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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
DISEÑO MECÁNICO DE UNA ÓRTESIS DE MIEMBRO INFERIOR CON UN GRADO DE LIBERTAD
INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA MODALIDAD:
“PROYECTO DE INVESTIGACIÓN”
PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO BIOMÉDICO
PRESENTA:
GONZÁLEZ LARA NEFTALI
DIRECTOR INTERNO: DR. JORGE ISAAC CHAIREZ ORIA (UPIBI)
DIRECTOR EXTERNO: M en C. ALEJANDRO GARCÍA GONZÁLEZ (CINVESTAV-DCA)
MÉXICO D.F. JUNIO 2009
Instituto Politécnico Nacional
Unidad Procesional Interdisciplinaria de Biotecnología
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Tabla de contenido 1 Resumen ........................................................................................................................................... 3
2 Introducción ..................................................................................................................................... 4
2.1 El miembro inferior ................................................................................................................... 4
2.2 Marcha ...................................................................................................................................... 6
2.3 Órtesis ....................................................................................................................................... 7
2.4 Antecedentes de órtesis pasivas y activas ................................................................................ 8
3 Justificación .................................................................................................................................... 11
4 Objetivos ........................................................................................................................................ 12
4.1 General .................................................................................................................................... 12
4.2 Específicos ............................................................................................................................... 12
5 Metodología ................................................................................................................................... 13
5.1 Diagrama de flujo .................................................................................................................... 13
5.2 Instrumentación ...................................................................................................................... 14
5.3 Diseño de la Órtesis ................................................................................................................. 15
5.4 Diseño de una plataforma de simulación de la marcha .......................................................... 17
5.5 Evaluación de la función de los diseños .................................................................................. 20
6. Material ......................................................................................................................................... 20
7 Resultados ...................................................................................................................................... 22
7.1 Instrumentación ...................................................................................................................... 22
7.2 Diseño de la órtesis ................................................................................................................. 27
7.3 diseño de la plataforma .......................................................................................................... 31
7.4 Pruebas del funcionamiento de la órtesis ............................................................................... 42
8 Conclusiones ................................................................................................................................... 46
9 Recomendaciones .......................................................................................................................... 47
10 Bibliografía ................................................................................................................................... 48
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1 Resumen Diseño mecánico de una órtesis de miembro inferior
González Lara Neftali, Alejandro García González*, Jorge Isaac Chaires Oria
CINVESTAD-DCA, TEL: 5523321023,[email protected]
Palabras clave: Órtesis, miembro inferior, Marcha, goniómetro, plataforma
Introducción. Existen diferentes patologías capaces de generar algún tipo de discapacidad motriz, en un amplio número de casos, éstas pueden ser tratadas por medio de dispositivos ortopédicos, cuya finalidad es la de rehabilitar al usuario o apoyarlo para realizar sus labores diarias. Uno de los problemas más frecuentes, es la debilidad muscular la cual puede llegarse a presentar en alguna etapa de la vida. Significado un problema serio, debido a que ésta evita que se conserve la postura al caminar o mantener una posición erecta, razón por la cual las Órtesis de bloqueo de la rodilla resultan ser de gran ayuda. Metodología. Etapa 1. Instrumentación: Se diseña el circuito eléctrico de goniómetro en base a u transductor resistivo, previamente caracterizado cuya relación voltaje/[ángulo del instrumento completo satisface una relación lineal. Etapa 2. Diseño de la órtesis: Se propone el diseño de un seguro de bloqueo mecánico, para la articulación de la rodilla, una vez realizado se procede a la etapa de manufactura. Se toman las medidas del miembro inferior del sujeto de prueba al cual se le colocara la órtesis. Una vez realizado esto se procede a la etapa de ensamble del dispositivo. Etapa 3: Se realiza el diseño y construcción de una plataforma para la simulación del proceso de marcha, en base a un estudio cuantitativo basado en imagen, modelándose las trayectorias que siguen las articulaciones del miembro inferior mediante ajustes poligonales. Una vez obtenidas las trayectorias se propondrá un sistema tipo 4 barras para emular el proceso de marcha se manufacturara, todas son las de la plataforma son ensambladas y puestas a prueba.. Resultados y discusión. La Fig. 1. Muestra el circuito del electrogoniómetros en base al transductor resistivo (Flexsensor TM).
Fig. 1 diagrama eléctrico del goniómetro
Las siguientes ecuaciones corresponden a la relación
Voltaje/Angulo:
96.41*11.732
33.37*40.501
voAngulo
VoAngulo
Este dispositivo permitirá el monitoreo del ángulo de la rodilla permitiendo utilizar esta información en la supervisión del funcionamiento de la órtesis.en las etapas de la marcha
efectuadas. Órtesis: se realizó el diseño y construcción del seguro (Fig.2a) cuyo montaje en la órtesis se muestra en la figura 2b..
Fig. 2a. Diseño del seguro de la Órtesis, 2b Órtesis manufacturada incluyendo el seguro.
Plataforma: Su diseño se basa en las trayectorias calculadas de la rodilla, el tobillo y la cadera como se muestra en la Fig 3, donde además se presenta el prototipo preliminar.
