VI Congreso Internacional Sectei 2019VI Congreso Internacional De La Ciencia TecnologiacuteaEmprendimiento E Innovacioacuten 2019Volume 2020

Conference Paper

Disentildeo y Simulacioacuten Mecaacutenica de unActuador Hidraacuteulico Rotativo Sumergible ParaAplicacioacuten en Hidroterapia

Design and Mechanical Simulation of aSubmersible Rotary Hydraulic Actuator forHydrotherapy ApplicationM Peacuterez Bayas S Coba E Pozo and M Ordontildeez

Facultad de Mecaacutenica Escuela Superior Politeacutecnica de Chimborazo Panamericana Sur km 1 frac12Riobamba Ecuador

ResumenEl presente trabajo demuestra el proceso en la investigacioacuten inicial para el desarrollode un actuador giratorio hidraacuteulico para fines terapeacuteuticos El dispositivo se basa enla necesidad de un aparato motor aplicable a la rehabilitacioacuten de lesiones de rodillacon la capacidad de ser usado en la hidroterapia para lo cual se realiza una revisioacutenbibliograacutefica y se define el comportamiento del actuador en funcioacuten a los fenoacutemenosde presioacuten y flujo definiendo asiacute las funciones para el par y la velocidad del actuadorEn una primera etapa se presenta un modelo simplificado del actuador para luegosimular el comportamiento mecaacutenico de los componentes con la ayuda de un softwarede anaacutelisis de elementos finitos Concluyendo con la validacioacuten de los elementosprincipales del actuador llamados eje y aleta sometidos a los paraacutemetros delimitadospara la aplicacioacuten dejando la base de un modelo del mecanismo uacutetil para el caacutelculo dela dinaacutemica del sistema como siguiente paso de la investigacioacutenAbstract The present work demonstrates the process in the research and developmentof a hydraulic rotary actuator for therapeutic purposes The device is based on the needfor a motor apparatus applicable to the rehabilitation of knee injuries with the ability tobe used in hydrotherapy for which a literature review is performed and the behavior ofthe actuator is defined depending on the pressure and flow phenomena thus definingthe functions for the torque and speed of the actuator In the first stage a simplifiedmodel of the actuator is presented to proceed to simulate the mechanical behaviorof the components with the help of finite element analysis software Concluding withthe validation of the main elements of the actuator called axis and fin subject to theparameters defined for the application leaving the basis of a model of the mechanismuseful for calculating the dynamics of the system as the next step of the investigation

Palabras claves Actuador rotatorio Simulacioacuten Disentildeo Mecaacutenica hidraacuteulicaKeywords Rotary actuator Simulation Design Hydraulic Mechanics

How to cite this article M Peacuterez Bayas S Coba E Pozo and M Ordontildeez (2020) ``Disentildeo y Simulacioacuten Mecaacutenica de un Actuador HidraacuteulicoRotativo Sumergible Para Aplicacioacuten en Hidroterapia in VI Congreso Internacional De La Ciencia Tecnologiacutea Emprendimiento E Innovacioacuten 2019KnE Engineering pages 64--78 DOI 1018502kegv5i26221

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Corresponding Author

M Peacuterez Bayas

miguelperezespocheduec

Received 10 January 2020

Accepted 17 January 2020

Published 26 January 2020

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M Peacuterez Bayas et al This

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Congreso Internacional Sectei

2019 Conference Committee

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1 Introduccioacuten

La terapia acuaacutetica asocia los conocimientos fisioterapeacuteuticos en el proceso de reha-bilitacioacuten neuroloacutegica y los beneficios que el entorno acuaacutetico puede aportar para larecuperacioacuten de procesos patoloacutegicos a cualquier edad las mismas que combinanteacutecnicas especiacuteficas que utilizan las propiedades del agua para producir efectos defacilitacioacuten y resistencia para llevar a cabo patrones especiacuteficos de movimientos conobjetivos exclusivamente terapeacuteuticos de rehabilitacioacuten [1] [2 3]

El desarrollo de nuevos dispositivos para uso en la rehabilitacioacuten no tradicionalampliacutea la posibilidad de recuperacioacuten de un gran grupo de pacientes de diferentesedades y condiciones Esta solucioacuten dinamiza la rehabilitacioacuten auto asistida aportandouna solucioacuten maacutes econoacutemica que beneficia a los habitantes de la regioacuten central delpaiacutes donde no se acostumbra practicar este tipo de asistencias daacutendoles la posibilidadde una mejor calidad de vida[4]

Actualmente existen muacuteltiples ejemplos de sistemas roboacuteticos que hacen uso deactuadores hidraacuteulicos con el fin de lograr el maacuteximo rendimiento de trabajo y evi-tar los inconvenientes de los sistemas claacutesicos varios autores han contribuido a lainvestigacioacuten y el desarrollo de unidades motrices roboacuteticas combinadas

En el trabajo de Karanovic et all [5] El desarrollo de sistemas roboacuteticos siempreprioriza la realizacioacuten de tareas asignadas con una maacutexima eficiencia las cuales debencumplir baacutesicamente las siguientes caracteriacutesticas un disentildeo funcional una unidad decontrol optimizada y una unidad motriz tomando en cuenta la dinaacutemica del sistema

Ademaacutes estos sistemas se ven limitados en gran medida por el sistema motores decir el sistema hidraacuteulico y sus actuadores que suelen ser muy grandes paraaplicaciones especiacuteficas

Esto presenta un limitante importante a la hora del disentildeo y construccioacuten de sistemasreducidos que requieran una alta relacioacuten PotenciaTamantildeo especialmente para dis-positivos de rehabilitacioacuten como es el caso de sistemas de soporte y aumento comoexoesqueletos robots caminantes y demaacutes aplicaciones que ya son una realidad hoyen diacutea

En Amundson [6] se da a conocer un sistema Hiacutebrido eleacutectrico-hidraacuteulico que ayudaa definir la unidad central de energiacutea hidraacuteulica sobre un sistema para robots de servicio

Tsagarakis [7] presenta los resultados de una unidad compacta hidraacuteulica parapequentildeos robots

Esser [8] desarrolla una nueva fuente de alimentacioacuten hidraacuteulica para robots

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Tomando una de las alternativas y sabiendo que los requerimientos de la unidadmotriz para trabajos submarinos (altas presiones autonomiacutea grandes esfuerzos ycargas) se analiza el uso de los accionamientos hidraacuteulicos para aplicaciones roboacuteticasrobustas que realizan tareas bajo cargas de trabajo pesadas Sin embargo gracias a lasmejoras en la tecnologiacutea de fabricacioacuten avanzada el uso de accionamientos hidraacuteulicosen sistemas roboacuteticos en miniatura estaacute aumentando Estas nuevas soluciones minia-turizadas se desarrollan con el propoacutesito de lograr la maacutexima eficiencia y una mejorexplotacioacuten de los recursos disponibles (materiales tamantildeo energiacutea etc)

El objetivo de la presente investigacioacuten se centra en la etapa inicial de disentildeo ysimulacioacuten del mecanismo de un sistema servo hidraacuteulico compacto para uso acuaacuteticoque responda a los requerimientos planteados para su aplicacioacuten como elemento motorde un dispositivo de rehabilitacioacuten para lesiones de rodilla aplicado a la hidroterapia

2 Materiales y Meacutetodos

21 Definicioacuten del modelo del actuador

El objetivo final del actuador rotatorio es generar unmovimiento giratorio El movimientoangular suele estar limitado a un aacutengulo maacuteximo de rotacioacuten[9]--[12]

Como tal actualmente se distinguen 3 tipos de actuadores rotativos

a Actuadores rotativos con aleta giratoria - que se accionan por la presioacuten delfluido sobre una cara de su aleta Esta aleta gira sobre un eje dentro de unrecinto cerrado que mantiene la presioacuten en una de las dos caacutemaras del actuadorPresentan rangos de rotacioacuten hasta de 270∘ y toleran torques pequentildeos[13] [14]

Figure 1 Actuador rotario de veleta rotatoria doble [28]

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b Actuadores rotativos con pintildeoacuten y cremallera - Son actuadores rotativos quehacen uso de 1 o 2 cilindros internos de desplazamiento lineal para producirla rotacioacuten de un eje a traveacutes de un mecanismo pintildeoacuten cremallera[13]

Figure 2 Actuador de pintildeoacuten y cremallera [28]

c Actuadores giratorios y lineales - Estos actuadores rotativos utilizan el principiode los pistones hidraacuteulicos para producir el desplazamiento de un embolo dentrode otro Ambos eacutembolos se encuentran relacionados entre siacute y con la carcasa atraveacutes de un engranaje helicoidal que transforma el movimiento lineal del primerembolo en un movimiento rotacional del segundo Este tipo de actuadores operacon altiacutesimas presiones y entrega altos torque a cambio de tener un recorridoangular de 90∘ maacuteximo[15] [16]

Figure 3 Actuador giratorio lineal [28]

Despueacutes de analizar los distintos tipos de actuadores rotativos se escoge un desar-rollo del modelo en base al tipo de aleta rotatorio que presenta una relacioacuten favorableentre funcionalidad y complejidad para el tipo de aplicacioacuten planteada

Siguiendo esta base los modelos existentes de este tipo de actuador rotativoneumaacutetico con caracteriacutesticas similares a las buscadas por el modelo permitendelimitar algunas variables requeridas como relaciones dimensionales formas desellado y demaacutes[17]--[20]

