Spanish (pdf)
Article in xml format
Article references
Automatic translation
Send this article by e-mail
Cited by SciELO 
Cited by Google 
Similars in
SciELO 
Similars in Google 
Permalink
1. INTRODUCCIÓN
La robótica ha incursionado ampliamente en la medi cina, en particular, en el área de la fisioterapia asistida, en la que utilizando exoesqueletos o sistemas electro-mecá nicos se estimulan diversos movimientos en las articula ciones, lo cual ha resultado muy importante cuando existe una elevada pérdida muscular, dolor excesivo, afectaciones de nervios y adherencias en las articulaciones, y que se ha demostrado que el paciente puede recobrar la movilidad de sus extremidades con mayor facilidad, eficiencia y en un menor tiempo [1].
Los exoesqueletos para rehabilitación son dispositivos que permiten adaptar un robot manipulador a una extre midad del cuerpo con el fin de realizar procesos terapéu ticos que brindan al paciente soporte durante rutinas de rehabilitación determinadas [2]. Actualmente en Colombia existen pocos centros de rehabilitación física de alta tecno logía, que incorporan dispositivos robóticos para la inter vención terapéutica de pacientes favoreciendo el arco de movilidad de las articulaciones de los miembros superiores e inferiores, esto contrasta con el gran número de pacientes que requieren rehabilitación asistida para sus tratamientos. Por esto se hace necesario desarrollar tecnología regional en área de la robótica de rehabilitación que brinde soporte en los procesos terapéuticos asociado al movimiento flexo-extensor del codo.
2. METODOLOGÍA
En la primera fase se exponen los aspectos antropomé tricos para el diseño del exoesqueleto, a partir de esta infor mación, se hicieron los cálculos del torque para la flexo-extensión del codo; en la segunda fase se realizó el CAD del sistema mecánico de bisagra de acuerdo con el tamaño del servomotor y al sistema de palanca que se requiere para lograr la flexo-extensión del codo; en la tercera fase se pre senta el modelo cinemático del sistema; en la cuarta fase se presenta el sistema de control elaborado; en la quinta fase se presenta el aplicativo móvil; en la sexta fase se muestra la inclusión de un entorno virtual parametrizado con el dis positivo Kinect para las rutinas de rehabilitación.
Primera fase antropometría
Para el cálculo de los datos antropométricos correspon dientes al miembro superior, se consideró el estudio [3], en el que se hizo una muestra poblacional de 2100 trabajado res colombianos, hombres y mujeres, en edades entre los 20 y 59 años, A continuación, en la Tabla I se presenta un resumen de las medidas antropométricas de la población colombiana con los rangos máximos y mínimos de este es tudio, con el fin de poder adaptar este exoesqueleto, tanto para hombres como mujeres. En la Fig. 1 se presentan algu nas de las dimensiones antropométricas obtenidas.
Segunda fase cálculo del torque
Para la selección del motor se hizo un diagrama de cuerpo libre cuerpo libre, como se muestra en la ecuación [1], con el fin de determinar el torque necesario para levan tar el segmento antebrazo-mano, teniendo en cuenta los parámetros obtenidos en el estudio antropomórfico de la población colombiana, se determinó que el largo del ante brazo y la mano es 0,451m y el peso del segmento del ante brazo-mano es 2,5462 kg correspondiente el 2.9% del peso corporal dato obtenido del estudio antropomórfico de la población latinoamericana y la relación de peso corporal, antebrazo mano en varios individuos, posterior a esto, se realizó la simulación en el software SOLIDWORKS del an tebrazo, la mano y el soporte de exoesqueleto para determinar el centro de gravedad, cuyos datos dieron como resultado que el centro de gravedad se encuentra ubicado a 27.40 cm del sistema de referencia. A continuación, en la fig. 2 se presenta el esquema realizado en SOLIDWORKS, los datos obtenidos en este software y los cálculos para deter minar el torque.
Exoesqueleto para la flexo-extensión del codo
El exoesqueleto compuesto por el sistema rotor y la tarjeta electrónica que permite el control de los ángulos.
Algoritmo de control.
Sensor, potenciómetro interno del servomotor que permite conocer el posicionamiento del exoesqueleto.
Entre las características del exoesqueleto se tienen dos servomotores Dservo Ds3225, cuyo par máximo es de 25 kg*cm, un sistema rotor compuesto por tres engranajes con una relación de 1 a 1,5 y un potenciómetro interno ubi cado en el interior del servomotor. Los servomotores son controlados a partir de una tarjeta Arduino Uno la cual per mite el control de posición.
