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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA MÁQUINA DE
REHABILITACIÓN DE LESIONES DE RODILLA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
AUTOR: PAÚL FERNANDO CHAUCA LASSO
DIRECTOR: ING. MARCELA PARRA. MGT
QUITO, ENERO 2015
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo PAÚL FERNANDO CHAUCA LASSO, declaro que el trabajo aquí descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o
calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que
se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_______________________________
Paúl Fernando Chauca Lasso
C.I. 1714631437
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO E
IMPLEMENTACIÓN DE UNA MÁQUINA DE REHABILITACIÓN DE
LESIONES DE RODILLA”, que para aspirar al título de Ingeniero en
Mecatrónica fue desarrollado por Paul Chauca, bajo mi dirección y
supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos
18 y 25.
______________________________
Ing. Marcela Parra Pintado, Mgt.
DIRECTOR DEL TRABAJO
180310759-6
DEDICATORIA
A dios por regalarme la vida y unos padres tan excelentes para poder culminar
el objetivo de convertirme en una persona profesional y de bien.
A mis padres Vicente y Olga que han sido el soporte fundamental, ya que
siempre me han inculcado buenos valores para seguir por un camino correcto
y que han estado en todas las situaciones difíciles que en el transcurso de este
camino se han presentado y gracias a ellos hoy puedo cumplir esta meta.
A mis hermanos Erick y Katherine para que en un futuro puedan conseguir está
meta, ya que con esfuerzo y dedicación se puede llegar a cumplir todos los
objetivos.
A toda mi familia, amigos y demás personas que se han preocupado por mí y
que siempre me ha extendido su mano en toda esta etapa de la vida.
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Tecnológica Equinoccial, ya que en sus aulas recibí el
conocimiento intelectual y humano para poder desarrollarme como profesional.
Un especial agradecimiento a la Ing. Marcela Parra por sus consejos, guía
profesional y amistad para poder desarrollar el proyecto.
Al Ing. Luis Hidalgo por su excelente predisposición para guiarme en el diseño
mecánico del proyecto, muchas gracias.
Al Ing. Juan Salazar y al Sr. Mauricio Suntaxi por su ayuda
A mis padres y hermanos que me supieron aconsejar para llegar a culminar
con este largo camino de esfuerzo.
GLOSARIO
Amplificación: Es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía,
magnifica la amplitud de un fenómeno.
Antiinflamatorios: Es el medicamento y procedimiento medico usados para
prevenir o disminuir la inflamación.
Articulación: Es la unión entre dos o más huesos, un hueso y un cartílago o
un hueso y los dientes.
Electromiografía: Es una técnica para la evaluación y registro de la actividad
eléctrica producida por los músculos.
Filtros: Un dispositivo que elimina o selecciona ciertas frecuencias de un
espectro.
Ganancia: Es una magnitud que expresa la relación entre la amplitud de una
señal de salida respecto a la señal de entrada.
Ligamentos: Es una estructura anatómica en forma de banda, por fibras
resistentes que conecta los tejidos que unen a los huesos.
Neuromuscular: Son los nervios que se encuentran en los músculos.
Rehabilitación: Conjunto de técnicas y métodos que sirven para recuperar una
función o actividad del cuerpo que ha disminuido o se ha perdido a causa de un
traumatismo o de una enfermedad
Transducción: Es la transformación de un tipo de señal o energía en otra de
distinta naturaleza.
Tróclea: Articulación en forma de polea que permite que un hueso adyacente
pueda girar en el mismo sentido
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN…………………………………………………………………………..x
ABSTRACT…………………………………………………………………………xi
1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 1
2. MARCO CONCEPTUAL ......................................................................... 12
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS ............................................... 12
2.1.1 TRABAJOS REALIZADOS ........................................................... 12
2.2 LA RODILLA ...................................................................................... 13
2.3 ANATOMÍA DE LA RODILLA ............................................................. 14
2.4 ARTICULACIONES DE LA RODILLA ................................................ 15
2.4.1 ARTICULACIÓN FEMOROTULIANA .......................................... 15
2.5 MENISCOS ........................................................................................ 15
2.6 LIGAMENTOS .................................................................................... 16
2.7 MUSCULOS ....................................................................................... 16
2.7.1 FLEXORES................................................................................... 17
2.8 REHABILITACION DE LA RODILLA .................................................. 17
2.8.1 SINTOMAS POST LESION ......................................................... 17
2.8.2 REHABILITACION DE LA RODILLA ............................................ 18
2.9 MÁQUINA DE REHABILITACIÓN ...................................................... 18
2.9.1 TIPOS DE MAQUINA DE REHABILITACIÓN............................... 18
2.10 SISTEMAS EMBEBIDOS .................................................................. 19
2.10.1 CARACTERÍSTICAS ................................................................. 19
2.10.2 SISTEMA DE CONTROL........................................................... 19
2.11.2 ACTUADORES .......................................................................... 21
2.12 MOTOR DE PASOS .................................................................... 21
2.13 ELECTROMIOGRAFIA ..................................................................... 22
2.14 ELECTRODOS DE SUPERFICIE ..................................................... 22
2.15 AMPLIFICADORES OPERACIONALES ........................................... 23
2.15.1 AMPLIFICADOR INVERSOR ..................................................... 24
ii
2.15.2 AMPLIFICADOR NO INVERSOR ............................................... 25
2.15.3 AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE VOLTAJE. ............................. 25
2.16 FILTROS ............................................................................................ 26
2.16.1 FILTRO PASA BAJO ................................................................... 26
2.16.2 FILTRO PASA ALTO ................................................................... 26
2.16.3 FILTRO PASO DE BANDA .......................................................... 27
2.16.4 FILTRO NOTCH .......................................................................... 27
2.17 MICROCONTROLADORES .............................................................. 28
2.17.1 UNIDAD DE CONTROL .............................................................. 29
2.17.1.1 Entradas y salidas de propósito general ................................... 29
2.17.1.2 La memoria RAM ...................................................................... 29
2.17.2 PROGRAMACIÓN (LENGUAJES DE ALTO Y BAJO NIVEL) ..... 29
2.17.2.1 Lenguaje de programación de alto nivel ................................... 30
2.17.2.2 Ventajas .................................................................................... 30
2.17.2.3 Lenguaje de programación de bajo nivel .................................. 30
2.17.3 LABVIEW ..................................................................................... 31
2.18 DISEÑO MECANICO ......................................................................... 32
2.19 BIOMECANICA .................................................................................. 32
2.19.1 CINEMATICA ............................................................................... 32
2.19.1.1 Centro Instantáneo de Rotación ............................................... 33
2.19.1.2 Diagrama de Cuerpo libre ......................................................... 33
2.19.2 FACTORES DE DISEÑO ............................................................ 35
2.20 TORNILLOS DE POTENCIA ............................................................. 35
2.20.1 UTILIZACION .............................................................................. 36
2.20.2 GENERALIDADES DE LAS ROSCAS ........................................ 36
2.20.3 PAR DE TORSIÓN ...................................................................... 37
2.21 FORMAS DE ROSCAS ...................................................................... 37
2.22 MECANISMO DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTOS ............ 38
2.22.1 MECANISMO TORNILLO - TUERCA ......................................... 38
2.23 ACERO DE ESTRUCTURAL ............................................................ 39
3 METODOLOGIA ........................................................................................ 38
3.1 METODOLOGÍA MECATRONICA ..................................................... 40
iii
3.2 SISTEMA ELÉCTRICO / ELECTRÓNICO .......................................... 41
3.2.1 Amplificador L298B ........................................................................ 41
3.2.2 AMPLIFICADORES OPERACIONALES ....................................... 42
3.2.3 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN ............................. 42
3.2.4 FILTRADO DE SEÑAL ................................................................. 44
3.2.5 SENSORES ................................................................................... 45
3.2.6 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN ............................................. 45
3.2.7 SISTEMAS EMBEBIDOS .............................................................. 46
3.2.8 MOTOR DE PASOS VS MOTOR AC ........................................... 47
4 DESARROLLO DEL SISTEMA .................................................................. 46
4.1 DISEÑO CIRCUITO DE ADQUISICION DE SEÑALES MIOELECTRICAS
………………………………………………………………………………..48
4.1.1 AMPLIFICADOR AD620 ............................................................... 48
4.1.2 DISEÑO FILTRO PASA BAJOS 150HZ ....................................... 49
4.1.3 DISEÑO FILTRO PASA ALTA ...................................................... 49
4.1.4 DISEÑO DE AMPLIFICACIÓN DE SEÑAL................................... 50
4.2 DISEÑO DEL CIRCUITO DE CONTROL DEL MOTOR ..................... 51
4.3 DISEÑO MECANICO .......................................................................... 52
4.3.1 ANÁLISIS DINÁMICO .................................................................. 52
4.3.1.1 Cálculos de Análisis Dinámico ................................................... 53
4.3.2 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE MAQUINA DE REHABILITACIÓN
DE RODILLAS ........................................................................................... 54
4.3.2.1 Cálculos .................................................................................... 54
4.3.2.3 Diagrama de Momento Flector ................................................. 56
4.3.2.4 Diagrama de Fuerza Cortante .................................................. 58
4.3.2.5 Diagrama de momento flector .................................................. 58
4.4 CALCULO TORNILLO DE POTENCIA ............................................... 59
4.4.1 DIÁMETRO DE PASO .................................................................. 59
4.4.2 DIÁMETRO MENOR .................................................................... 59
4.4.3 AVANCE ....................................................................................... 60
4.5 CÁLCULO DEL PAR DE TORSIÓN (TR) ............................................ 60
4.5.1 CONTRA CARGA .......................................................................... 60
iv
4.5.2 PAR DE TORSIÓN PARA BAJAR LA CARGA .............................. 60
4.6 CÁLCULO DE ESFUERZO FLEXIONANTE PIEZA1 ........................ 61
4.7 CÁLCULO DE ESFUERZO FLEXIONANTE PIEZA2 ........................ 61
4.8 ESFUERZO CORTANTE PIEZA 1 .................................................... 63
4.8.1 ESFUERZO CORTANTE PIEZA 2 ............................................... 63
4.8.2 ESFUERZO CORTANTE PERMISIBLE ....................................... 63
4.9.1 CÁLCULO DEL DIÁMTREO DE PASADOR PIEZA 2 .................. 64
4.10 SIMULACION EN SOLIDWORKS PIEZA 1 ..................................... 64
4.10.1TENSIÓN DE VON MISES .......................................................... 64
4.10.2 FACTOR DE SEGURIDAD ......................................................... 65
4.11 SIMULACION SOLID WORKS PIEZA 2 ........................................... 65
4.11.1 TENSIÓN DE VON MISES ........................................................ 66
4.11.2 FACTOR DE SEGURIDAD ......................................................... 66
5. IMPLEMENTACION Y RESULTADOS ..................................................... 66
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 70
6.1 CONCLUSIONES .............................................................................. 71
6.2 RECOMENDACIONES ...................................................................... 72
ANEXOS……………………………………………………………….…………...72
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 96
v
INDICE DE FIGURAS
PÁGINA
FIGURA 1. Causa y efecto, rehabilitación de lesiones de rodilla ................... 6
FIGURA 2.Diseño de la órtesis activa kafo .................................................. 13
FIGURA 3. Anatomía de la rodilla ................................................................ 15