Fig. 3 Plataforma y trayectoria de marcha
Conclusiones y perspectivas. Se logró el diseño y construcción del seguro. y la órtesis, junto con el goniómetro. Un prototipo preliminar de la plataforma fue construido y puesto a prueba. Ajustes en los dispositivos son necesarios para su prueba final con el paciente. Agradecimientos. Agradezco a mis padres, Profesores y colaboradores por el apoyo brindado sobre esta etapa de mi vida. Referencias.1.- Banala S.K., Kulpe A. y Agrawal S. K. . (2007), “A Powered Leg Orthosis for Gait Rehabilitation of Motor-Impaired Patients”,In proceedings: IEEE International Conference on Robotics and Automation. 4140- 4145. 2.-Webster J.G., Encyclopedia of medical Devices and Instrumentation, Second Edition.
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2 Introducción
La debilidad muscular profunda así como la deficiencia en el control muscular son
factores que afectan a un amplio número de la población por causas tan diversas como
son el daño neurológico y la parálisis parcial debida a traumatismos o eventos cerebro
vasculares [1]. Lo que limita la capacidad de locomoción autónoma de la persona, es en
este sentido que el desarrollo e implementación de órtesis contribuye al mejoramiento de
las condiciones del paciente otorgándolo cierto grado de autonomía [2]. Sin embargo y
como veremos más adelante el diseño y construcción de una órtesis debe de
fundamentarse en el conocimiento biomecánico del miembro en el que se desea su
implementación, lo que implica el desarrollo de modelos que describan de forma dinámica
su movimiento [4], [5], así como el efecto que tiene dicho diseño sobre el cuerpo humano.
En esta introducción se presentan algunos conceptos referentes a la descripción
biomecánica del miembro inferior, su modelo anatómico, descripción durante el proceso
de marcha y la interacción del mismo con una órtesis.
2.1 El miembro inferior
Durante el proceso de marcha normal intervienen tres articulaciones sin las cuales no
sería posible caminar o desplazarse de una forma adecuada, ya que cada una de ellas le
permite al miembro inferior realizar un gran número de posiciones anatómicas en los
diversos planos del espacio.
La primera articulación del miembro inferior es la cadera la cual puede realizar ligeros
movimientos en las tres dimensiones (Fig. 2.1.1), en cada uno de los ejes puede realizar
un desplazamiento angular de 15º. Con lo cual se consigue un ligero contoneo reduciendo
la elevación del centro de gravedad durante la marcha [6].
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Fig. 2.1.1 plano en los que se
desplaza la cadera
La rodilla es la articulación intermedia del miembro inferior, principalmente es una
articulación de un solo grado de libertad, con el cual se logran realizar los movimientos de
flexión y la extensión. Esto implica que la rodilla sea la articulación que regula la distancia
del cuerpo con respecto al suelo, en realidad un segundo grado de libertad de ésta le
permite una ligera rotación sobre su eje en su punto máximo de flexión. (Fig. 2.1.2.) [6].
Fig.2.1.2 Movilidad de la rodilla
Desde el punto mecánico, la rodilla es una articulación sorprendente, debido a que en
flexión debe adquirir una gran movilidad para realizar los procesos de marcha mientras
que en extensión debe tener gran estabilidad para soportar los esfuerzos generados por
la posición recta del cuerpo [6].
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Por último tenemos la articulación del tobillo, la cual le permite a la persona caminar,
correr, brincar, saltar y cambiar el peso del cuerpo que se distribuye alrededor del talón. El
tobillo igualmente estabiliza el cuerpo a medida que éste se desplaza a través de un
terreno desigual. Adicionalmente es la articulación que tiene que disipar alrededor de un
80% de la energía generada durante el proceso de marcha. (Fig. 2.1.3) [6].
Fig.2.1.3 El talón es una articulación de un
solo grado de libertad
2.2 Marcha
El proceso de marcha se compone de partes principales, este a su vez se puede evaluar
por el tipo de zancada o paso que se realiza [16].
En este proceso se controla la elevación del centro de gravedad gracias a las
articulaciones de la cadera, de la rodilla y el tobillo. También debe mencionarse que este
proceso puede representarse por medio de sistemas de cadenas abiertas y cerradas
alternantes. En los cuales cada eslavo también se puede localizar el centro de gravedad
haciendo un estudio más riguroso.
En general podemos considerar que la marcha está compuesta por 4 fases (Fig. 2.2.1).
La primera etapa es de reposo en donde se tiene ambas piernas tocado el piso.
La segunda etapa es una etapa de balanceo de alguna de las piernas, mientras la
otra se conserva tocando el suelo.
La tercera etapa es una etapa conocida como “de doble soporte” en la cual los dos
pies vuelven a tener contacto sobre la base, esto prepara la cuarta etapa en
donde, se realiza el cambio de pierna que realiza la fase de balanceo, mientras
que la que se balanceó regresa a la posición fija.
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Fig. 2.2.1. ciclo de la marcha
2.3 Órtesis
Una órtesis es cualquier dispositivo aplicado externamente sobre el cuerpo humano, que
se utiliza para modificar las características estructurales o funcionales del sistema
neuromusculo-esquelético. Se utiliza con la intención de mantener, mejorar o restaurar la
función [3].
