ma

cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Coordinación de Mecatrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

“Diseño de un Equipo Auxiliar en Terapias de Rehabilitación de Extremidades de Miembro

Superior a Nivel de Dedos”

presentada por:

Jorge Aurelio Brizuela Mendoza Ing. en Electrónica por el I. T. de Ciudad Guzmán

José Hugo Soto Yuriar Ing. en Sistemas Computacionales por el I. T. Superior de Cajeme

como requisito para obtener el grado de: Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica

Directores de tesis: Dr. Marco A. Oliver Salazar

Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik

Cuernavaca, Morelos, México 10 de Diciembre de 2010

cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Coordinación de Mecatrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

“Diseño de un Equipo Auxiliar en Terapias de Rehabilitación

de Extremidades de Miembro Superior a Nivel de Dedos”

presentada por:

Jorge Aurelio Brizuela Mendoza Ing. en Electrónica por I. T. de Ciudad Guzmán

José Hugo Soto Yuriar Ing. en Sistemas Computacionales por el I. T. Superior de Cajeme

como requisito para obtener el grado de: Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica

Directores de tesis:

Dr. Marco A. Oliver Salazar

Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik

Jurado: Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez

Dr. Andrés Blanco Ortega

Cuernavaca, Morelos, México. 10 de Diciembre de 2010

ii Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

DEDICATORIAS

Jorge Aurelio

A las personas que mediante su ejemplo me han llevado a ser lo que soy y lo que no soy, aquellos que con una palabra alegran mi vida.

Mis padres

Por el apoyo brindado durante la realización de este trabajo. Gracias, seguiremos adelante….

Tío Pedro

iv Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

AGRADECIMIENTOS

A Dios por permitirme vivir y crecer, por permitirme experimentarme a mí mismo en cada instante de mi vida.

A mi madre por saber todo de mí, aun cuando no lo digo.

A mi padre por ser como es, gracias por tu apoyo.

A mis hermanas Rosa Liliana y Laura Alicia por sonreír siempre al

verme, por esa mirada tierna y dulce.

A mis amigos por todo su apoyo.

Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico por

haberme abierto las puertas y con ello, crecer profesionalmente.

A mi compañero de tesis Hugo por permitirme aprender de él todo lo que aprendí, gracias Huguito……

A mis compañeros de Maestría, Omar, Cesar, Elizabeth, Miguel y

Mara por todo lo que superamos juntos.

A mis asesores de tesis, Dr. Marco Antonio Oliver Salazar y Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik, por los conocimientos entregados.

A la DGEST por el apoyo brindado.

Jorge Aurelio

Hay hombres que luchan un día y son buenos. Hay otros que luchan un año y son mejores.

Hay quienes luchan muchos años y son muy buenos. Pero hay los que luchan toda la vida:

esos son los imprescindibles.

Bertoldt Brecht

vi Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Dedicatoria

A las personas que me han dado más que la vida y que aún en este punto me siguen apoyando para alcanzar mis sueños...

Mis Padres.

A la persona que Dios quiso fuera mi compañera a lo largo de este camino, gracias por tanto apoyo y confianza…

Dulce

Hugo

viii Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Agradecimientos

En particular a Dios, por darme la oportunidad de vivir está

experiencia y alcanzar una meta más en mi vida.

Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (cenidet)

por la oportunidad otorgada al aceptarme como aspirante y por la

formación académica que me otorgó.

A mis hermanos Paco, Elena y Angélica, por su apoyo; a mis sobrinos

Briana, Jennifer y Xavier Alejandro por su cariño.

A los doctores Dariusz Szwedowicz Wasik y Marco A. Oliver Salazar

por su confianza, apoyo e interés.

A nuestros revisores Dr. Enrique Quintero-Mármol y Dr. Andrés Blanco

por su tiempo invertido en este proyecto y por sus comentarios.

A mi compañero Jorge Aurelio por su tenacidad y entusiasmo para

buscar siempre una mejor solución, pero sobre todo por su amistad.

A mis compañeros de generación que más que amigos fueron mi familia

en esta etapa de mi vida: César, Miguel, Omar, Emmanuel y Ely.

A todas aquellas personas que con las que conviví durante mi estancia

en la institución, pero sobre todo a: Paz, Peter, Carlos, Omar, Mike,

Tomás, Ricardo, Rodo y Juanito; gracias amigos.

A todos y cada uno del personal docente que intervino en mi formación

como MC dentro del cenidet, que con sus defectos y virtudes nos han

transmitido un gran conocimiento.

Por último, a la Dirección General de Educación Superior Tecnológica

(DGEST) por el apoyo brindado.

José Hugo

x Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

RESUMEN

El presente documento de investigación contiene el diseño y construcción de un dispositivo de

ayuda en fisioterapia de extremidades del miembro superior a nivel de dedos. Este sistema

puede ser empleado en terapias activas o pasivas, entendiendo una terapia activa como la

terapia que realiza una persona mediante la ejecución de movimientos por sí mismo, mientras

que la terapia pasiva, por su parte, requiere de un dispositivo o aparato encargado de realizar

estos movimientos.

El dispositivo de ayuda en fisioterapia, constituido por subsistemas electrónicos, mecánicos y

computacionales, permite mediante ajustes mecánicos la adecuación a diferentes tamaños de

dedos y manos tanto de la extremidad derecha como izquierda, generando con ello un sistema

versátil acoplable para personas adultas o niños.

Para su operación, el dispositivo utiliza como actuadores músculos neumáticos con

comportamiento similar al músculo biológico, mismos que proporcionan la fuerza necesaria

para realizar el movimiento en la extremidad. Con referencia en el acoplamiento intrínseco

existente entre cada una de las secciones de los dedos, este dispositivo realiza su flexión y

extensión, considerados los movimientos más comunes en las terapias ocupacionales.

El control de este dispositivo mecatrónico se lleva a cabo desde un equipo de cómputo

haciendo uso de un software construido en el ambiente de desarrollo LabVIEW. Este software

permite la configuración de las terapias seleccionando la mano y los dedos a rehabilitar, para

su ejecución, se comunica digitalmente con un subsistema electrónico encargado de generar el

movimiento. Adicionalmente, esta sección del equipo fisioterapéutico permite mediante la

manipulación de una base de datos, el ingreso de la información personal de cada paciente y

archivo de las sesiones terapéuticas realizadas, agregando con ello una referencia de la

evolución terapéutica de cada uno de ellos.

El diseño y construcción, pruebas al equipo y justificantes de esta investigación, se presentan

en secciones posteriores de este documento, concluyendo al final con una comparativa entre

los trabajos existentes referentes a este tema y el dispositivo de ayuda en fisioterapia

construido.

xii Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

ABSTRACT

This research work presents the design and construction of a supporting device in

physiotherapy sessions to improve de movement of the upper limbs at fingers. This system can

be used for active or passive therapies, understanding an active therapy like the one which

makes a person by the execution of moves by itself, while passive therapy, in turn, requires a

device or unit responsible for carrying out these movements.

The assistive device in physiotherapy enables the adaptation by mechanical settings to

different size fingers and hands of both the right and left limb, thereby creating a versatile

system coupled to both adults and children.

For its operation, the device uses pneumatic muscles as actuators with similar behavior to the

one obtained from a biological muscle, which furnishes the necessary strength for the

movement of each finger. Flexion-extension is performed by using the dynamic coupling that

inherently exists in each one of the referred limbs.

The control of the mechatronic device is carried out from a computer equipment using

software built into the LabVIEW development environment. This software allows the selection

of the hand and fingers to be rehabilitated and for its execution, communicates digitally with

an electronic subsystem responsible for generating the movement in the fingers. Additionally,

this section allows, by manipulating a database, entering personal information of each patient

and his therapy sessions, thus adding a reference of the therapeutic evolution of each of them.

The design and construction of the device, testing and justifications for this research are

presented in later sections of this document, concluding at the end with a comparison

between existing works concerning to this topic and the system built.

xiv Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Tabla de contenido Lista de figuras................................................................................................................. xvii

Lista de tablas................................................................................................................... xix

Acrónimos ........................................................................................................................ xxi

Simbología ..................................................................................................................... xxiii

1. Introducción....................................................................................................................1

1.1. Objetivo general y objetivos particulares .....................................................................2

1.2. Alcances y limitaciones ...............................................................................................2

1.3. Definición del problema .............................................................................................3

1.4. Justificación ...............................................................................................................4

1.5. Organización de la tesis ..............................................................................................4

Bibliografía y Referencias ..................................................................................................5

2. Estado del Arte ................................................................................................................7

2.1. El sistema muscular humano.......................................................................................7

2.2. La mano humana .......................................................................................................8

2.3. Lesiones de la mano humana ....................................................................................10

2.3.1. Lesiones Vasculares ...........................................................................................11

2.3.2. Lesiones Nerviosas .............................................................................................11

2.3.3. Lesiones tendinosas de la mano..........................................................................11

2.4. Patologías de la mano humana y rehabilitación..........................................................11

2.5. El músculo neumático ..............................................................................................12

2.6. Desarrollos tecnológicos orientados a fisioterapias ....................................................13

2.7. Desarrollos comerciales orientados a rehabilitación ...................................................14

2.8. Desarrollos con músculos neumáticos .......................................................................15

2.9. Prótesis robot ..........................................................................................................16

Bibliografía y Referencias ................................................................................................19

3. Diseño y desarrollo del prototipo ...................................................................................21

3.1. Sistema mecánico ....................................................................................................21

3.1.1. Diseño de componentes .....................................................................................22

3.1.2. Sistema de transmisión de movimiento ...............................................................24

3.1.3. Actuadores ........................................................................................................25

3.1.4. Anillos ...............................................................................................................26

3.1.5. Cálculos requeridos............................................................................................26

3.2. Sistema electrónico ..................................................................................................31

xvi Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

3.2.1. Etapas del sistema electrónico ............................................................................32

3.2.2. Diseño de circuito impreso .................................................................................34

3.3. Interfaz gráfica de usuario ........................................................................................35

Bibliografía y Referencias ................................................................................................42

4. Validación experimental del prototipo............................................................................43

4.1. Comunicación interfaz de operador-sistema electrónico ............................................43

4.2. Caracterización de tiempos de sesión terapéutica ......................................................44

4.3. Lectura/escritura de archivos en software de sistema ................................................45

4.3.1. Captura de datos personales del paciente ...........................................................45

4.3.2. Edición de información.......................................................................................46

4.3.3. Eliminación de paciente .....................................................................................46

4.3.4. Actualización del archivo de historial...................................................................47

4.3.5. Paro de emergencia ...........................................................................................47

4.4. Pruebas operación continua .....................................................................................48

4.5. Flexión generada por el prototipo en los dedos..........................................................49

4.6. Pruebas en campo....................................................................................................51

5. Conclusiones y recomendaciones ...................................................................................55

5.1 Comparativa con trabajos presentados en el estado del arte .......................................58

5.2 Recomendaciones para trabajos futuros.....................................................................58

Anexos ..............................................................................................................................61

Anexo A: Comparativa entre distintos tipos de actuadores................................................63

Anexo B: Planos de ensamblajes y componentes ..............................................................65

Anexo C: Hojas de datos de los principales componentes electrónicos ...............................95

Anexo D: Firmware del microcontrolador....................................................................... 101

Anexo E: Pantallas dentro del evento “Pacientes y terapias” ........................................... 107

Lista de figuras

Figura 2.1: Músculo humano 8 Figura 2.2: La mano humana donde: (a) Estructura ósea de la mano humana; (b)

Articulaciones del dedo humano 9

Figura 2.3: Medidas promedio de la mano humana 9 Figura 2.4: (a) Estado neutro de la mano humana; (b) Movimiento de abducción de los

dedos de la mano humana; (c) Movimientos de flexión-extensión de los dedos

de la mano humana; (d) Grados de flexión en el dedo humano 10 Figura 2.5: Principales nervios que intervienen en los movimientos de la mano humana y

su ubicación 11 Figura 2.6: Músculos neumáticos donde: (a) Aplicación común; (b) Músculo neumático

real 12 Figura 2.7: Sistemas de rehabilitación: (a) Guante para rehabilitación pasiva; (b) Robot

HoWard; (c) Sistema de Autorehabilitación; (d) Mano robótica 14

Figura 2.8: (a) Sistema de rehabilitación interactiva; (b) Guante X-tensor 14 Figura 2.9: Dispositivos comerciales para rehabilitación donde: (a) Handmaster PLUS; (b)

Gripmaster; (c) Aparato de rehabilitación Multihand; (d) Mesa para rehabilitación de dedos 15

Figura 2.10: Ejemplos de diseños de manos y dedos: (a) Mano Shadow; (b) Dedo neumático cenidet; (c) Mano humanoide. 16

Figura 2.11: (a) Mano mioeléctrica Robotha; (b) Prótesis del RP2009 17 Figura 3.1: Interacción de componentes del sistema 21

Figura 3.2: Ensambles del sistema mecánico, donde: (a) Sistema de rehabilitación; (b) Base móvil; (c) Base fija; (d) Caja de rehabilitación 23

Figura 3.3: Ensambles del prototipo físico, donde: (a) Vista isométrica frontal; (b) Vista

isométrica trasera 24 Figura 3.4: Ubicación de la varilla y rodamientos 24 Figura 3.5: Esquema del sistema de transmisión de movimiento 24 Figura 3.6: Caracterización del músculo neumático

Figura 3.7: Anillos, donde: (a) Anillo fi jo; (b) Anillo externo; (c) Ensamble del anillo 26 Figura 3.8: Caracterización experimental: (a) Resorte en reposo; (b) Resorte elongado 27 Figura 3.9: Resultados de la caracterización del resorte 27 Figura 3.10: Esquema experimental para determinar el coeficiente de fricción 28

Figura 3.11: Estructura de la unión músculo-anillo-resorte, donde: (a) Esquema representativo del sistema de transmisión de fuerza; (b) Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas del sistema de tracción para un rodamiento 29

Figura 3.12: Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que actúan sobre la varilla 29 Figura 3.13: Esquema de la carga de la varilla 30 Figura 3.14: Gráfica de momentos resultantes 31 Figura 3.15: Etapas de sistema electrónico 32

Figura 3.16: Diagrama esquemático de la etapa de control 33 Figura 3.17: Diagrama esquemático de la etapa de comunicación digital 34 Figura 3.18: Diagrama esquématico de la etapa de acondicionamiento de señales 34

Figura 3.19: (a) Diseño en Altium Designer; (b) Placa física y componentes montados 35 Figura 3.20: Diagrama de bloques de interfaz de operador 36 Figura 3.21: Panel frontal y de construcción de la interfaz de operador (pantalla principal) 36 Figura 3.22: Pantalla de pacientes y terapias 37

Figura 3.23: Diagrama de flujo para configurar y ejecutar una terapia 38 Figura 3.24: Pantalla de programación de la terapia 38 Figura 3.25: Pantalla del ciclo actual con paro e indicador de operación del sistema 39 Figura 3.26: Paros de emergencia donde: (a) Por Software; (b) Por Hardware 39

Figura 3.27: Archivo de terapias 40 Figura 4.1: Diagrama a bloques de prueba de comunicación digital 44 Figura 4.2: Panel de construcción para prueba de comunicación digital donde: (a) Panel

Trasero; (b) Panel frontal 44

xviii Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Figura 4.3: Archivo de pacientes y terapias previo al ingreso de un nuevo paciente 45

Figura 4.4: Ingreso de paciente a archivo de pacientes y terapias donde: (a) Datos personales de paciente nuevo; (b) Archivo correspondiente ordenado 46

Figura 4.5: Modificación de paciente donde: (a) Modificación de campos; (b) Actualización

de archivo 46 Figura 4.6: Proceso de eliminación de los datos del paciente donde: (a) Pantalla de

eliminar; (b) Archivo sin paciente eliminado 47 Figura 4.7: Resultado final de la terapia donde: (a) Indicador de finalización de terapia; (b)

Actualización del historial 47 Figura 4.8: Paro de emergencia por software 48 Figura 4.9: Paro de emergencia por hardware 48

Figura 4.10: Prueba al prototipo con carga 48 Figura 4.11: Historial en prueba con carga 49 Figura 4.12: Simbolización de ángulos por falange 49 Figura 4.13: Posiciones iniciales de cada dedo en el prototipo donde: (a) Indice; (b)

Medio; (c) Anular; (d) Meñique 50 Figura 4.14: Posiciones finales de cada dedo en el prototipo donde: (a) Indice; (b)

Medio; (c) Anular; (d) Meñique 51 Figura 4.15: Prototipo bajo prueba en campo 51

Lista de tablas

Tabla 3.1: Resultados experimentales de la constante del resorte 27 Tabla 3.2: Mediciones para obtener µ 28 Tabla 3.3: Resultados para Fx 30 Tabla 3.4: Resultados para Fy 30

Tabla 3.5: Momentos resultantes por cada plano y resultante final 31 Tabla 3.6: Recursos de Hardware utilizados en el sistema electrónico 32 Tabla 3.7: Alimentación y componentes del sistema electrónico 34 Tabla 3.8: Comandos de la interfaz y su descripción generalizada 37

Tabla 3.9: Velocidades de flexión 38 Tabla 3.10: Protocolo de comunicación interfaz-microcontrolador 40 Tabla 3.11: Asignación de válvulas en dedos 41

Tabla 4.1: Tiempos de terapia con cada una de las velocidades programadas 45 Tabla 4.2: Longitud falángica en pruebas al sistema 49 Tabla 4.3: Ángulos iniciales de cada dedo 50 Tabla 4.4: Flexión máxima producida por el dispositivo de rehabilitación 50

xx Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Acrónimos

CAD Diseño Asistido por Computadora (por sus siglas en inglés Computer-Aided Design)

cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

CRIC Centro de Rehabilitación Infantil de Cuernavaca

DAC Convertidor analógico-digital (por sus siglas en ingles Digital-to-Analog Converter).