FIGURA 4. Ligamentos de la rodilla ............................................................ 16
FIGURA 5. Motor de pasos.......................................................................... 21
FIGURA 6. Módulo de la electromiografía ................................................... 22
FIGURA 7. Electrodos de superficie ............................................................ 23
FIGURA 8. Amplificador operacional ........................................................... 24
FIGURA 9. Amplificador inversor ................................................................. 24
FIGURA 10. Amplificador no inversor ......................................................... 25
FIGURA 11. Amplificador seguidor de voltaje............................................. 25
FIGURA 12. Filtro pasa bajo ........................................................................ 26
FIGURA 13. Filtro pasa alto ......................................................................... 27
FIGURA 14. Filtro paso de banda ................................................................ 27
FIGURA 15. Filtro notch .............................................................................. 27
FIGURA 16. Microcontrolador ...................................................................... 28
FIGURA 17. Clasificación de la biomecánica .............................................. 32
FIGURA 18. Centro instantáneo de rotación ............................................... 33
FIGURA 19. Diagrama de cuerpo libre ........................................................ 34
FIGURA 20. Tornillo de potencia ................................................................. 36
FIGURA 21. Generalidades de las roscas ................................................... 36
FIGURA 22. Rosca cuadrada ...................................................................... 38
FIGURA 23. Mecanismo tornillo – tuerca .................................................... 39
FIGURA 24. Acero de transmisión ............................................................... 39
FIGURA 25. Metodología mecatrónica ........................................................ 40
FIGURA 26. Sistema multidisciplinario ........................................................ 41
FIGURA 27. Amplificador operacional TL072 .............................................. 42
FIGURA 28. Amplificador AD620 ................................................................. 43
FIGURA 29. Configuración amplificador AD620 .......................................... 48
vi
FIGURA 30. Circuito filtro pasa bajos ......................................................... 49
FIGURA 31. Circuito filtro pasa altas ........................................................... 50
FIGURA 32. Circuito amplificación de señal ................................................ 50
FIGURA 33. Circuito completo electromiografía .......................................... 51
FIGURA 34. Circuito control del motor ........................................................ 52
FIGURA 35. Análisis dinámicos ................................................................... 52
FIGURA 36. Diagrama de cuerpo libre ........................................................ 54
FIGURA 37. Diagrama cuero libre, corte 1 .................................................. 55
FIGURA 38. Diagrama fuerza cortante ....................................................... 56
FIGURA 39. Diagrama momento flector ...................................................... 56
FIGURA 40. Diagrama de cuerpo libre, corte 2 ........................................... 57
FIGURA 41. DIagrama de fuerza cortante ................................................... 58
FIGURA 42. Diagrama momento flector ...................................................... 58
FIGURA 43. Simulación distribución de cargas, pieza 1 ............................. 64
FIGURA 44. Simulación tensión von mises, pieza 1 .................................... 64
FIGURA 45. Simulación factor de seguridad, pieza 1 .................................. 65
FIGURA 46. Simulación distribución de carga, pieza 2 ............................... 65
FIGURA 47. Simulación tensión de von mises, pieza 2 ............................... 66
FIGURA 48. Simulación factor de seguridad, pieza 2 .................................. 66
FIGURA 49. Máquina de rehabilitación de rodillas ...................................... 67
FIGURA 50. Señal adquirida con osciloscopio ............................................ 69
FIGURA 51. Señal adquirida labview .......................................................... 70
vii
INDICE DE TABLAS
PÁGINA
TABLA 1. Estudio de factibilidad del software solid works ............................ 8
TABLA 2. Estudio de factibilidad del software y arduino mega, uno ............ 8
TABLA 3. Materiales equipo eléctrico electromiografía ................................. 9
TABLA 4. Materiales sistema de control maquina de rehabilitación ............ 10
TABLA 5. Materiales construcción mecánica .............................................. 11
TABLA 6. Especificaciones técnicas driver l298b vs l293b ......................... 41
TABLA 7. Especificaciones técnicas tl072 .................................................. 42
TABLA 8. Especificaciones técnicas ad620, ina 114 .................................. 43
TABLA 9. Filtros rc, filtros digitales ............................................................. 44
TABLA 10. Características electrodos de superficie, electrodos de aguja .. 45
TABLA 11. Características lenguajes de programación arduino ................. 46
TABLA 12. Características sistemas embebidos arduino, plc ..................... 46
TABLA 13. Características placa arduino mega .......................................... 47
TABLA 14. Características servomotor vs motor de pasos ......................... 47
TABLA 15. Cálculos dinámicos ................................................................... 53
TABLA 16. Cálculos de fuerzas y reacciones ............................................. 59
TABLA 17. Utilización máquina de rehabilitación ........................................ 68
viii
INDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Tamaños y roscas básicos preferidos de tornillos ..................... 73
ANEXO 2. Dimensiones de roscas de tornillos métricas ............................. 74
ANEXO 3. Propiedades de los aceros estructurales ................................... 75
ANEXO 4. Propiedades de los ángulos de acero de lados iguales y lados
desiguales. ............................................................................................ 76
ANEXO 5. Diámetros y áreas de roscas métricas de paso fino ................... 77
ANEXO 6. Coeficiente de fricción de pares roscados .................................. 78
ANEXO 7. Grados de Inclinación….………………………………….…….....79
ANEXO 8. Placa Control Máquina de Rehabilitación………………………....80
ANEXO 9. Placa Adquisición de señales Mioeléctricas……………………...81
ANEXO 10. Programa Control Máquina de Rehabilitación…………………..82
ix
INDICE DE ECUACIONES
PÁGINA
ECUACIÓN 1.2 Amplificador Inversor .......................................................... 24
ECUACIÓN 2.2 Amplificador no inversor ..................................................... 25
ECUACIÓN 3.2 Seguidor de voltaje ............................................................. 25
ECUACIÓN 4.2 Filtro pasa bajos .................................................................. 26
ECUACIÓN 5.2 Filtro pasa altos ................................................................... 27
ECUACIÓN 6.2 Fueza normal ...................................................................... 34
ECUACIÓN 7.2 Fuerza cortante ................................................................... 34
ECUACIÓN 8.2 Momento flector………………………………………………..34
ECUACIÓN 9.2 Esfuerzo de flexión ............................................................. 34
ECUACIÓN 10.2 Esfuerzo permisible .......................................................... 35
ECUACIÓN 11.2 Diámetro menor ................................................................ 37
ECUACIÓN 12.2 Diámetro de paso .............................................................. 37
ECUACIÓN 13.2 Par de torsión contra carga ............................................... 37
ECUACIÓN 14.2 Par de torsión bajar carga ................................................. 37
x
RESUMEN
La Máquina Rehabilitación de lesiones de rodilla, es un sistema que está
diseñado para las personas que padecen o sufren de una lesión en sus
rodillas, para que puedan y tengan la facilidad de realizar una serie de
ejercicios programados y controlados a diferentes niveles de inclinación y a la
vez que permita recuperar la flexión y extensión de su rodilla lesionada en corto
tiempo, sin dolor y con un aumento progresivo en los trabajos de rehabilitación,
además de censar su actividad muscular por medio de un sistema de
adquisición de señales mioeléctricas. Este trabajo propone una rehabilitación
fácil y eficiente para que las personas no pierdan tiempo, dinero y puedan
recuperarse de su lesión y volver a su vida normal de trabajo y deportiva. Para
la utilización de La Máquina Rehabilitadora de lesiones de rodilla está diseñada
a base de cálculos estáticos, dinámicos para que pueda resistir a las diferentes
condiciones ya sea de peso y de fuerzas a la que será sometida, es por esto
que todas las personas y niños tendrán acceso a las terapias de rehabilitación.
El sistema de control se basa en el ángulo de inclinación para iniciar la rutina e
ir avanzando progresivamente en su recuperación además de que lo puedan
hacer en varios días, ya que según el paciente vaya evolucionando se
aumentará levemente la exigencia en los ejercicios de la terapia, todo esto en
un cierto tiempo límite para que no tengan problemas de dolor y deterioro en la
parte afectada. El sistema tendrá una interfaz en la cual se podrá observar
cómo actuará el musculo al momento que realizará los ejercicios de
rehabilitación, esto se lo hará por medio de un sistema de adquisición de
señales mioeléctricas conocido como electromiografía que estará censando el
comportamiento de los músculos que trabajarán junto con la rodilla. Con esto
se obtendrá un control en la serie de ejercicios y en desplazamiento, tiempos,
el comportamiento del músculo y se podrá determinar la correcta recuperación
y evolución de la lesión de rodilla en una persona.
xi
ABSTRACT
The Knee rehabilitative machine is a system that is designed for people who
suffer from an injury to their knee, so they can and have the ease of performing
a series of exercises programmed and controlled at different incline levels as
well as restoring the flexion and extension of their injured knee in a short time,
without pain, in addition this will census progressively the muscle activity
through an acquisition system of myoelectric signals. This work proposes an
easy and efficient rehabilitation so that people do not waste time, money and
can recover from their injury and return to their normal working and sporting life.
The knee rehabilitative machine is designed based on static, dynamic
calculations so it can resist different conditions either weight and forces to which
shall be referred, that is why every adult and child will have access to
rehabilitation therapies. The control system is based on the tilt angle to start the
routine and progressively advance in their rehabilitation, besides they can do it
in a few days, inasmuch as according to the patient evolution the demand for
the exercises of therapy will be increased, all this in a certain time limit so they
do not feel pain or suffer deterioration in the affected area. The system will have
an interface in which you can observe how the muscle works when they perform
rehabilitation exercises, this will be done by an acquisition system of
myoelectric signals which is known as electromyography that will be
recensusing the behavior of muscles that will be working with the knee. With all
this, a control in the series of exercises and displacement, time, behavior of
muscle will be obtained, and it could also be determined the correct recovery
and development of the knee injury in a person.
1. INTRODUCCIÓN
1
La mecatrónica se ha desarrollado para suplir necesidades latentes;
primordialmente encaminada a automatizar la maquinaría y así dar solución a
procesos productivos ágiles y confiables; con el fin crear productos inteligentes,
que respondan a las necesidades de las personas en el mundo moderno.
En la actualidad la mecatrónica se ha vuelto indispensable y en este caso nos
sirve de mucho para las personas que sufren de problemas de rodillas como
distención de los ligamentos, esto hace que les impide llevar una vida normal.
La decisión de realizar una maquina rehabilitadora de rodilla y a la ves poder
llevar un registro de la evolución de los músculos por medio de un sistema de
adquisición de señales mioeléctricas, depende de varios factores como la
gravedad de la lesión, el tiempo de recuperación.
La rodilla es una articulación, lo que significa que es el punto de contacto entre
huesos adyacentes, se trata de la articulación más grande del cuerpo, las
rodillas proporcionan estabilidad y flexibilidad al cuerpo, al mismo tiempo que
permiten flexionar, girar y enderezar las piernas
.
El estudio de la rodilla es el que nos permite entender su mecánica para poder
diseñar de acuerdo a las características de flexión y extensión para el correcto
desarrollo del proyecto.
Por otro lado la investigación nos permite obtener el conocimiento de las
especificaciones técnicas, el funcionamiento de cada uno de los componentes
que pueden ser aplicables al sistema de rehabilitación, con el fin de ayudar a
las personas que tienen este tipo de lesiones.
