Guia Exoesqueleto Prototipo

Seediscussions,stats,andauthorprofilesforthispublicationat:http://www.researchgate.net/publication/271135489

DiseopreliminardelaestructuramecnicadeunexoesqueletoparalarehabilitacindelamarchahumanaCONFERENCEPAPERNOVEMBER2014

DOWNLOADS202

VIEWS73

2AUTHORS,INCLUDING:

YamillSantiagoCamposPerezCentralUniversity"MartaAbreu"ofLasVillas9PUBLICATIONS0CITATIONS

SEEPROFILE

Availablefrom:YamillSantiagoCamposPerezRetrievedon:23June2015

Direccin: Carretera Camajuan km 5 , Santa Clara Villa Clara. Cuba CP. 50100Correos: [email protected]; [email protected] http://eventos.fim.uclv.edu.cu/comec

Diseo preliminar de la estructura mecnica de un exoesqueleto para la rehabilitacin de la marcha humana.

Dr. Ing. Yamill S. Campos Prez 1

Ing. Orisley Passeiro 2

(1) Profesor de la Facultad de Ingeniera Mecnica de la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas. E-mail: [email protected]; [email protected]

(2) Universidad Central Marta Abreu de Las Villas. Facultad de Ingeniera Mecnica.

RESUMEN

La marcha humana es una caracterstica distintiva de cada ser humano, la cual se

puede ver afectadas por enfermedades, vejez, lecciones o accidentes disminuyendo

la capacidad de locomocin. Este trabajo presenta un diseo preliminar de la

estructura mecanica de un exoesqueleto para la rehabilitacin de la marcha humana

en pacientes con discapacidad. Se describen los elementos fundamentales para: el

dimensionamiento preliminar de los diferentes elementos mecanicos, la seleccin del

sistema de actuacin y los materiales para su fabricacin.

Palabras claves: Exoesqueleto, marcha humana, rehabilitacin, miembros inferiores.

INTRODUCCIN

Las enfermedades neuromusculares causan dependiendo del grado de afectacin,

una discapacidad motora, la cual puede acarrear graves problemas en la marcha

incluso haciendo imposible el caminar o mantenerse en posicin de equilibrio

vertical. Segn datos de la Organizacin Mundial de la Salud (OMS), entre el 10% y

70% de la poblacin general en los pases en vas de desarrollo, son portadores de

algn tipo de discapacidad. Segn los expertos de la Organizacin Mundial de la

Salud al comienzo del siglo XXI, existan casi 55 millones de personas con distintos

tipos de discapacidades viviendo en la regin de Latinoamrica y el Caribe. Se

estima que entre el 2% y 3% de las personas con discapacidad en Latinoamrica

puede obtener alguna clase de acceso a los servicios especializados de

rehabilitacin y programas de atencin, y casi nunca se trata de una atencin de

carcter pblico. El 50% de los afectados por accidentes de transito son jvenes

entre 15 y 35 aos, y el 25% requieren de rehabilitacin.


La rehabilitacin de la marcha se basa en fisioterapia manual y ejercicios

musculares repetitivos involucrando rutinas de movimientos en las que se requiere

esfuerzo fsico por parte del fisioterapeuta, lo que puede provocar que al final de una

jornada de fisioterapia, por los efectos del cansancio fsico, no se realice los

procedimientos adecuadamente. Mediante este tipo de rehabilitacin manual no se

pude obtener datos, ni informacin del proceso de rehabilitacin, lo cual no da la

posibilidad de llevar un control de la evolucin del paciente, que permita definir

nuevas estrategias de rehabilitacin.

El desarrollo de dispositivos y plataformas robticas para la rehabilitacin de

personas con discapacidad es actualmente un tema de investigacin a nivel mundial.

Dentro de los principales trabajos se encuentran los sistemas.

Un exoesqueleto consiste en una estructura mecnica externa acoplada a la

persona cuyas articulacionees y eslabones corresponden con las articulaciones del

cuerpo humano [1, 2]. El desarrollo de exoesqueletos no es algo novedoso, desde

hace decadas se han realizado numerosos diseos y prototipos. Entre 1960 y 1970,

la Universidad de Belgrado desarroll los primeros modelos, destinados a dar

movilidad a pacientes parapljicos. El exoesqueleto HAL, es una de las propuestas

ms actualizada desarollada en el profesor Sankai de la Universidad de Tsukuba en

Japon. ReWalk, es un exoesqueleto desarrollado en Israel por la empresa Argo

Medical Technologies destinado para parapljicos, Lokomat y LOPES, son

plataformas estticas de terapia para pacientes con lesin medular [1, 3, 4].