Por mucho tiempo estas fueron elaboradas con materiales de cuero y diversos metales,
en la actualidad se emplean los plásticos, los cuales al generar diversos factores de
rigidez o elasticidad, y su gran facilidad de moldearse esto, permite crear órtesis capaces
de tomar forma del cuerpo, por lo cual se adapta mejor, lo que genera resultados más
favorables [3].
Dentro de los pacientes que sufren problemas con la marcha, uno de los principales
factores es el consumo de energía, y las fuerzas generadas sobre las articulaciones
tienden a ser mayor, por lo cual es necesario, que la órtesis tenga el menor peso posible.
Existen diversas causas por la cual un paciente requiere una órtesis:
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Causas
Las Principales funciones de una órtesis son:
Descarga o disipación de la energía generado durante una actividad especifica
Fijación
Estabilización
Funciones dinámica de Postura
Corrección
2.4 Antecedentes de órtesis pasivas y activas
Durante muchos años, en las órtesis de extremidad inferior, se usaron casi
exclusivamente componentes metálicos prefabricados. En la última década se ha visto un
marcado aumento del uso de plásticos, especialmente para las órtesis de tobillo-pie.
Además, un número de diseños han evolucionado a una combinación de metal y
materiales plásticos.
Los componentes metálicos normalmente son de aluminio, ya que es importante el peso,
pero pueden ser de acero inoxidable, si lo más importante es la duración. Los plásticos
nos dan variedad de posibilidades en resistencia, rigidez, peso y apariencia. Mientras se
hacen un número limitado de órtesis de laminado de plástico termoestable, la mayoría son
de materiales termoplásticos, tales como el polipropileno y varios derivados del polietileno.
Comparadas con las de metal, las órtesis de plástico son, generalmente, más cosméticas,
más ligeras y ofrecen mayor elección en las opciones de diseño, dependiendo de las
Congénitas: parálisis cerebral, espina bífida, malformación de
huesos largos, hemofilia y osteogénesis imperfecta.
Accidentes: Fracturas, lesiones de la columna vertebral, daño
cerebral, desgarres musculares de tendón y cartílago.
Enfermedad: embolias, distrofia muscular, artritis, escoliosis,
poliomielitis, otras.
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características funcionales y estructurales deseadas. Como los plásticos pueden ser
fácilmente moldeados sobre un molde modificado de la parte del cuerpo, ello permite una
adaptación más perfecta y un control más preciso sobre la distribución de las presiones.
Cuando hay que aplicar unas fuerzas relativamente grandes, está indicado cubrir
extensamente la extremidad por unas cáscaras de plástico, para evitar concentraciones
excesivas de presión. En otros casos, es posible recortar el plástico y reducir mucho el
tamaño de los segmentos plásticos [3].
Fig.2.4.1 Ortesis pasivas
En México no existe un estudio tan minucioso en el diseño de órtesis activas, estas
pueden ser actuadas o sub actuadas.
Las órtesis actuadas tienen actuadores en cada una de las articulaciones sobre las que
tienen efecto, mientras que las sub. Actuadas (Fig. 2.4.2) trasmiten la energía mediante
cuerdas poleas hacia la articulación blanco. Pero la elección de los materiales y el tipo de
actuación dependen en gran medida de problema abordado.
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Fig.2.4.2 Órtesis activa con sistema neumático
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3 Justificación
Existen diversas patologías que pueden desencadenar problemas y lesiones a cualquier
individuo, dentro de éstas resaltan por su frecuencia las asociadas a la afectación del
miembro inferior, muchas de ellas incluso pueden estar presentes en una gran parte de la
vida sin reflejar síntomas (Fig.3.1), sin embargo, al agravarse llegan a ser un serio
problema al limitar la movilidad de la persona e incluso a incapacitándola.
Fig. 3.1 Incapacidades mas
comúnmente presentadas
Casi un 80% de la población mundial puede presentar algún problema relacionado con
esta situación debido al estilo de vida, y otras circunstancias como son la debilidad
muscular asociada al daño o muerte del sistema neuro-muscular. Es pos estas razones
que se requiere tomar conciencia de estos problemas y crear sistemas de base
tecnológica que faciliten la rehabilitación y reincorporación del paciente al ámbito social y
laboral. En éste sentido, aún cuando existen opciones en el mercado, si hablamos del
caso particular de México la oferta disponible corresponde en gran medida a aparatos
obsoletos o bien a opciones no adecuadas a nuestra población. Es por ello que impulsar
el desarrollo de propuestas ingenieriles que consideren tecnologías y diseños de
vanguardia es indispensable. El presente trabajo corresponde entonces al inicio de un
esfuerzo en éste sentido.
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4 Objetivos
4.1 General
Diseñar, construir y evaluar el funcionamiento mecánico de una órtesis de
miembro inferior con un grado de libertad.
4.2 Específicos
• Realizar la descripción biomecánica del miembro inferior, enfocados al análisis de
movimiento durante la marcha en base a modelos dinámicos reportados en la
literatura.
• Determinar que variables pueden ser medidas y construir la instrumentación
necesaria.
• Diseño de la órtesis en base a la construcción de una plataforma para emular el
patrón de marcha.
• Analizar las variables implicadas en el diseño estructural.