El sistema de rehabilitación se lo realiza con el aumento progresivo en el
sistema de control, para que en la recuperación de las rodillas se pueda
conseguir y recuperar flexibilidad y esto se logra con la terapia movimiento
pasivo continuo y controlado en cada una de las sesiones que lleven a cabo
después de la lesión. Como primero se propone utilizar la cinemática, la cual
2
nos permitirá conocer el movimiento que realiza la rodilla y sus grados de
libertad. Con esto podemos determinar la posición inicial y la posición final o
máxima a la cual se deberá flexionar la articulación de la rodilla para su
respectiva recuperación.
Por consiguiente se plantean los requerimientos de diseños eléctricos,
mecánicos, del sistema de control y demás elementos funcionales que
permitan el normal desarrollo del proyecto. Al momento de que una persona
llega a tener una lesión de rodilla y por ende una cirugía es necesario e
indispensable que se establezca una rutina diaria de fisioterapia de acuerdo a
la gravedad de la lesión con un aumento progresivo en los ejercicios.
La rehabilitación de una lesión de rodilla se lo puede describir como un proceso
largo y complejo tanto para los pacientes como para fisioterapeutas que
realizan este trabajo, ya que se requiere que se lo realice de una manera
cuidadosa e inmediata. Si la rehabilitación se lleva a cabo de una manera
deficiente o el paciente no tiene acceso a la misma, el proceso de recuperación
tomará más tiempo o no será satisfactoria.
Al no contar con sistemas de rehabilitación en los diferentes hospitales públicos
y que no cuentan con el presupuesto necesario para adquirir sistemas que
puedan realizar rehabilitación, además de que se necesita pasar muchas
horas, días para poder acceder a los diferentes tipos de terapias en las
instituciones públicas e incluso la gran cantidad de usuarios que llegan en
busca de ayuda para controlar por medio de la ciencia sus diferentes lesiones
es que se ha visto la necesidad de ayudar y poder desarrollar el proyecto para
el beneficio de muchas personas, que sea de bajo costo y que pueda brindar la
ayuda necesaria a deportistas, personas de la tercera edad, niños, hombres,
mujeres que sufre de este tipo de lesiones. Además de que se necesita
fisioterapeutas para que puedan cumplir con los diferentes ejercicios, la
rehabilitación de la rodilla representa un proceso largo y complejo tanto para
3
los pacientes como para los fisioterapeutas, ya que se necesita que esta se
efectuara de manera cuidadosa.
El problema más importante es que no se tienen sistemas de rehabilitación
adecuados a las necesidades de las personas con este tipo de lesiones, ya que
las personas encargadas como fisioterapeutas, por la gran cantidad de
pacientes a tratar no disponen del tiempo necesario para realizar el
tratamiento de acuerdo a su lesión, además de los ciclos, la cantidad de
repeticiones en los ejercicios y esto induce a que la terapia diaria sea
incompleta y que la recuperación sea demorosa y estresante para los
pacientes. En nuestro país se está empezando a desarrollar este tipo de
proyectos en las diferentes universidades por medio de las tesis de grado, que
sirven para que estudiantes puedan obtener su título profesional y a la ves
ayuden al desarrollo en el área de la fisioterapia mediante maquinas
mecatrónicas con el objetivo de realizar fisioterapia controlada.
El avance de la tecnología ha permitido que sistemas, máquinas, procesos que
estén involucrados en los diferentes campos de la ciencia puedan ser
automatizados permitiendo reducir tiempo, riesgos y mejorar la productividad.
La gran mayoría de niños, adultos y todas las personas en general, practican
algún tipo de actividad física y más en nuestro país los deportes típicos son el
fútbol, el ecuavóley y el básquet, los cuales implican gran cantidad de esfuerzo
físico y por ende se ven expuestos a cualquier tipo de lesión ya sea por
desgaste, malos movimientos, golpes que puedan afectar directamente a la
rodilla o diferentes situaciones que se pueden dar en un juego con mucho
contacto físico.
La rehabilitación de la rodilla comúnmente es proporcionada por
fisioterapeutas, quien se encarga de movilizar la parte afectada. Aunque en la
actualidad existen dispositivos que pueden realizar esta función, estos
dispositivos se encuentran en el mercado a precios que dejan fuera de alcance
a instituciones públicas y por ende a personas en general.
4
Por lo que mediante este trabajo se busca el diseño de una Maquina de
Rehabilitaciones de Rodillas además de un sistema de adquisición de señales
mioeléctricas a un costo razonable que sea accesible a instituciones de salud
pública en el país y para las personas en general.
Al implementar este proyecto muchas personas se verán beneficiadas ya que
se podrá cumplir con la recuperación, flexibilidad, necesaria para llevar una
vida diaria óptima. El proyecto planteado es muy importante ya que por medio
del mismo se pueda obtener grandes beneficio y se puede dar rehabilitación a
las personas con una lesión de esguince que es cuando uno o varios
ligamentos se estiran demasiado.
Todo este tipo de lesiones se las trabaja por medio de terapias de rehabilitación
y para ello necesitan máquinas que puedan realizar un trabajo completo y
eficiente por medio de control automático para poder recuperar flexibilidad, con
los diferentes tiempos de trabajo y las repeticiones necesarias para la evolución
ya que la principal característica es el movimiento pasivo continuo y la
máquina de rehabilitación de rodilla es con el fin de que el paciente no realice
ningún movimiento voluntario de la zona a tratar, al contrario este movimiento
es realizado por una fuerza externa, en la cual el paciente no ayuda ni se
resiste.
Los deportistas en sus carreras deportivas suelen tener diferentes tipos de
lesiones y para recuperarse acuden a diferentes profesionales. En muchos
casos no tiene la ayuda necesaria, La frecuencia de las lesiones ha aumentado
en forma drástica en los últimos años debido a una mayor exigencia de las
actividades físico-deportivas, así como el aumento de intensidad en las
competencias. La lesión deportiva es uno de los obstáculos más importantes
para el exitoso rendimiento de un deportista La inadecuada rehabilitación de
una lesión hace que sea más fácil recaer durante los entrenamientos que
durante los partidos, para que un deportista pueda volver a desarrollar su
actividad preferida con seguridad y confianza de que no volverá a recaer en lo
mismo es necesaria una recuperación progresiva, cuidadosa y con el control
5
necesario para que cumpla con éxito su recuperación. El fisioterapeuta
encargado llevará a cabo un exhausto control sobre la intensidad, número de
repeticiones, series, cargas de entrenamiento. En el siguiente cuadro
observamos las diferentes tipos de lesión que podemos encontrar en los
deportistas. (Gomes G. & Urdanpilleta A., 2012)
Frecuencia Porcentaje
N° %
Género
Chicos 74 79,6
Chicas 19 20,4
Total 93 100
Lesiones por deporte
Fútbol 60 64,5
Baloncesto 24 25,8 Voleibol 4 4,3
Judo 1 1,1
Atletismo 2 2,2
Hockey 1 1,1
Patinaje 1 1,1
Lesión por Zona Corporal
Rodilla 36 38,7
Tobillo 34 36,6
Hombro 6 6,5
Codo 3 3,2
Espalda 5 5,4
Cadera 5 5,4
Antebrazo 1 1,1
Cabeza 2 2,2
Muñeca 1 1,1
En la tabla estadística podemos determinar que los chicos son los que más
lesiones adquieren con un 79,6%, al momento de practicar el rey de los
deportes el fútbol con un 64,5%, y que la zona corporal más afectada es la
rodilla con un 38,7%. (Gomes G. & Urdanpilleta A., 2012)
6
Figura 1. Causa y Efecto, Rehabilitación de lesiones de rodilla
7
A la culminación de la investigación se obtendrá un sistema que permita que el
usuario pueda cumplir con una sesión de ejercicios de rehabilitación para que
sus rodillas afectadas puedan tener cierta actividad en un tiempo establecido,
además de una interface gráfica en la cual se pueda observar el
comportamiento de los músculos por medio de la señales mioeléctricas al
momento de realizar los ejercicios de fisioterapia. Incrementar la movilidad,
rango de movimiento flexibilidad, estiramiento, ayuda a disminuir la rigidez de la
articulación en rehabilitación.
El diseño y construcción se lo realizara de acuerdo a las especificaciones y
requerimiento que necesiten las personas con este tipo de problemas
Mediante la desarrollo de este proyecto se pretende ampliar la investigación y
conocimiento de la carrera de Mecatrónica.
OBJETIVOS
Objetivo General
Diseñar e Implementar una Máquina de rehabilitación de lesiones de Rodillas.
Objetivos Específicos
Diseñar e implementar el sistema de adquisición de señales Mioeléctricas de
los músculos que afectan el movimiento de la rodilla.
Diseñar y construir el sistema mecánico de la máquina de rehabilitación.
Diseñar e implementar el sistema de control de movimiento de la máquina a
partir de los ciclos de rehabilitación y las señales mioeléctricas
Diseñar e implementar una interface de visualización de las señales
mioeléctricas y los esfuerzos realizados por los músculos y la articulación de la
rodilla.
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD
FACTIBILIDAD TÉCNICA
El desarrollo de la Máquina de Rehabilitación de lesiones de rodilla como
proyecto de tesis es factible por los siguientes aspectos:
8
Los recursos técnicos como los materiales están al alcance.
Existen tareas similares que se encuentran en proceso de investigación a
nivel mundial.
En nuestro país existen estudios sobre adquisición de señales
mioeléctricas y máquinas que rehabiliten lesiones de rodilla.
Los movimientos que realizará la máquina son básicos: flexión y extensión
de la rodilla.
Tabla 1: Estudio de factibilidad del software Solid Works
CARACTERISTICAS SOLID WORKS
Soporte de Fábrica 5
Elementos de Diseño Mecánico 5
Interacción con herramientas informáticas 5
Modelamiento 3D 5
Facilidad de Uso 5
Total 25
Para el diseño mecánico se utiliza el Programa de Diseño Mecánico SOLID
WORKS, ya que se tiene mejor práctica y manejo. Además proporciona un
mejor entorno de diseño con numerosas funciones que permiten realizar un
diseño de la manera correcta y precisa de lo que se desea realizar.
Tabla 2: Estudio de factibilidad del software y hardware Arduino Mega, Uno
CARACTERISTICAS SOFTWARE ARDUINO
HARDWARE ARDUINO
Soporte Fábrica 5 5
Herramientas de programación 5 5
Interfaz 5 5
Facilidad de desarrollo 5 4
Interacción con otras herramientas
4 4
Total 24 24
9
Para el diseño eléctrico y de control se utiliza el Programa ARDUINO, ya que
se tiene módulos de programación como la placa Arduino Mega que
proporciona muchas facilidades como entradas, salidas, memoria,
comunicación, programación y compatibilidad.