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22 Fiacutesica del actuador

Como tal un actuador es un dispositivo inherentemente mecaacutenico cuya funcioacuten esproporcionar fuerza para mover o ``actuar otro dispositivo mecaacutenico La fuerza queprovoca el actuador proviene de tres fuentes posibles Presioacuten neumaacutetica presioacutenhidraacuteulica y fuerza motriz eleacutectrica (motor eleacutectrico o solenoide) En el caso de losactuadores hidraacuteulicos rotativos estos son alimentados con fluido a presioacuten y se obtienevelocidad angular y momento a partir de la perdida de presioacuten del fluido (11)

119875119890 = 119875119876 (1)

Donde Pe = Potencia de entrada [Vatios] P=presioacuten[Pa] y Q= Caudal[m3s]

La variacioacuten de presioacuten puede determinarse por la diferencia de presioacuten entre laentrada y la salida del actuador En estas expresiones no se considera las peacuterdidas porrozamiento que existen y no se debe dejar de tenerlas en cuenta para las realizacionespraacutecticas

La potencia mecaacutenica proporcionada por el actuador estaraacute dada en los actuadoresrotacionales en funcioacuten del torque y la velocidad angular expresado como

119875119904 = 119879120596 (2)

a Definicioacuten De Torque - El torque que proporciona el actuador se puede definirpor como la presioacuten actuacutea sobre un lado de la aleta del eje y por lo tanto puede serdefinida para una configuracioacuten simplificada del actuador de la siguiente manera

119879 = 119875 lowast 119886 lowast 119887 lowast (119863 + 1198862 ) (3)

Donde a=altura expuesta de la aleta [m] b=ancho total de aleta [m] D=diaacutemetro eje enla seccioacuten de la aleta [m]

Considerando que las expresiones 119886 119887 119910 119863 son magnitudes dimensionales queno variaraacuten se determina que el torque generado por el actuador es directamenteproporcional a la presioacuten del fluido que ingresa a eacuteste

b Definicioacuten de velocidad - De manera similar que con el torque la velocidad degiro del actuador puede definirse por la variacioacuten del volumen de una de lascaacutemaras del actuador (similar a una corteza ciliacutendrica) asiacute obtenemos la siguienteexpresioacuten

120596 = 1

[(1198772minus11990312)lowast120587lowast1198871

360 ]119876 (4)

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Figure 4 Diagrama del eje y paleta

Figure 5 Diagrama de corteza ciliacutendrica que simula una caacutemara del actuador

Donde =velocidad angular del eje en el actuador [rads] R=radio exterior de la cortezaciliacutendrica r1=radio interior de la corteza ciliacutendrica y b1=altura de la corteza ciliacutendrica

23 Modelo

Considerando una primera fase de disentildeo se desarrolloacute un modelo computarizado delprototipo con la ayuda del software Solidworks presentando una simplificacioacuten en cadauna de sus partes [21]--[23]

La carcaza estaacute configurada en 3 partes con un cuerpo central que conforma elbloque central del actuador sobre el que se montaran 2 tapas una delantera y otraposterior que serviraacuten como puntos de apoyo para el eje y la aleta y tambieacuten confinaranel volumen del actuador a traveacutes de su sellado [17]

El modelo presentado y sus caracteriacutesticas se presentan en la tabla 1

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Table 1 Caracteriacutesticas del prototipo del actuador

CARACTERIacuteSTICAS DIMENSIONES

Tamantildeo (axbxH) 60x60x45 mm

Peso 15 kg

Caudal nominal 9 Lmin

Presioacuten del sistema 29x10minus3 Mpa (043 psi)

Consumo maacuteximo de potencia 500 W

Figure 6 Modelo del actuador hidraacuteulico rotativo

Figure 7 Despiece del modelo

Se evidencia entonces en el disentildeo del actuador una decisioacuten basada en la simpli-cidad forma y tamantildeo para la construccioacuten del actuador el mismo que funcionaraacute enbase a la posicioacuten de una aleta impulsada por presioacuten de aceite hidraacuteulico

Ademaacutes de lo expuesto la presioacuten maacutexima de funcionamiento del actuador seraacutetomada como la presioacuten maacutexima del sistema hidraacuteulico e inicialmente se la debe

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calcular en funcioacuten de los movimientos criacuteticos (maacutes singulares) en los escenariosde trabajo

Para ello considerando que el servomecanismo seraacute instalado en un sistema reha-bilitador de rodilla un exoesqueleto por ejemplo las proporciones antropomeacutetricas sepueden definir como las longitudes de las posiciones maacuteximas (cadera al tobillo)

En el trabajo de Maldonado [24] se muestran las medidas antropomeacutetricas de unexoesqueleto y especiacuteficamente la de la cadera al tobillo extendidos como 850 mm(085m)

Dichas dimensiones pueden definir los valores maacuteximos de torque requeridos prin-cipalmente en la articulacioacuten de la cadera que seraacute la de requerimientos maacutes grandesde presioacuten ya que al momento de realizar un ciclo de marcha y teniendo tres puntosde apoyo (pie mano izquierda y mano derecha) la otra pierna deberaacute moverse enbase al torque desarrollado en esa articulacioacuten

Para una simulacioacuten del ciclo de marcha debajo del agua Veras-Duarte [25] indicanque el torque maacuteximo requerido para la articulacioacuten de la cadera a poca profundidades de 9 Nm

Se puede calcular entonces que la fuerza requerida para mover la pierna desde lacadera es de 106 N

A su vez para un aacuterea de A=3600mm2 (36x10minus3m2) correspondiente a una aletaseguacuten el disentildeo propuesto para el actuador se tiene una presioacuten aproximada deP=2944x10minus3 Mpa (043 psi) que es la presioacuten miacutenima a la cual se deberiacutea realizarel disentildeo y caacutelculo hidraacuteulico del actuador

El valor de la presioacuten es muy bajo pero no puede ser reemplazado por un actuadorneumaacutetico debido a las exigencias de precisioacuten en el posicionamiento angular querequiere el servomecanismo ya que debido a la compresioacuten existente en el fluiacutedo(aire) eacuteste variariacutea ampliamente la respuesta angular del actuador

3 Resultados y discusioacuten

Para simular el efecto de la presioacuten sobre las partes moacuteviles del actuador se simuloel comportamiento del conjunto Eje-Aleta en el propio entorno de Solidworks [26]considerando los siguientes paraacutemetros de simulacioacuten

bull Presioacuten aplicada 40 PSI

bull Material AISI 1045 Acero Estirado en Frio

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Figure 8 Aplicacioacuten de cargas y apoyos para simulacioacuten en Solidworks

En esta primera simulacioacuten se consideran dos casos en los que se variacutean los apoyos

1 En uno de ellos se considera a los apoyos del eje como puntos fijos lo quedetermina la deformacioacuten de la aleta en su parte superior que es de gran intereacutespara determinar una posible interferencia entre esta y la carcasa del actuador

Figure 9 Simulacioacuten de la esfuerzos de la aleta con los apoyos del eje como puntos fijos

2 En un segundo caso se considera el efecto de una carga resistiva al movimientodel actuador proporcionando un punto fijo en una cara de la chaveta del ejey usando los puntos de apoyo del eje como rodamientos Esta simulacioacuten nospresenta que el eje falla en la zona de la chaveta

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

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Tomando una de las alternativas y sabiendo que los requerimientos de la unidadmotriz para trabajos submarinos (altas presiones autonomiacutea grandes esfuerzos ycargas) se analiza el uso de los accionamientos hidraacuteulicos para aplicaciones roboacuteticasrobustas que realizan tareas bajo cargas de trabajo pesadas Sin embargo gracias a lasmejoras en la tecnologiacutea de fabricacioacuten avanzada el uso de accionamientos hidraacuteulicosen sistemas roboacuteticos en miniatura estaacute aumentando Estas nuevas soluciones minia-turizadas se desarrollan con el propoacutesito de lograr la maacutexima eficiencia y una mejorexplotacioacuten de los recursos disponibles (materiales tamantildeo energiacutea etc)

El objetivo de la presente investigacioacuten se centra en la etapa inicial de disentildeo ysimulacioacuten del mecanismo de un sistema servo hidraacuteulico compacto para uso acuaacuteticoque responda a los requerimientos planteados para su aplicacioacuten como elemento motorde un dispositivo de rehabilitacioacuten para lesiones de rodilla aplicado a la hidroterapia

2 Materiales y Meacutetodos

21 Definicioacuten del modelo del actuador

El objetivo final del actuador rotatorio es generar unmovimiento giratorio El movimientoangular suele estar limitado a un aacutengulo maacuteximo de rotacioacuten[9]--[12]

Como tal actualmente se distinguen 3 tipos de actuadores rotativos

a Actuadores rotativos con aleta giratoria - que se accionan por la presioacuten delfluido sobre una cara de su aleta Esta aleta gira sobre un eje dentro de unrecinto cerrado que mantiene la presioacuten en una de las dos caacutemaras del actuadorPresentan rangos de rotacioacuten hasta de 270∘ y toleran torques pequentildeos[13] [14]

Figure 1 Actuador rotario de veleta rotatoria doble [28]

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b Actuadores rotativos con pintildeoacuten y cremallera - Son actuadores rotativos quehacen uso de 1 o 2 cilindros internos de desplazamiento lineal para producirla rotacioacuten de un eje a traveacutes de un mecanismo pintildeoacuten cremallera[13]