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5 Metodología A continuación se describen los pasos seguidos para la elaboración del proyecto
5.1 Diagrama de flujo
El siguiente diagrama de flujo resume los pasos a seguir en el cumplimiento de los
objetivos planteados, las secciones subsecuentes describen de manera detallada cada
una de las etapas señaladas.
Proyecto
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3
Instrumentación Diseño de una
plataforma para la
simulación de la
marcha
Diseño de la órtesis
Diseño y
construcción del un
electrogoniómetros Caracterización de la
plataforma
Diseño de un seguro
para el bloqueo de la
rodilla
Caracterización del
Instrumento Construcción del
mecanismo de 4
barras
Análisis de la
estructura
Construcción
Conjunción del trabajo en todas las etapas
Pruebas finales y conclusión
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5.2 Instrumentación
Diseño del Electrogoniómetro
Los goniómetros son instrumentos empleados en la medición de ángulos, de diversos
dispositivos y mecanismos. [4]
Se requiere diseñar un electro goniómetro, con el cual se medirá el ángulo de extensión y
flexión de la rodilla y el tobillo. Cabe mencionar que aunque estas articulaciones poseen
otras posiciones anatómicas, no serán consideradas durante esta etapa del proyecto.
El diseño y construcción del electro goniómetro se propone bajo la secuencia de las
siguientes metas
Meta 1: Diseñar el circuito electrónico para el goniómetro.
Actividad 1. Proponer el diseño del circuito eléctrico que cubra los requisitos para
emplearse como goniómetro, así como realizar su caracterización.
Actividad 2. Probar el desempeño del diseño en base a la paquetería de simulación
eléctrica Multisim.
Meta 2: Construcción del circuito.
Actividad 1 Empleando la paquetería gratuita PCB WIZARD realizar los esquemas para la
impresión de las pistas del circuito.
Actividad 2 Usando alguno de los métodos Serigraficos existentes realizar la impresión del
circuito PCB sobre una placa de cobre, posteriormente se le aplicara el tratamiento de
cloruro férrico.
Actividad 3. Perforar la tablilla obtenida en el paso anterior y soldar los componentes
electrónicos para la obtención del circuito eléctrico.
Meta 3: Caracterización del instrumento.
Actividad 1 Realizar una tabla de valores de ángulo contra el voltaje correspondiente y
obtener 3 mediciones por cada dispositivo.
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Actividad 2 Por medio de mínimos cuadrados obtener las ecuaciones características, para
un uso posterior.
5.3 Diseño de la Órtesis
Para esta eta se requiere el diseño de un seguro el cual permita el bloqueo y desbloqueo
de la rodilla de forma automática cuando este sea requerido. Dentro del mercado hay una
gran variedad de seguros a la venta, en su mayoría estos seguros son manuales. (Fig
5.3.1)
Fig. 5.3.1 Seguro de rodilla en forma manual
También existen seguros los cuales se desbloquean de forma automática y tienen
funciones más amplias los cuales ya no requieren un desbloque manual. (Fig. 5.3.2)
Fig. 5.3.2 Órtesis con seguro de
bloque activo
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Meta 1: Para el diseño de nuestro seguro se propone la manufacturación del modelo de la
Fig. 5.3.3 el cual cuenta con un chicote que aprovecha el trabajo mecánico para el
desbloqueo del mismo mientras que para el bloqueo cuenta con un resorte que lo regresa
a la posición original
Actividad 1. Empleando el programa Autocad 2008 realizar las vistas de das diferentes
piezas que componen el seguro de bloque.
Actividad 2. Con las dimensiones adecuadas realizar la manufacturación de las piezas.
Actividad 3. Seleccionar los componentes adicionales así como el resorte y el chicote de
tal forma que se adapten con el diseño del seguro.
Fig. 5.3.3 Seguro de bloqueo de rodilla
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Meta 2: Lo órtesis además del seguro requiere una parte de sujeción, complementaria,
para su construcción se requiere conocer las medidas necesarias del sujeto de prueba,
(Fig. 5.3.4)
Fig. 5.3.4 dimensiones
anatómicas a tomar en cuenta
para las proporciones de la
órtesis
Actividad 1.- tomar medidas de los diferentes dímetros y longitudes las piernas
Actividad 2.- Realizar una comparación del seguro de bloque contra la rodilla y obtener las
medidas para las barras que se sujetaran de la cadera a la rodilla y de la rodilla al tobillo.
Actividad 3. Manufacturar la parte de sujeción de la órtesis.
5.4 Diseño de una plataforma de simulación de la marcha
El proceso de marcha es complejo por lo cual el miembro inferior presenta diferentes
características en cada una de sus articulaciones, y aunque este se lleva a cabo en tres
dimensiones, la mayor parte del proceso está representado por la extensión y flexión de la
rodilla por lo cual podemos delimitar el problema a solo dos planos. Con esto podemos
ocupar el modelo de la escaladora. El cual es un mecanismo tipo 4 barras, al cual se le
agregaran dos barras para similar una pierna humana durante el proceso de marcha (Fig.
5.4.1)
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Esto tiene el fin de realizar pruebas más exhaustivas y debidas a que muchas veces no se
puede tener el sujeto de pruebas al instante, tener una forma de emular este proceso nos
sirve de mucho, adicionalmente de una maquina no sufre perturbaciones por el
agotamiento físico y a la larga genera mejores resultados.