FACTIBILIDAD ECONÓMICA
Tabla 3: Materiales Equipo Eléctrico Electromiografía
DESCRIPCIÓN CANTIDAD V. UNITARIO($) V. TOTAL($)
Electrodos superficiales 1 10 10
Placa Arduino 1 32.50 32.50
Resistencias 100 K 6 0.03 0.18
Resistencias 5,6 K 2 0.03 0.06
Resistencias 1MEG 1 0.04 0.04
Resistencias 10 K 3 0.03 0.09
Resistencias 24 K 2 0.03 0.06
Resistencias 15 K 2 0.03 0.06
Resistencias 7,5 K 2 0.03 0.06
Resistencias 750 2 0.03 0.06
Resistencias 680 2 0.03 0.06
Fuente +5V, -5V 1 25 25
Amplificadores
Operacionales(AD620) 2 6.10 12.20
Amplificadores
Operacionales(TL072D) 7 3.40 23.8
Capacitores 0,1uf 3 0.08 0.24
Capacitores 2,2 uf 2 0.08 0.16
Capacitores 22uf 2 0.08 0.16
Capacitores 100uf 2 0.08 0.16
Elementos Varios 1 15 15
Total 120,11
10
Tabla 4: Materiales Sistema de Control Maquina de Rehabilitación
DESCRIPCIÓN CANTIDAD V. UNITARIO($) V. TOTAL($)
LCD 16x2 1 8 8
Placa Arduino 1 30 30
Teclado Matricial 3x4 1 10 10
Driver de Potencias (L298) 1 6 6
Fin de Carrera 1 3 3
Caja acrílica 2 7 14
Resistencia 1K 1 0.02 0.02
Resistencia 220 1 0.02 0.02
Bus de datos 2 2 4
Conectores 4 0.80 3.20
Led 2 0.10 0.20
Placa PBC 1 15 15
Buzzer 1 0.25 0.25
L298B 1 6 6
Fuente de Alimentación Motor
1 1 8.50
Fuente Alimentación Arduino
1 1 5.90
Transistor 2N3904 1 0.60 0.60
Elementos varios 1 150 1500
TOTAL 224.69
11
Tabla 5: Materiales Construcción Mecánica
DESCRIPCIÓN CANTIDAD V. UNITARIO$ V. TOTAL$
Motor Vexta 1 150 150
Ángulos 2X2X1/8 1 20 20
Rodamientos 6201.c3 2 4 8
Acero de transmisión
ϕ25mm
1 18 18
Acero de transmisión
ϕ20mm
1 16 16
Chumaceras(ϕ25mm) 2 18 36
Pernos 4 0.50 2
Platinas 2 4 8
Prisioneros 2 0.25 0.50
Mano de Obra 1 280 280
Elementos varios 1 100 100
Alquiler Taller 8 horas 15 120
Total 758.50
Costo total del prototipo: $1102.83
2. MARCO CONCEPTUAL
12
En este capítulo se procederá a investigar la parte bibliográfica de cada uno de
los temas y subtemas que se relacionan con el proyecto. Inicialmente se
indicara una descripción de algunos trabajos realizados de acuerdo al proyecto
que se desarrollara. Se analizara, entenderá y comprenderá el significado y
funcionamiento de los diferentes componentes mecánicos, eléctricos y de
control que se utilizará en el proyecto.
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
En el Ecuador y en el resto de nuestro planeta existen diferentes entidades
gubernamentales e independientes que están tratando de ayudar por medio de
la tecnología las enfermedades de las personas en este caso acerca de las
lesiones en el cuerpo humano que pueden ser controladas y rehabilitadas por
medio de la ciencia. Ya que se viene desarrollando diferentes tipos de
máquinas mecatrónicas que permitan realizar un trabajo de rehabilitación
controlado en todo aspecto como tiempos, repeticiones, fuerza, flexión,
extensión entre otros, para que exista una mejor recuperación en menos
tiempo y con mayor eficacia.
Vale indicar que en nuestro país está empezando a desarrollar esta tecnología
más que todo en las estudiantes de ingeniera que desarrollan este tipo de
proyectos para obtener su título y además para ayudar a la población.
2.1.1 TRABAJOS REALIZADOS
2.1.1.1 Diseño y construcción de una órtesis de rodilla, destinada a la
rehabilitación automatizada de la extremidad inferior. (Romero , 2012)
Un órtesis es un dispositivo mecánico que se asemeja a la estructura de la
articulación, y que aplicado de forma externa asiste al movimiento de la
extremidad. Basado en el análisis biomecánico de la cinemática de la rodilla, se
plantea el diseño de un órtesis activa que automatizar el proceso de
13
rehabilitación de la articulación mencionada y generar movimientos exactos y
controlados. (Romero , 2012)
2.1.1.2 Diseño de una órtesis activa para ayudar a la marcha de lesiones
medulares. (Arroyo G. & Font Llagunes, 2010)
La órtesis activa de rodilla y tobillo, está diseñada para asistir en la marcha a
personas que presentan lesiones medulares quienes poseen un limitado control
sobre sus extremidades inferiores produciéndoles anomalías que les afecta en
la marcha. La implementación de esta órtesis busca mantener una marcha
normal y eficiente, asistiendo en la flexión y extensión de la pierna durante la
fase de balanceo y bloquear la rodilla en la fase de apoyo. (Arroyo G. & Font
Llagunes, 2010)
Figura 2: Diseño de la órtesis activa KAFO
Autor: J. M. Font-Llagunes, 2010
2.2 LA RODILLA
La rodilla es una de las articulaciones más importantes del cuerpo humano ya
que, es muy común en producirse lesiones al momento de realizar deporte. Es
una articulación compleja, cuando esta saludable, las personas pueden
caminar, correr y movilizarse sin dolor alguno.
La rodilla es una articulación, lo que significa que es el punto de contacto entre
huesos adyacentes, es la articulación más grande del cuerpo y proporcionan
14
estabilidad y flexibilidad al cuerpo, al tiempo que permiten flexionar, girar y
enderezar las piernas, se forma por la unión de los huesos fémur, tibia, rotula y
dos discos fibrocartilaginosos que son los meniscos. Además consta de varias
partes, como huesos, cartílagos, músculos, ligamentos y tendones, todas ellas
funcionando como si fueran una solo.
Los músculos que hay alrededor de la rodilla incluyen los cuádriceps (un grupo
de cuatro músculos ubicado en la parte anterior del muslo) El cuádriceps ayuda
a enderezar y extender la pierna, mientras que el isquiotibial ayuda a flexionar
la rodilla. El dolor de rodilla es un síntoma común en personas de todas las
edades. Puede comenzar repentinamente, a menudo después de una lesión o
de ejercicio. También puede empezar como una molestia leve y luego poco a
poco va empeorando. Los problemas mecánicos de las rodillas pueden ser
provocados por:
Un golpe o movimiento brusco que cause un esguince o torcedura
Osteoartritis de la rodilla, causada por el uso y desgaste de sus partes.
Los principales movimientos de las rodillas son los siguientes:
Flexión: Aproximación entre muslo y pantorrillas.
Extensión: Retorno de la posición de flexión a la posición normal.
Rotación externa: Lleva el pie hacia afuera.
Rotación Interna: Lleva el pie hacia adentro.
2.3 ANATOMÍA DE LA RODILLA
Fémur: Es el hueso más largo del cuerpo, que proporciona gran estabilidad,
resistencia y es la mayor parte de la longitud de la pierna de un individuo.
Tibia: Es un hueso largo que soporta el peso del cuerpo, ocupa la parte
anterior interna de la piedra y recibe el peso del cuerpo y lo transmite hacia el
pie.
Rotula: Corresponde al grupo de huesos cortos y es corto esponjoso, su
ubicación es en la parte anterior de la rodilla.
15
Figura 3: Anatomía de la rodilla
Fuente: (cto-am.com)
2.4 ARTICULACIONES DE LA RODILLA
2.4.1 ARTICULACIÓN FEMOROTULIANA
Está situada entre la cara articular de la rótula y la tróclea del fémur. Además
de unos ligamentos que la refuerzan y que unen la rótula con los huesos
proximales. La rótula está unida al fémur mediante ligamentos femorotulianos
colaterales lateral y medial. Unen la rótula con el epicóndilo correspondiente del
fémur. La rótula está unida a la tibia mediante los ligamentos rotulianos. Unen
el vértice y la zona proximal de la rótula con la tuberosidad de la tibia.
2.4.2 ARTICULACIÓN TIBIO FEMORAL
Está formada por caras proximales de la tibia y el extremo distal del fémur,
posee dos cóndilos femorales separados por medio de la fosa intercondílea.
Toda la superficie está cubierta por medio de una capa delgada de cartílago
siendo 3mm el espesor máximo que alcanza. (Romero , 2012)
2.5 MENISCOS
Son fibrocartilaginosos al momento de lesionarse no se siente dolor pero si
molestia para realizar los diferentes actividades. Se ubican entre la tibia y el
fémur y hacen de conexión entre ambas ya que las cavidades de la tibia son
16
cóncavas y los del fémur son convexos, además son encargados de controlar
estabilidad y deslizamientos. En la parte externa presentan una forma de O,
mientras que en la parte interna presenta una forma de C.
2.6 LIGAMENTOS
Es una estructura en forma de banda, con fibras resistentes que unen las
articulaciones, es la que confiere estabilidad y es fundamental para el
movimiento de los huesos.
Figura 4: Ligamentos de la rodilla
Fuente: (web.iadmd.org)
Para brindar una completa estabilidad tenemos:
Ligamento cruzado anterior.
Ligamento cruzado posterior.
Ligamento colateral mediano.
Ligamento colateral lateral.
2.7 MUSCULOS
Adema de brindar movimientos son los principales estabilizadores de la rodilla.
El conjunto muscular que cumple con estas funciones está formado por los
músculos que nacen desde la parte superior de la articulación de la cadera. La
zona del cuerpo femoral y la porción inferior de pierna.
De acuerdo con la función que cumplen se clasifican en: (Romero , 2012)
17
2.7.1 FLEXORES
Los músculos que tienen injerencia tanto en la flexión como en la rotación son
los que se encuentran en la parte posterior del muslo y la pierna y su fuerza es
menor a la de los músculos extensores, puesto que únicamente tienen que
levantar únicamente la pierna y el pie. Son de suma importancia en la
locomoción llevando al miembro inferior de la posición posterior a la anterior.
(Romero , 2012)
2.7.2 EXTENSORES
El musculo extensor más importante es los cuádriceps crurales, que está
formado por cuatro fascículos, el recto anterior que nace en la espina iliaca,
atravesando la articulación de la cadera y los vastos interno, externo y crural,
cuyos orígenes están en el cuerpo femoral.
Estos músculos convergen en un mismo tendón que se insertan en la tibia
atravesando la rótula. Puede alcanzar una fuerza de 142Kg. (Romero , 2012)
2.8 REHABILITACION DE LA RODILLA
2.8.1 SINTOMAS POST LESION
Las lesiones de rodilla son muy comunes en el mundo del deporte ya que son
sometidas a gran esfuerzo por mucho tiempo y no tienen la preparación
necesaria ni la condición física suficiente como para realizar grande jornadas
realizando deporte y en nuestro país los más comunes son en primer lugar el
futbol, seguido del ecuavóley y el básquet. Tras haber sufrido alguna lesión se
tiene varias clases de inconvenientes con la propia lesión y con factores
externos que se dan luego de varias horas de lo ocurrido.
Dolor: Es típico ya que aparece en desde el momento mismo de la lesión,
permanece durante todo el proceso de recuperación y hasta que esté
completamente recuperado.
18
Inflamación: Aparece al igual que el dolor desde el momento de la lesión nos
limita en nuestros movimientos y hace que el tejido se recupere y se necesita
darle reposo para su recuperación.
