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Dise�o y construcci�n de un prototipo de exoesqueleto con movimiento mec�nico para la rehabilitaci�n de la mu�eca en personas adultas

 

Design and construction of a moving exoskeleton prototype mechanic for wrist rehabilitation in adults

 

Projeto e constru��o de um prot�tipo de um exoesqueleto m�vil mec�nico para reabilita��o do punho em adultos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: edwin.pozo@espoch.edu.ec

 

Ciencias de la Salud

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 21 de mayo de 2024 *Aceptado: 17 de junio de 2024 * Publicado: �05 de julio de 2024

 

        I.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

      II.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

   III.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

   IV.            Investigador Independiente, Ecuador.

 

Resumen

Se desarroll� un prototipo autom�tico de exoesqueleto para la rehabilitaci�n de la mu�eca en adultos, utilizando medidas antropom�tricas y software Adams View para el dise�o, analizando la cinem�tica y din�mica de los movimientos de rehabilitaci�n. Se valid� la resistencia estructural est�tica y din�mica mediante simulaci�n computacional con software CAE, evaluando deformaciones, esfuerzos y factores de seguridad. Las pruebas demostraron que el prototipo puede ejecutar movimientos precisos y seguros, con un error aceptable del 1.8%. Adem�s, se valid� su funcionamiento en personas adultas a trav�s de pruebas con un especialista en fisioterapia, cumpliendo con diversos movimientos de la mu�eca.

Palabras clave: Dise�o Mec�nico; Rehabilitador De Mu�eca; An�lisis Cinem�tico; An�lisis Computacional; Medidas Antropom�tricas, An�lisis Din�mico; An�lisis Est�tico.

 

Abstract

An automatic exoskeleton prototype was developed for wrist rehabilitation in adults, using anthropometric measurements and Adams View software for the design, analyzing the kinematics and dynamics of the rehabilitation movements. The static and dynamic structural resistance was validated through computational simulation with CAE software, evaluating deformations, stresses and safety factors. Tests showed that the prototype can execute precise and safe movements, with an acceptable error of 1.8%. In addition, its operation was validated in adults through tests with a physiotherapy specialist, complying with various wrist movements.

Keywords: Mechanical Design; Wrist Rehabilitator; Kinematic Analysis; Computational Analysis; Anthropometric Measurements, Dynamic Analysis; Static Analysis.

 

Resumo

Foi desenvolvido um prot�tipo de exoesqueleto autom�tico para a reabilita��o do punho em adultos, utilizando medidas antropom�tricas e o software Adams View para o design, analisando a cinem�tica e din�mica dos movimentos de reabilita��o. A resist�ncia estrutural est�tica e din�mica foi validada atrav�s de simula��o computacional com o software CAE, avaliando deforma��es, tens�es e fatores de seguran�a. Os testes mostraram que o prot�tipo consegue executar movimentos precisos e seguros, com um erro aceit�vel de 1,8%. Al�m disso, o seu funcionamento foi validado em adultos atrav�s de testes com um especialista em fisioterapia, obedecendo a v�rios movimentos do punho.

Palavras-chave: Projeto Mec�nico; Reabilitador de Pulso; An�lise Cinem�tica; An�lise Computacional; Medidas Antropom�tricas, An�lise Din�mica; An�lise Est�tica.

 

Introducci�n

La investigaci�n aborda el dise�o de un prototipo orientado a la recuperaci�n f�sica de la mu�eca tras una fractura, empleando un sistema mec�nico de exoesqueleto como una alternativa m�s eficiente y r�pida en el �mbito de la terapia f�sica. En la situaci�n actual en Ecuador, este tipo de rehabilitaci�n no se encuentra disponible en los centros de rehabilitaci�n p�blicos debido a la falta de recursos y actualizaci�n. Los centros privados que ofrecen esta rehabilitaci�n tienen costos elevados, excluyendo a personas de recursos econ�micos medios y bajos y resultando en demoras en el proceso de recuperaci�n y posible incapacidad parcial o total de la parte afectada.

En el proceso de desarrollo del prototipo, se busca generar movimientos a trav�s de un an�lisis detallado de posici�n, velocidad, aceleraci�n y fuerza. Este an�lisis proporciona los torques necesarios para la selecci�n adecuada de los motores que se utilizar�n en la construcci�n del prototipo, contribuyendo as� a generar los movimientos necesarios para la rehabilitaci�n.