Cinemática del exoesqueleto para la flexo- extensión del codo
Con el fin de facilitar el análisis cinemático se considera al exoesqueleto como un péndulo robot de un grado de libertad, que es un caso especial del robot antropomórfico de 3 grados de libertad, está compuesto por un servomotor y una barra metálica k 1 que es sometida al fenómeno de gravedad, para el desarrollo del presente modelo se con sideraron los parámetros Denavit-Hartenberg que se en cuentran especificados en la Tabla II.
El modelo cinemático directo se obtiene a partir de la matriz de transformación homogénea H 1 0 descrita en la ecuación (1) en el marco teórico, las coordenadas del extremo final del péndulo dependen de la ubicación de la posición de casa q1 = 0 ubicado en plano vertical x0 -y0, por lo tanto, la matriz Rz0 (q1) debe ser precedida por una rotación igual a -r/2 alrededor del eje Z 0, es decir:
A continuación, se calculan las matrices H1 0 dando como resultado las coordenadas del extremo final del pén dulo respecto a la posición de casa, y al eje negativo y 0:
Simulación del espacio de trabajo
En la simulación se puede observar los movimientos de flexión y extensión del codo en un rango de 0° a 120° ambos movimientos se realizan en el plano sagital, la lon gitud máxima del antebrazo es 0.451 m (dato obtenido al restar el parámetro 12 y el 14 del estudio antropomórfico de la población colombiana), el centro de rotación (0,0) se encuentra ubicado en el codo y la posición de casa q1 = 0 está ubicada en el eje vertical y 0-. A continuación, se pre senta en la Fig. 3 la simulación obtenida.
Dinámica del exoesqueleto para la flexo- extensión del codo
A continuación, se desarrolla el modelo dinámico usan do la metodología de Euler-Lagrange para sistemas no con servativos descrita en el marco teórico. En la Fig. 4 se pre senta una gráfica simplificada del exoesqueleto de flexión y extensión de codo.
Donde
q1 = Angulode flexión y extensión del codo
m = Masa de antebrazo y mano
l = Longitud del brazo y la mano
l c = Longitud del centrode gravedad de la masa m
I= Momento de inercia del exoesqueleto a sucentrodemasa
g= Aceleración de la gravedad dirigida al eje negativo
En el modelo dinámico del sistema tipo péndulo se uti liza la metodología de Euler-Lagrange, que aporta una des cripción completa entre el par aplicado al servomotor y el movimiento de la estructura mecánica [4]. A continuación, se describen se describen las ecuaciones (4) (5) y (6), que caracterizan dicha metodología:
Donde L(q, qo ) representa el Lagrangiano, K(q,qo ) la energía cinética, U ( q )la energía potencial, qo velocidad angular, q la posición, m masa del exoesqueleto, brazo y mano humana (aproximación), I momento de inercia y g aceleración de la gravedad. Las ecuaciones de movimiento para el caso particular del péndulo robot adquieren la si guiente forma:
Donde es el par aplicado al servomotor, por lo tanto, el modelo dinámico del péndulo sin incluir el fenómeno de fricción está dado por:
3. RESULTADOS
Prototipo CAD del exoesqueleto
El prototipo propuesto posee un grado de libertad que consiste en un soporte estabilizador de brazo con bi sagra con el fin de adaptar el dispositivo a los diferentes tipos de brazos y dar comodidad al paciente (el soporte permite realizar los movimientos de flexión y extensión desde un ángulo de 0° a 120°), posterior a esto se diseñó en el software Solid Edge y la impresión 3D de 5 piezas en PLA bajo el proceso de modelado por deposición fundida (FDM), con espesor de 0.8mm, la base adaptada a las barras metálicas del soporte para brazo, las bases que sujetan los servomotores, los piñones y la caja que alberga todos los componentes electrónicos del Sistema. A continuación, en la Fig. 5 se presenta el prototipo propuesto y en la Fig. 6 la impresión acoplada al sistema estabilizador de brazo.
Control del exoesqueleto
A partir de la regla de sintonía de Ziegler-Nichols, basa da en la ganancia crítica y periodo crítico se estableció a través de la experimentación que el valor de la ganancia =4 y el periodo (dato obtenido al promediar 15 repeticiones del periodo de la señal durante un tiempo de 10 segundos), presentando como resultado los valores de =2.4, y y los va lores de y , al realizar la experimentación con estos datos la salida del sistema oscilaba en rango de posiciones de 50° a 110°, por tanto se procedió a hace un ajuste fino hasta determinar los valores apropiados de la ganancia propor ciona, integral y derivativa que corresponden a los valores de =1, y (la salida del sistema con estos valores se puede observar en la Fig. 7 donde la señal Setpoint=90°)[5], [6].