2.8.2 REHABILITACION DE LA RODILLA
La rehabilitación debe comenzar lo antes posible, luego de que se haya
desinflamado y disminuido la hinchazón con el objetivo de que el paciente no
pierda fuerza ni movilidad, el tratamiento inicial después de una lesión se lo
realiza con moderación, con un tratamiento conservador el cual consiste en el
consumo de antiinflamatorios, hielo y una rodillera articulada con el objetivo de
disminuir el dolor y la hinchazón.
2.8.3 REHABILITACION DE FLEXIÓN Y EXTENCIÓN
Es la que se utiliza como punto de partida la cual es de flexión y extensión, la
cual debe moverse entre los límites de movilidad que no comprometan la
estabilidad de la rodilla y progresivamente. Esta terapia se debe continuar solo
hasta que el paciente sea capaz de realizar el trabajo por si solo sin la ayuda
de ninguna persona.
2.9 MÁQUINA DE REHABILITACIÓN
Son aparatos eléctricos que permite combinar una serie de ejercicios, en lo
activo, el esfuerzo lo realiza la persona y el pasivo que se caracteriza por qué
es la máquina quien realiza todo el esfuerzo mediante un motor eléctrico
controlado para que se pueda llevar una terapia correcta mediante el tiempo y
las series de repeticiones que se debe llevar a cabo dependiendo la gravedad
de la lesión.
2.9.1 TIPOS DE MAQUINA DE REHABILITACIÓN
En la actualidad existen diferentes tipos de máquina de rehabilitación, que por
medio de diferentes circuitos electrónicos, diferentes mecanismos, permiten
19
desarrollar y controlar correctamente las terapias y por ende las recuperaciones
de los pacientes, como por ejemplo:
- Total Gym: Es una de las máquina más aceptadas y avaladas del mundo
ya que permite estimular todo el sistema neuromuscular.
- Plataforma vibratoria: esta máquina sirve para recuperar masa muscular
y cuando los huesos se han deteriorado, esta máquina permite estirar el
cuerpo y mejorar el flujo sanguíneo.
- El pedaleador: Está maquina permite que las personas pedaleen y puedan
trabajar, recuperar movilidad, flexión, extensión y eliminar dolor en sus
extremidades.
2.10 SISTEMAS EMBEBIDOS
Es un sistema que forma un conjunto, en este caso de software, hardware y
control para que algunos elementos mecánicos que son los actuadores,
puedan realizar diferentes aplicaciones por medio de líneas de programación
ya que nos permite enviar órdenes por medio de código para luego realizar
diferentes acciones programadas.
2.10.1 CARACTERÍSTICAS
Confiabilidad: probabilidad de que es el sistema trabaje correctamente.
Mantenimiento: Probabilidad de que el sistema vuelva a trabajar después de
una falla.
Disponibilidad: Probabilidad de que es sistema tenga un buen
funcionamiento.
Seguridad personal: No causar daño.
Seguridad informática: comunicación y confidencialidad.
2.10.2 SISTEMA DE CONTROL
Un sistema de control puede considerarse como un sistema que se puede
utilizar para:
Controlar algo variable de algún valor en particular.
Controlar una secuencia de eventos.
20
Controlar si ocurre o no un evento (Bolton, 2010)
Existen dos tipos de básicos de sistemas de control: lazo abierto y lazo
cerrado.
Sistema de control lazo abierto:
Es el que en la salida no tiene efecto sobre la acción de control.
Se caracteriza porque la información o variable que controla el proceso
circulan en una sola dirección.
El sistema de control no reciben información de que las acciones se están
haciendo correctamente. (Bolton, 2010)
Sistema de control lazo cerrado:
Es un sistema en el que a la salida ejerce un efecto de control sobre el
proceso de control.
Existe una retroalimentación desde la finalización del proceso hacia el
sistema control.
El sistema recibe la información de que las operaciones fueron realizadas
correctamente. (Bolton, 2010)
2.11 SENSORES Y ACTUADORES
Los sensores y actuadores son los elemento de un sistema que lo conectan
con su entorno física, excluido del usuario. La función de los sensores es
obtener la señal eléctrica en respuesta a magnitudes no eléctricas. La función
de los actuadores es realizar una acción mecánica en respuesta a una señal de
entrada que en caso de los actuadores eléctricos es eléctrica, pero que
también puede ser hidráulica, neumática y mecánica. (Areny , 1993)
2.11.1 SENSORES ANALOGICOS Y DIGITALES
Un sensor analógico es aquel que en su salida emite una señal comprendida
por un grupo de datos que varían con el tiempo y son proporcionales a los
datos que se están midiendo. Un sensor digital es el que únicamente puede
21
adoptar dos únicos valores en su salida 1-0, son estados absolutos y únicos
que se pueden utilizar para negar o afirmar.
2.11.2 ACTUADORES
Los actuadores tienen la misión de generar cualquier movimiento de alguna
parte de una maquina ordenados por el sistema de control, los actuadores
utilizados en mecatrónica puede utilizar energía neumática, hidráulica y
eléctrica.
Los actuadores poseen algunas partes como por ejemplo:
Regulador: elemento con entrada de señal electrónica, entrada de energía
auxiliar y salida de energía.
Elemento de ajuste: Como un regulador, pero la señal de mando también
puede ser no eléctrica.
Transductor: Elemento sin entra de señal de mando, solo con alimentación
y salida de energía.
Actuador: Cadena de reguladores y transductores en general. (BOSCH,
2005)
2.12 MOTOR DE PASOS
Los motores de pasos, o también llamados de movimiento indeseado,
constituyen un caso especial en esta clase de motores estando diseñados para
girar un determinado ángulo en función de las señales eléctricas que se aplique
en sus terminales de control. (Conti, 2005)
Figura 5: Motor de Pasos
Fuente: (www.techmake.com)
22
La magnitud o resolución de los pasos que puede ejecutar un motor
dependerá de sus características constructivas, comprendiendo ángulos de
menos de 1º hasta 15º, o más, según el modelo.
Este tipo de motores se emplean a menudo en sistemas de control digital, en
los que el motor recibe órdenes de lazo abierto en forma de un tren de pulsos
para hacer rotar su eje en un ángulo perfectamente definido, una ventaja
notable en este tipo de motores es su natural compatibilidad, con los sistemas
electrónicos digitales. (Conti, 2005)
2.13 ELECTROMIOGRAFIA
Es una técnica para la evaluación y registro de la actividad eléctrica producida
por los músculos esqueléticos. Estas señales son producidas por el
intercambio de iones por medio de las membranas a través de las fibras
musculares debido a una contracción muscular.
La electromiografía consiste básicamente en la obtención, registró y análisis de
las señales generadas por los músculos y obtenidas por medio de los
electrodos de superficie para la obtención de una señal limpia y resultados
correctos se debe seguir el siguiente esquema.
Figura 6: Módulo de la electromiografía
Fuente: (www.monografias.com)
2.14 ELECTRODOS DE SUPERFICIE
Los electrodos de superficie son aquellos que se colocan para estar en
contacto con la piel de las personas, los electrodos de superficie se utilizan
para poder determinar la actividad que realiza toda la superficie del músculo.
23
Figura 7: Electrodos de Superficie
Fuente: (www.baasys.es)
La manera de obtener información acerca de nuestro entorno en este caso de
nuestros músculos y transferirla a algún aparato electrónico se lleva a cabo
mediante un transductor, el cual es dispositivo capaz de transformar un tipo de
energía de entrada a otro tipo de energía de salida. La unidad de
procesamiento contiene circuitos eléctricos que amplifican, filtran y digitalizan la
señal adquirida.
En el campo de la bioelectricidad los transductores utilizados son llamados
electrodos; estos hacen una transferencia iónica del tejido vivo del cuerpo hacia
un dispositivo electrónico, el cual se encarga de procesarla para posteriormente
obtener información útil de la medición; entre las señales biológicas más
estudiadas podemos encontrar las electromiografías
Este tipo de electrodos nos permitirá obtener información acerca de los
músculos al momento de que realicen alguna clase de movimiento ya sea de
contracción o estiramiento, los electrodos de superficie son los que tienen
contacto directo con la piel.
2.15 AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Los amplificadores operacionales son populares porque son baratos, fáciles de
usar y es divertido trabajar con ellos, se lo puede considerar básicamente como
un sistema que cuenta con una entrada y una salida, la ganancia de voltaje del
amplificador es la razón de los voltajes de salida y entrada cuando cada uno se
mide tomando en cuenta la tierra. La impedancia de entrada de un
24
amplificador se define como el voltaje de entrada dividido entre la corriente de
entrada la impedancia de salida es el voltaje de salida dividido entre la corriente
de salida.
El amplificador operacional cuenta con dos entradas, conocida como la entrada
inversora (-) y la entrada no inversora (+). La salida depende de las conexiones
hechas de dichas entradas. (Bolton, 2010)
.
Figura 8: Amplificador operacional
Fuente: (www.areatecnologia.com)
2.15.1 AMPLIFICADOR INVERSOR
Se llama así ya que la señal de salida es inversa a la señal de entrada
dependiendo la ganancia.
Figura 9: Amplificador Inversor
Fuente: (Bolton, William ,2010)
1
2*
R
RVinVout (Ec. 1,2)
25
2.15.2 AMPLIFICADOR NO INVERSOR
El amplificador no inversor recibe la señal de entrada por el pin positivo. La
salida se puede considerar para ser tomada a través del circuito divisor
potencial que consiste en R1 en serie con R2. El voltaje Vx luego es la fracción
R1/(R1+R2) del voltaje de salida, por ejemplo.
Figura 10: Amplificador no inversor
Fuente: (es.wikipedia.org)
)1
21(*
R
RVinVout (Ec. 2,2)
Puesto que virtualmente no hay corrientes a través del amplificador operacional
entre las dos entradas puede haber virtualmente diferencia de no potencial
entre ellos. (Bolton, 2010)
2.15.3 AMPLIFICADOR SEGUIDOR DE VOLTAJE.
El seguidor de voltaje no es más que un circuito amplificador en el que la
tensión de salida es la misma que se aplica en la señal de entrada. Se lo utiliza
para realizar mediciones de voltaje lo más exactas posibles.
Figura 11: Amplificador Seguidor de Voltaje
Fuente: (es.wikipedia.org)
VinVout (Ec. 3,2)
26
2.16 FILTROS
El término filtrado se refiere al proceso de eliminación de cierta banda de
frecuencias de señal y permite que otras se transmitan. El intervalo de
frecuencias que pasa por un filtro se conoce como bandas de paso, y el que no
pasa como bandas de supresión y la frontera entre lo que se suprime y lo que
se pasa es la frecuencia de corte, los filtros se clasifican de acuerdo con los
intervalos de frecuencia que transmiten o rechazan.
2.16.1 FILTRO PASA BAJO
Tiene un paso banda que acepta la transmisión de todas las frecuencias desde
cero hasta cierto valor. El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de
salida, y de una caja negra llamado bipuerto, así todas las frecuencias pueden
presentarse a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que
permita pasar el filtro. (Bolton, 2010)
Figura 12: Filtro Pasa bajo
Fuente: (www.monografias.com)
RC
fc2
1 (Ec. 4,2)
2.16.2 FILTRO PASA ALTO
Tiene un paso de banda que permite la transmisión de todas las frecuencias a
partir de cierto valor hasta el infinito. (Bolton, 2010)
27
Figura 13: Filtro Pasa Alto
Fuente: (www.monografias.com)
RCfc
2
1 (Ec. 5,2)
2.16.3 FILTRO PASO DE BANDA
Este filtro permite la transmisión de todas las frecuencias que están dentro de
una banda especificada
Figura 14: Filtro Paso de Banda
Fuente: (lab51g7.blogspot.com)
2.16.4 FILTRO NOTCH
El filtro Notch es el que se caracteriza principalmente por rechazar una cierta
frecuencia que este interfiriendo a un circuito.