La carencia de un prototipo autom�tico de exoesqueleto con manufactura aditiva para simular movimientos mec�nicos en la rehabilitaci�n de mu�ecas en adultos es el foco de este trabajo. Al concluir el estudio, se espera obtener un prototipo capaz de reproducir de manera m�s precisa los movimientos realizados durante la rehabilitaci�n de la mu�eca. Tras la realizaci�n del proyecto y su implementaci�n en centros de rehabilitaci�n locales a largo plazo, el objetivo es beneficiar a pacientes de recursos econ�micos limitados que necesiten rehabilitaci�n, ofreciendo una variedad de terapias adaptadas a las lesiones espec�ficas del paciente. Esto facilitar� una reincorporaci�n m�s r�pida a las actividades diarias y mejorar� la calidad de vida. La investigaci�n busca contribuir al desarrollo tecnol�gico en el �mbito de la biomec�nica a nivel local, creando una m�quina con dise�o y fabricaci�n ecuatorianos.

 

 

 

 

Materiales y m�todos

Metodolog�a de dise�o

An�lisis funcional

El an�lisis funcional se refiere a innovar a productos ya existentes, con nuevas soluciones, mejorando el producto con altos est�ndares de calidad a un costo m�s bajo.�

Mediante el an�lisis funcional el cliente identifica �l por qu� adquiere el producto, as� como establecer las funciones primarias para el correcto funcionamiento del equipo (Pulloquinga et al., 2018).

 

Figura 1: Diagrama funci�n primaria del prototipo exosqueleto

 

Selecci�n del mecanismo para el prototipo exoesqueleto

La meta principal del exoesqueleto prototipo es ejecutar los movimientos de rehabilitaci�n utilizando tres servomotores, los cuales desempe�ar�n la funci�n de replicar los movimientos de flexi�n, extensi�n, pronaci�n, supinaci�n, aducci�n y abducci�n. Para cada funci�n del m�dulo, es esencial proponer diversas alternativas con el fin de elegir la opci�n m�s apropiada.

Un rehabilitador de mu�eca seleccionado que permita realizar todos los movimientos requeridos para la rehabilitaci�n y que cumpla con el requerimiento del especialista.

 

Tabla 1: Selecci�n m�s adecuada del prototipo rehabilitador

Caracter�sticas del prototipo rehabilitador de mu�eca seleccionado

Evaluadas las alternativas propuestas con sus diferentes criterios, se selecciona la m�s adecuada, los requerimientos son traducidos a criterios t�cnicos lo cual ayuda a tener un dise�o del equipo. Se seleccion� un prototipo que permita la rehabilitaci�n de la mu�eca, mediante funcionamiento en base a mecanismos y que cumplan con movimientos para realizar la rehabilitaci�n.

 

 

Dise�o de elementos para el movimiento de flexi�n-extensi�n

Con el uso del Software SolidWorks se modela los elementos que intervendr�n en el movimiento de la rehabilitaci�n, para exportar al software Adams View.

 

Figura 12-3: Uni�n de elementos y ubicaci�n de fuerzas en Adams View

 

En los resultados se requiere conocer la potencia y la fuerza resultante necesaria para que el mecanismo cumpla con el movimiento requerido para la rehabilitaci�n, mediante Adams View se obtiene los datos.

Figura 3: Potencia m�xima requerida para flexi�n - extensi�n de rehabilitaci�n en Adams View

 

Figura 4: Fuerza resultante del eje para flexi�n - extensi�n de rehabilitaci�n en Adams View

 

Dise�o est�tico de elementos mediante simulaci�n computacional

En Static Structural de Ansys se procede a realizar el mallado de todos los elementos y colocar las fuerzas que act�an sobre el prototipo como peso de la mano, peso de antebrazo y peso de motores.

 

Figura 5: Mallado y fuerzas en prototipo a 60� Ansys

 

Resolviendo en Static Structural se puede encontrar la deformaci�n total cuando se aplican todas las fuerzas y el factor de seguridad en todo el prototipo.

 

 

Figura 6: Deformaci�n m�xima en prototipo a 60� Ansys

 

Dise�o din�mico de elementos mediante simulaci�n computacional

Aplicando la teor�a de Soderberg mediante Workbench Static Structural se procede a calcular el factor de seguridad para cargas din�micas obteniendo un factor de seguridad n = 5.1 como se aprecia en la figura.

 

Figura 7: Dise�o de prototipo caso din�mico a 60�

 

Mediante el an�lisis de vida se tiene que los elementos est�n dise�ados para una vida infinita.