Fig. 5.4.1 sistema de 4 barras propuesto para la
plataforma de marcha
Para la construcción se empleo la siguiente metodología
Meta 1. Registro y análisis de un ciclo de marcha completa de la persona modelo.
Actividad 1. Videograbación de un ciclo de marcha completo.
Para el registro de un ciclo completo de marcha de la persona modelo se realiza la
videograbación de éste utilizando una cámara digital marca SONY modelo. Previamente
le serán colocados a la persona marcadores en la cadera, la rodilla y el tobillo, la
grabación se realizará de forma lateral para la pierna derecha.
Actividad 2. Tratamiento del video.
El video recabado es segmentado en cuadros individuales de grabación (frames)
mediante el software PowerDVD versión XXRR. El total de los cuadros es almacenado
para su posterior análisis
Meta 2. Determinación de la trayectoria del desplazamiento en el plano lateral para la
rodilla la cadera y el tobillo.
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Actividad 1. Determinación de las trayectorias laterales de la cadera, la rodilla y el tobillo.
Los cuadros obtenidos del video del ciclo de marcha completo, son escalados en una
relación 1:100 de acuerdo a las medidas del modelo. Una vez escalado se procede a
determinar la posición de los marcadores de la cadera, la rodilla y el tobillo. De esta forma
se obtendrán un conjunto de datos con las coordenadas de cada marcador en cada
tiempo de grabación, estos datos serán procesados para su graficación empleando el
Software MATLAB Ver 7.0.
Actividad 2. Aproximación de las trayectorias mediante expresiones poligonales
empleando los marcadores.
El conjunto de datos recabado sobre la posición de los marcadores es aproximado
mediante polinomios, el orden de los mismos dependerá de la calidad de la aproximación
deseada. De esta forma se tendrá un polinomio para la trayectoria de la cadera, un
polinomio para la trayectoria de la rodilla y no más para la trayectoria del tobillo. Los
ajustes y la graficación se realizarán mediante el software MATLAB.
Meta 3. Determinación de las variaciones del ángulo de la rodilla durante un ciclo
completo.
Actividad 1. Al igual que en el caso de los marcadores, se realizará la medición del
ángulo de la rodilla en cada uno de los cuadros registrados.
Meta 4. Diseño construcción de la plataforma de simulación en base a los datos
recabados.
Actividad 1. En base a los datos obtenidos sobre las trayectorias y los valores de los
ángulos, se propondrá un mecanismo para emular los movimientos de la pierna. Para su
construcción se parte del mecanismo básico de cuatro barras que será modificado de
acuerdo a la información de la trayectoria del tobillo.
Actividad 2. Se incluirá una guía para la trayectoria del la cadera mientras que en el caso
de la rodilla se asegurará que ésta presente el ángulo correspondiente a la evolución del
ciclo de marcha que se registró del modelo.
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5.5 Evaluación de la función de los diseños
En esta etapa se evaluara el desempeño de la órtesis y plataforma de simulación de la
marcha
Meta 1 Evaluación del funcionamiento de la órtesis
Actividad 1. Se verificara que el funcionamiento del seguro, el cual deberá estar
bloqueado cuando no hay ninguna fuerza sobre el chico y cuando se aplica la fuerza el
seguro se desbloqueara
Meta 2. Pruebas de funcionamiento y correcciones al diseño.
Actividad 1. Se realizarán pruebas de funcionamiento sobre el desempeño de la
plataforma considerando la velocidad del ciclo (dos posiciones) así como el cumplimento
referente a los valores angulares de la articulación de la rodilla, por último se montará la
órtesis desarrollada para su prueba sobre la plataforma.
6. Material
Material empleado por cada etapa del prototipo
Tabla6.1 Goniómetro
Cantidad Elemento
4 Flexsensor
2 TL084
2m Alambre estañado
2m Soldadura
1 Placas para soldar 10x30
1 Cloruro férrico
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Tabla 6.2 Órtesis
Cantidad Elemento
4m Solera
2 Chicotes de bicicleta
4 Resorte
20 Seguros de presión
20 Tuercas
20 Rondanas
Tabla 6.3 Plataforma para simulación de la marcha
Cantidad Elemento
2 Polines
20 Tornillos
20 Tuercas
20 Rondanas de presión
20 Seguros de presión
1 Motor
10 Ángulos de metal
30 Tornillos de madera
3m Solera
1m barra redonda
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7 Resultados
7.1 Instrumentación
Se empleó un sensor cuya resistencia eléctrica es proporcional a la magnitud de su
flexión, Flexsensor (Fig. 7.1.1.), cuya variabilidad es de característica lineal.
Fig. 7.1.1 Flexsensor.
Este se conecto a un circuito eléctrico en configuración de divisor de voltaje cuyos rango
de variación es de (+,-) 10 volts (Fig. 7.1.2.)