En este trabajo se presenta la propuesta de un diseo preliminal de la estructura

mecnica de un exoesqueleto para la rehabilitacin de la marcha humana, asi como

la seleccin del sistema de actuacin. El sistema esta ditigido en asistir los

movimientos rotacionales de la cadera, rodilla y tobillo, dentro del plano sagital.

MTODOS Y MATERIALES

La estructura del exoesqueleto coniste en una cadena cinemtica formada por pares

cinemticos de rotacion, con pivote en la articuladion de la cadera. Para llevar a

cabo el dimensionamiento de las barras es necesario conocer las longitudes de los

segmentos del cuerpo humano. En este trabajo se emplearon las expresiones

establecidas por Drillis y Contini en 1966, donde se expresan las longitudes de los

segmentos en funcin de la altura del individuo, figura 1 [5].


Figura 1. Longitudes de los segmentos de los miembros inferiores. Tomado de [1]

Un aspecto que se debe tener en cuenta al disear el exoesqueleto es que est sea

lo suficientemente adaptable para que pueda ser usado por un mayor nmero de

pacientes, por tal razn, el exoesqueleto incluye segmentos laterales de longitud

regulable en las partes del muslo y las piernas. A partir de las expresiones anteriores

se determinaron los valores mximos y mnimos de las longitudes de cada

segmento, tabla 1. Dichos valores fueron calculados considerando un individuo con

una altura mnima de 1.50 metros y una altura mxima de 1.90 metros.

Tabla 1. Longitudes mximas y mnimas para cada segmentoSegmentos Mnimo

[en metros]Mximo

[en metros]Longitud del muslo 0.3675 0.4655Longitud de la pierna 0.3690 0.4674Longitud del pie 0.2280 0.2888Altura del pie 0.0585 0.0741Ancho del pie 0.0825 0.1045

VALORES LMITES DE LA TRAYECTORIA DE LOS SEGMENTOS

En el diseo del exoesqueleto es tambin importante definir cuidadosamente el

recorrido de cada uno de los segmentos. El exoesqueleto debe ser capaz de

moverse libremente en los rangos de todas las articulaciones durante la marcha. A

partir de los resultados obtenidos en el trabajo [6], se determinaron los valores

lmites de la trayectoria de las articulaciones que se requiere para la simulacin de la

marcha normal. En la figura 2 se muestran los valores de los ngulos absolutos


lmites de cada segmento, que se tendrn en cuenta para el diseo de los topes

mecnicos en las diferentes articulaciones del exoesqueleto.

Figura 2. ngulos lmites de cada segmento del miembro inferior.

CALCULO DEL TORQUE EN LAS ARTICULACIONES DE LA CADERA Y RODILLA.

Para la seleccin de los actuadores a usar en las articulaciones de la cadera y la

rodilla es necesario calcular el torque en dichas articulaciones. Para ello, se

emplear el anlisis de cinemtica inversa que consiste en calcular el torque, a partir

de los parmetros cinemticos. El modelo biomecnico usado para modelar el

miembro inferior consiste en un sistema formado por tres barras rgidas unidas por

articulaciones de rotacin, las cuales representan los segmentos del muslo, pierna y

pie, figura 3.

Figura 3. Desplazamiento del sistema muslo pierna pie para la simulacin.

La longitud de cada segmento se mantiene constante. Cada segmento tiene una

masa fija ubicada en el centro de gravedad que permanece constante al igual que

los momentos de inercia durante el movimiento. El extremo proximal del muslo se

encuentra fijo. Para el calculo de la masa, centro de gravedad y momentos de

inercia de cada segmento fueron empleadas las expresiones de Chandler [7]. La

modelacin se realiz bajo el entorno de Simulink de MATLAB, empleando la


herramienta SimMechanics para el diseo y simulacin de sistemas dinmicos de

cuerpos rgidos [1].

Figura 4. Diagrama de bloque del sistema muslo pierna pie en Simulink.

En la figura 4 se observa el diagrama de bloque del modelo del sistema muslo-

pierna-pie. Para la simulacin es necesario la entrada de datos cinemticos como

posicin, velocidad y aceleracin que se ingresan mediante el bloque

ParamCadera. La articulacin de la cadera se desplaza desde el valor inicial de 0

grado hasta el valor final de 30 grados, figura 2.

Se fij un tiempo de simulacin de 10 segundos. Durante los 2 primeros segundos la

extremidad inferior completa (muslo pierna pie) recorre la trayectoria desde 0

grado hasta 30 grados, durante los prximos 6 segundos la extremidad se mantiene

en la posicin de 30 grados y durante los ltimos 2 segundos la extremidad

desciende de 30 grados hasta cero. A partir de la simulacin, se obtuvieron los

valores del torque en la articulacin de la cadera. En la figura 5 se muestra el

comportamiento del torque calculado. Para mantener la extremidad inferior a 30

grados de inclinacin con respecto a la vertical se necesita un torque de 23.28 Nm.