Figure 2 Actuador de pintildeoacuten y cremallera [28]

c Actuadores giratorios y lineales - Estos actuadores rotativos utilizan el principiode los pistones hidraacuteulicos para producir el desplazamiento de un embolo dentrode otro Ambos eacutembolos se encuentran relacionados entre siacute y con la carcasa atraveacutes de un engranaje helicoidal que transforma el movimiento lineal del primerembolo en un movimiento rotacional del segundo Este tipo de actuadores operacon altiacutesimas presiones y entrega altos torque a cambio de tener un recorridoangular de 90∘ maacuteximo[15] [16]

Figure 3 Actuador giratorio lineal [28]

Despueacutes de analizar los distintos tipos de actuadores rotativos se escoge un desar-rollo del modelo en base al tipo de aleta rotatorio que presenta una relacioacuten favorableentre funcionalidad y complejidad para el tipo de aplicacioacuten planteada

Siguiendo esta base los modelos existentes de este tipo de actuador rotativoneumaacutetico con caracteriacutesticas similares a las buscadas por el modelo permitendelimitar algunas variables requeridas como relaciones dimensionales formas desellado y demaacutes[17]--[20]

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22 Fiacutesica del actuador

Como tal un actuador es un dispositivo inherentemente mecaacutenico cuya funcioacuten esproporcionar fuerza para mover o ``actuar otro dispositivo mecaacutenico La fuerza queprovoca el actuador proviene de tres fuentes posibles Presioacuten neumaacutetica presioacutenhidraacuteulica y fuerza motriz eleacutectrica (motor eleacutectrico o solenoide) En el caso de losactuadores hidraacuteulicos rotativos estos son alimentados con fluido a presioacuten y se obtienevelocidad angular y momento a partir de la perdida de presioacuten del fluido (11)

119875119890 = 119875119876 (1)

Donde Pe = Potencia de entrada [Vatios] P=presioacuten[Pa] y Q= Caudal[m3s]

La variacioacuten de presioacuten puede determinarse por la diferencia de presioacuten entre laentrada y la salida del actuador En estas expresiones no se considera las peacuterdidas porrozamiento que existen y no se debe dejar de tenerlas en cuenta para las realizacionespraacutecticas

La potencia mecaacutenica proporcionada por el actuador estaraacute dada en los actuadoresrotacionales en funcioacuten del torque y la velocidad angular expresado como

119875119904 = 119879120596 (2)

a Definicioacuten De Torque - El torque que proporciona el actuador se puede definirpor como la presioacuten actuacutea sobre un lado de la aleta del eje y por lo tanto puede serdefinida para una configuracioacuten simplificada del actuador de la siguiente manera

119879 = 119875 lowast 119886 lowast 119887 lowast (119863 + 1198862 ) (3)

Donde a=altura expuesta de la aleta [m] b=ancho total de aleta [m] D=diaacutemetro eje enla seccioacuten de la aleta [m]

Considerando que las expresiones 119886 119887 119910 119863 son magnitudes dimensionales queno variaraacuten se determina que el torque generado por el actuador es directamenteproporcional a la presioacuten del fluido que ingresa a eacuteste

b Definicioacuten de velocidad - De manera similar que con el torque la velocidad degiro del actuador puede definirse por la variacioacuten del volumen de una de lascaacutemaras del actuador (similar a una corteza ciliacutendrica) asiacute obtenemos la siguienteexpresioacuten

120596 = 1

[(1198772minus11990312)lowast120587lowast1198871

360 ]119876 (4)

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Figure 4 Diagrama del eje y paleta

Figure 5 Diagrama de corteza ciliacutendrica que simula una caacutemara del actuador

Donde =velocidad angular del eje en el actuador [rads] R=radio exterior de la cortezaciliacutendrica r1=radio interior de la corteza ciliacutendrica y b1=altura de la corteza ciliacutendrica

23 Modelo

Considerando una primera fase de disentildeo se desarrolloacute un modelo computarizado delprototipo con la ayuda del software Solidworks presentando una simplificacioacuten en cadauna de sus partes [21]--[23]

La carcaza estaacute configurada en 3 partes con un cuerpo central que conforma elbloque central del actuador sobre el que se montaran 2 tapas una delantera y otraposterior que serviraacuten como puntos de apoyo para el eje y la aleta y tambieacuten confinaranel volumen del actuador a traveacutes de su sellado [17]

El modelo presentado y sus caracteriacutesticas se presentan en la tabla 1

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Table 1 Caracteriacutesticas del prototipo del actuador

CARACTERIacuteSTICAS DIMENSIONES

Tamantildeo (axbxH) 60x60x45 mm

Peso 15 kg

Caudal nominal 9 Lmin

Presioacuten del sistema 29x10minus3 Mpa (043 psi)

Consumo maacuteximo de potencia 500 W

Figure 6 Modelo del actuador hidraacuteulico rotativo

Figure 7 Despiece del modelo

Se evidencia entonces en el disentildeo del actuador una decisioacuten basada en la simpli-cidad forma y tamantildeo para la construccioacuten del actuador el mismo que funcionaraacute enbase a la posicioacuten de una aleta impulsada por presioacuten de aceite hidraacuteulico

Ademaacutes de lo expuesto la presioacuten maacutexima de funcionamiento del actuador seraacutetomada como la presioacuten maacutexima del sistema hidraacuteulico e inicialmente se la debe

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calcular en funcioacuten de los movimientos criacuteticos (maacutes singulares) en los escenariosde trabajo

Para ello considerando que el servomecanismo seraacute instalado en un sistema reha-bilitador de rodilla un exoesqueleto por ejemplo las proporciones antropomeacutetricas sepueden definir como las longitudes de las posiciones maacuteximas (cadera al tobillo)

En el trabajo de Maldonado [24] se muestran las medidas antropomeacutetricas de unexoesqueleto y especiacuteficamente la de la cadera al tobillo extendidos como 850 mm(085m)

Dichas dimensiones pueden definir los valores maacuteximos de torque requeridos prin-cipalmente en la articulacioacuten de la cadera que seraacute la de requerimientos maacutes grandesde presioacuten ya que al momento de realizar un ciclo de marcha y teniendo tres puntosde apoyo (pie mano izquierda y mano derecha) la otra pierna deberaacute moverse enbase al torque desarrollado en esa articulacioacuten

Para una simulacioacuten del ciclo de marcha debajo del agua Veras-Duarte [25] indicanque el torque maacuteximo requerido para la articulacioacuten de la cadera a poca profundidades de 9 Nm

Se puede calcular entonces que la fuerza requerida para mover la pierna desde lacadera es de 106 N

A su vez para un aacuterea de A=3600mm2 (36x10minus3m2) correspondiente a una aletaseguacuten el disentildeo propuesto para el actuador se tiene una presioacuten aproximada deP=2944x10minus3 Mpa (043 psi) que es la presioacuten miacutenima a la cual se deberiacutea realizarel disentildeo y caacutelculo hidraacuteulico del actuador

El valor de la presioacuten es muy bajo pero no puede ser reemplazado por un actuadorneumaacutetico debido a las exigencias de precisioacuten en el posicionamiento angular querequiere el servomecanismo ya que debido a la compresioacuten existente en el fluiacutedo(aire) eacuteste variariacutea ampliamente la respuesta angular del actuador

3 Resultados y discusioacuten

Para simular el efecto de la presioacuten sobre las partes moacuteviles del actuador se simuloel comportamiento del conjunto Eje-Aleta en el propio entorno de Solidworks [26]considerando los siguientes paraacutemetros de simulacioacuten

bull Presioacuten aplicada 40 PSI

bull Material AISI 1045 Acero Estirado en Frio

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Figure 8 Aplicacioacuten de cargas y apoyos para simulacioacuten en Solidworks

En esta primera simulacioacuten se consideran dos casos en los que se variacutean los apoyos

1 En uno de ellos se considera a los apoyos del eje como puntos fijos lo quedetermina la deformacioacuten de la aleta en su parte superior que es de gran intereacutespara determinar una posible interferencia entre esta y la carcasa del actuador

Figure 9 Simulacioacuten de la esfuerzos de la aleta con los apoyos del eje como puntos fijos

2 En un segundo caso se considera el efecto de una carga resistiva al movimientodel actuador proporcionando un punto fijo en una cara de la chaveta del ejey usando los puntos de apoyo del eje como rodamientos Esta simulacioacuten nospresenta que el eje falla en la zona de la chaveta

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 73

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

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Systems Springer-Verlag London Limited 2007

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ICRA09 IEEE International Conference on 2009 pp 4356-4362

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[10] K Amundson J Raade N Harding and H Kazerooni Hybrid Hydraulic-ElectricPower Unit for Field and Service Robots in Intelligent Robots and Systems (IROS

2005) 2005 IEEERSJ International Conference on 2005 pp 3453-3458

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[16] B Mutton ``Aplicaciones de la Neumatica pp 84--86 2008

[17] FESTO ``Actuadores giratorios con aleta basculante DRVS 2018 [Online] Availablehttpswwwfestocomcmses-ve_ve53717htm

[18] H Stewart ``Hydraulic and Pneumatic Power Systems Aviat Maint Tech Handb -

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[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

DOI 1018502kegv5i26221 Page 77

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b Actuadores rotativos con pintildeoacuten y cremallera - Son actuadores rotativos quehacen uso de 1 o 2 cilindros internos de desplazamiento lineal para producirla rotacioacuten de un eje a traveacutes de un mecanismo pintildeoacuten cremallera[13]