Figura 15: Filtro Notch
Fuente: (fisica.udea.edu.co)
28
2.17 MICROCONTROLADORES
Un micro controlador es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar
las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques
funcionales, los cuales cumplen una tarea específica, incluye en su interior las
tres principales unidades de funcionamiento de una computadora:
Unidad central de procesamiento
Memoria
Periféricos de entrada y salida.
Los microcontroladores deben llevar chips adicionales como por ejemplo:
dispositivos de memoria para almacenar programas y datos, así como puertos
de entrada y salida para permitir que se pueda comunicar con el mundo
exterior y recibir señales desde él. (Bolton, 2010)
Figura 16: Microcontrolador
Fuente: (www.sigmaelectronica.net)
Un micro controlador común tienes terminales para la conexión externa,
alimentación eléctrica y señales de reloj. Las conexiones de entrada y salida se
agrupan en unidades denominadas puertos, que por lo general, estos puertos
tienen 8 líneas para poder transportar una palabra de 8 bits. Un micro
controlador difiere de una unidad central de procesamiento normal, debido a
que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un
mínimo de circuitos integrados externos de apoyo.
Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su
uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad,
como los dispositivos de entrada y salida o la memoria que incluye el micro
controlador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería.
29
2.17.1 UNIDAD DE CONTROL
Esta unidad es de las más importantes en el procesador, en ella recae la lógica
necesaria para la decodificación y ejecución de las instrucciones, el control de
los registros, la ALU, los buses y cuanta cosa más se quiera meter en el
procesador. La unidad de control es uno de los elementos fundamentales que
determinan las prestaciones del procesador, ya que su tipo y estructura,
determina parámetros tales como el tipo de conjunto de instrucciones,
velocidad de ejecución, tiempo del ciclo de máquina, tipo de buses que puede
tener el sistema, manejo de interrupciones y un buen número de cosas más
que en cualquier procesador van a parar a este bloque. Por supuesto, las
unidades de control, son el elemento más complejo de un procesador y
normalmente están divididas en unidades más pequeñas trabajando de
conjunto.
2.17.1.1 Entradas y salidas de propósito general
También conocidos como puertos de E/S, generalmente agrupadas en puertos
de 8 bits de longitud, permiten leer datos del exterior o escribir en ellos desde el
interior del microcontrolador, el destino habitual es el trabajo con dispositivos
simples como relés, LED, o cualquier otra cosa que se le ocurra al
programador. Algunos puertos de E/S tienen características especiales que le
permiten manejar salidas con determinados requerimientos de corriente, o
incorporan mecanismos especiales de interrupción para el procesador.
2.17.1.2 La memoria RAM
La memoria RAM es un tipo de memoria de ordenador a la que se puede
acceder aleatoriamente, es decir que se puede acceder a cualquier byte de
memoria sin acceder a los bytes precedentes.
2.17.2 PROGRAMACIÓN (LENGUAJES DE ALTO Y BAJO NIVEL)
Un lenguaje de programación, es un lenguaje que puede ser utilizado para
controlar el comportamiento de una máquina, particularmente una
computadora.
30
2.17.2.1 Lenguaje de programación de alto nivel
Un lenguaje de programación de alto nivel se caracteriza por expresar
los algoritmos de una manera adecuada a la capacidad cognitiva humana, en
lugar de a la capacidad ejecutora de las máquinas.
Se tratan de lenguajes independientes de la arquitectura del ordenador. Por lo
que, en principio, un programa escrito en un lenguaje de alto nivel, lo puedes
migrar de una máquina a otra. Suelen usar tipos de datos para la programación
y hay lenguajes de propósito general (cualquier tipo de aplicación) y de
propósito específico (como FORTRAN para trabajos científicos). Lograr
independencia de la máquina, pudiendo utilizar un mismo programa en
diferentes equipos con la única condición de disponer de un programa traductor
o compilador, que lo suministra el fabricante, para obtener el programa
ejecutable en lenguaje binario de la máquina que se trate. Además, no se
necesita conocer el hardware específico de dicha máquina. Incluir rutinas de
uso frecuente como son las de entrada/salida, funciones matemáticas, manejo
de tablas, etc., que figuran en una especie de librería del lenguaje, de tal
manera que se pueden utilizar siempre que se quieran sin necesidad de
programarlas cada vez.
2.17.2.2 Ventajas
Genera código más sencillo y comprensible
Escribe un código valido para diversas maquinas
El tiempo de preparación de los programadores es corto
Las modificaciones y puestas a punto son más fáciles
Reducción de costo de los programas
2.17.2.3 Lenguaje de programación de bajo nivel
Un lenguaje de programación de bajo nivel de abstracción es el que
proporciona un conjunto de instrucciones aritmético lógicas sin la capacidad de
encapsular dichas instrucciones en funciones que no estén ya contempladas en
31
la arquitectura del hardware. También permite al programador escribir
instrucciones de un programa usando abreviaturas del inglés, también llamadas
palabras nemotécnicas, tales como: ADD, DIV, SUB, etc.
Dicho lenguaje es muy simple o nada complicado, pero estructurar programas
a ese nivel es muy difícil. Dado que este lenguaje viene dado por las
especificaciones técnicas del hardware, no permite una abstracción fuera de lo
estipulado para el microprocesador de un ordenador. Consecuentemente, es
fácilmente trasladado a lenguaje de máquina.
2.17.3 LABVIEW
Es un lenguaje de programación gráfico diseñado para ingenieros y científicos
el cual les permita desarrollar aplicaciones para pruebas de control y medidas.
Con Labview los educadores tienen un enfoque de diseño de sistemas gráficos
para diseñar, generar prototipos y desplegar sistemas embebidos. Combina la
potencia de la programación grafica con el hardware para simplificar y acelerar
diseños
Beneficios Software
Fácil de aprender y usar
Funcionalidad completa
Tarjeta de adquisición de datos DAQ
Es una tarjeta que permite realizar adquisición de datos del mundo real, para
poder llevarles a un ambiente virtual el cual nos permitirá recopilar información
para manipular, analizar estudiar las señales receptadas.
Características tarjeta DAQ
16 Entradas analógicas
2 salidas analógicas
Compatible con Labview, c++, Visual Basic
32
2.18 DISEÑO MECANICO
Una necesidad común en el diseño mecánico es la de mover componentes en
línea recta. Los elevadores suben o bajan verticalmente. Las máquinas
mueven las herramientas de corte o las piezas que se van a maquinar, en línea
recta sea en sentido horizontal o vertical, para dar al metal las formas que se
desea. (Moot , 2006)
2.19 BIOMECANICA
Es un área la que permite estudiar los modelos, fenómenos y leyes en el
movimiento y el equilibrio de los seres humanos, además la las estructura
mecánicas que sirven para el correcto desenvolvimiento del cuerpo humano.
La parte de la biomecánica que describe los movimientos se la denomina
cinemática y esta es la que describe movimientos, recorridos, velocidades y
aceleraciones de dichos desplazamientos.
El estudio de las fuerzas que provocan el movimiento es la cinética, mientras
que las fuerzas que determinan que los cuerpos se mantengan en equilibrio se
denominan estática. (Aguado , 1993)
CINEMÁTICA
BIOMECÁNICA
DINÁMICA ESTÁTICA
CINÉTICA
Figura 17: Clasificación de la biomecánica
2.19.1 CINEMATICA
Es una rama de la física que estudia las leyes de los movimientos de los
cuerpos sin tomar en cuenta las causas que lo producen y de la trayectoria en
función del tiempo. Los elementos básicos de la cinemática son el tiempo,
33
espacio y móvil. La cinemática realiza el análisis estático y dinámico de las
fuerzas y momentos que actúan sobre una articulación: que se producen por el
peso del cuerpo, en este caso el de la rodilla. El análisis dinámico de la
extremidad inferior nos permite determinar las velocidades y longitudes que se
van encontrando por medio de la variación de los ángulos de inclinación que
intervienen en el proceso de flexión y extensión. Para realizar el cálculo del
análisis dinámico procedemos a usar el centro instantáneo de rotación.
2.19.1.1 Centro Instantáneo de Rotación
Es cuando un eslabón realiza una translación en un momento cualquiera, su
centro instantáneo de rotación se encuentra en el infinito y en dirección
perpendicular al movimiento del eslabón.
Figura 18: Centro Instantáneo de Rotación
Fuente: (laplace.us.es)
2.19.1.2 Diagrama de Cuerpo libre
Un diagrama de cuerpo libre es la representación de un cuerpo junto con todas
las fuerzas externas que actúan sobre el mismo para determinar fuerza normal,
cortante y momento flector.
34
Figura 19: Diagrama de Cuerpo Libre
Fuente: (webdelprofesor.ula.ve)
Fuerza Normal (N): Es una fuerza que actúa perpendicular al área de la
sección. Para determinar la fuerza normal procedemos a realizar un corte en
cualquier punto de la sección de un eslabón y realizar la sumatoria de las
fuerzas y reacción en el eje x. (Moot , 2006)
0fx (Ec.6, 2)
Fuerza Cortante (V): Es una fuerza paralela al área de la sección cortada.
Para determinar la fuerza cortante procedemos a realizar un corte en cualquier
punto del eslabón y realizamos sumatoria de fuerzas y reacciones en el eje y.
0fy (Ec.7, 2)
Momento Flector (Mf): Es causada por las fuerza externas si tienden a flexión.
Para este se realiza un diagrama de cuerpo libre en el que se puede determinar
de forma más detallada las fuerzas, momentos, reacciones y demás aspectos
a tomar en cuenta para determinar el análisis requerido. Se lo realiza en el
corte de un eslabón. (Moot , 2006)
0Mf (Ec.8, 2)
Esfuerzo de Flexión
S
M (Ec.9, 2)
Donde
M= Momento de flexión
S= Modulo de sección transversal de la barra
35
Esfuerzo permisible
FS
Syperm (E.10, 2)
Donde
Sy= Resistencia a la fluencia
Fs= Factor de seguridad
2.19.2 FACTORES DE DISEÑO
Los factores son una medida de la seguridad de un componente bajo la acción
de una gran carga. En la mayoría de casos la resistencia del material con que
se fabrica el componente se divide entre el factor de diseño para determinar un
esfuerzo de diseño llamado esfuerzo admisible o esfuerzo permisible. Cuando
no se cuenta con normas, se debe aplicar su juico para especificar el factor
adecuado. (Moot , 2006)
Para materiales Dúctiles
N=1,25 a 2 en el diseño de estructuras bajo cargas estáticas en donde exista
un alto grado de confianza en los datos del diseño. (Moot , 2006)
N= 2 a 2,5 para diseño de elementos dinámicos con una buena confianza en
los datos del diseño.
N= 2,5 a 4,5 para carga estáticas o dinámicas y no hay una buena seguridad
en los datos del diseño.