GDL Grados de libertad

GUI Interfaz Gráfica de Usuario

SPI Interfaz serial de periféricos (por sus siglas en ingles Serial Periperial Interface).

USB Bus universal serial (por sus siglas en inglés Universal Serial Bus)

xxii Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Simbología

F Fuerza. K Constante de rigidez. X Desplazamiento. D Diámetro de alambre. D Diámetro medio. Na Número total de espiras G Módulo de rigidez o de cazalladura del acero. Α Angulo de contacto. µ Coeficiente de fricciòn. Mmax Momento máximo. Ix Momento de inercia. σper Esfuerzo permisible. Cs Coeficiente de seguridad. σtabla Esfuerzo permisible para el acero inoxidable T-304.

xxiv Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

1

1. Introducción Un aspecto importante en la evaluación y desarrollo de nuevas aplicaciones robóticas, reside

en el uso y potenciación de los actuadores que constituyen a un robot. Uno de los actuadores

que actualmente es sujeto de estudio dadas sus características, es el músculo neumático.

El músculo neumático es un mecanismo basado en la imitación del comportamiento del

músculo biológico. Concretamente, se trata de un tubo flexible, el cual es una combinación de

material homogéneo y elástico envuelto en una red de fibras trenzadas a modo de esfuerzo. Al

aplicar aire a presión, el tubo se deforma aumentando su diámetro, produciéndose una fuerza

de tracción axial y un movimiento de contracción.

Por otro lado, la diversidad de aplicaciones robóticas han evolucionado en gran medida a la

concepción de robots con su propia morfología1. Entre los robots dedicados a aplicaciones no

industriales destacan los robots espaciales, militares, agrícolas, y de aplicación médica.

Algunos propósitos particulares de los robots dedicados a tareas médicas son el desarrollo de

prótesis robóticas, sistemas de ayuda de discapacitados, dispositivos de rehabilitación, entre

otros [1.1].

1 Disciplina que estudia la generación y las propiedades de la forma. Se aplica en casi todas las ramas del diseño.

2 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Diversos trabajos han sido realizados bajo el tema de rehabilitación, sin embargo, la mayoría

de ellos presentan características limitadas de operación como lo son ajustes a diferentes

tamaños de manos, dedos y tipos de ejercicios, caso contrario al dispositivo presentado en

este documento.

Es por ello que dentro del Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (cenidet),

se han desarrollado una serie de trabajos motivados al diseño de efectores que reproduzcan

algunos movimientos de la mano humana, siendo para el caso concreto de este reporte de

tesis, el de un dispositivo mecatrónico para ayuda en procesos de rehabilitación de dedos

utilizando músculos neumáticos como actuadores.

1.1. Objetivo general y objetivos particulares El objetivo de este trabajo consiste en el diseño y construcción un dispositivo mecatrónico de 4

grados de libertad (GDL), uno por cada dedo a rehabilitar: índice, medio, anular y meñique;

accionado por músculos neumáticos capaz de ayudar en procesos de rehabilitación.

Mediante este dispositivo el paciente puede realizar tanto terapia activa (movimientos

realizados por el paciente) como terapia pasiva (movimientos generados por un aparato en el

paciente).

Con referencia a este objetivo general y el ámbito en el que se centra esta investigación,

destacan los siguientes objetivos particulares:

Utilizar los conocimientos adquiridos previamente en este ámbito (efectores

morfológicos) dentro de cenidet para integrar un sistema con mayor aplicación

práctica.

Construir un dispositivo de ayuda para personas con discapacidad en dedos fácilmente

manipulable por personas ajenas a lenguaje técnico ingenieril (fisioterapistas).

Incorporar en el sistema la facultad de realizar iterativamente movimientos de un

dedo independiente o en conjunto, además de la velocidad variable de los mismos.

Permitir el ajuste a diferentes tamaños de manos y dedos mediante acciones

mecánicas, con la finalidad de que el dispositivo sea más versátil.

1.2. Alcances y limitaciones Tomando en cuenta cada uno de los objetivos particulares y sin perder de vista el objetivo

general, se plantean los siguientes alcances:

i. Diseño de un equipo auxiliar en terapias (activa y pasiva) de rehabilitación de

miembro superior a nivel de dedos accionado por músculos neumáticos que pueda

ser empleado en ambas manos y que sea adaptable a distintos tamaños de dedos.

ii. Construcción de un prototipo en MDF (material hecho a base de fibras de madera),

para llevar a cabo las pruebas necesarias.

iii. El dispositivo diseñado deberá ser capaz de realizar los movimientos más comunes

en tareas de rehabilitación de los dedos de la mano humana.

iv. Creación de un historial de pacientes con fechas de terapias, tipos de movimiento

y frecuencia de movimiento.

Introducción 3

v. Diseño y programación de una interfaz gráfica de usuario (GUI) que permita

configurar terapias con distintas velocidades y ángulos de flexión.

vi. Diseño y programación del control mínimo necesario para la manipulación de las

velocidades y características de los movimientos fisioterapéuticos.

vii. Diseño y construcción de la interfaz electrónica encargada de las funciones

operativas del sistema.

viii. Pruebas al dispositivo en laboratorio.

ix. Pruebas al dispositivo en campo dependiendo de la disponibilidad de médicos y

pacientes

De la misma manera se menciona que esta tesis está limitada a:

I. No se rehabilita dedo pulgar.

II. No se considera control en lazo cerrado.

III. No hay sensado de posición y fuerza de los dedos durante su trayectoria de

movimiento.

1.3. Definición del problema A través del tiempo, el hombre ha intentado descifrar el funcionamiento de todo lo que lo

rodea incluido su propio cuerpo. Actualmente, gracias a los avances tecnológicos, han sido

desarrollados inmensidad de dispositivos mecánicos y electromecánicos capaces de

desempeñar alguna función específica del cuerpo humano. Este tipo de trabajos han sido

aplicados a las necesidades de la medicina en particular al área de rehabilitación de

extremidades, entendiendo un proceso de rehabilitación el camino para recuperar la

movilidad en una persona con algún tipo de lesión mediante movimientos repetitivos.

Las personas dedicadas a estas tareas realizan estos procesos manualmente teniendo como

limitante las posibles variaciones en la fuerza y posición de los movimientos producidos,

provocando con ello, el posible daño o molestias en el paciente. Aunado a esto, los

fisioterapistas carecen de tiempo suficiente para satisfacer las necesidades que demandan los

pacientes necesitados de estas tareas. Es por ello que surge la idea de la construcción de

dispositivos capaces de suplir las funciones terapéuticas, mismos que tienen como negativa el

costo, por lo cual, la gran mayoría de los centros dedicados a esta actividad no pueden

adquirirlos. Una vez superado el problema del costo inicial de adquisición del equipo

(generalmente de importación), surge la necesidad de proporcionarle mantenimiento

preventivo y correctivo y con ello los problemas de altos costos, adquisición de componentes y

tiempo en el que el equipo está fuera de servicio. Aunado a esto se tiene que los equipos

comerciales generalmente son inaccesibles cuando se requiere reprogramarlos para cubrir

nuevas secuencias de movimiento en las terapias.

Por otro lado, el CENIDET en los últimos años ha llevado a cabo investigaciones en el ámbito de

la robótica y la construcción de prototipos con distintas tecnologías, dentro de las cuales se

encuentran los músculos neumáticos. No obstante estos prototipos han dado la información

necesaria sobre los movimientos de la mano, el presente trabajo se enfocará a aplicaciones de

rehabilitación de pacientes con problemas motrices en sus extremidades superiores.

4 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

1.4. Justificación La investigación se encuentra sustentada en los puntos detallados a continuación.

Aprovechar las investigaciones previamente realizadas en cenidet para desarrollar una

aplicación en terapias de rehabilitación activa y pasiva de pacientes.

El diseño de este dispositivo generará beneficios adicionales a las instituciones no

lucrativas que se dedican a brindar el servicio de rehabilitación de personas que la

requieran, esto debido a la construcción del sistema con un costo menor.

Con referencia en la versatilidad de este sistema, específicamente en cuanto a la

posibilidad de utilizarlo tanto en terapias activa como pasiva y el acoplamiento a

diferentes tamaños de manos y dedos, este dispositivo superará a los desarrollos e

investigaciones realizados, obteniendo con ello mayores prestaciones en rehabilitación

de pacientes.

El uso de músculos neumáticos como actuadores se encuentra justificado en que su

operación se asemeja de mejor manera al músculo biológico y presenta ventajas con

respecto a otros actuadores como los alambres musculares [1.2] y motores de CD [1.3]

(ver Anexo A).

El equipo de rehabilitación eliminará las posibles diferencias entre los movimientos

generados por el fisioterapista, dadas las características de los actuadores y el sistema

automatizado.

El dispositivo permitirá al fisioterapista realizar tareas de configuración y supervisión

de terapias, permitiendo con ello la posibilidad de mantenerlo un menor tiempo cerca

del proceso. Con esto como referencia se hace posible la ayuda a otros pacientes.

Este desarrollo, permitirá acumular conocimientos sobre el movimiento de la mano

humana para otras posibles aplicaciones.

1.5. Organización de la tesis El documento de tesis se encuentra constituido por 4 secciones más, las cuales describen el

sistema de rehabilitación mencionadas a continuación.

Capítulo 2. Estado del arte: Correspondiente a los trabajos existentes referentes a este

tema de investigación.

Capítulo 3. Diseño y desarrollo del prototipo: Explicación de la construcción de

prototipo.

Capítulo 4. Validación experimental del prototipo: Pruebas y resultados generados por

el sistema de rehabilitación.

Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones.

Introducción 5

Bibliografía y Referencias [1.1] Aguilar Acevedo Francisco y Ruiz González Román, “Diseño y construcción de un dedo

de cuatro grados de libertad accionado por músculos neumáticos antagonistas”, Tesis de Maestría, Cenidet, México, 2008.

[1.2] Iván Carrasco, Francisco Díaz, “Alambres musculares”, Departamento de Electrónica Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaiso Chile, Junio 2003

[1.3] Francisco Alegría Zamudio, “Control Robusto de Motores de Corriente Directa Utilizando Modos Deslizantes”, CENIDET Diciembre 2007

6 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

2

2. Estado del Arte Para facilitar la comprensión de esta tesis, es necesario presentar una serie de conceptos

relacionados con el sistema muscular humano, la anatomía de la mano y los dedos. Además se

presenta un estudio de la tecnología a emplear y los distintos trabajos que han sido

desarrollados en los últimos años alrededor del mundo.

A continuación se presenta el compendio de información en entorno a cada uno de los puntos

anteriores.

2.1. El sistema muscular humano El sistema muscular consta de los músculos esqueléticos y los lisos2. El aparato locomotor

cuenta con más de 650 músculos esqueléticos, unas estructuras carnosas, que en conjunto,

representan un 40% del peso corporal de un individuo adulto. Los tendones son unas bandas

alargadas ricas en fibras de colágeno, a través de las cuales los músculos se insertan en los

huesos. La función principal de los músculos es generar la fuerza que imprime movimiento y

mantiene en equilibrio el esqueleto.

La principal característica funcional de los músculos es la contractibilidad, la cual permite a

éstos llevar a cabo los movimientos necesarios para desplazar el esqueleto y generar las

tensiones requeridas, para mantener el cuerpo en equilibrio. Esta característica es posible

2 Los músculos lisos recubren la mayoría de los órganos huecos i nternos del cuerpo, como el estómago,

los intestinos y el útero.

8 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

gracias a la complejidad de la estructura microscópica de las células y fibras musculares (figura

2.1).

Figura 2.1: Músculo Humano

Los músculos pequeños suelen unirse a los huesos mediante prolongaciones del teji do que

envuelve las fibras musculares. En cambio, los que tienen mayor fuerza contráctil requieren

una estructura especial resistente, denominada tendón. Los tendones son masas de tejido

conjuntivo, compuesto por fibras de colágeno de color blanquecino en forma de haces o

cordones, que por un extremo están firmemente unidos al tejido muscular y por el otro se

enraízan a los huesos. De esta forma, cuando el músculo se contrae induce una fuerza de

tracción a sus tendones, provocando el acortamiento de la distancia que existe entre los

segmentos óseos en los que dicho músculo está insertado. Los tendones suelen insertarse en

los huesos, pero a veces, lo hacen en otras estructuras más o menos sólidas como: cartílagos,

ligamentos u otros músculos; todo ello condiciona la forma del tendón. Por otra parte, algunos

músculos disponen de varios tendones y otros tantos puntos de inserción, lo que les permite

realizar el movimiento de un segmento óseo desde diversos ángulos, hacer más sólida la

inserción, e, incluso, movilizar más de un segmento óseo a la vez [2.1].

2.2. La mano humana Desde el punto de vista fisiológico, la mano representa la extremidad efectora del miembro

superior que constituye su soporte logístico y le permite adoptar la posición más favorable

para una acción determinada.

Sin embargo, la mano no es solo un organismo de ejecución, también es un receptor sensorial

extremadamente sensible y preciso cuyos datos son imprescindibles para su propia acción. Por

último, gracias al conocimiento del grosor y de las distancias que le proporciona la corteza

cerebral, es la educadora de la vista, permitiéndole controlar e interpretar las informaciones:

sin la mano la visión del mundo seria plana y sin relieve.

Lo relevante dentro del sistema locomotor en miembro superior es la pareja mano-cerebro: el

cerebro dirige a la mano, pero también la mano ha modificado el cerebro del hombre. Por lo

tanto, constituye con el cerebro una pareja funcional indisociable, donde cada término

reacciona dialécticamente sobre el otro, y es gracias a la proximidad de esta interrelación que

el hombre puede modificar la naturaleza según sus designios e imponerse a todas las especies

terrestres vivientes, lo que compromete excesivamente su responsabilidad [2.2].

Estado del Arte 9

La figura 2.2a muestra la estructura ósea de la mano humana, la cual está constituida por 27

huesos: ocho en el carpo3, cinco en el metacarpo y tres en cada falange, salvo en la del pulgar,

que tiene sólo dos [2.3]. A los huesos de la 1ª falange, 2ª falange y 3ª falange se les conoce

también como falange proximal4, falange medial y falange distal, respectivamente.

En cada dedo, la 1ª falange se articula con la 2ª falange y ésta con la 3ª falange. A excepción

del dedo pulgar, existen dos articulaciones para cada dedo. En la figura 2.2b se observan los

elementos para la articulación del dedo índice. En la parte proximal las superficies articulares

son verdaderas poleas con una garganta central y dos partes laterales. En la parte distal, la

superficie articular está formada por una cresta y a ambos lados dos pequeñas cavidades. Las

articulaciones interfalángicas permanecen unidas por una cápsula articular Fibrosa, reforzada

en su cara palmar5 y por dos ligamentos laterales.

Cada una de las articulaciones interfalángicas presenta su correspondiente líquido sinovial6

[2.3].