Figura 5. Torque en la articulacin de la cadera.


De igual forma se procedi para el clculo del torque en la articulacin de la rodilla.

En este caso, el valor de posicin inicial fue de 0 grado (posicin vertical) hasta -50

grados, figura 6. El muslo se mantuvo vertical mientras se giraba el sistema formado

por la pierna y el pie.

Figura 6. Posicin final del sistema pierna - pie para la simulacin.

En la figura 7, se muestra el modelo que se emple para la simulacin del sistema

pierna - pie en Simulink.

Figura 7. Diagrama de bloque del sistema pierna pie en Simulink.

Para mantener el conjunto pierna pie a 50 grados de inclinacin se necesita un

torque de 8.10 Nm. En la figura 8 se observa el comportamiento del torque de la

articulacin de la rodilla durante la simulacin.


Figura 8. Valores del torque en la articulacin de la rodilla.

SELECCIN DE LOS ACTUADORES.

Cuando se desea disear o fabricar un dispositivos para reproducir o imitar los

movimientos del cuerpo humano, como es el caso de la marcha humana, una de las

primeras cosas que se tienen que definir, es el tipo de actuador que se va a

emplerar. Entre los diferentes tipos de actuadores existenteel mercado, los motores

electricos de corrinete continua son los mas usados. Esta opcin simplifica el diseo

y mejora el aspecto esttico del diseo final [1, 4]. Otra ventaja importante es el

volumen y peso del sistema, obviando el peso de las bateras. Finalmente, se ha

optado por la variante que incluye un motor de RoboDrive (rotor y estator), con un

reductor planetario Harmonic Drive [8], figura 9.

Motor ILM70x10 Reductor de velocidad FB20Figura 9. Motor RoboDrive y reductor Harmonic Drive

El motor a utilizar es el modelo ILM 70x10 de la empresa Robodrive el cual cuenta

con un dimetro exterior de 70 mm y un ancho de 20 mm [9]. El reductor de

velocidad FB20 de la empresa Harmonic Drive, con una relacion de transmision de

100:1, un dimetro exterior de 70 mm y un ancho de 12.5 mm [10, 11].

RESULTADOS Y DISCUSIN.


El exoesqueleto es adaptable para poder ser empleado en diferentes pacientes. La

barra lateral colocada a nivel del muslo es ajustable desde 380 mm hasta 470 mm y

la de la pierna desde 360 mm hasta 450 mm. Otro aspecto que se tuvo en cuenta es

la facilidad de uso y regulacin del mismo. Para ello se han utilizado mariposas de

ajuste rpido, que permiten posicionar las medidas muy fcilmente.

Es importante asegurar que los rangos angulares de cada articulacion no sobrepase

los valores limites, por ejemplo la articulacion de la rodilla no debe exceder el ngulo

cero ya que la articulacion puede luxar, es por eso que fueron diseados en las

articulaciones de la cadera y rodilla topes mecanicos.

Un elemento importante en el diseo estructural es el material a emplear para la

fabricacin de la estructura. Este debe ser de bajo peso especfico para que la

estructura sea lo ms liviana posible, y a su vez, lo ms rgida. Con este objetivo se

pueden utilizar fibras de carbn o aluminio [12, 13]. Sin embargo, no solo se debe

tener presente la funcionalidad sino tambin la comodidad y la esttica.

La sujecin de la estructura del exoesqueleto al paciente se realiza a travs de

anillos. Estos, en busca de resistencia y ligereza, se deben fabricar de un material

plstico o polipropileno. Sus partes interiores estarn recubiertas con espuma de

baja densidad que actuar de medio amortiguador para evitar daos al paciente. A

esto se le sumar una correa de velcro para sujetar el exoesqueleto al paciente.

Asimismo, en esta etapa se realiz la seleccin de los actuadores. Atendiendo al

propsito del diseo estos deben ser livianos, silenciosos, rpidos, de bajo consumo,

robustos en cuanto a control, confiables y seguros. Los grados de libertad en los que

se propone actuar son tres: flexin-extensin de la cadera, flexin-extensin de la

rodilla y flexin plantar y dorsal del tobillo, debido a que los pares ms exigentes

durante la marcha se encuentran en el plano sagital. Teniendo en cuenta la

informacin de ngulos, torque, potencia y velocidad en las articulaciones requeridas

para un funcionamiento correcto, se procedi a realizar un sondeo de la

disponibilidad en el mercado de motores que satisfagan dichas necesidades. De

dicha bsqueda, y teniendo en cuenta las caractersticas del diseo propuesto, se

opt por la utilizacin de componentes de las empresas Robodrive y Harmonic

Drive debido a sus caractersticas de pequeo tamao y peso reducido. En la figura

10, se muestra el modelo preliminar en 3D.