Fig. 7.1.2 diagrama eléctrico del electro goniómetro
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La ecuación del voltaje a la salida es:
VpR
R
R
R
RR
RVo
VssVccRR
RVp
FS
4
5
4
51
23
2
1
1
Una vez cubiertos lo anterior se realizó una caracterización obteniéndose la ecuación
representativa en base a un ajuste lineal de los datos mediante el método de mínimos
cuadrados. (Tabla 7.1, Tabla 7.2 Tabla 7.3, Fig. 7.1.3, Fig. 7.1.4 y Fig. 7.1.5)
Tabla 7.1. Relación de voltaje ángulo para la línealizacion de sensor 1
Vp= Voltaje de salida del primer OPAM
Vo= Voltaje de salida
RFS=Resistencia del flexsensor
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Fig. 6.1.3 Ecuación y grafica de línealizacion sensor 1
Tabla 7.2. Relación de voltaje Angulo para la línealizacion de sensor 2
Flexosensor 1
Angulo = 50,402Voltaje + 37,339
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2Voltaje
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Fig. 7.1.4 Ecuación y grafica de línealizacion sensor 2
Tabla 7.3. Relación de voltaje Angulo para la línealizacion de sensor 3
Tabla 7.3
Flexosensor 2
Angulo = 73,115(Voltaje= + 41,95
-20
0
20
40
60
80
100
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8
Voltaje
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Fig. 7.1.5 Ecuación y grafica de línealizacion sensor 1
En las tablas y figuras anteriores podemos encontrar la relación de cada circuito con el
ángulo mediante un programa que realice la conversión de voltaje a grados.
Fig. 7.1.6 Circuito eléctrico obtenido electro goniómetro terminado
En la Fig. 7.1.6 se puede visualizar el diseño PCB del circuito, además del circuito físico
elaborado, este tiene un tamaño de 4cm X 3cm. Cada tablilla contiene dos
electrogoniómetros, por lo cual para monitorear el proceso de marcha se necesita una
tablilla por pierna.
Flexosensor 3
Angulo = 60,564(Voltaje) + 62,999
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4Voltaje
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7.2 Diseño de la órtesis
Como primera etapa se realizó el diseño del seguro de la órtesis de acuerdo a las
medidas adecuadas para el sujeto prueba, obteniéndose las siguientes piezas (Fig. 7.2.1)
Fig. 7.2.1 Piezas con las di menciones adecuadas para la manufactura de las piezas. Todas las
piezas tienen un espesor de ¼ de pulgada
Teniendo el tamaño de las piezas se procedió a su manufacturación, esto se realizo por
medio de la fresadora de la cual se obtuvieron las piezas de la Fig. 7.2.2 considerando la
dimensión adecuada para el seguro de bloqueo. Para la parte del sistema de desbloque
se empleo un chicote sujeto a la pieza de bloqueo.
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Fig. 7.2.2 Piezas con las dimensiones
adecuadas para la manufactura de las piezas.
Todas las piezas tienen un espesor de ¼ de
pulgada
Una vez que se manufacturó el seguro se procedió al ensamble, aunque una parte del
seguro es el resorte que permite bloquear a éste una vez que llega a una posición
determinada, se realizaron pruebas con varios seguros tomando como los idóneos para
este trabajo solo dos de ellos. (Fig. 7.2.3.)
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Fig. 7.2.3 Resortes empleados y su posición dentro
del seguro de bloque
De los resortes obtenidos se selecciono el resorte circular el cual se alinea junto con la
trayectoria del chicote. Esto le permitía fijarse y mantenerse única y específicamente
sobre esa posición cosa que no pasaba con el resorte en arco, ya que después de
determinado tiempo se deformaba lo cual le impide regresar a su posición y por lo tanto
generar el empuje necesario para bloquear el seguro. Por ello el resorte circular fue la
opción perfecta. Y gracias a que las fuerzas recaían directamente sobre él, el esfuerzo
que se tiene que realizar para desbloquear es menor por lo tanto resulto más adecuado
para este trabajo.
Realizado el paso anterior se procedió al ensamble del seguro paro ello se realizaron
unas perforaciones adicionales sobre las piezas para poder fijarlas, los tornillos fueron
colocados de tal forma que no afectaran el mecanismo del seguro. De igual forma, se
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engrasaron las piezas para evitar un poco el desgaste que se da entre el roce de pieza y
pieza, una vez realizado esto se armo. (Fig. 7.2.4)
Fig. 7.2.3 Vista del seguro armado
Una vez armado el seguro se procedió a medir la longitud de la pierna de sujeto prueba
con esto se crearon dos ejes los cuales permitirán fijar la órtesis la pierna y se le
adicionaron dos abrazaderas con relleno suave para evitar que este pueda lastimar el
miembro en cuestión (Fig. 7.2.4)
Fig. 7.2.4 Vista de la órtesis
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7.3 diseño de la plataforma
En base a la metodología planteada se obtuvieron los siguientes resultados. En la Fig.
7.3.1 podemos apreciar al individuo modelo con la colocación de los marcadores
correspondientes a la posición de la cadera, la rodilla y el tobillo, se aprecia además el
ángulo correspondiente a la articulación de la rodilla.
Fig. 7.3.1 Individuo modelo con la posición de los
marcadores.
La secuencia de los cuadros del video corresponde a un total de 28 cuadros de los cuales
se muestran a continuación en la Fig. 7.3.2, sólo se presentan en nueve a manera de
ejemplo:
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Fig. 7.3.2 Muestra de nueve cuadros de la secuencia de 28 tomados en video, es posible
apreciar la posición de los marcadores de la cadera, la rodilla y el tobillo.