(a) (b)

Figura 2.2: La mano humana donde: (a) Estructura ósea de la mano humana; (b) Articulaciones del dedo humano

En cuanto a los tamaños de la mano humana, es posible comentar que no existe una medida

generalizada para la extremidad. Las características etnológicas presentan la referencia para

los tamaños de manos y dedos. Con base en lo citado, la figura 2.3 muestra las dimensiones

promedio de la mano humana [2.4], medidas obtenidas de la población estudiantil de cenidet.

z

Figura 2.3: Medidas promedio de la mano humana

3 Región de la mano humana comúnmente conocida como “muñeca”.

4 Región más cercana a un centro, tronco o l ínea media. Su opuesto distal.

5 Cara de la mano hacia donde se pueden plegar los dedos .

6 Líquido lubricante viscoso que revis te las articulaciones y permite su correcto funcionamiento.

10 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Básicamente, los movimientos de los dedos de la mano son abducción, aducción, flexión y

extensión. Para definir cada uno de estos movimientos, se parte de la posición del estado

neutro de la mano como lo muestra la figura 2.4a. La abducción es el alejamiento de una parte

de cuerpo (en este caso de los dedos) respecto al eje central (figura 2.4b). La aducción es un

movimiento que acerca un órgano o una extremidad al plano medio del cuerpo.

El movimiento de flexión de los dedos de la mano humana por su parte, consiste en la

curvatura o reducción del ángulo que forman dos partes del cuerpo humano mientras que la

extensión es el endurecimiento o incremento del ángulo entre dos partes del cuerpo humano

(figura 2.4c).

Los dedos de la mano humana presentan características de movimiento que limitan los grados

de flexión existentes entre cada una de las uniones falángicas. Estas características

condicionan el comportamiento dinámico7 de los dedos. Si se analiza con detenimiento la

flexión del dedo índice, por citar alguno de ellos, es posible determinar visualmente la

existencia de una secuencia de movimiento entre cada una de las falanges con referencia en

los grados máximos de flexión permitidos. Es decir, la flexión de los dedos comienza en la

falange medial, a continuación interviene la falange distal y por último la proximal. Este

acoplamiento dinámico es utilizado como base para el desarrollo del trabajo de investigación

reportado en el presente documento. La figura 2.4d muestra los grados de flexión permitidos

para cada una de las falanges del dedo humano.

(a) (b) (c) (d)

Figura 2.4: (a) Estado neutro de la mano humana; (b) Movimiento de abducción de los dedos de la mano humana; (c) Movimientos de flexión-extensión de los dedos de la mano humana; (d) Grados de flexión en el dedo humano

2.3. Lesiones de la mano humana Como ya se mencionó con anterioridad, la mano es la estructura más completa del cuerpo

humano, ello revierte una importancia considerable dentro de todas las necesidades de la

vida, es capaz de hacer una actividad de extrema violencia, como de realizar otra de infinita

delicadeza. La lesión impide a la mano ejecutar las funciones fundamentales produciendo en

el mejor de los casos una alteración de sus patrones de uso y en el peor una mano

discapacitada.

7 Describe la evolución en el tiempo de un sis tema físico en relación a las causas que provocan los cambios de

estado físico y/o estado de movimiento.

Estado del Arte 11

2.3.1. Lesiones Vasculares

Las lesiones del sistema vascular8 pueden producirse por elementos cortantes, contusos,

quemantes, armas de fuego, explosivos, tracción. La hemorragia producida por la lesión de una

arteria o una vena se puede controlar, en la mayoría de los casos, con presión manual de la

herida, elevación de la extremidad superior, colocación de compresas y un vendaje de tela. En

caso de lesión simultánea de arteria y vena se debe reparar primero la vena9 y luego la

arteria10.

En el caso de lesiones vasculares que resulten en una ruptura tendinosa11 y consecuentemente

en una cirugía, la rehabilitación puede ser llevada a cabo con movimientos, con la finalidad de

que el tendón dañado recupere su movilidad.

2.3.2. Lesiones Nerviosas

La lesión nerviosa en la mano puede ser de tipo sensitivo o motor, dependiendo del nervio comprometido y del nivel de la lesión [2.5]. Los tres nervios que inervan la mano son el cubital, mediano y radial. Este tipo de lesiones pueden ser rehabilitadas mediante movimientos activos repetitivos, de manera que el paciente recupere la sensibilidad en algún dedo reeducando al nervio. La figura 2.5 presenta la distribución de cada uno de los nervios, involucrados en los movimientos de la mano humana.

Figura 2.5: Principales nervios que intervienen en los movimientos de la mano humana y su ubicación

2.3.3. Lesiones tendinosas de la mano

Las lesiones tendinosas de las manos pueden ser producidas tanto por fractura, corte o

laceración, es decir, en casos extremos este tipo de lesiones pueden ser rehabilitadas

mediante movimientos de flexión-extensión y aducción-abducción. Las fracturas de la mano

son las más comunes en los humanos, independientemente de su edad, sexo o nacionalidad.

Son más frecuentes en el sexo masculino, y en la mano derecha [2.6].

2.4. Patologías de la mano humana y rehabilitación La patología -del griego, estudio (logos) del sufrimiento o daño (pathos) - es la parte de la

medicina encargada del estudio de las enfermedades en su más amplio sentido, es decir, como

8 Sis tema del cuerpo humano encargado de conducir y hacer ci rcular la sangre.

9 Vaso sanguíneo que conduce la sangre desde los capilares al corazón. Generalmente, las venas contienen sangre

que transporta dióxido de carbono y desechos procedente de los te jidos . 10

En anatomía una arteria es cada uno de los vasos que llevan la sangre oxigenada desde el corazón a las demás partes del cuerpo. 11

Ruptura de algún tendón (tejido conectivo entre el músculo y hueso) del cuerpo humano.

12 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

procesos o estados anormales de causas conocidas o desconocidas. Dentro de las patologías

de la extremidad superior que requiere terapia de la mano se encuentran las siguientes:

Fracturas, lesiones de tendones, lesiones por aplastamiento y amputación.

Artritis12.

Post quirúrgicas, tendinosas y reconstrucción de defectos congénitos.

Síndromes de sobreuso y lesiones relacionadas con el trabajo (tendinitis13).

Deformidades congénitas y distrofia muscular.

En cuanto a los procesos de rehabilitación referidos para estas patologías cabe destacar que

pueden ser de tipo activa o pasiva. La rehabilitación activa es aquella en la que el paciente

realiza por sí mismo los movimientos terapéuticos, mientras que la tipo pasiva es aquella en la

que algún terapista o dispositivo externo genera dichos movimientos.

2.5. El músculo neumático El músculo neumático es un actuador de tracción basado en la imitación del comportamiento

del músculo biológico. Concretamente, se trata de un tubo flexible que se somete a presión. El

tubo flexible es una combinación de material homogéneo y elástico envuelto en una red de

fibras trenzadas en forma de rombos. Estas fibras forman una estructura reticular

tridimensional a modo de refuerzo del tubo flexible [2.7]. Al aplicar una presión P1, el músculo

se deforma aumentando su diámetro, lo cual genera una fuerza de tracción axial F1 y un

movimiento de contracción ( l0 - l1 ) a lo largo del músculo (ver figura 2.6). La fuerza de tracción

es máxima al principio del movimiento de contracción y disminuye al aumentar la carrera. La

fuerza transversal en las paredes internas del músculo es función de la sección deformada. En

la figura se muestran dos músculos neumáticos antagonistas empleados para el movimiento

de una polea, los músculos proveen en conjunto un desplazamiento angular α y un par T al

elemento asociado a la polea.

(a) (b) Figura 2.6: Músculos neumáticos donde: (a) Aplicación común; (b) Músculo neumático real.

La relación existente entre la variación de longitud y el volumen del músculo, permite efectuar

operaciones de posicionamiento sin complicados sistemas electrónicos de regulación, basta

con modificar la presión interior del músculo neumático. Sin embargo, el posicionamiento es

poco preciso debido a la histéresis del músculo.

12

La artri tis es la inflamación de una articulación, caracterizada por dolor, limitación de movimientos, hinchazón de las articulaciones y calor local . 13

Inflamación de un tendón que puede surgir por sobreesfuerzo o como consecuencia de una lesión, entre otros motivos .

Estado del Arte 13

2.6. Desarrollos tecnológicos orientados a fisioterapias En los últimos años, gracias al auge que ha tenido la automatización con la robótica, se han

llevado a cabo investigaciones y desarrollos aplicados a los procesos de rehabilitación del

cuerpo humano. Algunos de los dispositivos construidos enfocados a las terapias de manos y

dedos se listan a continuación.

En la bibliografía [2.8] se presenta un trabajo referente a un guante que permitía el

movimiento de una mano humana mediante el uso de actuadores neumáticos (pistones) en la

palma de la misma. Empleando este tipo de actuadores el dispositivo eliminaba los cables y

tensores, lo cual resultó en un sistema más compacto y ligero (figura 2.7a). Este dispositivo

permite la medición de la posición incorporando sensores infrarrojos y de efecto hall utilizando

la interface RS-232 como medio de comunicación para la PC. La disposición de este sistema

permite el movimiento de flexión y extensión utilizando para ello el acoplamiento dinámico

existente en los dedos de las extremidades superiores. Este guante se puede usar en

aplicaciones de terapia pasiva.

En la referencia [2.9] en el año 2005, se publicó el trabajo denominado Hand-Wrist Assinting

Robot Device “HoWARD” (figura 2.7b), el cual consiste en un dispositivo robótico de tres

grados de libertad que proporciona ayuda en procesos de rehabilitación referentes al agarre

de objetos. Este sistema permite el movimiento de los cuatro dedos de la mano humana con

una unidad dispuesta a lo largo de la unión metacarpofalángica y con un rango flexión de

aproximadamente 25 a 90 grados, correspondientes a 75% de la flexión total. El sistema utiliza

como actuadores elementos neumáticos de aproximadamente 1.59 cm. (cilindros) que

generan una fuerza de e 122.8 N a una presión de 689KPa. y mediante el uso de

potenciómetros permitía la medición angular del movimiento generado, información

presentada en un equipo de cómputo.

Por su parte, en la referencia [2.10] se presenta el desarrollo de un sistema de rehabilitación

basado en autocontrol (figura 2.7c). Este dispositivo consta de un sistema esclavo y un

maestro, cuyo objetivo es la auto-rehabilitación de personas con discapacidad en alguna de

sus manos. La funcionalidad de este trabajo reside en que el paciente controla los

movimientos a ejecutarse para rehabilitación realizándolos con la mano sana, es decir, el

sistema esclavo reproduce estos movimientos generados en el sistema maestro. Este

dispositivo está actuado con motores de corriente directa y util iza como retroalimentación

encoders para la medición angular del movimiento de los dedos, la actualización del

movimiento en el sistema maestro se ejecuta cada 15 ms. para después hacerse presente en la

extremidad discapacitada.

La bibliografía [2.11] contiene el diseño de una mano robótica diseñada para la ayuda en la

rehabilitación de personas con algún tipo de discapacidad. Este robot fue concebido como un

instrumento para terapia de rehabilitación (figura 2.7d). Contenía 18 grados de libertad y

permitía movimientos de flexión-extensión y abducción-aducción. El control de este dispositivo

se realiza utilizando 22 servomotores encargados de producir el movimiento en cada uno de

los dedos cuyos sensores permitían un control en lazo cerrado de tipo Proporcional-derivativo

(PD).

14 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 2.7: Sistemas de rehabilitación: (a) Guante para rehabilitación pasiva; (b) Robot HoWARD; (c) Sistema de

auto-rehabilitación; (d) Mano robótica

En noviembre del 2007, la bibliografía [2.12] presenta un dispositivo de rehabilitación basado

en movimientos repetitivos utilizando una computadora como referencia (figura 2.8a). El

objetivo de este sistema consistía en la reeducación del miembro afectado en su conjunto total

cerebro-visión; consiguiendo con ello un rehabilitación motora interactiva tras algún tipo de

lesión neuropatológica14. Las pruebas realizadas a este sistema de rehabilitación estuvieron

basadas en agarres de objetos y su contrario, presentándose en el monitor las acciones

correspondientes a los principales movimientos involucrados como “Abrir” y “Cerrar” durante

10 u 11 ocasiones por sesión terapéutica.

En el año del 2010 la compañía Europea Xtensor lanzó a la venta un guante que permite el

movimiento en forma de rehabilitación activa. Este guante contiene unos anillos en los que se

ingresan los dedos y permite movimiento flexo-extensivo utilizando ligas para contraer los

dedos (figura 3.8b). La disposición de estos anillos se encuentra en la base de la palma [2.13].

(a) (b) Figura 2.8: (a) Sistema de rehabilitación interactiva; (b) Guante X-tensor

2.7. Desarrollos comerciales orientados a rehabilitación A continuación se presentan desarrollos comerciales orientados a rehabilitación de tipo activa

señalando el costo de cada uno de ellos. La compañía girodmedical [2.14] desarrolló los

14

Lesión que involucra cerebro.

Estado del Arte 15

sistemas de rehabilitación “Handmaster PLUS” (figura 2.9a) con un costo 18.55 euros (€). Este

sistema consiste en una pelota que contiene tensores con 3 diferentes niveles de fuerza, que

sirven para reforzar la mano, los dedos y el antebrazo.

El “Gripmaster” (figura 2.9b) es en un sistema que permite el entrenamiento a la fuerza y a la

coordinación mediante el trabajo independiente de cada dedo, contiene 4 tensiones

diferentes y presenta un costo de 22.89 €.

El “Aparato de rehabilitación MULTIHAND” (figura 2.9c) permite la rehabilitación del miembro

superior con el objetivo de reforzar los dedos y el antebrazo, además de flexibilizar la muñeca

en flexión y extensión con un costo de 97 €.

Por último, la compañía argentina “camsi” [2.15] presenta una mesa para dedos (ver figura

2.9d) mediante la cual es posible realizar movimientos tanto de flexión como de extensión,

contiene un soporte regulable para fijar el antebrazo y efectuar movimientos de

circunducción. Su costo aproximado es de 320 €.

(a) (b) (c) (d)

Figura 2.9: Dispositivos comerciales para rehabilitación donde: (a) Handmaster PLUS; (b) Gripmaster; (c) Aparato de rehabilitación multihand; (d) Mesa para rehabilitación de dedos

2.8. Desarrollos con músculos neumáticos Dentro de las múltiples aplicaciones de los músculos neumáticos y más específicamente en la

robótica se pueden mencionar las siguientes.

La mano Shadow fue elaborada por Shadow, UK en el año 2005 y fue denominada “The

Shadow Hand Dextrous” (figura 2.10a). Es un sistema de mano humanoide que reproduce 24

grados de libertad (GDL) de movimientos de la mano de un humano, de la manera más exacta

posible. Esta mano está compuesta 5 dedos, 40 músculos neumáticos integrados en el brazo y

en conjunto cuenta con 24 grados de libertad [2.16]. Cuenta con sensores de presión en la

punta de los dedos los cuales proveen sensibilidad al momento de tener algún contacto

consiguiendo con ello el agarre de objetos sensibles y/o delicados. Produce movimientos de

flexión-extensión y aducción-abducción y es considerado uno de los mejores dispositivos

antropomórficos.

En el año de 2008 en CENIDET, los Maestros en Ciencias Francisco Aguilar y Román Ruiz,

presentaron su tesis titulada “Diseño y Construcción de un Dedo de Cuatro Grados de Libertad

16 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Conformado por Músculos Neumáticos Antagonistas” (figura 2.10b). En este proyecto de

investigación se presenta un prototipo capaz de reproducir movimientos de flexión-extensión y

aducción-abducción, de forma análoga a los movimientos que realiza un dedo de la mano

humana. El dedo mecánico es actuado por 8 músculos neumáticos en un arreglo antagonista

para cada uno de sus cuatro GDL y utiliza sensores de efecto hall para su control. Mediante

una interfaz electrónica y un software construido en la plataforma de desarrollo LabVIEW

permite la visualización de la medición angular de cada falange del sistema [1.1]

La siguiente referencia [2.17] presenta el diseño e implementación de una mano humanoide

accionada por músculos neumáticos desarrollada en la Universidad Tecnológica de Curtin, en

Australia (figura 2.10c). Esta mano dispone de 10 grados de libertad que van desde el codo

hasta los dedos controlados desde una GUI en una PC. La mano se acciona a través de 20

músculos neumáticos y es capaz de realizar con éxito una serie de tareas equivalentes a las

humanas, como agarrar y reubicar objetos. Las válvulas encargadas de entregar la presión de

aire hacia los músculos neumáticos son controladas electrónicamente utilizando la técnica

PWM a través de una tarjeta de adquisición de datos.

