuñadura pueda ser adaptada a diferentes longitudes

de mano.

Diseñar una interfaz visual amigable con el usuario y sobre la cual se puedan

modificar los parámetros de accionamiento del mecanismo.

Realizar sesiones de prueba del rehabilitador con pacientes para verificar o

refutar su efectividad.

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REFERENCIAS


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http://newmanlab.mit.edu/robot-aided-wrist-rehabilitation-after-%09stroke/#!prettyPhoto



GLOSARIO


GLOSARIO

Abrasión. Desgaste de la superficie, producido por rayado continuo, usualmente

debido a la presencia de materiales extraños, o partículas metálicas en el lubricante.

Apófisis estiloides. Es una apófisis de la cabeza humana, que parte de la superficie

interior del hueso temporal en forma de colmillo, ubicada debajo de la oreja. Sirve de

anclaje para los músculos que mueven la lengua y la laringe.

Apopléjicos o derrame cerebral. Un derrame cerebral es una lesión cerebral, que se

produce cuando se interrumpe o se reduce ampliamente el riego sanguíneo del

cerebro.

Articulación elipsoidea. Son articulaciones que están formadas por un elipsoide y que

permiten movimientos en amplios rangos, ya que permiten flexión, extensión

aducción y abducción, pero no permite que rote.

Articulación trocoidea. La articulación clasificada como Diartrosis Trocoides, también

llamada a veces articulación en pivote, ya que son articulaciones sinoviales en las

cuales las superficies articulares pueden tomar una forma similar a la de un pivote

permitiendo desplazamientos únicamente sobre su eje longitudinal.

Artropatía. Es un trastorno caracterizado por el deterioro y pérdida progresiva del

cartílago articular, acompañado de hueso nuevo y de los tejidos blandos.

Circuitos Sample and Hold. Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para

el muestreo de la señal analógica (durante un intervalo de tiempo) y el posterior

mantenimiento de dicho valor, generalmente en un condensador, durante el tiempo

que dura la transformación A/D, propiamente dicha.

Decúbito. Este término médico se utiliza para caracterizar la posición de una persona

estirada en posición horizontal.

Dorsopatías. Cualquier enfermedad no inflamatoria de la espalda.

Escoliosis. La escoliosis es una condición que causa una curvatura de lado a lado en la

columna vertebral.

Galvanoplásticas. Galvanoplastia deriva de galvano, proceso eléctrico, en honor a

Galvani, y -plastia, del adjetivo griego plastós: ‘formado’, ‘modelado’, es decir, “dar

forma mediante la electricidad”.

http://es.wikipedia.org/wiki/Galvani

GLOSARIO


Grados de libertad (GDL). El número de grados de libertad (GDL) de un sistema es el

número de parámetros independientes que se necesitan para definir unívocamente su

posición en el espacio en cualquier instante.

Hemipléjicos. Parálisis completa de la mitad del cuerpo, incluyendo el brazo y la

pierna.

Ictus. El ictus es una enfermedad cerebrovascular que afecta a los vasos sanguíneos

que suministran sangre al cerebro.

Medidor de dureza. Es un modelo estándar para medir la dureza de la goma dura

(Shore D).

Movimiento de circunducción. Movimiento combinado que permite a una articulación

moverse en forma circular.

Órtesis. Una órtesis constituye un aparato ortopédico que tiene diversas funciones;

puede servir para sostener una articulación o un músculo, o para remplazar una

función corporal que presenta un déficit o un problema.

Radiocarpiano. Es una articulación cuyas superficies articulares las constituyen la cara

inferior de la epífisis distal del radio junto con la cara distal del ligamento triangular

estructurando en conjunto la cavidad glenoidea para el cóndilo carpiano formado por

las caras proximales de los tres huesos de la primera fila del carpo (piramidal,

escafoides y semilunar).

Templabilidad. La templabilidad está determinada por la profundidad y distribución

de la dureza en el interior de las piezas templadas, es decir, la profundidad de temple

que se alcanza en una pieza de acero.

http://www.monografias.com/trabajos14/la-libertad/la-libertad.shtml

http://salud.kioskea.net/faq/6757-el-pie-infantil-patologias-comunes

http://salud.kioskea.net/faq/9961-ortopedico-definicion

http://salud.kioskea.net/faq/8763-articulacion-definicion

APÉNDICE


APÉNDICES APÉNDICE A:

SECUENCIA LÓGICA DE ACCIONAMIENTO DEL ACTUADOR ROTACIONAL PARA LA

REPRODUCCIÓN DE LOS MOVIMIENTOS DE FLEXIÓN - EXTENSIÓN

INICIO

y = x

btns 1, 2, 3, y

retardo,

rango

btns 1, 2, 3, y

retardo,

rango

btns 1, 2, 3, y

retardo,

rango

btn2 == HIGH

No

btn3 == HIGH

Sí

Sí

Int x+=1;