Figure 2 Actuador de pintildeoacuten y cremallera [28]

c Actuadores giratorios y lineales - Estos actuadores rotativos utilizan el principiode los pistones hidraacuteulicos para producir el desplazamiento de un embolo dentrode otro Ambos eacutembolos se encuentran relacionados entre siacute y con la carcasa atraveacutes de un engranaje helicoidal que transforma el movimiento lineal del primerembolo en un movimiento rotacional del segundo Este tipo de actuadores operacon altiacutesimas presiones y entrega altos torque a cambio de tener un recorridoangular de 90∘ maacuteximo[15] [16]

Figure 3 Actuador giratorio lineal [28]

Despueacutes de analizar los distintos tipos de actuadores rotativos se escoge un desar-rollo del modelo en base al tipo de aleta rotatorio que presenta una relacioacuten favorableentre funcionalidad y complejidad para el tipo de aplicacioacuten planteada

Siguiendo esta base los modelos existentes de este tipo de actuador rotativoneumaacutetico con caracteriacutesticas similares a las buscadas por el modelo permitendelimitar algunas variables requeridas como relaciones dimensionales formas desellado y demaacutes[17]--[20]

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22 Fiacutesica del actuador

Como tal un actuador es un dispositivo inherentemente mecaacutenico cuya funcioacuten esproporcionar fuerza para mover o ``actuar otro dispositivo mecaacutenico La fuerza queprovoca el actuador proviene de tres fuentes posibles Presioacuten neumaacutetica presioacutenhidraacuteulica y fuerza motriz eleacutectrica (motor eleacutectrico o solenoide) En el caso de losactuadores hidraacuteulicos rotativos estos son alimentados con fluido a presioacuten y se obtienevelocidad angular y momento a partir de la perdida de presioacuten del fluido (11)

119875119890 = 119875119876 (1)

Donde Pe = Potencia de entrada [Vatios] P=presioacuten[Pa] y Q= Caudal[m3s]

La variacioacuten de presioacuten puede determinarse por la diferencia de presioacuten entre laentrada y la salida del actuador En estas expresiones no se considera las peacuterdidas porrozamiento que existen y no se debe dejar de tenerlas en cuenta para las realizacionespraacutecticas

La potencia mecaacutenica proporcionada por el actuador estaraacute dada en los actuadoresrotacionales en funcioacuten del torque y la velocidad angular expresado como

119875119904 = 119879120596 (2)

a Definicioacuten De Torque - El torque que proporciona el actuador se puede definirpor como la presioacuten actuacutea sobre un lado de la aleta del eje y por lo tanto puede serdefinida para una configuracioacuten simplificada del actuador de la siguiente manera

119879 = 119875 lowast 119886 lowast 119887 lowast (119863 + 1198862 ) (3)

Donde a=altura expuesta de la aleta [m] b=ancho total de aleta [m] D=diaacutemetro eje enla seccioacuten de la aleta [m]

Considerando que las expresiones 119886 119887 119910 119863 son magnitudes dimensionales queno variaraacuten se determina que el torque generado por el actuador es directamenteproporcional a la presioacuten del fluido que ingresa a eacuteste

b Definicioacuten de velocidad - De manera similar que con el torque la velocidad degiro del actuador puede definirse por la variacioacuten del volumen de una de lascaacutemaras del actuador (similar a una corteza ciliacutendrica) asiacute obtenemos la siguienteexpresioacuten

120596 = 1

[(1198772minus11990312)lowast120587lowast1198871

360 ]119876 (4)

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Figure 4 Diagrama del eje y paleta

Figure 5 Diagrama de corteza ciliacutendrica que simula una caacutemara del actuador

Donde =velocidad angular del eje en el actuador [rads] R=radio exterior de la cortezaciliacutendrica r1=radio interior de la corteza ciliacutendrica y b1=altura de la corteza ciliacutendrica

23 Modelo

Considerando una primera fase de disentildeo se desarrolloacute un modelo computarizado delprototipo con la ayuda del software Solidworks presentando una simplificacioacuten en cadauna de sus partes [21]--[23]

La carcaza estaacute configurada en 3 partes con un cuerpo central que conforma elbloque central del actuador sobre el que se montaran 2 tapas una delantera y otraposterior que serviraacuten como puntos de apoyo para el eje y la aleta y tambieacuten confinaranel volumen del actuador a traveacutes de su sellado [17]

El modelo presentado y sus caracteriacutesticas se presentan en la tabla 1

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Table 1 Caracteriacutesticas del prototipo del actuador

CARACTERIacuteSTICAS DIMENSIONES

Tamantildeo (axbxH) 60x60x45 mm

Peso 15 kg

Caudal nominal 9 Lmin

Presioacuten del sistema 29x10minus3 Mpa (043 psi)

Consumo maacuteximo de potencia 500 W

Figure 6 Modelo del actuador hidraacuteulico rotativo

Figure 7 Despiece del modelo

Se evidencia entonces en el disentildeo del actuador una decisioacuten basada en la simpli-cidad forma y tamantildeo para la construccioacuten del actuador el mismo que funcionaraacute enbase a la posicioacuten de una aleta impulsada por presioacuten de aceite hidraacuteulico

Ademaacutes de lo expuesto la presioacuten maacutexima de funcionamiento del actuador seraacutetomada como la presioacuten maacutexima del sistema hidraacuteulico e inicialmente se la debe

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calcular en funcioacuten de los movimientos criacuteticos (maacutes singulares) en los escenariosde trabajo

Para ello considerando que el servomecanismo seraacute instalado en un sistema reha-bilitador de rodilla un exoesqueleto por ejemplo las proporciones antropomeacutetricas sepueden definir como las longitudes de las posiciones maacuteximas (cadera al tobillo)

En el trabajo de Maldonado [24] se muestran las medidas antropomeacutetricas de unexoesqueleto y especiacuteficamente la de la cadera al tobillo extendidos como 850 mm(085m)

Dichas dimensiones pueden definir los valores maacuteximos de torque requeridos prin-cipalmente en la articulacioacuten de la cadera que seraacute la de requerimientos maacutes grandesde presioacuten ya que al momento de realizar un ciclo de marcha y teniendo tres puntosde apoyo (pie mano izquierda y mano derecha) la otra pierna deberaacute moverse enbase al torque desarrollado en esa articulacioacuten

Para una simulacioacuten del ciclo de marcha debajo del agua Veras-Duarte [25] indicanque el torque maacuteximo requerido para la articulacioacuten de la cadera a poca profundidades de 9 Nm

Se puede calcular entonces que la fuerza requerida para mover la pierna desde lacadera es de 106 N

A su vez para un aacuterea de A=3600mm2 (36x10minus3m2) correspondiente a una aletaseguacuten el disentildeo propuesto para el actuador se tiene una presioacuten aproximada deP=2944x10minus3 Mpa (043 psi) que es la presioacuten miacutenima a la cual se deberiacutea realizarel disentildeo y caacutelculo hidraacuteulico del actuador

El valor de la presioacuten es muy bajo pero no puede ser reemplazado por un actuadorneumaacutetico debido a las exigencias de precisioacuten en el posicionamiento angular querequiere el servomecanismo ya que debido a la compresioacuten existente en el fluiacutedo(aire) eacuteste variariacutea ampliamente la respuesta angular del actuador

3 Resultados y discusioacuten

Para simular el efecto de la presioacuten sobre las partes moacuteviles del actuador se simuloel comportamiento del conjunto Eje-Aleta en el propio entorno de Solidworks [26]considerando los siguientes paraacutemetros de simulacioacuten

bull Presioacuten aplicada 40 PSI

bull Material AISI 1045 Acero Estirado en Frio

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Figure 8 Aplicacioacuten de cargas y apoyos para simulacioacuten en Solidworks

En esta primera simulacioacuten se consideran dos casos en los que se variacutean los apoyos

1 En uno de ellos se considera a los apoyos del eje como puntos fijos lo quedetermina la deformacioacuten de la aleta en su parte superior que es de gran intereacutespara determinar una posible interferencia entre esta y la carcasa del actuador

Figure 9 Simulacioacuten de la esfuerzos de la aleta con los apoyos del eje como puntos fijos

2 En un segundo caso se considera el efecto de una carga resistiva al movimientodel actuador proporcionando un punto fijo en una cara de la chaveta del ejey usando los puntos de apoyo del eje como rodamientos Esta simulacioacuten nospresenta que el eje falla en la zona de la chaveta

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 73

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

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[4] D Ledia H G Garciacutea D Cruz M R Garciacutea D Isabel and G Fuentes ``Laboratoriosde Anticuerpos y Biomodelos Experimentales ARTICULACIOacuteN DE LA RODILLA YSU MECAacuteNICA ARTICULAR vol 7 no 2 pp 100--109 2003

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Airframe p 600 1977

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DOI 1018502kegv5i26221 Page 77

VI Congreso Internacional Sectei 2019

22 Fiacutesica del actuador

Como tal un actuador es un dispositivo inherentemente mecaacutenico cuya funcioacuten esproporcionar fuerza para mover o ``actuar otro dispositivo mecaacutenico La fuerza queprovoca el actuador proviene de tres fuentes posibles Presioacuten neumaacutetica presioacutenhidraacuteulica y fuerza motriz eleacutectrica (motor eleacutectrico o solenoide) En el caso de losactuadores hidraacuteulicos rotativos estos son alimentados con fluido a presioacuten y se obtienevelocidad angular y momento a partir de la perdida de presioacuten del fluido (11)