N=4 ó mayor para un elemento estático o dinámico con un alto grado de
inestabilidad. (Moot , 2006)
2.20 TORNILLOS DE POTENCIA
Un tornillo de potencia es un dispositivo que se utiliza en maquinaria para
cambiar el movimiento angular en un movimiento lineal, y por lo general para
transmitir potencia. Entre las aplicaciones familiares se incluyen tornillos de
tornos y tornillos para las prensas de banco, prensas de sujeción y gatos. Los
36
tornillos de potencia trabajan con el principio clásico del tornillo con rosca y su
tuerca correspondiente. (Keith & Budynas, 2008)
Figura 20: Tornillo de Potencia
Fuente: (grabcad.com)
2.20.1 UTILIZACION
Los tornillos de potencia se utilizan para:
Para obtener una ventaja mecánica mayor con el objetivo de levantar peso
con mayor facilidad.
Para ejercer fuerzas de gran magnitud como en el caso de compactadores o
prensas.
Para un posicionamiento preciso en los movimientos axiales como en el
tornillo de los micrómetros, en el tornillo de avance de un torno o en trabajos
donde se necesitan prensas con gran precisión.
2.20.2 GENERALIDADES DE LAS ROSCAS
Podemos definir a una rosca como un filete continuo de seccion uniforme y
arrollado como una elipse sobre la superficie exterior e inferior de un cilindro.
Figura 21: Generalidades de las Roscas
Fuente: (www.monografias.com)
37
El paso (P) es la distancia entre dos cuerdas adyacentes, medida en paralela al
eje de la rosca.
El diámetro mayor (d) es el diámetro más grande de una rosca de tornillo.
El diámetro menor o raíz (dr) es el diámetro más pequeño de una rosca de
tornillo. (Keith & Budynas, 2008)
pddr (Ec.11, 2)
El diámetro de paso (dp) es un diámetro teórico entre los diámetro mayor y
menor.
2
pddm (Ec.12, 2)
El avance (l) es la distancia que se desplaza una tuerca en forma paralela al
eje del tornillo cuando a esta se le da una vuelta. (Keith & Budynas, 2008)
2.20.3 PAR DE TORSIÓN
Es la fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión del sistema que
está utilizando. (Keith & Budynas, 2008)
Formula contra carga
2
**)
)(
2
* fcdcf
fldm
fdmldmFTR
(Ec.13 ,2)
Fórmula para bajar carga
2
**)(
2
* fcdcF
fldm
lfdmdmFTR
(Ec.14, 2)
2.21 FORMAS DE ROSCAS
Basándonos en conocimientos básicos y las diferentes aplicaciones de las
roscas y según su forma se considera que para los tornillos de potencia se
tienen las siguientes roscas.
38
2.21.1 ROSCA CUADRADA
Es tipo de rosca es la más eficiente cuando se refiere a los tornillos de
potencia, también en cuanto a la fricción por deslizamiento pero tiene baja
ventaja mecánica y es difícil de manejar, además de que puede transmitir todas
las fuerzas en dirección al eje. (Keith & Budynas, 2008)
Figura 22: Rosca Cuadrada
Fuente: (www.monografias.com)
2.22 MECANISMO DE TRANSFORMACIÓN DE MOVIMIENTOS
Los mecanismos de transformación se encargan de convertir movimientos en
lineales en movimientos de giro y viceversa.
Dentro de los mecanismos para la transformación de movimiento se tiene las
siguientes opciones:
Biela – manivela
Tornillo - tuerca
De los cuales debido a nuestros requerimientos hablaremos acerca del
mecanismo de tornillo-tuerca.
2.22.1 MECANISMO TORNILLO - TUERCA
El mecanismo tornillo tuerca es un mecanismo de transformación circular a
lineal compuesto por una tuerca alojada a un eje roscado. Si el tornillo gira y
mantiene fija la orientación de la tuerca, el tornillo avanza con movimiento
rectilíneo dentro de ella
39
Figura 23: Mecanismo Tornillo – Tuerca
Fuente: (aprendemostecnologia.org)
2.23 ACERO DE ESTRUCTURAL
La mayor parte de los aceros estructurales reciben la designación ASTM A36,
que tiene un punto de fluencia mínimo de 36000psi (248MPa) y es muy dúctil,
es un acero con bajo carbón y laminado en caliente disponible en láminas,
barras, placas.
2.23.1 ACERO DE TRANSMISIÓN
Es conocido normalmente como un metal pero en realidad es una alineación de
hierro y carbono y su proporción no es superior al 2% de su peso total. Es una
de las más utilizadas en los diferentes sectores de las industrias. Una de las
propiedades más importantes es que dependiendo de su proporción se puede
convertir en un material flexible y muy fácil de maquinar para moldear y dar
forma las piezas que se necesite.
Figura 24: Acero de Transmisión
3 METODOLOGIA
40
La metodología mecatrónica es una metodología la cual propone investigar las
diferentes ramas por la cual está compuesta como son la electrónica,
mecánica, sistemas de control. Se podrá determinar los diferentes materiales
que se utilizarán en el proyecto tanto los materiales electrónicos, mecánicos y
sus lenguajes de programación que nos facilitara realizar el sistema de control
mediante la programación. Se determinara las formulas necesarias para que la
construcción de la maquina no tenga fallos mecánicos es por esto que se citara
las fórmulas para el diseño mecánico. Así mismo se determinara las fórmulas
para el diseño electrónico. Por medio de todo este análisis se pueda diseñar y
construir la máquina de rehabilitación y pueda funcionar de acuerdo a los
requerimientos planteados, además del sistema de adquisición de señales
mioeléctricas que será visualizado en una interfaz
3.1 METODOLOGÍA MECATRONICA
Figura 25: Metodología Mecatrónica
Fuente: (www.mecatronicaecuador.com)
La metodología a usarse en este proyecto es un modelo de electrónica de
control y mecánica ya que basa en la programación y permitir dar órdenes a los
actuadores para que cumplas con los requerimientos de los diferentes
subsistemas, ya que en la actualidad estos sistemas se han vuelto muy
importantes, y que gracias a los mismos se pueden realizar un sin número de
aplicaciones para todo tipo de sectores y en este caso de la mecatrónica
aplicada a la rehabilitación de pacientes con lesiones en sus rodillas.
41
Figura 26: Sistema Multidisciplinario
Una vez que se ha logrado la definición y selección de la mejor alternativa, se
toma la forma general las actividades asociadas al desarrollo de un sistema
diseñado bajo el concepto de la mecatrónica. En ella puede observarse como
es posible lograr conjuntar actividades de diseño asistido por computadora,
utilizando para ello diversas herramientas y técnicas, las cuales dependerán en
algunos casos del problema de diseño a resolver.
3.2 SISTEMA ELÉCTRICO / ELECTRÓNICO
3.2.1 Amplificador L298B
Es un circuito integrado el cual tiene el propósito de realizar el control de
motores de manera óptima y económica. Cada canal está controlado por
entradas compatibles de nivel TTL, y cada par de amplificadores está equipado
con una entrada de habilitación que puede apagar los cuatro transistores.
Tabla 6: Especificaciones técnicas Driver L298B vs L293B
Características Valor MaxL298B
Valor MaxL293B
Fuente de Alimentación 50V 36V
Voltaje de Entrada -0.3V – 7V 7V
Voltaje de Inhabilitación 7V 7V
Corriente Pico 3A 2A
Disipador de Potencia 25W 5W
Sistema
Eléctrico
Sistema
de Control
Sistema
Mecánico
Sistema
Multidisciplinario
42
3.2.2 AMPLIFICADORES OPERACIONALES
En electrónica el uso de amplificadores es muy común y gracias a sus
diferentes configuraciones se lo puede utilizar en diferentes aplicaciones,
usualmente se utiliza en acondicionamiento de señales que vienen de
sensores.
Figura 27: Amplificador Operacional TL072
Fuente: (www.sequencer.de)
El amplificador está compuesto por dos amplificadores operacionales
independientes, de alta ganancia y frecuencia interna compensada.
Tabla 7: Especificaciones técnicas TL072
MODELO AMPLIFICADOR OPERACIONAL TL072
Ancho de Banda 3 MHz
Voltaje de Alimentación +/-18
Ganancia 100dB
Temperatura de Operación 0 - 70°C
3.2.3 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN
Dadas las características de las señales que se quieren amplificar, es
necesario el uso de amplificadores de instrumentación. Estos amplificadores
están diseñados con varios amplificadores operacionales y resistencias de
precisión. El amplificador de instrumentación incrementa el voltaje de manera
43
diferencial, la diferencia con un amplificador normal es que los amplificadores
de instrumentación cuentan con impedancias de entrada en orden de giga ohm,
la cual permite amplificar señales de entrada muy bajas. A continuación un
estudio de factibilidad técnica, para determinar cuál de los amplificadores de
instrumentación cumple con las necesidades del proyecto.
Tabla 8: Especificaciones técnicas AD620, INA 114
MODELO AD620 INA 114
TIPO ANALOG DEVICES TEXAS INSTRUMENT
VOLTAJE DE
CORTE 50uV 125uV
RANGO DE
VOLTAJE +- 2.3 a +- 18 voltios ± 2.25 V a ± 18 V
APLICACION ADQUISICION DE
SEÑALES
ADQUISICION DE
SEÑALES
PINES 8 8
El amplificador de instrumentación es de alta precisión y bajo costo, es viable
para la adquisición de señales mioeléctricas. El AD620 es un circuito en el cual
sus componentes fueron diseñados para tener solo pequeñas vibraciones y
esto hace que funcione de manera adecuada en amplios rangos de ganancia y
voltajes de operación.
Figura 28: Amplificador AD620
Fuente: (www.electronicoscaldas.com)
44
El amplificador AD620, tiene la siguiente configuración, la entrada no invertida
(-) es el pin 2, la entrada invertida (+) es el pin 3, la salida es el pin 6, voltaje
negativo es el pin 4, voltaje positivo es el pin 7.
Para el cálculo de la ganancia aplicamos la siguiente formula:
14.49
RG
KG (Ec.15, 2)
3.2.4 FILTRADO DE SEÑAL
Para el filtrado de la señal es necesario remover cualquier señal indeseable
que pueda desestabilizar la señal.
Tabla 9: Filtros RC, Filtros Digitales
MODELO Filtros Pasivos Filtros Digitales
Estabilidad Normal Alto
Respuesta Baja Exacta
Tamaño Pequeño Pequeño
Frecuencia de corte Normal Exacta
Los filtros digitales son los más adecuados ya que nos permite disminuir los
ruidos, ya que solo permite pasar ciertas frecuencias y realizar las diferentes
configuraciones de acuerdo a las necesidades del proyecto.
La señal proviene de los electrodos que se colocan en los músculos de las
personas en rehabilitación, para la etapa de filtrado se usaron Amplificadores
Operacionales, que están subdivididos en tres sub etapas, las cuales son:
Filtro Notch este filtro nos ayuda rechazando frecuencias que estén interfiriendo
con nuestro circuito, damos paso al filtro pasa alta que nos permite ingresar
señales con mayor frecuencia y también elimina ruido. El filtro pasa bajo
permite el paso de frecuencias bajas además de eliminar ruidos y señale
indeseables para nuestro proyecto. Al final obtenemos una señal a la cual la
amplificamos para que pueda presentarse en nuestra pantalla limpia y clara.
45
3.2.5 SENSORES
Para receptar las señales producidas por los músculos durante una contracción
muscular se lo conoce como electromiografía que es el intercambio de iones a
través de las membranas de las fibras musculares.
