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Design and construction of a moving exoskeleton prototype mechanic for wrist rehabilitation in adults
Projeto e construo de um prottipo de um exoesqueleto mvil mecnico para reabilitao do punho em adultos
Correspondencia: edwin.pozo@espoch.edu.ec
Ciencias de la Salud
Artculo de Investigacin
* Recibido: 21 de mayo de 2024 *Aceptado: 17 de junio de 2024 * Publicado: 05 de julio de 2024
I. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Ecuador.
II. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Ecuador.
III. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Ecuador.
IV. Investigador Independiente, Ecuador.
Resumen
Se desarroll un prototipo automtico de exoesqueleto para la rehabilitacin de la mueca en adultos, utilizando medidas antropomtricas y software Adams View para el diseo, analizando la cinemtica y dinmica de los movimientos de rehabilitacin. Se valid la resistencia estructural esttica y dinmica mediante simulacin 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%. Adems, se valid su funcionamiento en personas adultas a travs de pruebas con un especialista en fisioterapia, cumpliendo con diversos movimientos de la mueca.
Palabras clave: Diseo Mecnico; Rehabilitador De Mueca; Anlisis Cinemtico; Anlisis Computacional; Medidas Antropomtricas, Anlisis Dinmico; Anlisis Esttico.
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 prottipo de exoesqueleto automtico para a reabilitao do punho em adultos, utilizando medidas antropomtricas e o software Adams View para o design, analisando a cinemtica e dinmica dos movimentos de reabilitao. A resistncia estrutural esttica e dinmica foi validada atravs de simulao computacional com o software CAE, avaliando deformaes, tenses e fatores de segurana. Os testes mostraram que o prottipo consegue executar movimentos precisos e seguros, com um erro aceitvel de 1,8%. Alm disso, o seu funcionamento foi validado em adultos atravs de testes com um especialista em fisioterapia, obedecendo a vrios movimentos do punho.
Palavras-chave: Projeto Mecnico; Reabilitador de Pulso; Anlise Cinemtica; Anlise Computacional; Medidas Antropomtricas, Anlise Dinmica; Anlise Esttica.
Introduccin
La investigacin aborda el diseo de un prototipo orientado a la recuperacin fsica de la mueca tras una fractura, empleando un sistema mecnico de exoesqueleto como una alternativa ms eficiente y rpida en el mbito de la terapia fsica. En la situacin actual en Ecuador, este tipo de rehabilitacin no se encuentra disponible en los centros de rehabilitacin pblicos debido a la falta de recursos y actualizacin. Los centros privados que ofrecen esta rehabilitacin tienen costos elevados, excluyendo a personas de recursos econmicos medios y bajos y resultando en demoras en el proceso de recuperacin y posible incapacidad parcial o total de la parte afectada.
En el proceso de desarrollo del prototipo, se busca generar movimientos a travs de un anlisis detallado de posicin, velocidad, aceleracin y fuerza. Este anlisis proporciona los torques necesarios para la seleccin adecuada de los motores que se utilizarn en la construccin del prototipo, contribuyendo as a generar los movimientos necesarios para la rehabilitacin.
La carencia de un prototipo automtico de exoesqueleto con manufactura aditiva para simular movimientos mecnicos en la rehabilitacin de muecas en adultos es el foco de este trabajo. Al concluir el estudio, se espera obtener un prototipo capaz de reproducir de manera ms precisa los movimientos realizados durante la rehabilitacin de la mueca. Tras la realizacin del proyecto y su implementacin en centros de rehabilitacin locales a largo plazo, el objetivo es beneficiar a pacientes de recursos econmicos limitados que necesiten rehabilitacin, ofreciendo una variedad de terapias adaptadas a las lesiones especficas del paciente. Esto facilitar una reincorporacin ms rpida a las actividades diarias y mejorar la calidad de vida. La investigacin busca contribuir al desarrollo tecnolgico en el mbito de la biomecnica a nivel local, creando una mquina con diseo y fabricacin ecuatorianos.
Materiales y mtodos
Metodologa de diseo
Anlisis funcional
El anlisis funcional se refiere a innovar a productos ya existentes, con nuevas soluciones, mejorando el producto con altos estndares de calidad a un costo ms bajo.
Mediante el anlisis 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 funcin primaria del prototipo exosqueleto
Seleccin del mecanismo para el prototipo exoesqueleto
La meta principal del exoesqueleto prototipo es ejecutar los movimientos de rehabilitacin utilizando tres servomotores, los cuales desempearn la funcin de replicar los movimientos de flexin, extensin, pronacin, supinacin, aduccin y abduccin. Para cada funcin del mdulo, es esencial proponer diversas alternativas con el fin de elegir la opcin ms apropiada.