119875119890 = 119875119876 (1)

Donde Pe = Potencia de entrada [Vatios] P=presioacuten[Pa] y Q= Caudal[m3s]

La variacioacuten de presioacuten puede determinarse por la diferencia de presioacuten entre laentrada y la salida del actuador En estas expresiones no se considera las peacuterdidas porrozamiento que existen y no se debe dejar de tenerlas en cuenta para las realizacionespraacutecticas

La potencia mecaacutenica proporcionada por el actuador estaraacute dada en los actuadoresrotacionales en funcioacuten del torque y la velocidad angular expresado como

119875119904 = 119879120596 (2)

a Definicioacuten De Torque - El torque que proporciona el actuador se puede definirpor como la presioacuten actuacutea sobre un lado de la aleta del eje y por lo tanto puede serdefinida para una configuracioacuten simplificada del actuador de la siguiente manera

119879 = 119875 lowast 119886 lowast 119887 lowast (119863 + 1198862 ) (3)

Donde a=altura expuesta de la aleta [m] b=ancho total de aleta [m] D=diaacutemetro eje enla seccioacuten de la aleta [m]

Considerando que las expresiones 119886 119887 119910 119863 son magnitudes dimensionales queno variaraacuten se determina que el torque generado por el actuador es directamenteproporcional a la presioacuten del fluido que ingresa a eacuteste

b Definicioacuten de velocidad - De manera similar que con el torque la velocidad degiro del actuador puede definirse por la variacioacuten del volumen de una de lascaacutemaras del actuador (similar a una corteza ciliacutendrica) asiacute obtenemos la siguienteexpresioacuten

120596 = 1

[(1198772minus11990312)lowast120587lowast1198871

360 ]119876 (4)

DOI 1018502kegv5i26221 Page 68

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Figure 4 Diagrama del eje y paleta

Figure 5 Diagrama de corteza ciliacutendrica que simula una caacutemara del actuador

Donde =velocidad angular del eje en el actuador [rads] R=radio exterior de la cortezaciliacutendrica r1=radio interior de la corteza ciliacutendrica y b1=altura de la corteza ciliacutendrica

23 Modelo

Considerando una primera fase de disentildeo se desarrolloacute un modelo computarizado delprototipo con la ayuda del software Solidworks presentando una simplificacioacuten en cadauna de sus partes [21]--[23]

La carcaza estaacute configurada en 3 partes con un cuerpo central que conforma elbloque central del actuador sobre el que se montaran 2 tapas una delantera y otraposterior que serviraacuten como puntos de apoyo para el eje y la aleta y tambieacuten confinaranel volumen del actuador a traveacutes de su sellado [17]

El modelo presentado y sus caracteriacutesticas se presentan en la tabla 1

DOI 1018502kegv5i26221 Page 69

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Table 1 Caracteriacutesticas del prototipo del actuador

CARACTERIacuteSTICAS DIMENSIONES

Tamantildeo (axbxH) 60x60x45 mm

Peso 15 kg

Caudal nominal 9 Lmin

Presioacuten del sistema 29x10minus3 Mpa (043 psi)

Consumo maacuteximo de potencia 500 W

Figure 6 Modelo del actuador hidraacuteulico rotativo

Figure 7 Despiece del modelo

Se evidencia entonces en el disentildeo del actuador una decisioacuten basada en la simpli-cidad forma y tamantildeo para la construccioacuten del actuador el mismo que funcionaraacute enbase a la posicioacuten de una aleta impulsada por presioacuten de aceite hidraacuteulico

Ademaacutes de lo expuesto la presioacuten maacutexima de funcionamiento del actuador seraacutetomada como la presioacuten maacutexima del sistema hidraacuteulico e inicialmente se la debe

DOI 1018502kegv5i26221 Page 70

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calcular en funcioacuten de los movimientos criacuteticos (maacutes singulares) en los escenariosde trabajo

Para ello considerando que el servomecanismo seraacute instalado en un sistema reha-bilitador de rodilla un exoesqueleto por ejemplo las proporciones antropomeacutetricas sepueden definir como las longitudes de las posiciones maacuteximas (cadera al tobillo)

En el trabajo de Maldonado [24] se muestran las medidas antropomeacutetricas de unexoesqueleto y especiacuteficamente la de la cadera al tobillo extendidos como 850 mm(085m)

Dichas dimensiones pueden definir los valores maacuteximos de torque requeridos prin-cipalmente en la articulacioacuten de la cadera que seraacute la de requerimientos maacutes grandesde presioacuten ya que al momento de realizar un ciclo de marcha y teniendo tres puntosde apoyo (pie mano izquierda y mano derecha) la otra pierna deberaacute moverse enbase al torque desarrollado en esa articulacioacuten

Para una simulacioacuten del ciclo de marcha debajo del agua Veras-Duarte [25] indicanque el torque maacuteximo requerido para la articulacioacuten de la cadera a poca profundidades de 9 Nm

Se puede calcular entonces que la fuerza requerida para mover la pierna desde lacadera es de 106 N

A su vez para un aacuterea de A=3600mm2 (36x10minus3m2) correspondiente a una aletaseguacuten el disentildeo propuesto para el actuador se tiene una presioacuten aproximada deP=2944x10minus3 Mpa (043 psi) que es la presioacuten miacutenima a la cual se deberiacutea realizarel disentildeo y caacutelculo hidraacuteulico del actuador

El valor de la presioacuten es muy bajo pero no puede ser reemplazado por un actuadorneumaacutetico debido a las exigencias de precisioacuten en el posicionamiento angular querequiere el servomecanismo ya que debido a la compresioacuten existente en el fluiacutedo(aire) eacuteste variariacutea ampliamente la respuesta angular del actuador

3 Resultados y discusioacuten

Para simular el efecto de la presioacuten sobre las partes moacuteviles del actuador se simuloel comportamiento del conjunto Eje-Aleta en el propio entorno de Solidworks [26]considerando los siguientes paraacutemetros de simulacioacuten

bull Presioacuten aplicada 40 PSI

bull Material AISI 1045 Acero Estirado en Frio

DOI 1018502kegv5i26221 Page 71

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Figure 8 Aplicacioacuten de cargas y apoyos para simulacioacuten en Solidworks

En esta primera simulacioacuten se consideran dos casos en los que se variacutean los apoyos

1 En uno de ellos se considera a los apoyos del eje como puntos fijos lo quedetermina la deformacioacuten de la aleta en su parte superior que es de gran intereacutespara determinar una posible interferencia entre esta y la carcasa del actuador

Figure 9 Simulacioacuten de la esfuerzos de la aleta con los apoyos del eje como puntos fijos

2 En un segundo caso se considera el efecto de una carga resistiva al movimientodel actuador proporcionando un punto fijo en una cara de la chaveta del ejey usando los puntos de apoyo del eje como rodamientos Esta simulacioacuten nospresenta que el eje falla en la zona de la chaveta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 72

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 73

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

DOI 1018502kegv5i26221 Page 74

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

DOI 1018502kegv5i26221 Page 75

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

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Systems Springer-Verlag London Limited 2007

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[5] H Khan ``Development of a lightweight on-board hydraulic system for a quadrupedrobot DEVELOPMENT OF A LIGHTWEIGHT ON-BOARD HYDRAULIC SYSTEM noMay 2015 2016

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[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

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Figure 4 Diagrama del eje y paleta

Figure 5 Diagrama de corteza ciliacutendrica que simula una caacutemara del actuador

Donde =velocidad angular del eje en el actuador [rads] R=radio exterior de la cortezaciliacutendrica r1=radio interior de la corteza ciliacutendrica y b1=altura de la corteza ciliacutendrica

23 Modelo

Considerando una primera fase de disentildeo se desarrolloacute un modelo computarizado delprototipo con la ayuda del software Solidworks presentando una simplificacioacuten en cadauna de sus partes [21]--[23]

La carcaza estaacute configurada en 3 partes con un cuerpo central que conforma elbloque central del actuador sobre el que se montaran 2 tapas una delantera y otraposterior que serviraacuten como puntos de apoyo para el eje y la aleta y tambieacuten confinaranel volumen del actuador a traveacutes de su sellado [17]

El modelo presentado y sus caracteriacutesticas se presentan en la tabla 1

DOI 1018502kegv5i26221 Page 69

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Table 1 Caracteriacutesticas del prototipo del actuador

CARACTERIacuteSTICAS DIMENSIONES

Tamantildeo (axbxH) 60x60x45 mm

Peso 15 kg

Caudal nominal 9 Lmin

Presioacuten del sistema 29x10minus3 Mpa (043 psi)

Consumo maacuteximo de potencia 500 W

Figure 6 Modelo del actuador hidraacuteulico rotativo

Figure 7 Despiece del modelo

Se evidencia entonces en el disentildeo del actuador una decisioacuten basada en la simpli-cidad forma y tamantildeo para la construccioacuten del actuador el mismo que funcionaraacute enbase a la posicioacuten de una aleta impulsada por presioacuten de aceite hidraacuteulico

Ademaacutes de lo expuesto la presioacuten maacutexima de funcionamiento del actuador seraacutetomada como la presioacuten maacutexima del sistema hidraacuteulico e inicialmente se la debe

DOI 1018502kegv5i26221 Page 70

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calcular en funcioacuten de los movimientos criacuteticos (maacutes singulares) en los escenariosde trabajo