(a) (b)

(c)

Figura 2.10: Ejemplos de diseños de manos y dedos: (a) Mano Shadow; (b) Dedo neumático cenidet; (c) Mano humanoide

2.9. Prótesis robot Una prótesis es un elemento desarrollado con el fin de reemplazar una parte o un miembro del

cuerpo humano para mejorar o suplir su función y al mismo tiempo completar su imagen

corporal.

Estado del Arte 17

Para lograr este objetivo la mecánica juega un papel primordial en sus primeros diseños; por

esta razón se les dio el nombre de prótesis mecánicas o convencionales.

Más adelante con el avance tecnológico y más específicamente en el área de la robótica y la electrónica, se lograron desarrollar prótesis mejoradas en sus sistemas de control y adaptación hasta lograr una prótesis controlada con impulsos musculares, a la cual se le dio el nombre de prótesis Mioeléctrica (mio = músculo, eléctrica = electrónica).

Las prótesis mioeléctricas fueron desarrolladas basadas en la biónica, la cibernética, la robótica, la mecatrónica y es por esta razón que se les conoce con diferentes nombres para describirlas, como son prótesis cibernéticas, biónicas, mioeléctricas, mecatrónicas, electromecánicas, entre otras; pero todos estos términos solo describen una prótesis desarrollada con la combinación de la electrónica, la mecánica y controlada muscularmente.

De entre estas es posible mencionar la mano mioeléctrica robotha (figura 2.11a) la cual toma

las señales musculares del paciente y las envía a un sistema electrónico encargado de realizar

los movimientos de apertura y cierre de la mano [2.18].

De entre lo más reciente se encuentra lo realizado por la DARPA en los Estados Unidos de

América, quienes crearon un brazo robot completo que incluye una mano, el cual está

conectado al cerebro y capta las señales del mismo para procesarlas y realizar los movimientos

naturales de un brazo [2.19].

La tecnología RP2009 es la primera prótesis controlada directamente con el cerebro. Entre las

principales aportaciones de esta mano están: el tamaño, estética y obviamente su tecnología

(figura 2.11b).

(a) (b) Figura 2.11: (a) Mano mioeléctrica Robotha; (b) Prótesis del RP2009

Tomando como referencia los dispositivos presentados en este capítulo, cabe señalar que los orientados a rehabilitación permiten un solo tipo de terapia (activa o pasiva) mencionando que ninguno contiene la opción de ambas, mientras que los dispositivos comerciales, por su parte,

proporcionan rehabilitación de tipo pasiva únicamente.

18 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Por las razones comentadas con anterioridad, nace la necesidad de construir un sistema de

rehabilitación que permita terapias ocupacionales de tipo activa y pasiva, siendo esta la

justificación para el diseño del sistema de rehabilitación presentado en este documento de

investigación.

Aunado a esto, las investigaciones realizadas previamente en cenidet referentes a sistemas

actuados por músculos neumáticos, han generado la información necesaria para construir un

sistema con aplicación práctica, sentando con ello las bases para trabajos futuros dentro de

este centro de investigación.

Estado del Arte 19

Bibliografía y Referencias [2.1] Pedreño J.L., Guerrero A., López J., “Estudio de los sensores táctiles artificiales

aplicados a la robótica de agarre”. Universidad Politécnica de Cartagena. Campus Muralla del Mar. Cartagena (Murcia). España.

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[2.3] http://www.ugr.es/~dlcruz/index.htm, “Anatomía Funcional”. FACCAFD. Granada. España 2006. Fecha de Consulta: 04/Nov/09.

[2.4] Hernando L. Cimadevilla, Jesús G. Herrera. “Diseño de un sistema articulado emulando el movimiento de la mano humana”. Tesis de Maestría, CENIDET, México, 2006.

[2.5] Sloan E P. Nerve injuries in the hand. En: “The hand in emergency medicine”, Emergency Medicine Clinics of North America. 1993; Vol 11(3): 651-670.

[2.6] S. N. Oishi, Fractures and dislocations. Select Read Plast Surg 36(7): 1-29, 1995 [2.7] Hesse Stefan, “El músculo neumático y sus aplicaciones”, Blue Digest on Automation,

Festo AG & Co. KG, Esslingen, Alemania, 2003. [2.8] Bouzit Mourad, Burdea George, Popescu George and Boian Rares, “The Rutgers

Master II—New Design Force-Feedback Glove” [2.9] A Robotic Device for Hand Motor Therapy After Stroke. C.D. Takahashi, L. Der-

Yeghiaian, V.H. Le, S.C. Cramer. Proceedings of the 2005 IEEE, 9th International Conference on Rehabilitation Robotics.

[2.10] Haruhisa KAWASAKI, Hiroki KIMURA, Satoshi ITO, Yutaka NISHIMOTO, Hiroyuki HAYASHI, Hirohumi SAKAEDA, “HAND REHABILITATION SUPPORT SYSTEM BASED ON SELF-MOTION CONTROL, WITH A CLINICAL CASE REPORT”, World Automation Congress (WAC) 2006, July 24-26, Budapest, Hungary

[2.11] “Development of a Hand Motion Assist Robot for Rehabilitation Therapy by Patient Self-Motion Control”. H. Kawasaki, Member, IEEE, S. Ito, Y. Ishigure, Y. Nishimoto, T. Aoki, T. Mouri, H. Sakaeda, and M. AbeProceedings of the 2007 IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics, June 12-15, Noordwijk, The Netherlands.

[2.12] Robot-based hand motor therapy after stroke. Craig D.Takahashi, Lucy Der-Yeghiaian,Vu Le,Rehan R. Motiwala, StevenC.Cramer. Department of Neurology and Department of Anatomy & Neurobiology,University of California,Irvine,USA.

[2.13] http://www.thextensor.com/xtensor_wrist_pain.aspx . 2010 [2.14] http://www.girodmedical.es/. Empresa de material médico y paramédico, fecha de

consulta noviembre 2010. [2.15] http://www.camsi.com.ar/. Empresa de venta de sillas y camas ortopédicas, fecha de

consulta noviembre 2010. [2.16] Shadow Robot Company, UK, Marzo de 2009. www.shadowrobot.com [2.17] “Air Muscle Actuated Low Cost Humanoid Hand”, Peter Scarfe , Euan Lindsay. Curtin

University of Technology, Mechanical Engineering, Perth, Australia. International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 3, No. 1 (2006).

[2.18] Robotha: Robótica humano–Asistencial http://robotha.com/mioelectrica.htm. Fecha de consulta 25/08/2010

[2.19] Sally Adee, Revista: IEEE Spectrum's SPECIAL REPORT: WINNERS & LOSERS 2009, The Year's Best and Worst of Technology, “The Revolution Will Be Prosthetized”, Enero de 2009.

20 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

3

3. Diseño y desarrollo del prototipo El prototipo desarrollado está compuesto por tres sistemas: mecánico, electrónico e interfaz

de usuario; los cuales en conjunto interactúan entre sí para llevar a cabo las tareas de

rehabilitación tanto activa como pasiva. La figura 3.1 esquematiza la interacción entre estos

sistemas, los cuales son descritos a detalle en las secciones siguientes.

Figura 3.1: Interacción de componentes de sistema

3.1. Sistema mecánico El objetivo principal del sistema mecánico radica en convertir el movimiento lineal (a lo largo

del eje horizontal) que genera el músculo neumático en movimientos de flexo-extensión de los

dedos de las manos. Esta tarea contempla los siguientes objetivos:

PROTOTIPO

INTERFAZ ELECTRÓNICA

VÁLVULAS NEUMÁTICAS

INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO (PC)

22 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Implementación de un subsistema de acoplamiento mecánico del efector a distintos

tamaños de manos.

Empleo del prototipo tanto para mano derecha como izquierda, para la rehabilitación

de los dedos índice, medio, anular y meñique.

Diseño en CAD, empleando el paquete SolidWorks [3.1].

Construcción de prototipo en MDF15.

En los apartados siguientes se presenta el diseño, manufactura y ensamblaje del efector, así

como los sistemas de ajuste a los distintos tamaños y de transmisión de movimiento.

3.1.1. Diseño de componentes

La tarea principal del efector consiste en servir como un auxiliar en procesos de rehabilitación

de los dedos de las manos, empleando para esto elementos mecánicos, electrónicos e

informáticos. Basados en esta función global, se presenta en la figura 3.2a el diseño asistido

por computadora (CAD) del efector.

Dicho dispositivo puede ser dividido en tres partes principales, cada una con función particular

pero que en conjunto generan el movimiento en los dedos. Estas partes son:

Base móvil. Como su nombre lo indica, se trata de una base que puede ser desplazada

a lo largo de un eje (horizontal y paralelo al de movimiento del músculo neumático). El

propósito de esta sección del sistema, es el de poder dar un poco de tensión al

músculo neumático cada vez que se vaya a rehabilitar un paciente, esto a

consecuencia de los distintos tamaños de las manos. Cabe mencionar que mediante

esta base, se lleva a cabo también la conexión entre la alimentación de aire

proveniente de las válvulas y el músculo neumático. (Ver figura 3.2b).

Sus dimensiones son de 7.5” (19,05 cm.) largo, por 7.5” de ancho y una altura de 3”

(7.6 cm.) aproximadamente y está diseñado para sostener hasta 6 músculos

neumáticos.

Base Fija. Consta de un soporte para colocar el antebrazo el cual esta sostenido por

dos placas que a su vez sirven como guía para los músculos neumáticos y los tensores.

(Figura 3.2c)

Así mismo, las placas inferiores se atornillan a la base en “T” y a la placa superior

mediante unos perfiles en “L” los cuales dan más firmeza a la estructura.

Las dimensiones generales son: altura: 3” aproximadamente, largo: 15” (38.1 cm.) y

ancho: 6.5” (16.5 cm.). Por otra parte la base en forma de “T” es de 8.5” (21.6 cm.) de

ancho y 23.5” (59.6 cm.) de largo.

Caja de Rehabilitación. Se refiere a una estructura formada por perfiles en “L” de ¾”

montada sobre la base tipo “T”, la cual sostiene tres placas que contienen los

elementos mínimos necesarios para llevar a cabo los movimientos de flexo-extensión.

Cuenta con las siguientes dimensiones: altura 9” (22.8 cm.), largo 8.5” y ancho 13” (33

cm.).

En la figura 3.2d se muestra el CAD, donde se puede apreciar la placa superior sobre la

cual se visualizan 4 ranuras en las cuales se montan unos resortes. Cabe mencionar

15

Un tablero MDF es un aglomerado elaborado con fibras de madera aglutinadas con resinas sintéticas mediante fuerte presión y calor, en seco, hasta alcanzar una densidad media.

Diseño y desarrollo del equipo 23

que las ranuras tienen un poco más de una pulgada de longitud, esto con la finalidad

de permitir el desplazamiento los tornillos a lo largo de las mismas, lo que conlleva a

utilizar el dispositivo para distintos tamaños de manos.

En conjunto con el ajuste dado en la placa superior, si se visualizan las placas laterales,

se aprecian unas ranuras, mediante las cuales es posible colocar el soporte de la palma

en la mejor posición deseada. Con estos dos ajustes y el de la base móvil

prácticamente se logra dar terapia a la gran mayoría de pacientes, sin importar el

tamaño de sus manos o dedos.

Otro punto a mencionar de esta caja de rehabilitación es que sirve como base para la

colocación de un eje, sobre el cual están montados los rodamientos que guían al

tensor proveniente del músculo neumático.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.2: Ensambles del sistema mecánico, donde: (a) Sistema de rehabilitación; (b) Base móvil; (c) Base fija; (d) Caja de rehabilitación

Una vez obtenido el diseño en CAD se procede a la fabricación de las piezas correspondientes y

su ensamblaje, obteniendo como resultado el prototipo mostrado en la figura 3.3.

Otro aspecto muy importante en el diseño del dispositivo es el mecanismo mediante el cual se

lleva a cabo la transmisión del movimiento lineal del músculo y se convierte en los

movimientos de flexo-extensión del dedo humano. Para esto, se diseñó una varilla de 13” (33

cm.) de longitud con un diámetro de 3/16” (0.47 cm.) la cual contiene equidistanciados 4

24 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

rodamientos de tipo W638/5-2Z de SKF con un par de rondanas de diámetro interno igual a 11

mm. para con ello darle forma de polea. La figura 3.4 muestra la varilla y los rodamientos que

sostiene.

Figura 3.3: Ensamble del prototipo físico, donde: (a) Vista isométrica frontal; (b) Vista isométrica trasera

Figura 3.4: Ubicación de la varilla y rodamientos

Para ver el despiece de cada uno de los distintos ensamblajes, así como los detalles de cada

una de las piezas diseñadas véase el anexo B.

3.1.2. Sistema de transmisión de movimiento

La figura 3.5 muestra como se lleva a cabo la transmisión de movimiento generado por el

músculo neumático. En este caso el tensor es la línea roja, el cual se nace en un extremo del

actuador y se enrolla a lo largo del rodamiento que se encuentra montado en el eje o varil la,

para posteriormente unirse a un anillo (indicador a). Por su parte en el extremo opuesto de

dichos anillos se une un resorte (indicador b), que se encuentra sujeto a la placa superior

(indicador c) mediante una tuerca mariposa.

Figura 3.5: Esquema del sistema de transmisión de movimiento

Rodamiento Rondana Tensor

Tensor

b

a

c

Rodamiento

Diseño y desarrollo del equipo 25

Como se sabe, al momento de que al músculo se le inyecta una presión determinada de aire,

éste comienza a contraerse, generando con esto una fuerza axial, que comienza a atraer hacia

sí mismo el anillo y gracias a los acoplamientos de las articulaciones del dedo, al colocar el

anillo en la falange medial se produce la flexión del dedo. De modo contrario, al disminuir la

presión inyectada al músculo y mediante la fuerza ejercida por el resorte, el dedo vuelve a su

posición inicial.

3.1.3. Actuadores

El sistema de actuación del efector planteado, está basado en el uso de cuatro músculos

neumáticos de 12 pulgadas de longitud (aproximadamente 30 centímetros).

De acuerdo a la caracterización del músculo neumático llevada a cabo en [1.1], se tiene la

siguiente gráfica:

Figura 3.6: Caracterización del músculo neumático

Para determinar el tamaño del músculo se parte de la presión de aire existente en la entrada

(4 bars.) y el tamaño de dedos mostrado en la figura 2.3, por otro lado, una contracción

máxima del músculo neumático de 6 cm. genera una flexión casi máxima en el dedo. Haciendo

referencia nuevamente a la bibliografía [1.1] se tiene la siguiente relación:

(1)

Partiendo de (1) y sustituyendo los valores requeridos se obtiene que:

Por lo que el tamaño mínimo del músculo debe ser de 10.23” (26 cm.). Para dar un margen de

seguridad se propone emplear músculos de alrededor de 12 pulgadas como se planteó al inicio

de este apartado.

26 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

3.1.4. Anillos

Como se mencionó en la sección anterior el tensor y el resorte se encuentran unidos a través

de un anillo. Este anillo se constituye de dos piezas, una de las cuales (figura 3.7a) se encuentra

fija dentro de la caja y la otra (figura 3.7b) en el exterior. La idea presentada consiste en que, al

saber que el grosor de los dedos de una persona con respecto a otra varía de acuerdo a su

edad, sexo y complexión, se cuente con un juego de anillos exteriores que varíen en su

diámetro interno, y que todos puedan ser ensamblados en el anillo fijo como muestra la figura

3.7c.

(a) (b) (c)

Figura 3.7: Anillos, donde: (a) Anillo fijo; (b) Anillo externo; (c) Ensamble del anillo

3.1.5. Cálculos requeridos

Dentro del proceso de diseño mecánico se incluyen los cálculos necesarios para determinar

ciertas dimensiones. Tal es el caso del eje o varilla empleado para montar los rodamientos,

mismo que soporta las fuerzas generadas por el músculo y el resorte. Debido a esto se debe

encontrar el diámetro mínimo de la varilla que permita soportar dichas fuerzas. De la misma

manera y debido a que es una variable importante en el cálculo se requiere la obtención de la

constante de rigidez del resorte.