Un rehabilitador de mueca seleccionado que permita realizar todos los movimientos requeridos para la rehabilitacin y que cumpla con el requerimiento del especialista.
Tabla 1: Seleccin ms adecuada del prototipo rehabilitador
Caractersticas del prototipo rehabilitador de mueca seleccionado
Evaluadas las alternativas propuestas con sus diferentes criterios, se selecciona la ms adecuada, los requerimientos son traducidos a criterios tcnicos lo cual ayuda a tener un diseo del equipo. Se seleccion un prototipo que permita la rehabilitacin de la mueca, mediante funcionamiento en base a mecanismos y que cumplan con movimientos para realizar la rehabilitacin.
Diseo de elementos para el movimiento de flexin-extensin
Con el uso del Software SolidWorks se modela los elementos que intervendrn en el movimiento de la rehabilitacin, para exportar al software Adams View.
Figura 12-3: Unin de elementos y ubicacin 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 rehabilitacin, mediante Adams View se obtiene los datos.
Figura 3: Potencia mxima requerida para flexin - extensin de rehabilitacin en Adams View
Figura 4: Fuerza resultante del eje para flexin - extensin de rehabilitacin en Adams View
Diseo esttico de elementos mediante simulacin computacional
En Static Structural de Ansys se procede a realizar el mallado de todos los elementos y colocar las fuerzas que actan 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 deformacin total cuando se aplican todas las fuerzas y el factor de seguridad en todo el prototipo.
Figura 6: Deformacin mxima en prototipo a 60 Ansys
Diseo dinmico de elementos mediante simulacin computacional
Aplicando la teora de Soderberg mediante Workbench Static Structural se procede a calcular el factor de seguridad para cargas dinmicas obteniendo un factor de seguridad n = 5.1 como se aprecia en la figura.
Figura 7: Diseo de prototipo caso dinmico a 60
Mediante el anlisis de vida se tiene que los elementos estn diseados para una vida infinita.
Figura 8: Factor de seguridad dinmico en prototipo a 60
Diseo de elementos para el movimiento de abduccin aduccin
Con el uso de SolidWorks se modela los elementos que intervendrn en el movimiento de la rehabilitacin, 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 rehabilitacin, mediante el software Adams View se obtiene los datos.
Figura 10: Potencia mxima requerida para aduccin - abduccin de rehabilitacin en Adams View
Diseo de elementos para el movimiento de pronacin supinacin
Con el uso de SolidWorks se modela los elementos que intervendrn en el movimiento de la rehabilitacin, 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 rehabilitacin, mediante Adams View se obtiene los datos.
Tabla 2: Comparacin de factores de seguridad carga esttica y dinmica
Resultado y discusin
Resultados
Durante las pruebas de funcionamiento del prototipo se verificaron que los ngulos estn dentro del rango de movilidad para cada uno de los movimientos.
Figura 12: Prototipo exoesqueleto rehabilitador de mueca
Plan de pruebas
En el proceso de diseo y construccin se realizaron pruebas de todo el mecanismo en dos fases.
- Prueba de funcionalidad es la verificacin 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 vaco
Pruebas que se realizan para comprobar y verificar el funcionamiento del prototipo exoesqueleto sin aplicar cargas durante un periodo determinado sin presentar ningn inconveniente.
Con la prueba en vaco se calcula la potencia mnima 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 automtico exoesqueleto sin carga, midiendo los diferentes ngulos mximos para cada una de los tipos de rehabilitacin tanto para la mano derecha como la mano izquierda. Para medir el ngulo de cada movimiento se utilizar un gonimetro.
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 ningn inconveniente.
En la tabla se puede observar las pruebas realizadas al prototipo automtico exoesqueleto con carga, midiendo los diferentes ngulos para cada una de los tipos de rehabilitacin tanto para la mano derecha como la mano izquierda. Para medir el ngulo de cada movimiento se utilizar un gonimetro.
Tabla 5: Prueba de prototipo exoesqueleto con carga
Conclusiones
El anlisis cinemtico y dinmico de los movimientos generados por el exoesqueleto prototipo en la rehabilitacin de la mueca se llev a cabo mediante software computacional. Esto facilit la eleccin 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 simulacin computacional con software CAE no solo permiti validar la resistencia estructural, con factores de seguridad de 15 en el caso esttico y 10.4 en el caso dinmico, sino que tambin posibilit la verificacin de los movimientos antes de la fase de construccin.
Se llev a cabo la validacin del funcionamiento del prototipo exoesqueleto con la participacin de una especialista en fisioterapia, quien verific cada uno de los movimientos. Segn las pruebas realizadas, se determin que el prototipo es capaz de generar movimientos como flexin, extensin, aduccin, abduccin, pronacin y supinacin, contribuyendo as a la rehabilitacin de la mueca en pacientes.
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