Para ello considerando que el servomecanismo seraacute instalado en un sistema reha-bilitador de rodilla un exoesqueleto por ejemplo las proporciones antropomeacutetricas sepueden definir como las longitudes de las posiciones maacuteximas (cadera al tobillo)

En el trabajo de Maldonado [24] se muestran las medidas antropomeacutetricas de unexoesqueleto y especiacuteficamente la de la cadera al tobillo extendidos como 850 mm(085m)

Dichas dimensiones pueden definir los valores maacuteximos de torque requeridos prin-cipalmente en la articulacioacuten de la cadera que seraacute la de requerimientos maacutes grandesde presioacuten ya que al momento de realizar un ciclo de marcha y teniendo tres puntosde apoyo (pie mano izquierda y mano derecha) la otra pierna deberaacute moverse enbase al torque desarrollado en esa articulacioacuten

Para una simulacioacuten del ciclo de marcha debajo del agua Veras-Duarte [25] indicanque el torque maacuteximo requerido para la articulacioacuten de la cadera a poca profundidades de 9 Nm

Se puede calcular entonces que la fuerza requerida para mover la pierna desde lacadera es de 106 N

A su vez para un aacuterea de A=3600mm2 (36x10minus3m2) correspondiente a una aletaseguacuten el disentildeo propuesto para el actuador se tiene una presioacuten aproximada deP=2944x10minus3 Mpa (043 psi) que es la presioacuten miacutenima a la cual se deberiacutea realizarel disentildeo y caacutelculo hidraacuteulico del actuador

El valor de la presioacuten es muy bajo pero no puede ser reemplazado por un actuadorneumaacutetico debido a las exigencias de precisioacuten en el posicionamiento angular querequiere el servomecanismo ya que debido a la compresioacuten existente en el fluiacutedo(aire) eacuteste variariacutea ampliamente la respuesta angular del actuador

3 Resultados y discusioacuten

Para simular el efecto de la presioacuten sobre las partes moacuteviles del actuador se simuloel comportamiento del conjunto Eje-Aleta en el propio entorno de Solidworks [26]considerando los siguientes paraacutemetros de simulacioacuten

bull Presioacuten aplicada 40 PSI

bull Material AISI 1045 Acero Estirado en Frio

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Figure 8 Aplicacioacuten de cargas y apoyos para simulacioacuten en Solidworks

En esta primera simulacioacuten se consideran dos casos en los que se variacutean los apoyos

1 En uno de ellos se considera a los apoyos del eje como puntos fijos lo quedetermina la deformacioacuten de la aleta en su parte superior que es de gran intereacutespara determinar una posible interferencia entre esta y la carcasa del actuador

Figure 9 Simulacioacuten de la esfuerzos de la aleta con los apoyos del eje como puntos fijos

2 En un segundo caso se considera el efecto de una carga resistiva al movimientodel actuador proporcionando un punto fijo en una cara de la chaveta del ejey usando los puntos de apoyo del eje como rodamientos Esta simulacioacuten nospresenta que el eje falla en la zona de la chaveta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 72

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 73

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

DOI 1018502kegv5i26221 Page 74

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

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[2] J Watton Modelling Monitoring and Diagnostic Techniques for Fluid Power

Systems Springer-Verlag London Limited 2007

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[4] D Ledia H G Garciacutea D Cruz M R Garciacutea D Isabel and G Fuentes ``Laboratoriosde Anticuerpos y Biomodelos Experimentales ARTICULACIOacuteN DE LA RODILLA YSU MECAacuteNICA ARTICULAR vol 7 no 2 pp 100--109 2003

[5] H Khan ``Development of a lightweight on-board hydraulic system for a quadrupedrobot DEVELOPMENT OF A LIGHTWEIGHT ON-BOARD HYDRAULIC SYSTEM noMay 2015 2016

[6] V Karanović M Jocanović V Jovanović `` Review of Development Stages inthe Conceptual Design of an Electro-Hydrostatic Actuator for Robotics ActaPolytechnica Hungarica vol 11 2014

[7] N G Tsagarakis M Laffranchi B Vanderborght and D G Caldwell A Compact SoftActuator Unit for Small Scale Human Friendly Robots in Robotics and Automation

ICRA09 IEEE International Conference on 2009 pp 4356-4362

[8] A Esser and H-C Skudelny A New Approach to Power Supplies for RobotsIndustry Applications IEEE Transactions on Vol 27 pp 872-875 1991

[9] L Jose ``MODELACIOacuteN Y SIMULACIOacuteN DE UN ACTUADOR HIDRAacuteULICO PARA UNSIMULADOR DE MARCHA NORMAL Pontificia Universidad Catolica de Peruacute 2012

[10] K Amundson J Raade N Harding and H Kazerooni Hybrid Hydraulic-ElectricPower Unit for Field and Service Robots in Intelligent Robots and Systems (IROS

2005) 2005 IEEERSJ International Conference on 2005 pp 3453-3458

[11] K Rydberg ``Feedbacks in Hydraulic Servo Systems no February 2016

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[14] B Burbidge ``Sistema Hidraulico Superando las antinomias la Total Infin 2016

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[16] B Mutton ``Aplicaciones de la Neumatica pp 84--86 2008

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[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

DOI 1018502kegv5i26221 Page 77

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Table 1 Caracteriacutesticas del prototipo del actuador

CARACTERIacuteSTICAS DIMENSIONES

Tamantildeo (axbxH) 60x60x45 mm

Peso 15 kg

Caudal nominal 9 Lmin

Presioacuten del sistema 29x10minus3 Mpa (043 psi)

Consumo maacuteximo de potencia 500 W

Figure 6 Modelo del actuador hidraacuteulico rotativo

Figure 7 Despiece del modelo

Se evidencia entonces en el disentildeo del actuador una decisioacuten basada en la simpli-cidad forma y tamantildeo para la construccioacuten del actuador el mismo que funcionaraacute enbase a la posicioacuten de una aleta impulsada por presioacuten de aceite hidraacuteulico

Ademaacutes de lo expuesto la presioacuten maacutexima de funcionamiento del actuador seraacutetomada como la presioacuten maacutexima del sistema hidraacuteulico e inicialmente se la debe

DOI 1018502kegv5i26221 Page 70

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calcular en funcioacuten de los movimientos criacuteticos (maacutes singulares) en los escenariosde trabajo

Para ello considerando que el servomecanismo seraacute instalado en un sistema reha-bilitador de rodilla un exoesqueleto por ejemplo las proporciones antropomeacutetricas sepueden definir como las longitudes de las posiciones maacuteximas (cadera al tobillo)

En el trabajo de Maldonado [24] se muestran las medidas antropomeacutetricas de unexoesqueleto y especiacuteficamente la de la cadera al tobillo extendidos como 850 mm(085m)

Dichas dimensiones pueden definir los valores maacuteximos de torque requeridos prin-cipalmente en la articulacioacuten de la cadera que seraacute la de requerimientos maacutes grandesde presioacuten ya que al momento de realizar un ciclo de marcha y teniendo tres puntosde apoyo (pie mano izquierda y mano derecha) la otra pierna deberaacute moverse enbase al torque desarrollado en esa articulacioacuten

Para una simulacioacuten del ciclo de marcha debajo del agua Veras-Duarte [25] indicanque el torque maacuteximo requerido para la articulacioacuten de la cadera a poca profundidades de 9 Nm

Se puede calcular entonces que la fuerza requerida para mover la pierna desde lacadera es de 106 N

A su vez para un aacuterea de A=3600mm2 (36x10minus3m2) correspondiente a una aletaseguacuten el disentildeo propuesto para el actuador se tiene una presioacuten aproximada deP=2944x10minus3 Mpa (043 psi) que es la presioacuten miacutenima a la cual se deberiacutea realizarel disentildeo y caacutelculo hidraacuteulico del actuador

El valor de la presioacuten es muy bajo pero no puede ser reemplazado por un actuadorneumaacutetico debido a las exigencias de precisioacuten en el posicionamiento angular querequiere el servomecanismo ya que debido a la compresioacuten existente en el fluiacutedo(aire) eacuteste variariacutea ampliamente la respuesta angular del actuador

3 Resultados y discusioacuten

Para simular el efecto de la presioacuten sobre las partes moacuteviles del actuador se simuloel comportamiento del conjunto Eje-Aleta en el propio entorno de Solidworks [26]considerando los siguientes paraacutemetros de simulacioacuten

bull Presioacuten aplicada 40 PSI

bull Material AISI 1045 Acero Estirado en Frio

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Figure 8 Aplicacioacuten de cargas y apoyos para simulacioacuten en Solidworks

En esta primera simulacioacuten se consideran dos casos en los que se variacutean los apoyos

1 En uno de ellos se considera a los apoyos del eje como puntos fijos lo quedetermina la deformacioacuten de la aleta en su parte superior que es de gran intereacutespara determinar una posible interferencia entre esta y la carcasa del actuador

Figure 9 Simulacioacuten de la esfuerzos de la aleta con los apoyos del eje como puntos fijos

2 En un segundo caso se considera el efecto de una carga resistiva al movimientodel actuador proporcionando un punto fijo en una cara de la chaveta del ejey usando los puntos de apoyo del eje como rodamientos Esta simulacioacuten nospresenta que el eje falla en la zona de la chaveta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 72

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 73

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

DOI 1018502kegv5i26221 Page 74

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

DOI 1018502kegv5i26221 Page 75

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

DOI 1018502kegv5i26221 Page 76

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[2] J Watton Modelling Monitoring and Diagnostic Techniques for Fluid Power