Obtención de la constante de rigidez del resorte

Los resortes adquiridos para la construcción del dispositivo presentado, fueron seleccionados

por inspección, esto es, no se tenía conocimiento sobre sus propiedades, más sin embargo, la

rigidez que presenta es la necesaria para apoyar al mecanismo de movimiento.

Para su caracterización, se llevó a cabo la medición en reposo del resorte (ver figuras 3.8a y

3.8b) la cual es de 52 mm, para posteriormente colocarle peso y provocar el cambio en su

longitud.

En total fueron tomadas 10 muestras y con referencia en la ley de Hooke [3.2], dada por (2), en

la tabla 3.1 se presentan los resultados experimentales de la constante del resorte :

(2) donde:

F = Fuerza k = constante de rigidez x = desplazamiento

Diseño y desarrollo del equipo 27

Tabla 3.1: Resultados experimentales de la constante del resorte

Muestra Masa (kg) Peso (N) Elongación (m) K (N/m)

1 0.300 2.943 0.068 43.2794

2 0.375 3.6788 0.078 47.1641

3 0.450 4.4145 0.086 51.3314

4 0.525 5.1503 0.099 52.0232

5 0.600 5.886 0.108 54.5000

6 0.675 6.6218 0.118 56.1169

7 0.750 7.3575 0.128 57.4805

8 0.825 8.0932 0.137 59.0745

9 0.900 8.829 0.148 59.6554

10 0.975 9.5648 0.157 60.9223

(a) (b)

Figura 3.8: Caracterización experimental: (a) Resorte en reposo; (b) Resorte elongado

Tomando en cuenta la tabla 3.1 y observando la figura 3.9, se puede apreciar el

comportamiento casi lineal del resorte.

Figura 3.9: Resultados de la caracterización del resorte

28 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Para concluir, se obtiene la constante del resorte promediando los resultados mostrados en la

tabla 3.1, dando como resultado .

Para comparar la constante obtenida es necesario determinar su valor mediante un método

teórico, basado en (3) de acuerdo a la bibliografía [3.2]:

(3)

Donde:

d = diámetro del alambre D = diámetro medio Na = número total de espiras G = módulo de rigidez o de cizalladura del acero

Tomando en cuenta que el diámetro del alambre es de 0.0005 m., que el resorte cuenta con

100 espiras y que es de acero, con un módulo de rigidez de 70 GPa, se tiene partiendo de (1)

que:

Obtención del diámetro del eje

Para poder determinar el diámetro de la varilla es necesario primeramente establecer la

relación existente en el arreglo entre el resorte, la polea y el tensor, para con ello encontrar el

coeficiente de fricción existente entre la polea y el tensor. Para esto se realiza un experimento

(esquematizado en la figura 3.10) el cual consiste en colocar pesos en un extremo del tensor,

enrollado en el rodamiento y a su vez en el extremo opuesto unido al resorte, por último, el

resorte fijo a una superficie. Tomando en cuenta la constante de rigidez del resorte (obtenida

anteriormente) con una longitud de 0.052 m. en estado de reposo y un ángulo de contacto (α)

de 6.9813 rad., la tabla 3.2 muestra las mediciones obtenidas a distintos pesos.

Para obtener el coeficiente de fricción se parte de (4) quedando:

(4)

Figura 3.10: Esquema experimental para

determinar el coeficiente de fricción

Tabla 3.2: Mediciones para obtener µ

Masa (kg)

Peso (N)

Elongación (m)

Δx (m)

Fres

(N) µ

0.300 2.943 0.072 0.020 1.08 0.1146

0.375 3.6788 0.079 0.027 1.46 0.1057

0.450 4.4145 0.088 0.036 1.95 0.0937

0.525 5.1503 0.0 4 0.042 2.27 0.0937

0.600 5.886 0.100 0.048 2.60 0.0937

De la tabla 3.2 se puede apreciar el coeficiente de fricción oscila alrededor de 0.1.

S2 S1

Diseño y desarrollo del equipo 29

Una vez encontrado dicho coeficiente, se procede a realizar el análisis del sistema físico para el

caso de un rodamiento. La figura 3.11a muestra el esquema del sistema y por su parte la

figura 3.11b el diagrama de cuerpo libre de las fuerzas.

(a) (b) Figura 3.11: Estructura de la unión músculo-anillo-resorte, donde: (a) Esquema representativo del sistema de

transmisión de fuerza; (b) Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas del sistema de tracción para un rodamiento

En condiciones máximas de operación, el prototipo propicia una elongación de 88 mm. en el

resorte lo cual genera una fuerza S1 = F = 1.95 N. (k = 54.1548 N/m.; x = 0.036 m.) y S2 = 0.97N.

(µ=0.1 y α=6.9813 rad.).

Al conocer la magnitud de cada una de las fuerzas se procede a obtener sus componentes en

los ejes “X” y “Y”, para con esto conocer las componentes de la fuerza resultante que afectan

directamente a la varilla. Utilizando la convención de que: en el eje “y” hacia arriba y en el eje

“X” hacia la derecha, son positivos se obtiene.

(5)

(6)

Si se sabe que: Φ=5o; Θ=60o; WRod=0.0186 N., y con los valores de S1 y S2 obtenidos

anteriormente, se puede definir que las componentes de la fuerza resultante son iguales a:

Este cálculo corresponde solamente a un rodamiento a carga máxima, pero la varilla está

diseñada para soportar hasta 6 rodamientos con la misma fuerza. Para sustentar el diámetro

empleado, se tiene:

Figura 3.12: Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que actúan sobre la varilla

Rodamiento

Músculo

neumático

Resorte

Φ

Θ

S2

S1

X

30 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Como se tienen fuerzas en los planos “X” y “Y” es necesario analizar cada uno de ellos. Para

facilitar este análisis se realiza el cálculo fuerza por fuerza como si fueran independientes, para

así encontrar el momento flexionante máximo. Además, a pesar de que la varilla tiene una

longitud de 13”, cabe resaltar que ésta cuenta con unos soportes más hacia el centro, dejando

como longitud efectiva 9”, longitud en la que se basarán los cálculos.

Los cálculos obedecen a lo siguiente:

(7)

(8)

(9)

Figura 3.13: Esquema de la carga de la varilla

Tomando en cuenta las ecuaciones de la figura anterior, los valores de Fx y Fy obtenidos y

recordando que l=0.2286 m,. se procede a calcular los momentos flexionantes mostrados en

las siguientes tablas:

Tabla 3.3: Resultados para Fx

a (m) b (m) RA (N) RB (N) M (N m)

0.0508 0.1778 0.0068 0.0019 0.0015

0.0762 0.1524 0.0058 0.0029 0.0023

0.1016 0.127 0.0048 0.0039 0.0030

0.127 0.1016 0.0039 0.0048 0.0030

0.1524 0.0762 0.0029 0.0058 0.0023

0.1778 0.0508 0.0019 0.0068 0.0015

Tabla 3.4: Resultados para Fy

a (m) b (m) RA (N) RB (N) M (N m)

0.0508 0.1778 1.2622 0.3606 0.2423

0.0762 0.1524 1.0819 0.5409 0.3635

0.1016 0.127 0.9016 0.7212 0.4846

0.127 0.1016 0.7212 0.9016 0.4846

0.1524 0.0762 0.5409 1.0819 0.3635

0.1778 0.0508 0.3606 1.2622 0.2423

Lo siguiente consiste en calcular los momentos flexionantes resultantes en cada uno de los

puntos, lo cual se lleva a cabo mediante la suma por superposición de cada uno de los valores

listado anterior. De este proceso se obtienen los resultados listados en la tabla 3.3, así como la

gráfica presentada en la figura 3.14 la cual tiene como ejes la distancia y el momento

generado en ese punto.

Al conocer el momento máximo mostrado en la tabla 3.5 y que la varilla está elaborada en

acero inoxidable T304, se procede a determinar su diámetro mediante la resistencia del

Diseño y desarrollo del equipo 31

material. Para realizar esto es necesario encontrar los esfuerzos máximos tanto permitido

como soportado, como se muestra en (10) de acuerdo a [3.2]:

(10)

donde:

Mmax=0.4846 N m e=D/2=0.0024 m

Sustituyendo en (9) se obtiene que:

Tabla 3.5: Momentos resultantes por cada plano y resultante final

Dist. (m)

MRx (N m)

MRy (N m)

MR (N m)

0.0508 0.0015 0.2423 0.2423

0.0762 0.0023 0.3635 0.3635

0.1016 0.0030 0.4846 0.4846

0.127 0.0030 0.4846 0.4846

0.1524 0.0023 0.3635 0.3635

0.1778 0.0015 0.2423 0.2423

Figura 3.14: Gráfica de momentos resultantes

Sin embargo, el esfuerzo permisible para esta varilla está dado según (11):

(11)

donde:

Cs = coeficiente de seguridad, el cual para este caso es de 1.2 = esfuerzo máximo permisible para el acero inoxidable T-304, proveniente de la

tabla A-22 de [3.2], el cual es de 276MPa

Arrojando como esfuerzo permisible:

Como σ ≤ σper se concluye que el diámetro de la varilla utilizado es aceptable.

3.2. Sistema electrónico La interfaz electrónica consiste en un conjunto de componentes encargados de la operatividad

del prototipo. Su función principal radica en permitir la comunicación con el equipo de

cómputo para configurar el sistema. Específicamente, permite el ajuste de las terapias para

cada uno de los pacientes mediante el intercambio de información con el software del sistema.

32 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

La comunicación digital entre la PC y el sistema electrónico se lleva a cabo a través del

estándar de comunicación USB utilizando un conversor de datos. Con el uso de este estándar,

el dispositivo de rehabilitación se convierte en un sistema universal dado que desde cualquier

PC se hace posible la puesta en operación del mismo. Por su parte, el protocolo de

comunicación empleado consiste en una serie de bytes que adquieren significado al momento

de ser recibidos por la electrónica.

3.2.1. Etapas del sistema electrónico

El sistema electrónico se compone principalmente de 3 etapas, mismas que interactúan de

acuerdo a la figura 3.15:

Figura 3.15: Etapas del sistema electrónico

Etapa de Control: Se encarga de las funciones principales del sistema. Compuesta de

un microcontrolador DSPic30F4013 de Microchip [3.3], recibe la información

correspondiente a la configuración de terapias y la hace presente en los actuadores

para realizar el movimiento del flexo-extensión en los dedos.

Los microcontroladores DSPic16 presentan ventajas con respecto a los de gama media

o baja [3.4], siendo entre las más importantes la velocidad de procesamiento y

recursos de hardware con mayor robustez (ADC, SPI,I2C, etc.), razones por las cuales

fue seleccionado este integrado. Las características de este componente se presentan

en el anexo C, siendo los recursos de hardware utilizados los presentados en la tabla

3.6.

Tabla 3.6: Recursos de hardware utilizados en el sistema electrónico

RECURSOS VALOR NOMINAL UTILIZADO

Pines de E/S 30 2

Memoria Flash 24Kbytes

Bytes de RAM / EEPROM 2048 / 1024 11%

Temporizadores de 16bits 5 -

Entradas de captura 4 -

Comparadores / PWMs estándares 4 -

ADC 12 bits 13 canales a 200Kps -

UART / SPITM / I2CTM / CAN 2 / 1 / 1 / 1 1 / 1 / - / -

Encapsulados PDIP, TQFP, QFN TQFP

16

Controlador Digital de Señales de microchip.

Diseño y desarrollo del equipo 33

Por su parte el circuito esquemático correspondiente a esta etapa se presenta en la figura

3.16.

Figura 3.16: Diagrama esquemático de la etapa de control

Etapa de Comunicación digital: Compuesta por un convertidor USB-SERIAL con número

de parte FT232-RL del fabricante FTDI [3.5], permite el intercambio de datos entre

estándares de comunicación con el objetivo del acoplamiento de estas señales con la

etapa de control. Este dispositivo contiene características que permiten la visualización

de la operación del integrado mediante pines de salida adaptables a LED’s. La hoja de

datos técnicos se presenta en el anexo C mientras que el circuito esquemático de esta

etapa se presenta en la figura 3.17.

Etapa de acondicionamiento de señales: La etapa de acondicionamiento de señales se

encarga de proporcionar las señales de entrada (voltajes) al sistema neumático y de

actuadores con la finalidad de variar la presión en el músculo neumático y con ello su

longitud. Compuesta de un DAC (Digital-to-Analog Converter [3.6]), esta sección se

encuentra manipulada vía SPI (Serial Peripheral Interface [3.7]) por la etapa de control.

El integrado (DAC) consiste en un circuito con una resolución de 12 bits y 8 canales de

la marca MAXIM [3.8] (MAX5590) cuyas salidas se encuentran enlazadas a

amplificadores operacionales (OPAMP’s, LM324), con el objetivo del acople de

impedancias. El anexo C presenta las características técnicas de estos circuitos

integrados, mientras que la figura 3.18 ilustra la conectividad de estos elementos en

forma esquemática.

34 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Figura 3.17: Diagrama esquemático de la etapa de comunicación digital

Figura 3.18: Diagrama esquemático de la etapa de acondicionamiento de señales

La fuente de alimentación encargada de proporcionar la energía para el sistema electrónico

consiste en un módulo comercial de la marca Kysan Elctronics [3.9] con características de

operación de 24 V. y 2.5 A. máximos (anexo C). Este voltaje es regulado para proporcionar 12v

y 5v con el objetivo de energizar a los componentes de acuerdo a la tabla 3.7.

Tabla 3.7: Alimentación y componentes del sistema electrónico

VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN (V) COMPONENTES

24 Válvulas neumáticas

12 Amplificadores operacionales

5 Microcontrolador, DAC y FT232-RL

3.2.2. Diseño de circuito impreso

Debido a las ventajas que proporcionan los circuitos integrados en encapsulado de tipo

montaje superficial (menor consumo de corriente, disipación de calor y tamaño) el diseño la

placa base y la compra de sus componentes fueron realizados bajo este esquema. El circuito

Diseño y desarrollo del equipo 35

impreso, realizado en el software Altium Designer [3.10], tiene dimensiones de 11.3 cm. x 9.1

cm. y es el presentado en la figura 3.19a, por su parte la disposición de los componentes

dentro del circuito impreso es mostrada en la figura 3.19b.

Figura 3.19: (a) Diseño en Altium Designer; (b) Placa física y componentes montados

El sistema electrónico tiene un consumo de corriente eléctrica de 58 mA. a plena carga, mismo

que incrementa en el momento en que la válvulas neumáticas son energizadas (110 mA.).

3.3. Interfaz gráfica de usuario El dispositivo auxiliar de rehabilitación es controlado desde un software construido bajo

plataforma de desarrollo LabVIEW de N.I. llamado Interfaz de Operador, en conjunción con un

firmware programado en el microcontrolador (anexo D). La interfaz de operador permite

configurar las terapias teniendo como particularidad la escritura y lectura de los datos

personales de cada paciente como lo son nombre, apellido paterno, apellido materno, edad y

sexo. Adicionalmente, esta interfaz archiva todas las sesiones terapéuticas realizadas con el

objetivo de llevar el historial de rehabilitación de cada individuo.

La construcción de este software está basada en el concepto de máquina de estados17, el cual

consiste en una serie de casos que son llamados por el estado anterior y SUBVI’s

(denominados funciones en los lenguajes comunes de programación) teniendo como resultado

la estructuración del programa por lo tanto, una interpretación con mayor facilidad.

Adicionalmente, se presentan “eventos18” dentro de la interfaz, los cuales generan la aparición

de pantallas secundarias.

La figura 3.20 presenta el diagrama a bloques de la ejecución de la interfaz de operador.

17

Se denomina máquina de estados a un modelo de comportamiento de un sistema con entradas y salidas, en donde las salidas dependen no sólo de las señales de entradas actuales sino también de las anteriores 18

Los eventos son procedimientos (SUB) que se ejecutan normalmente cuando el sistema Windows los provoca, por ejemplo, al hacer click en una ventana o en cualquier objeto de la ventana, cuando cambiamos el tamaño de una ventana, al hacer click en un botón, cuando escribimos en una ca ja de textos , etc.

(a) (b)

36 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Figura 3.20: Diagrama a bloques de la interfaz de operador

Al inicio de la operación del software, es configurado el puerto de comunicaciones mediante el

cual se llevará a cabo el intercambio de información con el sistema electrónico. Una vez

concluido este proceso, la ejecución del programa ingresa a un bucle infinito en la espera de la

ocurrencia de un evento y con ello la aparición de la pantalla correspondiente. La figura 3.21

presenta la pantalla principal de la interfaz de operador.