“Repeticiones = ”

x

No

btn1 == HIGH

No

Sí

x = 0;

y = 0;

4 1

APÉNDICE


Int j = 0;

j < y;

j++;

retardo,

rango

retardo,

rango

retardo,

rango

Pos_d = cm + (rango/2);

Pos_i = cm - (rango/2);

14

23

APÉNDICE


Int pos = cm;

pos < pos_d;

pos += 1;

myservo.write(pos);

delay(retardo);

pos = pos_d;

pos > cm;

pos -= 1;

myservo.write(pos);

delay(retardo);

pos = cm;

pos > pos_i;

pos -= 1;

myservo.write(pos);

delay(retardo);

pos = pos_i;

pos < cm;

pos += 1;

myservo.write(pos);

delay(retardo);btn1

btn1 == HIGH j = y;SíNo

23

APÉNDICE


APENDICE B:

SECUENCIA LÓGICA DE ACCIONAMIENTO DEL ACTUADOR LINEAL PARA LA

REPRODUCCIÓN DE LOS MOVIMIENTOS DE ABDUCCIÓN - ADUCCION

INICIO

btn4

poslineAc

velAline

aduc

abduc

btn4

poslineAc

velAline

aduc

abduc

btn4

poslineAc

velAline

aduc

abduc

poslineAct < lm

&&

btn4 ==HIGH

No

Sí

1 2

APÉNDICE


1

poslineAct < abduc No

Act_Exp = HIGH;

Act_Ret = LOW;

Sí

poslineAc

velAline

aduc

abduc

poslineAc

velAline

aduc

abduc

poslineAct > cml

Act_Exp = LOW;

Act_Ret = HIGH;

Sí

No

aduc = sens_adu();

int dif = cml - aduc;

poslineAct > dif

Act_Exp = LOW;

Act_Ret = HIGH;

Sí

poslineAct < cml

Act_Exp = HIGH;

Act_Ret = LOW;

Sí

NoposlineAc

velAline

aduc

abduc

poslineAc

velAline

aduc

abduc

poslineAc

velAline

aduc

abduc

poslineAc

velAline

aduc

abduc

poslineAc

velAline

aduc

abduc

poslineAc

velAline

aduc

abduc

No

2

APÉNDICE


APENDICE C:

CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN EN PLATAFORMA ARDUINO UNO PARA EL

ACCIONAMIENTO DEL ACTUADOR ROTACIONAL

//Se incluye la librería Servo.h

#include<Servo.h>

//Se nombra myservo al servomotor que se va a utilizar

Servo myservo;

//Declaración de variables para accionamiento del actuador rotacional

int pos = 0;

int btn1 = 2;

int btn2 = 3;

int btn3 = 4;

int estado1;

int estado2;

int estado3;

intpot_vel = A0;

intpot_rang = A1;

intretar = 0;

int ran = 0;

inti = 0;

int cm = 55;

int j;

int x=0;

int y = 0;

void setup()

APÉNDICE


//Declaración de los pines como entrada digital

pinMode(btn1, INPUT);



Serial.begin(9600);//Se inicia la comunicación serial con la computadora

myservo.attach(9); //Se liga el servomotor sobre el pin 9 al objeto servo myservo

//Se declara la función de accionamiento del motor rotacional

intaccto(intposx, intreta, int estado1);

//Función que sensa el valor del potenciómetro para definir la velocidad

//dependiendo del tiempo de retardo entre cada paso de servomotor y lo escalado a 200

ms

intsens_vel()

retar = analogRead(pot_vel);

retar = map (retar, 0, 1023, 10, 200);

returnretar;

//Función que mide el valor de un segundo potenciometro para definir el rango de

//movimiento en un maximo de 112°

intsens_rang()

ran = analogRead(pot_rang);

ran = map (ran, 0, 1023, 0, 112);

return ran;

//Se definen los parametros de accionamiento del servomotor el cual tiene

posición//inicial en cm = 56°

intaccto(intposx, intreta, int estado1)

APÉNDICE


intpos_d = cm +(posx/2);

intpos_i = cm - (posx/2);

intretat = reta;

for(pos = cm; pos <pos_d; pos += 1)

myservo.write(pos);

delay(retat);

for(pos = pos_d; pos > cm; pos-=1)

myservo.write(pos);

delay(retat);

for(pos = cm; pos >pos_i; pos -= 1)

myservo.write(pos);

delay(retat);

for(pos = pos_i; pos < cm; pos+=1)

myservo.write(pos);

delay(retat);

voidloop()