Figura 10. Diseo en 3D de la estructura metlica del exoesqueleto.

Con el objetivo de garantizan y controlar la movilidad del soporte del pie, figura 11,

se coloc un actuador lineal que le da movilidad a la articulacin del tobillo. El

actuador lineal seleccionado se corresponde con el modelo L12 de la marca

FIRGELLI, cuyas especificaciones se muestran en la figura 12.

Figura 11. Modelo en 3D del soporte del pie.

Figura 12. Actuador lineal FIRGELLI. Tomado de [14]


CONCLUSIONES

La propuesta de exoesqueleto que se presenta en este trabajo busca mejorar la rehabilitacin funcional en pacientes con una discapacidad motora y

funcional.

El uso de terapia mediante exoesqueletos mejora los procedimientos de rehabilitacin actuales. El empleo de estos dispositivos electro-mecnicos

permite definir y controlar los movimientos de los miembros del paciente, as

como obtener datos e informacin del proceso de rehabilitacin.

Los tipos de actuadores usados en los exoesqueletos son muy diversos. Sin embargo los estudios han demostrado que los motores de corriente continua

son la mejor solucin, aunque todava no satisfacen las demandas de las

aplicaciones en muchos de los exoesqueletos.

Para determinar el torque necesario para la seleccin de los actuadores se aplic el mtodo de dinmica inversa mediante la simulacin con Simulink de

MATLAB, obtenindose como resultado un torque maximo de 23.4 Nm en la

articulacin de la cadera.

El sistema de actuacin esta conformado por un motor RoboDrive ILM70x10y un reductor planetario Harmonic Drive FB20, garantizando un sistema

compacto y de reducido tamao.

El diseo de exoesqueleto propuesto constituye una primera aproximacin susceptible a futuras modificaciones, como pueden ser: la potencia,

velocidad de los motores, geometra de la estructura mecnica, hasta arribar

a la versin definitiva.

BIBLIOGRAFAS[1] J. M. Grosso, D. Tibaduiza,, "Diseo Conceptual de un Exoesqueleto

para Asistir la Rehabilitacin de Miembro Inferior," 2009. [2] Manuel A., C. C., "Exoesqueletos para potenciar las capacidades

humanas y apoyar la rehabilitacin," Revista Ingeniera Biomdica. Escuela de Ingeniera de Antioquia-Universidad CES, Medelln, Colombia, vol. 4, 2010. ISSN: 1909-9762


[3] Aaron, D., "Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges a nd State-of-the-Art," IEEE TRANSAC TIONS ON ROBOTICS, vol. 24, 2008.

[4] Bureau, M., "Diseo de un nuevo exoesqueleto para neurorehabilitacin basado en deteccin de intencin "

[5] Winter, D. A. "Biomechanics and motor control of human movement.". Editorial: Inc. John Wiley & Sons. 978-0-470-39818-0

[6] Diaz, A. "Expresiones matemticas para la determinacin de los parametros cinemticos de la marcha human normal".Tesis de grado. Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas. Mecnica Aplicada 2014.

[7] R. F. Chandler, C. E. Clauser, "Investigation of inertial properties of the human body," Aerospace Medical Research Laboratory, Ed., ed, 1975.

[8] Santos, D. P. D. "Projecto mecanico de exoesqueleto robtico para membros inferiores".Tesis de Maestria en Ingeniera. Universidad de Sao Paulo. Escuela Politecnica de la Universidad de Sao Paulo. 2011.

[9] RoboDrive". www.robodrive.de. 2010.[10] Cristian, C., "MODELADO DE UNA TRANSMISIN HARMONIC

DRIVE - ANLISIS DEL ERROR CINEMTICO," Revista Iberoamericana de Ingeniera Mecnica, vol. 13, pp. 51-65, 2009.

[11] Technologies, H. D."Total Motion Control. ". http://harmonicdrive.net/. [12] William E., D. M., "Metodologa para seleccionar materiales en

ingeniera mecatrnica," [13] Girard, L. M. d. L. "Diseo y construccin de prototipo de prtesis de

rodilla".Tesis de Licenciatura en Ingeniera Mecatrnica. Universidad de las Amricas Puebla. Departamento de Computacin, Electrnica y Mecatrnica. 2008. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lmt/de_l_lm/.

[14] Sacoto, M. A. R. "Diseo y construccionde una rtesis de rodilla destinada a la rehabilitacion automatizada de la extremidad inferior.".Tesis de Ingeniera Electrnica. Universidad Politecnica Salesiana. Cuenca. 2012.

Guia Exoesqueleto Prototipo

Documents

Transcript of Guia Exoesqueleto Prototipo