Figura 3.21: Panel frontal y de construcción de la interfaz de operador (Pantalla principal)

El recuadro en la parte izquierda de la figura 3.20 presenta las opciones disponibles para la

interfaz, las cuales se presenta en la tabla 3.8:

Diseño y desarrollo del equipo 37

Tabla 3.8: Comandos de la interfaz y su descripción generalizada

Opción Descripción Ver Figura

Pacientes y Terapias Permite ingresar a la sección de archivo

3.22

Terapia Configura una terapia y lleva a cabo la ejecución de la misma

3.24

Salir Termina la ejecución del software.

En el momento en que se presiona el control de pacientes y terapias el evento

correspondiente se dispara y con ello la pantalla presentada en la figura 3.22. Esta sección de

la interfaz de operador muestra en una tabla los pacientes archivados y las terapias más

recientes. Las opciones permitidas para esta función son:

Agregar paciente: Ingresa paciente al listado.

Eliminar paciente: Elimina un paciente existente.

Modificar paciente: Modifica un paciente existente.

Búsqueda: Búsqueda de paciente por apellido paterno.

Ver historial: Presenta la totalidad de terapias realizadas por determinado paciente.

Salir: Regresa al menú anterior.

Cada una de las opciones para “pacientes y terapias” se presenta en una pantalla adicional al

momento de su selección desde la cual es posible realizar la acción correspondiente. Dentro

del anexo E se muestran cada una de ellas.

Figura 3.22: Pantalla de pacientes y terapias

El evento correspondiente a la opción de terapia configura y ejecuta una sesión terapéutica. El

proceso mediante el cual se lleva a cabo una terapia desde la interfaz de operador es similar al

que lleva a cabo un terapista en una terapia manual, y se ilustra en la figura 3.23.

38 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Figura 3.23: Diagrama de flujo para configurar y ejecutar una terapia

Con referencia en la figura 3.23, la sección de ajuste de flexión corresponde a la configuración

del porcentaje de movimiento generado en los dedos por el prototipo (mismo porcentaje de

flexión durante la ejecución de la sesión terapéutica), comentando que éste depende del nivel

de la lesión del paciente. Al término de este proceso se selecciona la velocidad de la flexo-

extensión de los dedos, con referencia en la tabla 3.9, señalando que estas velocidades se

realizan a máxima flexión permitida por el sistema, para finalizar, se ingresa el número de

flexo-extensiones a realizar durante la terapia y con ello su inicio.

Tabla 3.9: Velocidades de flexión

Velocidades programadas (flexo-extensiones por minuto)

2

3

5

10

La figura 3.24 presenta la pantalla que corresponde al evento de terapia, en ella se aprecian las

secciones encargadas de la configuración de la terapia, con referencia en el proceso

esquematizado en la figura 3.23.

Figura 3.24: Pantalla de programación de la terapia

Diseño y desarrollo del equipo 39

Al comienzo de la terapia, se establece comunicación con el microcontrolador con el fin de

conocer el valor correspondiente al ciclo actual. Además, indicadores simbolizan la operación

del sistema, de manera que, en caso de ser necesario, es posible abortar la ejecución de la

sesión con el objetivo de proteger al paciente de algún tipo de daño. La figura 3.25 presenta

los indicadores correspondientes a ciclo actual, control de aborto de terapia y operación. Esta

detención del proceso se puede ejecutar tanto en software, mediante la pulsación de un botón

de paro (figura 3.26a), como por hardware, a través de un interruptor eléctrico (figura 3.26b).

Figura 3.25: Pantalla del ciclo actual con paro e indicador de operación del sistema

(a) (b)

Figura 3.26: Paros de emergencia donde (a) Por software; (b) Por hardware

Concluidos los ciclos (número de flexo-extensiones) iniciales asignados a un proceso de

rehabilitación es posible agregar más movimientos a la terapia en caso de ser requeridos,

agregando flexibilidad al sistema.

En cualquier proceso de rehabilitación, tanto los concluidos como abortados, al finalizar se

genera una actualización del archivo del paciente para su posterior visualización (figura 3.27).

40 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Esta acción incluye tiempo inicial, tiempo final y fecha, así como también el total de

movimientos realizados y el porcentaje de velocidad al que se llevaron a cabo.

Figura 3.27: Archivo de terapias

La comunicación entre la interfaz de operador y el microcontrolador se lleva a cabo utilizando

un protocolo de comunicación diseñado para realizar la operatividad del sistema. Este

protocolo contiene 3 comandos principales:

Verificación de comunicación (01h): Comando utilizado para verificar la correcta

comunicación microcontrolador-interfaz de operador.

Ajuste de flexión (02h): Comando utilizado para realizar el ajuste de flexión en terapia.

Operación (03h): Comando utilizado para iniciar la ejecución de una terapia.

El protocolo de comunicación diseñado contiene como máximo 14 bytes cuyo significado se

presenta en la tabla 3.10.

Tabla 3.10: Protocolo de comunicación interfaz-microcontrolador

Byte 1

Byte 2

Byte 3

Byte 4

Byte 5

Byte 6

Byte 7

Byte 8

Byte 9

Byte 10

Byte 11

Byte 12

Byte 13

Byte 14

01 x x x x x x x x x x X x X

02 va va va vb vb vb vc vc vc vd Vd vd Band

03 va va va vb vb vb vc vc vc vd Vd vd Band

Donde:

x: Libre.

va-vd: válvula 1… válvula 4.

band: Bandera de fin de comando.

Haciendo referencia a las electroválvulas, es necesario señalar que la válvula 1 controla el dedo

índice de la mano derecha o el meñique de la mano izquierda, la válvula 2 controla al dedo

medio de la mano derecha o en su defecto al anular de la mano izquierda etc., de manera que

en los comandos de ajuste de flexión y operación dependiendo de la mano y dedos

seleccionados, la interfaz automáticamente intercambia estos campos, proceso ejemplificado

en la tabla 3.11. Los 3 bytes asignados para cada válvula generan la variación en la presión

Diseño y desarrollo del equipo 41

hacia los músculos neumáticos, mismos que permiten el máximo correspondiente al 20% de

contracción para los actuadores.

Tabla 3.11: Asignación de válvulas en dedos

Byte 1

Byte 2

Byte 3

Byte 4

Byte 5

Byte 6

Byte 7

Byte 8

Byte 9

Byte 10

Byte 11

Byte 12

Byte 13

Byte 14

MANO DERECHA 02 va va Va vb vb vb vc vc vc vd vd vd Band

03 va va Va vb vb vb vc vc vc vd vd vd Band

MANO IZQUIERDA

02 vd vd Vd vc vc vc vb vb vb va va va Band

03 vd vd Vd vc vc vc vb vb vb va va va Band

El protocolo de comunicación programado en el microcontrolador, en conjunción con la

interfaz de operador permiten la operatividad del sistema de rehabilitación.

42 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Bibliografía y Referencias [3.1] http://www.solidworks.com/ [3.2] Shigley Joseph E., Mitchell Larry D., “Diseño en Ingeniería Mecánica”, 3ª edición, ISBN: 0-

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Trueba Parra. “dsPIC, Diseño práctico de aplicaciones”. Mc Graw Hill. [3.5] www.ftdichip.com. Página de componentes electrónicos, fecha de consulta noviembre

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Scientific Publications. [3.7] Douglas V. Hall. “Microprocessors and interfacing. Programming and Hardware”. Mc

Graw Hill. [3.8] http://www.maxim-ic.com. Empresa de manufactura de componentes electrónicos,

fecha de consulta noviembre 2010. [3.9] http://www.kysanelectronics.com. Empresa de manufactura de fuentes de

alimentación, fecha de consulta noviembre 2010. [3.10] www.altium.com. Pàgina de software de creación de circuitos esquemáticos e impresos

electrónicos. [3.11] Norton Robert L., “Diseño de Máquinas”, Editorial: Prentice Hall

4

4. Validación experimental del prototipo Las pruebas realizadas al sistema estuvieron basadas en la aproximación de la flexión

producida en cada dedo ante la máxima contracción del músculo neumático.

Se llevaron a cabo pruebas tanto en el software como en la circuitería electrónica y en el

prototipo, para con esto obtener una caracterización base del sistema completo tomando en

cuenta la máxima operación del actuador y la mayoría de las combinaciones posibles entre los

distintos dedos.

4.1. Comunicación interfaz de operador-sistema electrónico Debido a que es imprescindible el correcto funcionamiento de la conjunción entre la interfaz

de operador y el sistema electrónico, la prueba correspondiente a la comunicación tiene como

objetivo garantizar el correcto enlace digital entre estos dos elementos.

Cualquier proceso terapéutico controlado por el sistema de rehabilitación propuesto en este

trabajo involucra la comunicación iterativa con la interfaz de operador, de manera que el

proceso para realizar la presente prueba de comunicación tiene como fundamento el envío del

comando “Verificación de comunicación” continuamente, cotejando la respuesta emitida por

el sistema electrónico ante esta operación. El diagrama a bloques correspondiente a esta

prueba se presenta en la figura 4.1.

44 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Figura 4.1: Diagrama a bloques de prueba de comunicación digital

Con base en la figura 4.1, la construcción del software para esta prueba fue realizado en

LabVIEW y se presenta en la figura 4.2 el panel frontal y de contrucción de este programa.

El tiempo de duración de esta prueba fue de alrededor de 6 horas, teniendo entre cada

iteración un tiempo de 5 segundos y concluyendo con 4300 envíos y recepciones sin presentar

algún tipo de error.

(a) (b) Figura 4.2: Panel de construcción para prueba de comunicación digital, donde: (a) Panel trasero; (b) Panel frontal

4.2. Caracterización de tiempos de sesión terapéutica Con el objetivo de conocer el tiempo de terapia generado por el dispositivo de rehabilitación

con cada una de las velocidades programadas, se realizó la caracterización iniciando una sesión

terapéutica de 255 movimientos de flexo-extensión en los dedos. Cabe señalar que los tiempos

obtenidos corresponden a una sesión terapéutica en la cual se requiera la máxima contracción

del actuador, entendiendo con ello que la variación de ésta repercutirá directamente en la

duración de la sesión terapéutica.

Haciendo referencia a la tabla 3.9, las velocidades programadas para el prototipo son:

2 flexo-extensiones x minuto.

3 flexo-extensiones x minuto.

5 flexo-extensiones x minuto.

10 flexo-extensiones x minuto.

Recepción de respuesta

de subsistema electrónico

NO

Validación de respuesta

Correcto???

Fin de prueba

Configuración puerto de comunicación.

SI

Envío comando

“Verificación de comunicación”

Actualización de

iteración

Pruebas al Equipo 45

Una vez seleccionado el paciente e ingresado al sistema de rehabilitación, se procedió a

contraer al músculo neumático aproximadamente 5 cm seleccionando cada una de las

velocidades y 255 ciclos de movimiento. Los resultados obtenidos al término de la terapia con

cada una de las distintas velocidades se presentan a continuación en la tabla 4.1:

Tabla 4.1: Tiempos de terapia con cada una de las velocidades programadas

VELOCIDAD TIEMPO (min)

2 CICLOS POR MIN 128

3 CICLOS POR MIN 80

5 CICLOS POR MIN 48

10 CICLOS POR MIN 25

4.3. Lectura/escritura de archivos en software de sistema La prueba correspondiente a la lectura/escritura de archivos en el software del sistema, tiene

como objetivo verificar el correcto funcionamiento de la sección encargada de manipular los

datos personales para cada paciente, así como el adecuado ingreso de la información

relacionada a las terapias dentro del historial en la interfaz de operador.

Debido a lo extenso de esta prueba se dividió en cinco partes:

i. Captura de datos personales del paciente.

ii. Edición de información almacenada.

iii. Eliminación de pacientes tanto del archivo de pacientes como el de historial.

iv. Actualización del archivo de historial con cada sesión terapéutica.

v. Paro de emergencia.

4.3.1. Captura de datos personales del paciente

Como primera prueba se corroboró el ingreso de los datos personales de un nuevo paciente

dentro del “Archivo de pacientes y terapias” presentándose en la figura 4.3 el archivo antes de

este proceso y en las figuras 4a y 4b la captura y almacenamiento de la información. Además

se verificó el adecuado proceso del ordenamiento de los pacientes por orden alfabético.

Figura 4.3: Archivo pacientes y terapias previo al ingreso de un nuevo paciente

46 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

(a) (b)

Figura 4.4: Ingreso de paciente a archivo de paciente y terapias donde: (a) Datos personales de paciente nuevo; (b) Archivo correspondiente ordenado

Como es posible observarse, la figura 4.3 contiene como primer elemento “Blanco Ortega

Andrés” a diferencia de la figura 4.4b, la cual presenta el nuevo paciente con nombre “Arreola

Enríquez Alejandro” ingresado al archivo correspondiente y ordenado por apellido paterno.

Con esta prueba se verifica el funcionamiento del anexo de un nuevo nombre.

4.3.2. Edición de información

Tomando como referencia la figura 4.4b, se procederá a realizar la modificación de los datos

personales del paciente ingresado, con el objetivo de verificar el funcionamiento de la sección

correspondiente a “Modificar paciente” dentro del archivo. Las figuras 4.5a y 4.5b presentan el

proceso y los resultados de esta actualización ante un cambio en el apellido materno y edad.

(a) (b)

Figura 4.5: Modificación de paciente donde: (a) Modificación de campos; (b) Actualización de archivo

4.3.3. Eliminación de paciente

De igual manera, con referencia en la figura 4.5b, se procederá a eliminar un paciente del

archivo (Cancino Rodríguez Ernesto), con el objetivo de verificar el funcionamiento de esta

etapa (ver figura 4.6a y 4.6b).

Pruebas al Equipo 47

(a) (b)

Figura 4.6: Proceso de eliminación de los datos del paciente donde: (a) Pantalla de eliminar; (b) Archivo sin paciente eliminado

4.3.4. Actualización del archivo de historial

Otra prueba realizada al software del sistema, fue la simulación de una sesión terapéutica de

15 flexo-extensiones para los dedos índice y medio de la mano derecha. Este proceso se llevó a

cabo desde el registro del paciente hasta la conclusión de la terapia. Para esta prueba se

seleccionó al paciente “Soto Yuriar José Hugo” y se trabajo a una velocidad de 10 ciclos por

minuto, visualizándose en la figura 4.7a los dedos rehabilitados, en la 4.7b el mensaje de fin de

terapia y en la 4.7c el correcto almacenamiento de los datos correspondientes dentro del

historial de terapias.

(a) (b)

(c)

Figura 4.7: Resultado final de la terapia donde: (a) Ejecución de terapia; (b) Indicador de finalización de terapia; (c) Actualización del historial

4.3.5. Paro de emergencia

Por último, la figura 4.8 presentan la prueba de paro de emergencia por software, del cual se

espera que el archivo de historial de terapias almacene la información correspondiente a una

48 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

terapia suspendida, mientras que la figura 4.9 muestra la prueba correspondiente al paro de

emergencia por hardware, en las que se aprecia el “Error en comunicación” debido al falta de

energía para el sistema electrónico.

Figura 4.8: Paro de emergencia por software

Figura 4.9: Paro de emergencia por hardware

4.4. Pruebas operación continua Adicionalmente fue realizada una prueba al dispositivo que consistió en un ciclo continuo (dos

etapas) con la finalidad de conocer un aproximado del número de flexo-extensiones y tiempo

de trabajo sin paro alguno, además, si ocurría o no algún tipo de daño en el actuador. La

primera etapa de este proceso, sin carga, concluyó en 5600 flexo-extensiones con un tiempo

de trabajo de cerca de 8 horas. Por su parte, las pruebas con carga fueron ejecutadas

colocando un peso muerto de 150 grs. a la base del anillo, simulando con esto el peso del

dedo, como se aprecia en la figura 4.10.

Figura 4.10: Prueba al prototipo con carga

Pruebas al Equipo 49

De la misma manera que la prueba sin carga, se operó el sistema realizando flexo-extensiones

sin detención. Para este caso el proceso concluyó en 3200 ciclos en un tiempo aproximado de

5 horas. La figura 4.11 presenta el historial de terapias correspondiente.