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[5] H Khan ``Development of a lightweight on-board hydraulic system for a quadrupedrobot DEVELOPMENT OF A LIGHTWEIGHT ON-BOARD HYDRAULIC SYSTEM noMay 2015 2016

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[7] N G Tsagarakis M Laffranchi B Vanderborght and D G Caldwell A Compact SoftActuator Unit for Small Scale Human Friendly Robots in Robotics and Automation

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[17] FESTO ``Actuadores giratorios con aleta basculante DRVS 2018 [Online] Availablehttpswwwfestocomcmses-ve_ve53717htm

[18] H Stewart ``Hydraulic and Pneumatic Power Systems Aviat Maint Tech Handb -

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[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

DOI 1018502kegv5i26221 Page 77

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calcular en funcioacuten de los movimientos criacuteticos (maacutes singulares) en los escenariosde trabajo

Para ello considerando que el servomecanismo seraacute instalado en un sistema reha-bilitador de rodilla un exoesqueleto por ejemplo las proporciones antropomeacutetricas sepueden definir como las longitudes de las posiciones maacuteximas (cadera al tobillo)

En el trabajo de Maldonado [24] se muestran las medidas antropomeacutetricas de unexoesqueleto y especiacuteficamente la de la cadera al tobillo extendidos como 850 mm(085m)

Dichas dimensiones pueden definir los valores maacuteximos de torque requeridos prin-cipalmente en la articulacioacuten de la cadera que seraacute la de requerimientos maacutes grandesde presioacuten ya que al momento de realizar un ciclo de marcha y teniendo tres puntosde apoyo (pie mano izquierda y mano derecha) la otra pierna deberaacute moverse enbase al torque desarrollado en esa articulacioacuten

Para una simulacioacuten del ciclo de marcha debajo del agua Veras-Duarte [25] indicanque el torque maacuteximo requerido para la articulacioacuten de la cadera a poca profundidades de 9 Nm

Se puede calcular entonces que la fuerza requerida para mover la pierna desde lacadera es de 106 N

A su vez para un aacuterea de A=3600mm2 (36x10minus3m2) correspondiente a una aletaseguacuten el disentildeo propuesto para el actuador se tiene una presioacuten aproximada deP=2944x10minus3 Mpa (043 psi) que es la presioacuten miacutenima a la cual se deberiacutea realizarel disentildeo y caacutelculo hidraacuteulico del actuador

El valor de la presioacuten es muy bajo pero no puede ser reemplazado por un actuadorneumaacutetico debido a las exigencias de precisioacuten en el posicionamiento angular querequiere el servomecanismo ya que debido a la compresioacuten existente en el fluiacutedo(aire) eacuteste variariacutea ampliamente la respuesta angular del actuador

3 Resultados y discusioacuten

Para simular el efecto de la presioacuten sobre las partes moacuteviles del actuador se simuloel comportamiento del conjunto Eje-Aleta en el propio entorno de Solidworks [26]considerando los siguientes paraacutemetros de simulacioacuten

bull Presioacuten aplicada 40 PSI

bull Material AISI 1045 Acero Estirado en Frio

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Figure 8 Aplicacioacuten de cargas y apoyos para simulacioacuten en Solidworks

En esta primera simulacioacuten se consideran dos casos en los que se variacutean los apoyos

1 En uno de ellos se considera a los apoyos del eje como puntos fijos lo quedetermina la deformacioacuten de la aleta en su parte superior que es de gran intereacutespara determinar una posible interferencia entre esta y la carcasa del actuador

Figure 9 Simulacioacuten de la esfuerzos de la aleta con los apoyos del eje como puntos fijos

2 En un segundo caso se considera el efecto de una carga resistiva al movimientodel actuador proporcionando un punto fijo en una cara de la chaveta del ejey usando los puntos de apoyo del eje como rodamientos Esta simulacioacuten nospresenta que el eje falla en la zona de la chaveta

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

DOI 1018502kegv5i26221 Page 74

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

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[2] J Watton Modelling Monitoring and Diagnostic Techniques for Fluid Power

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[4] D Ledia H G Garciacutea D Cruz M R Garciacutea D Isabel and G Fuentes ``Laboratoriosde Anticuerpos y Biomodelos Experimentales ARTICULACIOacuteN DE LA RODILLA YSU MECAacuteNICA ARTICULAR vol 7 no 2 pp 100--109 2003

[5] H Khan ``Development of a lightweight on-board hydraulic system for a quadrupedrobot DEVELOPMENT OF A LIGHTWEIGHT ON-BOARD HYDRAULIC SYSTEM noMay 2015 2016

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[7] N G Tsagarakis M Laffranchi B Vanderborght and D G Caldwell A Compact SoftActuator Unit for Small Scale Human Friendly Robots in Robotics and Automation

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[8] A Esser and H-C Skudelny A New Approach to Power Supplies for RobotsIndustry Applications IEEE Transactions on Vol 27 pp 872-875 1991

[9] L Jose ``MODELACIOacuteN Y SIMULACIOacuteN DE UN ACTUADOR HIDRAacuteULICO PARA UNSIMULADOR DE MARCHA NORMAL Pontificia Universidad Catolica de Peruacute 2012

[10] K Amundson J Raade N Harding and H Kazerooni Hybrid Hydraulic-ElectricPower Unit for Field and Service Robots in Intelligent Robots and Systems (IROS

2005) 2005 IEEERSJ International Conference on 2005 pp 3453-3458

[11] K Rydberg ``Feedbacks in Hydraulic Servo Systems no February 2016

[12] C J RENEDO ``Neumaacutetica e Hidraacuteulica linea] Available httppersonalesunicanesrenedocTrasparencias20WEBTrasp20Neu vol 12 2006

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[17] FESTO ``Actuadores giratorios con aleta basculante DRVS 2018 [Online] Availablehttpswwwfestocomcmses-ve_ve53717htm

[18] H Stewart ``Hydraulic and Pneumatic Power Systems Aviat Maint Tech Handb -

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[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

DOI 1018502kegv5i26221 Page 77

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Figure 8 Aplicacioacuten de cargas y apoyos para simulacioacuten en Solidworks

En esta primera simulacioacuten se consideran dos casos en los que se variacutean los apoyos

1 En uno de ellos se considera a los apoyos del eje como puntos fijos lo quedetermina la deformacioacuten de la aleta en su parte superior que es de gran intereacutespara determinar una posible interferencia entre esta y la carcasa del actuador

Figure 9 Simulacioacuten de la esfuerzos de la aleta con los apoyos del eje como puntos fijos

2 En un segundo caso se considera el efecto de una carga resistiva al movimientodel actuador proporcionando un punto fijo en una cara de la chaveta del ejey usando los puntos de apoyo del eje como rodamientos Esta simulacioacuten nospresenta que el eje falla en la zona de la chaveta

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

DOI 1018502kegv5i26221 Page 75

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

DOI 1018502kegv5i26221 Page 76

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[2] J Watton Modelling Monitoring and Diagnostic Techniques for Fluid Power

Systems Springer-Verlag London Limited 2007

[3] W E Prentice Teacutecnicas de rehabilitacioacuten en medicina deportiva vol 44 EditorialPaidotribo 2001

[4] D Ledia H G Garciacutea D Cruz M R Garciacutea D Isabel and G Fuentes ``Laboratoriosde Anticuerpos y Biomodelos Experimentales ARTICULACIOacuteN DE LA RODILLA YSU MECAacuteNICA ARTICULAR vol 7 no 2 pp 100--109 2003

[5] H Khan ``Development of a lightweight on-board hydraulic system for a quadrupedrobot DEVELOPMENT OF A LIGHTWEIGHT ON-BOARD HYDRAULIC SYSTEM noMay 2015 2016

[6] V Karanović M Jocanović V Jovanović `` Review of Development Stages inthe Conceptual Design of an Electro-Hydrostatic Actuator for Robotics ActaPolytechnica Hungarica vol 11 2014

[7] N G Tsagarakis M Laffranchi B Vanderborght and D G Caldwell A Compact SoftActuator Unit for Small Scale Human Friendly Robots in Robotics and Automation

ICRA09 IEEE International Conference on 2009 pp 4356-4362

[8] A Esser and H-C Skudelny A New Approach to Power Supplies for RobotsIndustry Applications IEEE Transactions on Vol 27 pp 872-875 1991

[9] L Jose ``MODELACIOacuteN Y SIMULACIOacuteN DE UN ACTUADOR HIDRAacuteULICO PARA UNSIMULADOR DE MARCHA NORMAL Pontificia Universidad Catolica de Peruacute 2012

[10] K Amundson J Raade N Harding and H Kazerooni Hybrid Hydraulic-ElectricPower Unit for Field and Service Robots in Intelligent Robots and Systems (IROS

2005) 2005 IEEERSJ International Conference on 2005 pp 3453-3458

[11] K Rydberg ``Feedbacks in Hydraulic Servo Systems no February 2016

[12] C J RENEDO ``Neumaacutetica e Hidraacuteulica linea] Available httppersonalesunicanesrenedocTrasparencias20WEBTrasp20Neu vol 12 2006

[13] F Roca ``Oleohidraacuteulica baacutesica Disentildeo de circuitos Edicions UPC 1997

[14] B Burbidge ``Sistema Hidraulico Superando las antinomias la Total Infin 2016

[15] S R Majumdar Sistemas Neumaacuteticos Principios y Mantenimiento Mc Graw Hill