Con el fin de hacer terapias con una salida más lenta del sistema se modificó el código de control PID, el cual consis te en determinar una nueva variable i que tiene una acción de control cada 6 grados hasta llegar al ángulo indicado, se presenta en la Fig. 8 la salida del sistema con la modifi cación del código, donde se evidencia que el controlador tarda más tiempo en llegar a la posición deseada.
Control de lazo abierto con potenciómetro como sensor sin retroalimentación
Para la realización de este sistema de control se hizo uso de la librería Servo.h de Arduino y el ciclo for con el fin de con trolar una salida lenta que permita incorporar el término de Cinesiterapia pasiva forzada mantenida, donde se recomien da llevar el brazo a una posición articular y mantenerla por un tiempo de 20 segundos, con el fin de validar la posición del exoesqueleto se implementó un potenciómetro que inicia el censado cuando finaliza la acción de control, con esto se ga rantiza que no tome ángulos indeseados. También se utilizó un goniómetro, el cual mide de manera mecánica el ángulo alcanzado por el exoesqueleto, esta prueba fue realizada tres veces, dando como resultado un error de 0.73 grados con el goniómetro y 1.61 grados con el potenciómetro.
Aplicativo móvil para Android para el ajuste del ángulo
El aplicativo software para ajustar el ángulo del exoesqueleto se realizó con Mit AppInventor. En el aplicativo se posicionaron 5 botones que dirigen el exoesqueleto desde la posición de casa 0° hasta un ángulo determinado, este valor es compa rado dentro del microcontrolador con la señal proveniente del potenciómetro acoplado a los engranajes y un botón para la selección del módulo bluetooth, en la interfaz de bloques se efectuó la programación de las señales que serán enviadas a la tarjeta Arduino Uno, a través del módulo bluetooth HC06 por los puertos digitales 0 y 1. A continuación, en la Fig. 9, se presenta la interfaz gráfica de la aplicación [7].
Terapias interactivas
Las terapias de rehabilitación se complementaron con el uso de una interfaz interactiva, buscando generar una realidad virtual para el paciente y potencializar la terapia. En la realización de las terapias interactivas se utilizó la li brería J4K de processing, la cual permite convertir los datos recibidos por el sensor del Kinect en un objeto de esque leto, el objetivo de este ejemplo es tomar la manzana con el brazo izquierdo y desplazarla hasta ubicarla en el mismo punto, este ejemplo fue modificado para llevar la manza na de una posición a otra, utilizando los movimientos de flexión y extensión del codo, además de esto, el programa muestra el ángulo entre el brazo y el antebrazo mientras se realiza el ejercicio, otra de las ventajas que otorga esta in terfaz es el cálculo del ángulo del brazo y antebrazo a partir de la información vectorial espacial. A continuación, se pre senta en la Fig. 10 la ejecución del programa [8].
4. CONCLUSIONES
Se elaboró un modelo funcional de exoesqueleto que brinda soporte y comodidad en las terapias y se adapta a cualquier tipo de brazo de adultos que no excedan una masa corporal de 80 kg, el exoesqueleto permite realizar los movimientos de flexión y extensión del codo en un rango articular de 0° a 120° lo cual brinda una rehabilitación op tima y una ganancia de arco de movimiento, además sirve como base para trabajos futuros de investigación en el área de rehabilitación robótica e ingeniería de control.
Se validaron tres sistemas de control, dando como re sultado que el sistema que mejor se adapta a este proyecto es el sistema de lazo abierto con potenciómetro sin retroalimentación, puesto que permite controlar la variación del ángulo de forma lenta y sin fluctuaciones e incorporar el concepto de cinesiterapia pasiva forzada mantenida, tal como lo necesita esta terapia, ya que el músculo por reha bilitar se encuentra retraído y cualquier movilización rápida puede causar graves consecuencias para el arco de movi miento del paciente.
Se desarrolló una serie de juegos en el software Proces sing que permiten la realización de terapias interactivas, dan do como resultado un error de 0.263° en la validación del án gulo en los movimientos de flexión y extensión del codo.
A partir de las pruebas realizadas con el exoesqueleto se determinó que el dispositivo cumple con las características planteadas en cuanto a precisión en los ángulos, ya que posee un error aproximado en su funcionamiento de 0,736° medido con potenciómetro y 1,6140° medido con goniómetro.
Se propone mejorar el diseño del exoesqueleto y reali zar los engranajes en otro material, puesto que al someter al exoesqueleto a cargas pesadas los engranajes sufren des gaste y fracturas, limitando la vida útil del dispositivo.