Figura 4.11: Historial en prueba con carga

4.5. Flexión generada por el prototipo en los dedos Las aproximaciones del porcentaje de flexión fueron realizadas con el objetivo de conocer los

ángulos de flexión producidos, para los dedos de la mano humana, por el prototipo. Cabe

señalar que, dependiendo de la longitud falángica de cada individuo, estos ángulos varían, por

lo cual fue necesario medir cada uno de los dedos del sujeto bajo pruebas, conside rándose

estas medidas estándares. La medición de cada uno de los dedos de la mano derecha del

sujeto bajo prueba se listan en la tabla 4.2.

Tabla 4.2: Longitud falángica en pruebas al sistema

MANO DERECHA

DEDO PROXIMAL(mm) MEDIAL(mm) DISTAL(mm)

INDICE 45 30 26

MEDIO 50 35 32

ANULAR 45 35 30

MEÑIQUE 35 25 23

El proceso de caracterización de flexión fue realizado mediante la aproximación de los ángulos

que guardan cada una de las falanges desde la posición inicial hasta la máxima generada por el

dispositivo. Los ángulos medidos en el dedo humano se encuentran representados en la figura

4.12.

Figura 4.12: Simbolización de ángulos por falange

50 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

A continuación, en la figura 4.13 se presentan las imágenes de las posiciones iniciales de cada

uno de los dedos dentro del prototipo. De la misma manera, los ángulos iniciales aproximados

de cada una de las ilustraciones presentadas en la figura 4.13 y con referencia en la figura 4.12

se listan en la tabla 4.3.

Tabla 4.3: Ángulos iniciales de cada dedo

Ángulo Índice Medio Anular Meñique

α 15o 15o 20o 15o

β 20o 30o 30o 40o

γ 2o 5o 2o 25o

(a) (b)

(c) (d)

Figura 4.13: Posiciones iniciales de cada dedo en el prototipo: (a) Indice; (b) Medio; (c) Anular; (d) Meñique

La flexión más alta producida por el dispositivo se encuentra ligada a la máxima contracción

permitida en el músculo neumático. Para este prototipo la flexión máxima en cada dedo se

produce al ingresar un voltaje a la válvula neumática de 2.5 v (5 cm aproximadamente)

llevando cada uno de los dedos a las posiciones presentadas en la figura 4.14 y cuyos ángulos

(α, β y γ) resultantes aproximados se presentan en la tabla 4.4.

Tabla 4.4: Flexión máxima producida por el dispositivo de rehabilitación

Ángulo Índice Medio Anular Meñique

α 75o 55o 55o 70o

β 35o 50o 60o 80o

γ 10o 10o 5o 37o

Pruebas al Equipo 51

(a) (b)

(c) (d)

Figura 4.14: Posiciones finales a máxima presión de las válvulas: (a) Indice; (b) Medio; (c) Anular; (d) Meñique

4.6. Pruebas en campo Como actividad adicional, el dispositivo de rehabilitación fue analizado y probado por el

personal del Centro de Rehabilitación Infantil de Cuernavaca A. C. (CRIC). La prueba consistió

en una sesión terapéutica en la que el sujeto bajo prueba fue el Dr. Jorge Flores Soto

(terapista) ingresando su mano dentro del prototipo y determinando la funcionalidad del

sistema, supervisando dicha prueba el también médico terapista Dr. Francisco Sánchez (ver

figura 4.15).

Figura 4.15: Prototipo bajo prueba en campo

52 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Durante el transcurso de la sesión, el Dr. Jorge Flores examinó los porcentajes de flexión

producidos por el prototipo a partir del cambio de los diferentes ajustes mecánicos,

principalmente, en el ajuste del soporte palmar.

Una vez concluida la terapia, los terapistas señalaron lo siguiente:

- Se recomienda incorporar al sistema de transmisión de movimiento unos resortes más

pequeños (con mayor resistencia) que privilegien la terapia de extensión de los dedos,

provocando con ello un mayor fortalecimiento de los músculos flexo-extensores.

- Con el objetivo de eliminar el arco producido en la muñeca, al desplazar el soporte

palmar hacia arriba (dentro de las ranuras laterales), es necesario el ajuste del soporte

para el antebrazo.

- Con respecto a los anillos, el análisis de los terapistas determinó una estructura bajo el

mismo principio de ensamblaje en forma ovalada o en su defecto el cambio total de

los mismos. Esto con el propósito de reducir la separación entre dedos.

- Se recomienda ampliamente la incorporación de los movimientos de rehabilitación de

la muñeca, los cuales, aunados a la flexo-extensión de los dedos, generan mayor

funcionalidad en el prototipo.

- Se considera que el actual prototipo es un equipo útil para realizar terapias activa y

pasiva, principalmente en ejercicios de flexión interfalángicas.

- En general, el dispositivo de rehabilitación, con base en la opinión de los terapistas

sirve como auxiliar en procesos terapéuticos en los dedos de la mano humana.

Mediante las pruebas realizadas se pueden deducir una serie de características importantes

referentes al sistema planteado, de entre las cuales se pueden mencionar:

i. El trabajo en conjunto de los tres sistemas (electrónico, mecánico e interfaz) es

adecuado y práctico ya que automatiza el proceso de las terapias que llevan a cabo

los fisioterapistas.

ii. La versatilidad presentada por el prototipo, para su adecuación a distintos

tamaños de manos y dedos es aceptable, más sin embargo, es posible mejorar en

gran medida la unión tensor-anillo-resorte para brindar una mayor comodidad al

paciente.

iii. El músculo neumático, para este diseño en particular, presenta una funcionalidad

limitada, ya que por sus características es necesario el utilizar actuadores de mayor

longitud. En caso de seguir utilizando los músculos neumáticos aplicados a esta

línea de investigación, es necesario diseñar un sistema de poleas para emplear

actuadores de menor tamaño, con el objetivo de generar una mayor contracción

en los dedos.

iv. La creación de archivos para digitalizar la información de los pacientes y de sus

terapias, entrega resultados favorables al llevar a cabo distintos tipos de terapias.

Cabe mencionar que esta prestación al sistema es de gran utilidad a los médicos,

sin embargo, a pesar de contener la información necesaria, se considera es posible

optimizarla agregando reportes o consultas que faciliten la búsqueda de

información.

Pruebas al Equipo 53

v. La sección electrónica de este dispositivo presenta la posibilidad del anexo de

sensores con el objetivo de cerrar el lazo de control, esto con el objetivo de

permitir un mayor control de las funciones del prototipo.

54 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

5

5. Conclusiones y recomendaciones Como se asentó en el capítulo introductorio, el diseño y construcción del dispositivo de

rehabilitación descrito durante los capítulos anteriores, surge como una necesidad de la

aplicación de los conocimientos generados previamente en el cenidet referentes a los

prototipos morfológicos, principalmente las manos.

De esta manera, gracias a las pruebas realizadas durante el desarrollo del presente trabajo de

tesis, se consideran las siguientes aportaciones y conclusiones:

Sobre el sistema mecánico:

Se planteó un diseño sencillo y versátil el cual permite ajustar de manera manual y

simple el dispositivo a distintos tamaños de manos y dedos.

Con el ajuste realizado mediante la base móvil, se lleva a cabo la precarga de los

músculos neumáticos, aprovechando con esto casi en su totalidad la contracción del

músculo.

El ajuste del soporte de la palma permite una mayor comodidad en cuanto a la

posición de la mano del paciente, ya que al tener distintos puntos de ajuste y

dependiendo del tipo de lesión, es posible el reacomodo del mismo.

El sistema de transmisión de movimiento presentado en la sección 3.1.2

específicamente en los anillos, presenta la versatilidad de contar con una parte

56 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

externa que contiene un diámetro interno variable. Por esta razón es posible atender a

una mayor cantidad de pacientes, ya que solamente es necesario seleccionar el que

mejor se le ajuste al lesionado y posteriormente realizar el ensamblaje

correspondiente.

Una de las principales aportaciones en el sistema mecánico es la posibilidad de llevar a

cabo no sólo terapia pasiva, sino que gracias a la combinación del anillo con el resorte

utilizado, es viable el realizar terapias activas debido a la resistencia que presenta el

resorte por su constante de rigidez.

No obstante los aportes antes mencionados en el diseño mecánico, se detectó que

para el diseño presentado el actuador empleado tiene ciertas carencias, esto debido a

que el músculo tiene como característica primordial que su contracción máxima

depende directamente de la longitud del mismo, siendo esta del 20% como máximo.

Dados los actuadores empleados de longitud de 12”, con una contracción de 2.4”

reflejada en las flexiones presentadas en la tabla 4.4, si fuese deseada una mayor

flexión, es necesario aumentar su tamaño, lo cual tiene como consecuencia el

incremento de las dimensiones del dispositivo y por lo tanto su portatibilidad.

Sobre el sistema electrónico:

Haciendo referencia al diseño y construcción de la tarjeta de circuito impreso para

componentes de montaje superficial, conformada por los módulos expuestos en la

sección 3.2, se señala que la electrónica está lista para ser usada en el caso de requerir

cerrar el lazo de control.

La habilitación del módulo de electrónica y neumática permite su alejamiento del

prototipo, brindando al sistema un mayor confort, esto debido a que las

electroválvulas, al estar operando, generan demasiado ruido.

Actualmente la conexión mediante USB es la más empleada por las características de

operación que presenta y por ser un conector, que como su nombre lo indica, es más

universal. Gracias al controlador del FTDI se anexó la conexión por dicho protocolo.

Esto reitera la versatilidad del sistema, ya que puede operar desde cualquier

computadora que cuente con un puerto USB y contenga instalado el controlador del

circuito integrado además de la interfaz del sistema.

De la misma manera, en cuestiones de alimentación eléctrica, el sistema cuenta con

una fuente conmutada que tiene a su entrada un voltaje de 127 v. y genera 24 v. como

salida. Este voltaje es entregado directamente a las válvulas para después ser regulado

mediante la tarjeta electrónica a 12 y 5 volts, energía necesaria para que todos los

componentes operen de manera correcta.

Sobre la interfaz de usuario:

Con base en una terapia real manual, la GUI presentada en el apartado 3.3 obedece a

una secuencia muy apegada a dicho proceso, en el cual, el usuario configura el ángulo

de flexión y las características de velocidad, para que al final sea posible el ingresar

únicamente el número de repeticiones y con ello la ejecución de la sesión terapéutica.

Conclusiones y recomendaciones 57

Otra aportación relacionada al software, de gran importancia, es la digitalización de la

información de los pacientes. El llevar el historial de las terapias realizadas permite al

terapista monitorear la evolución médica de cada individuo.

Previniendo los posibles daños que pueda sufrir algún paciente (dolor o incomodidad)

al estar llevando a cabo la terapia, se habilitó una opción de paro de emergencia por

software, la cual suspende casi de manera instantánea la terapia ejecutada en ese

momento permitiendo el retiro del lesionado.

En caso de que el prototipo presente alguna anomalía al momento de operar, es

posible desenergizarlo mediante un botón de paro por hardware. Al detectar esto, la

interfaz genera un mensaje de error en comunicación, haciéndose necesario el reinicio

de la GUI y la correspondiente re conexión de la energía eléctrica.

Sobre el tipo de control empleado:

La programación del firmware del microcontrolador, en conjunto con la GUI, lleva a

cabo el control del dispositivo empleando un lazo abierto, esto debido a las

características de operación de las electroválvulas. Estas características especifican

que para un determinado voltaje de entrada y con una presión de aire de alimentación

constante, la válvula entregará siempre la misma presión de salida.

Las variaciones de voltaje medidas a la entrada de las válvulas oscilan alrededor de 0.2

volts, lo cual es despreciable desde el punto de vista de la presión de salida y por

consiguiente en la contracción del músculo.

Por último, haciendo referencia a la codificación del microcontrolador, el programa

presenta sencillez y facilidad de comprensión, permitiendo con ello realizar

modificaciones (cerrar el lazo de control, por ejemplo) en caso de ser necesario.

Sobre la aplicación en campo:

El contacto directo entre las instituciones CRIC y cenidet permitieron la prueba del

dispositivo en campo, generando con ello la visualización de posibles mejoras en el

desempeño del prototipo. Como comentarios generales del personal de rehabilitación

del CRIC, se considera al sistema de rehabilitación cenidet funcional en procesos

terapéuticos, cumpliendo con ello el objetivo desde el punto de vista de personas

especializadas en materia.

Así, la valoración positiva del trabajo realizado, es cimentada en su aportación a la aplicación

de los conocimientos generados previamente en cenidet acerca de efectores morfológicos y de

los músculos neumáticos.

Después de analizar el comportamiento de la operación del prototipo, se concluye que el

Equipo Auxiliar en Terapias de Rehabilitación de Extremidades del Miembro Superior a Nivel

de Dedos reportado en el presente documento cumplió con el objetivo de generar mediante

mecánica, electrónica y computación el movimiento de flexo-extensión en los dedos de la

mano humana, siendo con ello una alternativa viable como auxiliar en el desarrollo de terapias

activa y pasiva de pacientes. De acuerdo a la sección 4 de este escrito, la flexión producida por

el dispositivo es suficiente para reeducar, en gran medida, los arcos de movimiento de una

persona con discapacidad.

58 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

5.1 Comparativa con trabajos presentados en el estado del arte Como trabajo adicional se llevó a cabo una comparación entre el dispositivo de rehabilitación

presentado en esta investigación y los mostrados en el en estado del arte, resultando de este

cotejo lo siguiente:

Con respecto al sistema de rehabilitación presentado en [2.8], la discrepancia está que

el sistema de rehabilitación cenidet permite la adecuación a diferentes tamaños de

dedos, cuestión no mencionada en el artículo.

Los artículos [2.9], [2.10] y [2.11], especifican una rehabilitación de tipo pasiva sin la

posibilidad de la terapia activa, siendo esta la principal aportación del sistema cenidet

en contraste con estos dispositivos.

En [2.13] se presenta una rehabilitación de tipo activa únicamente, a diferencia de la

posibilidad de rehabilitación pasiva del prototipo cenidet.

Además, una gran ventaja del sistema desarrollado es el costo de fabricación

(alrededor de $2000.00 M. N.) y que en comparación a [2.14] y [2.15] es

considerablemente menor debido a las características presentadas por cada uno de los

dispositivos.

En conclusión, basados en esta comparativa, no obstante las desventajas de diseño y

construcción del prototipo desarrollado en este trabajo de tesis, se supera funcionalmente y

en costo a algunos de los dispositivos presentados.

5.2 Recomendaciones para trabajos futuros Los resultados obtenidos, gracias a las pruebas realizadas, han permitido sugerir una serie de

mejoras y trabajos futuros sobre la misma línea de investigación (fisioterapia) mencionadas a

continuación:

Respecto al sistema mecánico:

Optimizar el sistema de ajuste del prototipo, de manera que en lugar de tener tres

puntos de ajuste, al llevar a cabo sólo uno el dispositivo se acople a distintos tamaños

de manos.

Cambiar el sistema de acoplamiento entre el paciente y el prototipo. El juego de anillos

a pesar de ser una solución aceptable para el problema de los distintos tamaños de

dedos, presenta la desventaja de la incomodidad del paciente después de cierto

tiempo, por lo que se sugiere sea cambiado por algo de material más flexible como por

ejemplo una especie de guante, fácilmente ensamblado al resorte y al tensor del

músculo.

En caso de seguir empleando músculos neumáticos como actuadores, se propone se

lleve a cabo el diseño de un sistema de poleas, para reducir el tamaño del músculo y

generar mayor flexión en los dedos.

Si se opta por cambiar el actuador, se sugiere el empleo de motores de CD,

servomotores o motores a pasos.

Por último, se propone se agregue la rehabilitación de los dedos pulgares. El diseño del

prototipo presentado en este trabajo de investigación considera el espacio necesario

para incluir el mecanismo necesario para habilitar dicha opción.

Conclusiones y recomendaciones 59

Respecto a la GUI:

Agregar la funcionalidad de impresión de reportes, como por ejemplo el historial de

algún paciente, una lista de pacientes, etc., así como también la generación de

consultas para buscar información más concreta.

Respecto al control:

Implementar un método de sensado para cerrar el lazo de control. Para ello se

propone la inclusión de sensores de movimiento lineal (en un eje) y se mida el

desplazamiento del músculo neumático a determinada presión de aire.

Validar diferentes esquemas de control, desde los convencionales PID´s, hasta

esquemas más robustos que controlen las dinámicas no lineales propias de los

músculos neumáticos.