APÉNDICE


//Se lee el estado de 3 pushboton

estado1 = digitalRead(btn1);



//Se mandan llamar las funciones para definir la velocidad de movimiento del motor y

//su rango

retar = sens_vel();

ran = sens_rang();

Serial.print("retardo = ");

Serial.println(retar);

Serial.print("rango = ");

Serial.println(ran);

delay(500);

//Se contabiliza el número de repeticiones que hará el motor rotacional con los

//parámetrosestablecidos

if(estado2 == HIGH)

if(estado3 == HIGH)

x+=1;

Serial.print("Repeticiones = ");

Serial.println(x);

y = x;

//Se acciona el motor lineal tantas veces como se haya definido

if (estado1 == HIGH && estado2 == LOW)

for(j=0;j<y;j++)


APÉNDICE


retar = sens_vel();

ran = sens_rang();

Serial.print("retardo = ");

Serial.println(retar);

Serial.println("rango = ");

Serial.println(ran);

accto(ran, retar, estado1);

if(estado1 == HIGH)

j=y;

x = 0;

y = 0;

APÉNDICE


APENDICE D:

CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN EN PLATAFORMA ARDUINO UNO PARA EL

ACCIONAMIENTO DEL ACTUADOR LINEAL

//Declaración de variables para accionamiento del actuador lineal

intretroLine = A2;

int btn4 = 7;

int estado4;

intposlineAct = 0;

intvelLine = A3;

intvelAline;

intmwpLine = 10;

intAct_Exp = 5;

intAct_Ret = 6;

intAct_Expa;

intAct_Retra;

int lm = 888;

intpot_ab = A4;

intpot_ad = A5;

int ab = 0;

int ad = 0;

intabduc = 0;

intaduc = 0;

int cml = 600;

void setup()

APÉNDICE


//Declaración de los pines como entradas o salidas digitales

pinMode(Act_Exp, OUTPUT);

pinMode(Act_Ret, OUTPUT);


//Se inicia la comunicación serial con la computadora

Serial.begin(9600);

//Se declara la función de accionamiento del motor lineal

intAct_Line(intAct_Expa, intAct_Retra);

//Función de accionamiento del actuador lineal que define el sentido de accionamiento,

//expansión o retracción del vastago

intAct_Line(intAct_Expa, intAct_Retra)

int valor1 = Act_Expa;

int valor2 = Act_Retra;

digitalWrite(Act_Exp, valor1);

digitalWrite(Act_Ret, valor2);

//Función que sensa el valor de un potenciómetro para definir la velocidad del //actuador

lineal

Int sens_velLine()

velAline = analogRead(velLine);

velAline = map (velAline, 0, 1023, 0, 255);

Serial.print(" Velocidad Lineal = ");

Serial.print(velAline);

Return velAline;

APÉNDICE


//Función que mide el valor de un segundo potenciómetro para definir el ángulo

//máximo de movimiento en aducción

intsens_adu()

ad = analogRead(pot_ad);

ad = map (ad, 0, 1023, 0, 600);

Serial.print(" Posicion max aduccion = ");

Serial.print(ad);

return ad;

//Función que mide el valor de un tercer potenciómetro para definir el ángulo

//máximo de movimiento en abducción

intsens_abdu()

ab = analogRead(pot_ab);

ab = map (ab, 0, 1023, 0, 288);

Serial.print(" Posicion max abduccion = ");

Serial.print(ab);

return ab;

//Funcion que varía la velocidad del actuador lineal según sea el valor que devuelva la

función sens_velLine();

intposicion_estado()

poslineAct = analogRead(retroLine);

velAline = sens_velLine();

analogWrite(mwpLine, velAline);

Serial.print(" Posicionactual = ");

Serial.println(poslineAct);

APÉNDICE


aduc = sens_adu();

abduc = sens_abdu();

returnposlineAct;

voidloop()

//Se lee el estado de un pushboton


Serial.println(estado4);

//Sensado de la posición actual del actuador lineal

poslineAct = posicion_estado();

aduc = sens_adu();

abduc = sens_abdu();

while(poslineAct< lm && estado4 == HIGH)

//Asignación de parámetros para accionar el actuador lineal

//y llamado de función para sensar su posición actual

while(poslineAct<abduc)

Act_Expa = HIGH;

Act_Retra = LOW;

Act_Line(Act_Expa, Act_Retra);


while(poslineAct> cml)

Act_Expa = LOW;

APÉNDICE


Act_Retra = HIGH;



aduc = sens_adu();

intdif = cml - aduc;

while(poslineAct>dif)