[16] B Mutton ``Aplicaciones de la Neumatica pp 84--86 2008

[17] FESTO ``Actuadores giratorios con aleta basculante DRVS 2018 [Online] Availablehttpswwwfestocomcmses-ve_ve53717htm

[18] H Stewart ``Hydraulic and Pneumatic Power Systems Aviat Maint Tech Handb -

Airframe p 600 1977

[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

DOI 1018502kegv5i26221 Page 77

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Figure 10 Simulacioacuten de esfuerzos considerando una carga resistiva en un punto fijo y los puntos de apoyodel eje

Una definicioacuten maacutes exacta de los resultados se puede obtener empleando unprograma maacutes especializado Para ello se realiza una simulacioacuten en el software ANSYS(13) con el mismo ensamblaje que se realizoacute la previa simulacioacuten en Solidworks demanera que la geometriacutea de los soacutelidos analizados sea la misma[27]

Se importa un archivoSTEP al modelador de ANSYS haciendo eacutenfasis en la opcioacutenque permite ``no compartir topografiacutea de los soacutelidos de manera que se realiza unmallado para cada elemento coincidentes uacutenicamente en nodos

A continuacioacuten se procede a incluirlo en un proyecto de Workbench en el que sedefinioacute el material las condiciones de la malla los apoyos las cargas y los objetivosdel caacutelculo como el esfuerzo la deformacioacuten total y en factor de seguridad mostrandolos siguientes resultados

Figure 11 Simulacioacuten de esfuerzos en ANSYS para la definicioacuten de los esfuerzos maacuteximos en el eje-paleta

DOI 1018502kegv5i26221 Page 73

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

DOI 1018502kegv5i26221 Page 74

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

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[6] V Karanović M Jocanović V Jovanović `` Review of Development Stages inthe Conceptual Design of an Electro-Hydrostatic Actuator for Robotics ActaPolytechnica Hungarica vol 11 2014

[7] N G Tsagarakis M Laffranchi B Vanderborght and D G Caldwell A Compact SoftActuator Unit for Small Scale Human Friendly Robots in Robotics and Automation

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[9] L Jose ``MODELACIOacuteN Y SIMULACIOacuteN DE UN ACTUADOR HIDRAacuteULICO PARA UNSIMULADOR DE MARCHA NORMAL Pontificia Universidad Catolica de Peruacute 2012

[10] K Amundson J Raade N Harding and H Kazerooni Hybrid Hydraulic-ElectricPower Unit for Field and Service Robots in Intelligent Robots and Systems (IROS

2005) 2005 IEEERSJ International Conference on 2005 pp 3453-3458

[11] K Rydberg ``Feedbacks in Hydraulic Servo Systems no February 2016

[12] C J RENEDO ``Neumaacutetica e Hidraacuteulica linea] Available httppersonalesunicanesrenedocTrasparencias20WEBTrasp20Neu vol 12 2006

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[14] B Burbidge ``Sistema Hidraulico Superando las antinomias la Total Infin 2016

[15] S R Majumdar Sistemas Neumaacuteticos Principios y Mantenimiento Mc Graw Hill

[16] B Mutton ``Aplicaciones de la Neumatica pp 84--86 2008

[17] FESTO ``Actuadores giratorios con aleta basculante DRVS 2018 [Online] Availablehttpswwwfestocomcmses-ve_ve53717htm

[18] H Stewart ``Hydraulic and Pneumatic Power Systems Aviat Maint Tech Handb -

Airframe p 600 1977

[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

DOI 1018502kegv5i26221 Page 77

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Nuevamente se puede apreciar que el ensamble falla en la regioacuten de la chavetaque es el punto donde se presenta el mayor esfuerzo Esto indica que la configuracioacutenactual no es segura para esta aplicacioacuten

Considerando los resultados de las anteriores simulaciones se decidioacute por modi-ficar la configuracioacuten del chavetero siendo esta aacuterea el punto de fallo determinadoanteriormente

La forma maacutes sencilla de reducir el esfuerzo mecaacutenico al que se encuentra sometidoesta regioacuten es aumentar el aacuterea de contacto a traveacutes del cual se trasmite la potenciadel actuador Esto se puede lograr incluyendo muacuteltiples cuntildeas en eacutel eje modelo quese denomina como ``Eje Estriado por las muacuteltiples ranuras de baja profundidad que sedescriben en la zona de acople

Figure 12 Modelo y representacioacuten de un Eje Estriado

Se modificoacute la geometriacutea del extremo de acople del eje siguiendo una configuracioacutentipo estriado y se simuloacute directamente en ANSYS siguiendo los mismos paraacutemetros dela simulacioacuten anterior

Figure 13 Detalle de modelo de Eje Estriado

Para el anaacutelisis en las propiedades de la malla utilizada ANSYS entrega un valor decalidad a cada elemento de la malla entre 0 y 1

DOI 1018502kegv5i26221 Page 74

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

DOI 1018502kegv5i26221 Page 75

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

[1] M I V Orselli and M Duarte ``Joint forces and torques when walking in shallowwater J Biomech vol 44 no 6 pp 1170--1175 2011

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[4] D Ledia H G Garciacutea D Cruz M R Garciacutea D Isabel and G Fuentes ``Laboratoriosde Anticuerpos y Biomodelos Experimentales ARTICULACIOacuteN DE LA RODILLA YSU MECAacuteNICA ARTICULAR vol 7 no 2 pp 100--109 2003

[5] H Khan ``Development of a lightweight on-board hydraulic system for a quadrupedrobot DEVELOPMENT OF A LIGHTWEIGHT ON-BOARD HYDRAULIC SYSTEM noMay 2015 2016

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[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

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Entre los paraacutemetros del mallado utilizados analizados a traveacutes del meacutetodo decalidad de elemento se obtuvo un miacutenimo de 031 un maacuteximo de 1 con un promediode 084 a una desviacioacuten estandartes de 0009

Para el resultado de los esfuerzos al usar una carga de 210 psi utilizando lageometriacutea estriada se obtiene que el eje del actuador soporta una distribucioacuten deesfuerzos maacuteximos de 2368 Mpa ubicados en la base de la aleta Los resultados semuestran en la Figura 14

Figure 14 Resultados de los esfuerzos en ANSYS para la geometriacutea estriada

Los resultados muestran que el cambio de un solo chavetero a una configuracioacutendel tipo estriado reduce considerablemente el esfuerzo al que se someteriacutea el extremodel eje permitieacutendonos un valor aceptable de 7 como factor de seguridad (Figura 15)

Figure 15 Factor de seguridad definido por ANSYS para el modelo con Eje Estriado

DOI 1018502kegv5i26221 Page 75

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

References

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[5] H Khan ``Development of a lightweight on-board hydraulic system for a quadrupedrobot DEVELOPMENT OF A LIGHTWEIGHT ON-BOARD HYDRAULIC SYSTEM noMay 2015 2016

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[9] L Jose ``MODELACIOacuteN Y SIMULACIOacuteN DE UN ACTUADOR HIDRAacuteULICO PARA UNSIMULADOR DE MARCHA NORMAL Pontificia Universidad Catolica de Peruacute 2012

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[12] C J RENEDO ``Neumaacutetica e Hidraacuteulica linea] Available httppersonalesunicanesrenedocTrasparencias20WEBTrasp20Neu vol 12 2006

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[14] B Burbidge ``Sistema Hidraulico Superando las antinomias la Total Infin 2016

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[19] S M Richard Hydraulic Handbook no June 1968

DOI 1018502kegv5i26221 Page 77

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4 Conclusiones

bull La rodilla es la articulacioacuten que presenta la mayor cantidad de lesiones rela-cionadas con actividad fiacutesica de las personas y presenta el mayor iacutendice depedidos de rehabilitacioacuten Pre y Post Operatoria

bull La seleccioacuten de un actuador hidraacuteulico se confirma por las prestaciones clavesque presenta el fluiacutedo de trabajo Al ser un fluiacutedo incompresible obtenemos unmecanismo compacto y robusto de alta precisioacuten respecto a su posicioacuten y conun retardo entre sentildeal y accioacuten miacutenimo adecuado para la aplicacioacuten de terapiade articulaciones de rodillas

bull La propuesta del actuador hidraacuteulico de tipo aleta basculante se sustenta en lasimplicidad facilidad de fabricacioacuten y propiedades de operacioacuten (baja presioacuteny liacutemite maacuteximo de giro) ventajosas que presenta frente a los otros tipos deactuadores rotativo estudiados

bull Los valores de torque para un ciclo de marcha humana bajo el agua definenlos valores de la carga que la aleta del actuador debe soportar los cuales sonverificados para una geometriacutea de eje estriado obtenieacutendose un valor de 2368Mpa lo que indicado que no existe fallo de material

bull El proceso de disentildeo iterativo llego a la conclusioacuten de que la transmisioacuten depotencia del actuador a traveacutes de un extremo del eje con una sola chavetaresulta en el fallo del eje y por lo tanto del mecanismo del actuador

bull El anaacutelisis del modelo con la variacioacuten de la chaveta por el eje estriado comproboacuteuna reduccioacuten significativa de los esfuerzos en la zona criacutetica llegando a un factorde seguridad aceptable cercano a 7

Conflicto de intereses

En el presente trabajo no existen intereses particulares por parte de los autores ni dela entidad cientiacutefica o financiadora que puedan afectar directa o indirectamente a losresultados obtenidos

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