 

Figura 8: Factor de seguridad din�mico en prototipo a 60�

 

Dise�o de elementos para el movimiento de abducci�n � aducci�n

Con el uso de SolidWorks se modela los elementos que intervendr�n en el movimiento de la rehabilitaci�n, para exportar al software Adams View.

 

Figura 9: Uniones de elementos, fuerzas y motores en Adams View

 

En los resultados se requiere conocer la potencia y la fuerza resultante necesaria para que el mecanismo cumpla con el movimiento requerido para la rehabilitaci�n, mediante el software Adams View se obtiene los datos.

 

Figura 10: Potencia m�xima requerida para aducci�n - abducci�n de rehabilitaci�n en Adams View

 

Dise�o de elementos para el movimiento de pronaci�n � supinaci�n�

Con el uso de SolidWorks se modela los elementos que intervendr�n en el movimiento de la rehabilitaci�n, para exportar al software Adams View.

 

Figura 11. Uniones de elementos, fuerzas y motores en Adams View

 

En los resultados se requiere conocer la potencia y la fuerza resultante necesaria para que el mecanismo cumpla con el movimiento requerido para la rehabilitaci�n, mediante Adams View se obtiene los datos.

 

Tabla 2: Comparaci�n de factores de seguridad carga est�tica y din�mica

 

Resultado y discusi�n

Resultados

Durante las pruebas de funcionamiento del prototipo se verificaron que los �ngulos est�n dentro del rango de movilidad para cada uno de los movimientos.

 

Figura 12: Prototipo exoesqueleto rehabilitador de mu�eca

Plan de pruebas

En el proceso de dise�o y construcci�n se realizaron pruebas de todo el mecanismo en dos fases.�

-        Prueba de funcionalidad es la verificaci�n que los elementos cumplan con los movimientos

-        correctos y se obtengan los resultados deseados.

-        Prueba resistencia es evaluar el comportamiento de cada componente del mecanismo en casos extremos.

 

Pruebas en vac�o

Pruebas que se realizan para comprobar y verificar el funcionamiento del prototipo exoesqueleto sin aplicar cargas durante un periodo determinado sin presentar ning�n inconveniente.

Con la prueba en vac�o se calcula la potencia m�nima que necesita el exoesqueleto para su funcionamiento en cada uno de los movimientos.�

 

Tabla 3: Potencia de servomotores sin carga

 

En la tabla se puede observar las pruebas realizadas al prototipo autom�tico exoesqueleto sin carga, midiendo los diferentes �ngulos m�ximos para cada una de los tipos de rehabilitaci�n tanto para la mano derecha como la mano izquierda. Para medir el �ngulo de cada movimiento se utilizar� un goni�metro.

 

Tabla 4: Prueba de prototipo exoesqueleto sin carga

Pruebas que se realizan para comprobar y verificar el funcionamiento del prototipo exoesqueleto aplicando cargas durante un periodo determinado sin presentar ning�n inconveniente.

En la tabla se puede observar las pruebas realizadas al prototipo autom�tico exoesqueleto con carga, midiendo los diferentes �ngulos para cada una de los tipos de rehabilitaci�n tanto para la mano derecha como la mano izquierda. Para medir el �ngulo de cada movimiento se utilizar� un goni�metro.

 

Tabla 5: Prueba de prototipo exoesqueleto con carga

 

Conclusiones

�         El an�lisis cinem�tico y din�mico de los movimientos generados por el exoesqueleto prototipo en la rehabilitaci�n de la mu�eca se llev� a cabo mediante software computacional. Esto facilit� la elecci�n de los servomotores DS3220 PRO 30KG, que presentan un torque par de bloqueo de 39.5 kg/cm, asegurando el desarrollo de los movimientos sin contratiempos.

�         La simulaci�n computacional con software CAE no solo permiti� validar la resistencia estructural, con factores de seguridad de 15 en el caso est�tico y 10.4 en el caso din�mico, sino que tambi�n posibilit� la verificaci�n de los movimientos antes de la fase de construcci�n.

�         Se llev� a cabo la validaci�n del funcionamiento del prototipo exoesqueleto con la participaci�n de una especialista en fisioterapia, quien verific� cada uno de los movimientos. Seg�n las pruebas realizadas, se determin� que el prototipo es capaz de generar movimientos como flexi�n, extensi�n, aducci�n, abducci�n, pronaci�n y supinaci�n, contribuyendo as� a la rehabilitaci�n de la mu�eca en pacientes.

Referencias

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� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).

 

 

 

 

 

 

 

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