Act_Expa = LOW;

Act_Retra = HIGH;



while(poslineAct< cml)

Act_Expa = HIGH;

Act_Retra = LOW;



APÉNDICE

Diseño y accionamiento de un dispositivo Página 121 rehabilitador de muñeca

APENDICE E:

ESPECIFICACIONES DE PIEZAS UTILIZADAS PARA LA ELABORACIÓN DEL PROTOTIPO

14

.5 00

45

45

5

R 5

R 2 10

20

0

45

Ing. Adrián E. Mejía

M. en C. Mauricio A. Pérez

Gerardo Domínguez

Mario H. Cruz

PERFIL IPS

PESO:

A4

HOJA N DE N ESCALA N:N

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓN NO CAMBIE LA ESCALA

MATERIAL:

FECHA NOMBRE

REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS

VIVAS

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:

LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

ACABADO SUPERFICIAL:

TOLERANCIAS:

LINEAL:

ANGULAR:

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

FIRMA

01

APÉNDICE


200

31

0 60

50 R 50



Gerardo Domínguez

Mario H. Cruz

BASE DE REPOSO

PESO:

A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHA NOMBRE

REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS

VIVAS




TOLERANCIAS:

LINEAL:

ANGULAR:

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

FIRMA

02

APÉNDICE


200

8

44.450

6.

35

0



Gerardo Domínguez Mario H. Cruz

SOLERA

PESO:

A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHA NOMBRE

REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS

VIVAS




TOLERANCIAS:

LINEAL:

ANGULAR:

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

FIRMA

03

APÉNDICE


30

5.

56

2

8

84

.3 14

38

10 4

.

15

0

130.542

9.50°



Gerardo Domínguez

Mario H. Cruz

SOPORTE DE MOTOR

PESO:

A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHA NOMBRE

REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS

VIVAS




TOLERANCIAS:

LINEAL:

ANGULAR:

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

FIRMA

04

APÉNDICE


10

30 1

4

4



Gerardo Domínguez

Mario H. Cruz

20

12

ESLABÓN DE TRANSMISIÓN

PESO:

A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHA NOMBRE

REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS

VIVAS




TOLERANCIAS:

LINEAL:

ANGULAR:

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

FIRMA

05

APÉNDICE


300

162.483

31.607

R 15



Gerardo Domínguez

Mario H. Cruz

R 5

MANGO DE SUJECIÓN

PESO:

A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHA NOMBRE

REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS

VIVAS




TOLERANCIAS:

LINEAL:

ANGULAR:

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

FIRMA

06

APÉNDICE


70.90 °



Gerardo Domínguez

Mario H. Cruz

10

BARRA SEMICIRCULAR

PESO:

A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHA NOMBRE

REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS

VIVAS




TOLERANCIAS:

LINEAL:

ANGULAR:

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

FIRMA

07

R 255

APÉNDICE


5

8 20

R 5



Gerardo Domínguez

Mario H. Cruz

ESLABÓN DE DESLIZAMIENTO

PESO:

A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHA NOMBRE

REBARBAR Y

ROMPER ARISTAS

VIVAS




TOLERANCIAS:

LINEAL:

ANGULAR:

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

FIRMA

08

ANEXOS


ANEXOS ANEXO A:

MICROCONTROLADOR ATMEGA 328

ANEXOS


ANEXOS


ANEXOS


APENDICE B:

ACTUADOR LINEAL FRIGELLI L 16

ANEXOS


ANEXO C:

ACTUADOR ROTACIONAL TOWER PRO SG-5010

TowerPro SG-5010 - Standard Servo

Information

Additional Specifications

Modulation: Analog

Torque:

4.8V:

111.1 oz-in (8.00 kg-cm)

6.0V:

152.8 oz-in (11.00 kg-cm)

Speed:

4.8V:

0.17 sec/60°

6.0V:

0.14 sec/60°

Weight: 1.34 oz (38.0 g)

Dimensions:

Length:

1.58 in (40.1 mm)

Width:

0.80 in (20.3 mm)

Height:

1.70 in (43.2 mm)

Motor Type: 3-pole

Gear Type: Plastic

Rotation/Support: Dual Bearings

Rotational Range: 180°

Pulse Cycle: 20 ms

Pulse Width: 600-2400 µs

ANEXOS


ANEXO D:

OPTOACOPLADOR 4N25

ANEXOS


ANEXO E:

CIRCUITO INTEGRADO PUENTE H L293D

Documents

Instituto Politécnico Nacional · 2017. 6. 9. · instituto politécnico nacional escuela superior de ingenierÍa mecÁnica y elÉctrica departamento de ingenierÍa en control y