Los cuadros del video se ajustaron a imágenes con una escala 1:100 con el modelo real,
con este escalamiento se procedió a determinar la posición de la cadera, la rodilla y el
tobillo a lo largo del ciclo de marcha, los datos fueron graficados y su comportamiento
puede verse en la fig. 7.3.3
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Fig. 7.3.3 Posiciones de los marcadores de la cadera, la rodilla y el tobillo durante el ciclo de marcha a
partir de la información recabada de los cuadros del video. Se presenta con las dimensiones reales.
A partir de estos datos es posible apreciar las trayectorias que siguen los marcadores
como se observa en la Fig. 7.3.4
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Fig. 7.3.4 De arriba hacia abajo se resaltan las trayectoria de la cadera, la rodilla y del tobillo.
La trayectoria del desplazamiento del tobillo se emplea como base para el diseño
mecánico, por ello se realizó su aproximación polinomial de sexto orden:
𝑦𝑡 = 𝑎6𝑥𝑡6 + 𝑎5𝑥𝑡
5 + 𝑎4𝑥𝑡4 + 𝑎3𝑥𝑡
3 + 𝑎2𝑥𝑡2 + 𝑎1𝑥𝑡
1 + 𝑎0
Donde yt representa la posición del tobillo en el eje de las ordenadas y xt representa la
posición del tobillo en el eje de las abscisas. Los valores de los coeficientes calculados
mediante MATLAB se presentan a continuación:
Tabla 7.4 Valores de los coeficientes del polinomio de aproximación de la trayectoria del
tobillo
a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0
-1.3170 7.2432 -15.8456 17.2458 -9.4667 2.1906 0.0275
La Fig. 7.3.5 muestra la trayectoria generada por el polinomio y los datos empleados para
realizar el ajuste tomados de la posición de los marcadores.
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Fig. 7.3.5 Aproximación polinomial de la trayectoria del tobillo.
Nos interesa además conocer cuento se desplaza el tobillo por cada uno de los
segmentos recorridos sobre la trayectoria, para ello se hace uso de los datos obtenidos
del polinomio y la siguiente fórmula para calcular longitud de arco entre dos puntos a y b
si se conoce la función que lo genera así como su derivada:
𝑎𝑟𝑐𝑎𝑏 = 1 +𝑑𝑓
𝑑𝑥
2𝑏
𝑎
En base a esta fórmula se calculan 27 segmentos de arco sobre la trayectoria generada
por el polinomio, considerando las coordenadas en x dadas por los marcadores, el
programa se realizó en la plataforma MATLAB/Simulan.
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Tabla 7.5. Longitudes de arco recorridas sobre la trayectoria del tobillo durante cada uno
de los cuadros
Intervalo Longitud de arco recorrida Longitud de arco que debera recorrerse
en la plataforma
1-2 0.02088 0.0101268
2-3 0 0
3-4 0 0
4-5 0.01945 0.00943325
5-6 0.009224 0.00447364
6-7 0.008909 0.00432087
7-8 0.008609 0.00417537
8-9 0.01637 0.00793945
9-10 0.02264 0.0109804
10-11 0.03353 0.01626205
11-12 0.0461 0.0223585
12-13 0.04136 0.0200596
13-14 0.08045 0.03901825
14-15 0.08278 0.0401483
15-16 0.07865 0.03814525
16-17 0.1396 0.067706
17-18 0.1163 0.0564055
18-19 0.08529 0.04136565
19-20 0.1051 0.0509735
20-21 0.09514 0.0461429
21-22 0.06516 0.0316026
22-23 0.02508 0.0121638
23-24 0.02007 0.00973395
24-25 0 0
25-26 0 0
26-27 0.01004 0.0048694
27-28 0.0104 0.005044
Para la elaboración de este mecanismo se manufacturan las piezas de la Fig. 7.3.5. Las
cuales fueron hechas con solera al espesor adecuado. Los ejes fueron realizados
mediante el torno dejando una parte con un diámetro mayor el cual le proporciona
estabilidad al sistema evitando las vibraciones que se pueden generar por el juego que
causa el ensamble de pieza a pieza.
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Fig. 7.3.6 Manufacturado de las piezas de la plataforma y estrutura de madera empleada
para sostener el sistema
Con estos datos se procede a construir un sistema mecánico basado en el mecanismo
clásico de cuatro barras y que se muestra en la (Fig. 7.3.7). Se utiliza un motor de HP
colocado en la barra a. A través de este mecanismo se obtiene la trayectoria del pun A,
como se muestra a continuación.
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Fig. 7.3.7 Sistema de 4 barras.
Puede observarse que la trayectoria cerrada A, es equivalente a cerrar la trayectoria
generada por el polinomio, esta es la idea principal del diseño, lo que sigue a continuación
es determinar los valores de los ángulos de la rodilla, para montar dos segmentos
metálicos articulados que simulen la pierna, al determinarse estos ángulos e ir variando la
posición y la trayectoria del tobillo se determina la trayectoria que simula la de la cadera.