Implementar esquemas de control de trayectorias que permitan al paciente ejercitar

los dedos siguiendo diferentes trayectorias de movimientos (combinación de

movimientos de extensión-flexión y aducción-abducción).

Respecto a la aplicación en campo:

Con el fin de ampliar la visión de sistemas mecatrónicos aplicados a rehabilitación, se

recomienda continuar la comunicación con el CRIC, principalmente para la mejora del

sistema presentado en este documento de investigación además de posibles

desarrollos futuros.

60 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos

62 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 63

Anexo A: Comparativa entre distintos tipos de actuadores

Alambres musculares: Es un pequeño alambre delgado que se contrae al calentarse

debido a la circulación de una corriente eléctrica a través de él, para después, relajarse

y regresar a la posición de reposo. Los materiales de los cuales se encuentran

constituidos estos dispositivos cambian su estructura molecular con la temperatura y

esto produce la contracción y extensión [1.2]. Una limitación en el uso de estos

actuadores son los bajos valores de fuerza que proporcionan siendo necesario

desarrollar “trenzas” para lograr las fuerzas requeridas.

El músculo neumático: Es un dispositivo mecánico basado en la imitación del

comportamiento del músculo biológico. Se trata de un tubo flexible, el cual al aplicarle

aire a presión, se deforma aumentando su diámetro, produciéndose una fuerza de

tracción axial y un movimiento de contracción [2.16].

Motores de DC: Los motores de DC son dispositivos eléctricos que transforman la

energía eléctrica en energía mecánica. Son insuperables en aplicaciones en las que

deben ajustarse la velocidad así como en las que se requiere un par grande [1.3].

Tabla A1: Comparativa entre actuadores

Músculos Neumáticos Alambres Musculares Motores de CD

Ventajas - Ligero

- Bajo costo. - Suave. - Flexible. - Potente.

- Amortiguado. - Contracción hasta

de 40% de longitud

- Pequeño

- Ligero

- Posicionamiento

rápido y preciso.

Desventajas - Tamaño respecto a los alambres musculares.

- Tiempo de vida, se deforman al contraerse después

de un tiempo determinado.

- Alto consumo de

corriente. - Deformación

Máxima del 5% al 10% de su longitud.

- Daños por fatiga.

- Tamaño. - Costo. - Circuitería externa.

- Consumo de corriente.

- Generación de

inercias.

64 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 65

Anexo B: Planos de ensamblajes y componentes Dentro de este anexo se muestran todos y cada uno de los planos necesarios para la

construcción del dispositivo de rehabilitación, ya sean piezas o ensamblajes.

66 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 67

68 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 69

70 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 71

72 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 73

74 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 75

76 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 77

78 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 79

80 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 81

82 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 83

84 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 85

86 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 87

88 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 89

90 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 91

92 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 93

94 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 95

Anexo C: Hojas de datos de los principales componentes electrónicos El presente anexo contiene las hojas de especificaciones de los componentes empleados para

la elaboración de la interfaz electrónica.

i. Microcontrolador dsPIC30F4013

96 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

ii. Convertidor USB-SERIAL FTR232R

Anexos 97

iii. Convertidor Analógico Digital (DAC) MAX5590

98 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

iv. Amplificador Operacional LM324

Anexos 99

v. Fuente de alimentación

100 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 101

Anexo D: Firmware del microcontrolador #INCLUDE <30F4013.h> #FUSES hs3_pll8, p r_pll , nowrt, noprotect, no wdt

#USE delay (clock=32000000) #USE rs232(baud=14400, bits=8, parity=N, stop =1, uart2) #USE spi(bits=16)

//Variables globales INT nc =0x00,band=0x00,alto _act ,bajo _act ;

//Protot ipo de Funcion es VOID led( INT ,IN T ); VOID sel_op(INT ) ;

VOID calib racion(); INT lee_d ato();

VOID dac(IN T ,INT ,IN T ); VOID operacion(IN T, IN T, INT, IN T ); INT val_retraso(IN T );

INT val_incremento(INT ) ; INT tipo _delay(IN T );

VOID ini_valvs(); VOID flex ion(INT *, INT *,INT *,INT ,IN T ,IN T ,INT ,IN T ); VOID ex tension(INT *, IN T *,IN T *,IN T ,IN T ,INT ,IN T ,INT ) ;

INT d et_indice(IN T *); //Interrupcion #IN T_RDA2

VOID int_serial(){ INT d ec =0x00;

band=lee_d ato(); IF(band! =0x02){ IF( alto_act<0x10)

d ec=0x00; ELSE

IF(alto _act<0x20) d ec=0x10; ELSE

IF(al to_act<0x30) dec =0x20;

ELSE dec =0x30; PRINTF("%c %c%c ",nc,alto_act-dec ,bajo _act) ;

led(0,10); }ELSE

PRINTF("0000000000000"); }

VOID MAIN(){ INT i,cmd _char=0;

led(200,1000); DELAY_MS(200); SETUP_SP I(spi_master | spi_l_to _h );

FOR(i=0;i<2;i++) ini_valvs(); led(200,200);

FOR(;TRUE;){ cmd _char=lee_dato() ;

led(200,200); sel_op(cmd_ch ar); }

} //D esarrollo d e Funcion es

VOID led( INT d elay1, IN T delay2){ OUTPUT_LOW(pin _d1); DELAY_MS(d elay1);

OUTPUT_HIGH(pin_d1); DELAY_MS(d elay2);

OUTPUT_LOW(pin _d1); }

VOID sel_op(INT c md){ SWITCH(cmd){

CASE 0x01: PRIN TF("COMUNIC ACION COR REC TA"); BR EAK;

CASE 0x02: PRIN TF("INIC IO CAL IBRAC ION");

calibracion(); BR EAK; CASE 0x03:

PRIN TF("INIC IO OP ERACION"); led(200,200);

operacion(lee_dato(),lee_dato(),lee_dato(),lee_dato());

102 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

BR EAK;

} RETURN;

} VOID calib racion(){

INT i,bajo[4],alto[4],act[4],flag,ind,alto _min ; FOR(i=0x03;i<0x43;i=i+0x10)

dac(i ,0xBE,0x01); DO{ FOR(i=0;i<4;i++){

alto[i]=lee_d ato(); bajo[i]=lee_d ato(); act[i]=lee_d ato(); }

flag=lee_d ato(); PRINTF("REC EPCION OK"); //led(0);

IF( alto[0]!=0xFF){ FO R(i=0;i<4;i++)

dac(al to[i],bajo[i],act[i]); led(200,200); }

}WHILE(flag! =0x01); IF(al to[0]!=0xFF){

ind=d et_indice( alto); IF(ind ==0) alto_min=0x03;

ELSE IF(ind==1) alto _min =0x13;

ELSE IF(ind==2)

alto _min=0x23; ELSE alto _min=0x33;

EN ABLE_IN TER RUPTS(IN T_RDA2); extension(alto,b ajo,act,alto _min,0xC8,25,1,ind);

DISABLE_IN TERRUP TS(IN T_RD A2); IF(lee_d ato()==0x02); PRIN TF("FIN D E PRUEB A");

} RETURN;

} INT lee_d ato(){

INT d ato; dato=G ETCH();

RETURN dato ; }

VOID dac(IN T alto,IN T bajo,IN T act){ OUTPUT_LOW(pin _f1);

DELAY_US(30); SPI_WRITE( alto); SPI_WRITE(b ajo);

DELAY_US(1050); OUTPUT_HIGH(pin_f1); DELAY_US(500);

OUTPUT_LOW(pin _f1); DELAY_US(30);

SPI_WRITE(0X80); SPI_WRITE( act); DELAY_US(1050);

OUTPUT_HIGH(pin_f1); DELAY_MS(10);

} VOID operacion(IN T alto _max, INT b ajo _max, IN T ret, IN T no_ciclo){

INT i,delay,ind=5,alto[4],bajo[4],ac t[4],aux1,aux2,flag=1; ini_valvs();

PRINTF("OK"); DELAY_MS(50); FOR(i=0x03;i<0x43;i=i+0x10)

dac(i ,0xBE,0x01); //lee la cad ena d e datos iniciales para los dacs

FOR(i=0;i<4;i++){ alto[i] =lee_dato() ; bajo[i] =lee_dato(); act[i] =lee_dato(); }

PRINTF("OK"); led(200,200);

IF(al to[0]!=0xFF){ ind=d et_indice( alto);

Anexos 103

delay=val_retraso(ret) ;

aux1=alto[ind]-0x01; aux2=b ajo[ind];

band =0x00; EN ABLE_IN TER RUPTS(IN T_RDA2); //Inicia operacion d e los dac's

flag=1; FOR(i=0x00;i<no _ciclo && band! =0x01;i=i+0x01){

nc =i+1 ; //Funciones para flexionar o extender flexion(alto,b ajo,act,alto _max,bajo _max,d elay,flag,ind) ;

extension(al to,bajo ,act ,aux1,0xC8,delay,flag,ind); }

DISABLE_IN TERRUP TS(IN T_RD A2); IF(b and==0x01){ PRIN TF("OPER ACION ABOR TADA");

band =lee_dato() ; ENABL E_INTERRUPTS( INT_RDA2);

extension(al to,bajo ,act ,aux1,0xC8,delay,flag,ind); DISABLE_IN TERRUPTS(INT_RDA2); lee_dato();

PRIN TF("FIN D E PRUEB A"); }ELSE{

band =lee_dato() ; IF(band==0x00){ PR INTF("FIN DE OP ERAC ION ");

in i_valvs(); } ELSE

PR INTF("FIN DE PRU EBA"); }

} ini_valvs(); RETURN;

}

INT d et_indice(IN T *altos){ INT ind; IF(al tos[0]==0x00 || altos[0]==0x30)

IF( altos[1]==0x10 || altos[1]==0x20) IF(altos[2]==0x20 || altos[2]==0x10)

ind =3; ELSE ind =2;

ELSE ind =1;

ELSE ind=0 ; RETURN ind;

}

INT val_retraso(IN T delay){ INT val ; SWITCH (delay){

CASE 0x01: val=21; BR EAK;

CASE 0x02: val=30;

BR EAK; CASE 0x03: val=25;

BR EAK; CASE 0x04:

val=20; BR EAK; DEFAULT:

BR EAK; }

RETURN val; }

VOID ini_valvs(){ INT act[8],alto[8],j ;

act[0]=0x01; act[1] =0x02; act[2]=0x04; act[3] =0x08; act[4]=0x10; ac t[5]=0x20; act[6]=0x40; ac t[7]=0x80; alto[0]=0x03; alto[1]=0x13; alto[2]=0x23; alto[3]=0x33; alto[4]=0x40; alto[5]=0x50; alto[6]=0x60; al to[7]=0x70; FOR(j=0;j<8;j++)

dac(al to[j],0x00,act[j]); }

VOID flex ion(INT *al tos,INT *b ajos,IN T *acts,IN T alto_max ,IN T bajo _max,INT vel ,INT flag,IN T ind){

104 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

INT inc_bajo,j,val_max;

inc_bajo=val_incremento(vel) ; val_max=0x F0;

DO{ IF(b and != 0x01){ //Escribir al DAC

FO R(j=0;j<4 ;j++) d ac(altos[j],bajos[j],acts[j]);

led(0,2); IF(altos[ind]==alto_max && bajos[ind]==b ajo_max) flag=0;

ELSE{ IF(bajos[ind]==val_max){

IF((altos[0]>0x00 && altos[0]<0x10) || altos[0]>0x30) altos[0]=altos[0]+0x01; IF((altos[1]>0x10 && altos[1]<0x20) || (al tos[1]>0x20 && altos[1]<0x30))

altos[1]=altos[1]+0x01; IF((altos[2]>0x20 && altos[2]<0x30) || (al tos[2]>0x10 && altos[2]<0x20))

altos[2]=altos[2]+0x01; IF( altos[3]>0x30 || (altos[3]>0x10 && altos[3]<0x20)) altos[3]=altos[3]+0x01;

FOR(j=0;j<4;j++) bajos[j]=0x00;

} ELSE{ IF((altos[0]>0x00 && altos[0]<0x10) || altos[0]>0x30) bajos[0]=bajos[0]+inc_b ajo;

IF((altos[1]>0x10 && altos[1]<0x20) || (al tos[1]>0x20 && altos[1]<0x30)) bajos[1]=bajos[1]+inc_b ajo; IF((altos[2]>0x20 && altos[2]<0x30) || (al tos[2]>0x10 && altos[2]<0x20))

bajos[2]=bajos[2]+inc_b ajo; IF( altos[3]>0x30 || (altos[3]>0x10 && altos[3]<0x20))

bajos[3]=bajos[3]+inc_b ajo; } IF(tipo _delay(vel)==1)//Delay en ms

DELAY_MS(vel); ELSE//Delay en us

DELAY_US(vel); } }

alto _ac t=altos[ind]; bajo _act=bajos[ind];

}WHILE(flag==1 && band! =0x01); }

VOID ex tension(INT *altos,IN T *bajos,IN T *acts,INT alto _min,INT bajo _min ,INT vel,IN T flag,INT ind){ INT inc_bajo,j,val_max;

inc_bajo=val_incremento(vel) ; val_max=0x F0; DO{

IF(b and != 0x01){ //d ecrementar bajo o alto

IF(bajos[ind]==0x00){ IF((altos[0]>0x00 && altos[0]<0x10) || altos[0]>0x30){ altos[0]=altos[0]-0x01;

bajos[0]=val_max ; } IF((altos[1]>0x10 && altos[1]<0x20) || (altos[1]>0x20 && altos[1]<0x30)){

altos[1]=altos[1]-0x01; bajos[1]=val_max ;

} IF((altos[2]>0x20 && altos[2]<0x30) || (altos[2]>0x10 && altos[2]<0x20)){ altos[2]=altos[2]-0x01;

bajos[2]=val_max ; }

IF(al tos[3]>0x30 || (altos[3]>0x10 && al tos[3]<0x20)){ altos[3]=altos[3]-0x01; bajos[3]=val_max ;

} }EL SE{

IF((altos[0]>0x00 && altos[0]<0x10) || altos[0]>0x30) bajos[0]=bajos[0]-inc_bajo; IF((altos[1]>0x10 && altos[1]<0x20) || (altos[1]>0x20 && altos[1]<0x30))

bajos[1]=bajos[1]-inc_bajo; IF((altos[2]>0x20 && altos[2]<0x30) || (altos[2]>0x10 && altos[2]<0x20))

bajos[2]=bajos[2]-inc_bajo; IF(al tos[3]>0x30 || (altos[3]>0x10 && al tos[3]<0x20)) bajos[3]=bajos[3]-inc_bajo;

} //escribir DAC's

FO R(j=0;j<4 ;j++) d ac(altos[j],bajos[j],acts[j]);

Anexos 105

led(0,2);

IF(tipo_d elay(vel) ==1)//D elay en ms D ELAY_MS(vel) ;

ELSE//Delay en us D ELAY_US(vel) ; IF(altos[ind]==alto_min && bajos[ind]==bajo _min)

flag=0; }

alto _ac t=altos[ind]; bajo _act=bajos[ind]; }WHILE(flag==1 && band! =0x01);

RETURN; }

INT val_incremento(INT vel){ INT val ;

SWITCH (vel){ CASE 21:

val=0x05; BR EAK; CASE 30:

val=0x0A; BR EAK;

CASE 25: val=0x14; BR EAK;

CASE 20: val=0x14; BR EAK;

DEFAULT: BR EAK;

} RETURN val; }

INT tipo _delay(IN T vel){

INT val ; SWITCH (vel){ CASE 21:

val=1 ; BR EAK;

CASE 30: val=1 ; BR EAK;

CASE 25: val=1 ;

BR EAK; CASE 20: val=0 ;

BR EAK; DEFAULT:

BR EAK; } RETURN val;

}

106 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos

Anexos 107

Anexo E: Pantallas dentro del evento “Pacientes y terapias” El presente anexo contiene las pantallas de las opciones disponibles para la sección de archivo,

recordando, estas pantallas aparecen al frente del monitor en el momento en que son

seleccionadas dentro del evento correspondiente.

Figura E1: Pantallas de Pacientes y Terapias: (a) Agregar; (b) Eliminar; (c) Modificar; (d) Historial; (e) Buscar

108 Diseño de un equipo para rehabilitación de dedos