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Tabla 7.6. Angulo de la rodilla de acuerdo a la toma usada para describir el proceso de
marcha
Posición Angulo de
la Rodilla Theta r
Grados
1 176
2 175.5
3 172.5
4 172.5
5 172.5
6 170
7 165.5
8 161
9 158
10 148
11 137
12 127
13 124.5
14 124
15 125
16 124.5
17 137.5
18 146.5
19 153
20 167
21 177.5
22 180
23 178
24 178
25 175
26 175
27 174
28 175.5
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Tabla 7.7 Angulo respecto a la horizontal de las tomas empleadas para la
descripción del proceso de marcha
Posición Angulo respecto de la horizontal
1 89
2 86
3 83.5
4 80.5
5 79
6 76
7 72
8 68
9 63
10 55
11 47
12 41
13 38
14 42
15 47.5
16 51.5
17 63
18 51.5
19 79
20 90
21 98.5
22 100
23 98.5
24 97
25 93
26 89.5
27 88.5
28 88
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Tabla 7.8. Coordenadas del tobillo de acuerdo a la elevación alcanzada
Posición Coordenada en x para el tobillo
1 0.0150
2 0.0250
3 0.0250
4 0.0250
5 0.0350
6 0.0400
7 0.0450
8 0.0500
9 0.0600
10 0.0750
11 0.1000
12 0.1400
13 0.1800
14 0.2600
15 0.3400
16 0.4150
17 0.5500
18 0.6650
19 0.7500
20 0.8550
21 0.9500
22 1.0150
23 1.0400
24 1.0600
25 1.0600
26 1.0600
27 1.0700
28 1.0800
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7.4 Pruebas del funcionamiento de la órtesis
El seguro fue probado manualmente con lo que se verifico que este se bloqueara y
desbloquear de acuerdo a la posición del chicote. Para mantener el seguro bloqueado el
chicote debe de estar relajado como se muestra en la Fig. 7.4.1
Fig. 7.4.1 Órtesis con el seguro bloqueado
Para desbloquearlo el chicote debe de ser tensado hasta vencer la componente del
resorte Fig. 7.4.2
Fig. 7.4.2 Órtesis con el seguro desbloqueado
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Con esto se comprobó la funcionalidad del sistema de bloque. Este mismo efecto tendrá
sobre el miembro inferior (Fig. 7.4.3)
Fig. 7.4.3 Ortesis montada en el miembro inferior
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En la plataforma se realizo una prueba de video realizando un estudio de tomas para
verificar, que esta emula el proceso de marcha. (Fig. 7.4.4)
Fig. 7.4.5 Secuencia de la plataforma para emular el proceso de marcha
Como se puede ver en la imagen anterior la secuencia de ángulos generada por las
barras que emulan la pierna, es muy parecida a la que se da durante el proceso de
marcha. Esto se debe a que la parte de la cadera no debe ir fija, sino que también debe
tener un mecanismo que realice una trayectoria especifica. (Fig. 7.4.6)
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Fig. 7.4.6 Plataforma con trayectoria que sigue durante su funcionamiento
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8 Conclusiones
La marcha es un proceso complejo del cual no existe todavía un dispositivo que pueda
emular todas las condiciones y por lo que continua siendo un problema de estudio en todo
el mundo. Esta es la causa principal por la que el trabajo se enfocó al estudió sólo de los
desplazamientos en el plano lateral XY. Así se obtuvo un diseño preliminar de la
plataforma de prueba, que servirá en la prueba y continua mejora de la órtesis diseñada
permitiéndonos realizar pruebas de su desempeño sin la necesidad de que el paciente
este presente.
Se logró el diseño y construcción del prototipo de la órtesis propuesta para el problema de
debilidad muscular.
Tanto la órtesis como la plataforma de prueba representan un primer pero importante
avance en la investigación en el campo de la biomecánica que se pretende continuar
dentro del grupo de investigación.
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9 Recomendaciones
De acuerdo a las etapas se proponen las siguientes recomendaciones:
Sobre la Instrumentación.
Es necesario implementar adicionalmente a los electrogoniómetros, sensores de posición
con la finalidad de registrar tanto los ángulos, como la posición, y velocidad con la que se
desplaza nuestro sujeto de pruebas. Con ello se obtendrán datos más confiables que los
obtenidos por el método de tomas video graficas.
Sobre la órtesis
Es posible proponer un amplio número de mejoras, por ejemplo: la parte de sujeción
inferior puede manufacturarse, de tal forma que sea solo una pieza con la parte inferior de
seguro lo cual evitara el uso excesivo de tornillos, a su vez se otorgará un grado de
resistencia mayor. De igual forma la pieza superior del seguro puede fusionarse con parte
superior reduciendo los costos y cantidad de piezas contenidas en la órtesis.
Plataforma de simulación del proceso de marcha.
En esta plataforma se dejo fijo el punto de la cadera ya que este describe un movimiento
que debe de ser actuado en su totalidad, ya que la gravedad es un factor que actúa en
contra si solo se traza un guía, la trayectoria real corresponde a un “8” deformado, por lo
cual en un trabajo futuro se propone realizar el seguimiento del Angulo de la cadera por
medio de un robot X, Y el cual realizara el seguimiento de la trayectoria generando una
estructura que emule en una forma más cercana a la real del proceso de marcha
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