Se puede utilizar varios tipos de electrodos como los de superficie, de aguja,
autoadhesivos, cada uno de estos se debe limpiar con un poco de alcohol para
que exista una buena calidad en la obtención de datos.
Tabla 10: Características Electrodos de Superficie, Electrodos de Aguja
ELECTRODO SUPERFICIAL AGUJA
Montaje Fácil Difícil
Dolor Nulo Moderado
Impedancia
de la piel Alta Media
Gel Si No
Costo Bajo Alto
Por mejor facilidad y costos se utilizan los electrodos de superficie que realizan
la recepción de señales por pares o bipolares. Los electrodos de superficie
deben de tener un espacio de separación de 2 a 3 cm y llevar un gel para una
mejor conductividad de la señal.
3.2.6 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN
Los lenguajes de programación es un lenguaje formal que ha sido diseñado
para realizar aplicaciones que puedan ser llevados a cabo por máquinas.
Se las puede usar para crear programas que controlen el comportamiento físico
por medio de los actuadores con precisión exactitud y además que obtengan
una buena interacción con los humanos.
46
Tabla 11: Características Lenguajes de programación Arduino, Ensamblador
LENGUAJE DE
PROGRAMACION ARDUINO ENSAMBLADOR
CODIGO DE
PROGRAMACION FACIL COMPLEJO
PROGRAMACION EXCELENTE BUENO
COMPATIBILIDAD EXCELENTE BUENA
Los programas de Arduino Mega se dividen en tres partes las cuales son:
Estructuras
Valores (variables, constantes)
Funciones
Las estructuras se dividen en dos partes:
Setup: Esta función es llamada cuando se inicia un programa o sketch en
Arduino, usando, pines, librerías, variables, esta función se utiliza una sola
vez cuando el programa es reiniciado.
Loop: Esta función nos permite realizar acciones de control una o varias
veces en forma secuencial dependiendo de lo que se desee programar.
3.2.7 SISTEMAS EMBEBIDOS
Tabla 12: Características Sistemas Embebidos Arduino, PLC, Microcontrolador
TIPO ARDUINO PLC MICRO
MONTAJE FACIL COMPLICADO COMPLICADO
ENTRADAS A/D 54 NORMAL POCO
COMUNICACION BUENA BUENA BUENA
47
La placa Arduino es muy fácil de utilizar ya que nos permite programar de una
manera fácil y sencilla además de montar los circuitos para nuestros diferentes
proyectos. Posee muchas aplicación que para nuestro proyecto será de gran
ayuda para ahorrar tiempo, costos, que al final nos llevara a cumplir con
nuestras necesidades.
Tabla 13: Características Placa Arduino Mega
Microcontrolador ATmega1280
Voltaje de funcionamiento 5V
Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V
Voltaje de entrada (limite) 6-20V
Pines E/S digitales 54 (14 proporcionan salida PWM)
Pines de entrada analógica 16
3.2.8 MOTOR DE PASOS VS MOTOR AC
El motor de pasos nos permitirá ubicar a nuestro eje en posiciones fijas o
pasos fijo, pudiendo mantener su posición y realizar el trabajo para el que está
diseñado sin ningún problema y pueda girar dependiendo el control y la
programación.
Tabla 14: Características Servomotor vs Motor de Pasos
MOTOR SERVO MOTOR MOTOR DE PASOS
VELOCIDAD BUENA BUENA
GRADOS DE MOVIMIENTO 45° 1°-360°
El motor de pasos nos da una mejor perspectiva en relación a la selección,
instalación y operación del proyecto ya que nos brida una buena precisión y
repetitividad para la aplicación en la que tendremos excelente resultados, ya
que por un análisis de pasos y un conteo se podrá determinar las posiciones
para los diferentes ángulos de inclinación, que deberá recorrer el tornillo de
potencia.
4 DESARROLLO DEL SISTEMA
48
En este capítulo se presenta el diseño del producto mecatrónico, el proyecto se
compone de dos partes el diseño mecánico, diseño del circuito de adquisición
de señales mioeléctricas y el circuito de control del motor.
4.1 DISEÑO CIRCUITO DE ADQUISICION DE SEÑALES
MIOELECTRICAS
El amplificador AD620 es un amplificador monolítico, donde su ganancia puede
ser programada usando una resistencia externa. Es de bajo costo, es un
amplificador instrumental de alta exactitud, con un rendimiento superior y un
CMR más grande que 100Db.
La alimentación para el circuito es de +5v y -5v, la señal que ingresa por los
electrodos de superficie llega a los pines 2,3 del amplificador AD620 con el
objetivo de amplificar la señal obtenida para que se traslade al siguiente filtro
por el pin 5 del amplificador AD620.
4.1.1 AMPLIFICADOR AD620
La ganancia deseada para la etapa de pre amplificación es de 10, a
continuación se muestra el cálculo para fijar la ganancia.
14.49
RG
KG
KKRG 6,548,5
Figura 29: Configuración Amplificador AD620
49
4.1.2 DISEÑO FILTRO PASA BAJOS 500HZ Se realizó un filtro pasa bajos con la finalidad de limitar el rango de frecuencias
de entre 0.5 Hz y 500 Hz, además debe de reducir los cambios de frecuencia
que produce los movimientos de los cables de los electrodos de superficie. Los
filtros se utilizan para eliminar el ruido de los aparatos que se encuentren cerca
de nuestra electromiografía.
La frecuencia de corte para el filtro pasa bajas es de 150Hz, con esto se pudo
determinar el valor de la resistencia correspondiente.
Usamos C=2.2uf y Fc=500Hz, por lo tanto desarrollando la ecuación [Ec 4,2]
RCFc
2
1
Despejamos R
KR 98.14
Por comodidad en el mercado se procedió a elegir la resistencia KR 15
Figura 30: Circuito Filtro Pasa bajos
4.1.3 DISEÑO FILTRO PASA ALTA El filtro Pasa Altas permite el paso de los valores a partir de 0.5Hz.
La frecuencia del filtro pasa altas es de 0.5Hz y procedemos a calcular el valor
de la resistencia. Por lo tanto desarrollamos la ecuación [Ec 5.2]
Usamos C=22Uf y Fc=0.5Hz
RCFc
2
1
KR 1563.14486
50
Figura 31: Circuito Filtro Pasa Altas
4.1.4 DISEÑO DE AMPLIFICACIÓN DE SEÑAL
Nos permite amplificar la señal de final que ha pasado por todos los filtro
empezando por el amplificador AD620, pasando al filtro pasa bajaos donde
permitimos una frecuencia de 500Hz, filtro pasa permitiendo 0.5Hz y llegando a
este punto donde se podrá observar una señal amplificada y la cual será
presentada en una pantalla para su respectivo análisis.
Figura 32: Circuito Amplificación de Señal
51
Figura 33: Circuito Completo Electromiografía
4.2 DISEÑO DEL CIRCUITO DE CONTROL DEL MOTOR El circuito de control del motor e ingreso de datos, es un sistema que permite
interactuar con el paciente, ya que se puede controlar el nivel de rehabilitación
y además el tiempo que requiera cada paciente. El sistema además tiene un
pulsador de pánico o pausa para el paciente, esto es con el motivo de que si el
paciente en rehabilitación siente dolor, malestar o por alguna razón en general
pueda pausar el sistema hasta que se sienta cómodo o pueda pedir ayuda. El
tratamiento que es recomendado a los pacientes con lesiones de ligamentos es
de un movimiento pasivo continuo, esto quiere decir que cada día alcanzará un
nivel de recuperación empezando el primer día con 10° y terminado el octavo
día y llegando a los 90°.
El sistema de control y de ingreso de datos es fácil de usar y de interactuar ya
que permite el ingreso de nivel de flexión y el tiempo para el inicio de la
rehabilitación por medio de un teclado y los datos ingresados se podrá
visualizar por medio de un LCD. Esto se lo realizo por medio de un Arduino
Uno el cual nos permite realizar la programación para el ingreso de datos y el
control de número de pasos del motor para que cumpla con el trabajo y pueda
llegar a los grados de recuperación para el paciente.
52
Figura 34: Circuito Control del Motor
4.3 DISEÑO MECANICO
4.3.1 ANÁLISIS DINÁMICO
CI Vb B 166.69° WAB a b WBC
A 10° 3.31° C
Vc
Figura 35: Análisis Dinámicos
53
4.3.1.1 Cálculos de Análisis Dinámico
DATOS
segradab 06.0 a= 0.20m b=0.60m 10
)))((*
(b
senoaarcseno
180
31.3 69.166
)(
*)(
seno
asenoAC ACCCI *)tan(
mAC 7944.0 mCCI 515.0
22 CCIACACI aACIBCI
mACI 943.0 mBCI 743.0
aabVB * BCI
VBBC
segmVB /012.0 segradBC /016.0
CCIBCVC *
segmVC /0083.0
Tabla 15: Cálculos Dinámicos
WAB (rad/s)
a(m) b(m) 𝜃 𝛼 𝛽 AC(m) CCI(m) ACI(m) BCI(m) WBC(rad/s) VB(m/s) VC(m/s)
0,06 0,2 0,6 3,31 10 166,68 0,795 0.140 0,808 0,608 0,019 0,012 0,0027
0,06 0,2 0,6 6,54 20 153,45 0,784 0.285 0.834 0.634 0.018 0,012 0,0053
0,06 0,2 0,6 9,59 30 140,4 0,764 0.441 0.883 0.683 0.017 0,012 0.0077
0,06 0,2 0,6 12,37 40 127,62 0,739 0.620 0.965 0.765 0,015 0,012 0.0097
0,06 0,2 0,6 14,79 50 115,20 0,708 0.844 1.102 0.902 0.013 0,012 0.0112
0,06 0,2 0,6 16,77 60 103,22 0,674 1.168 1.348 1.148 0.010 0,012 0.0122
0,06 0,2 0,6 18,25 70 91,74 0,638 1.753 1.866 1.666 0.007 0,012 0.0126
0,06 0,2 0,6 19,16 80 80,83 0,6014 3.411 3.463 3,263 0.0036 0,012 0,0125
0,06 0,2 0,6 19,47 90 70,52 0,565 9.2^15 9.2^15 9.2^15 1.3^-18 0,012 0.012
54
4.3.2 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE MAQUINA DE REHABILITACIÓN DE
RODILLAS
PM PP
PMy PPy
PMx PPx
b h d
RAx 𝛼 𝛽 FT
a a c c RAy RBy
Figura 36: Diagrama de cuerpo libre
4.3.2.1 Cálculos
DATOS
PM=15Kg
PP=10kg
ma 10.0*)10cos( msenob 10.0*)10(
ma 098.0 mb 017.0
mc 30.0*)31.3cos( msenod 30.0*)31.3(
mc 299.0 md 017.0
msenoh 60.0*)31.3( mh 017.02/
mh 034.0
10
b
asenoenoar
*))((cos
55
31.3
0fx [Ec. 6,2]
0 FTPPxPMxRAx
KgRAx 79.51
0fy [Ec. 7,2]
0 RbPPyPMyRAy
KgRAy 68.16
0MA + [Ec. 8,2]
0)22(**)2(*** caRbdPPxcaPPybPMxaPMy
KgRb 07.8
CORTE 1
MF V
N
Figura 37: Diagrama cuero libre, Corte 1
0fy [Ec. 7,2]
0 VPPyRb
KgV 91.1
[Ec. 6,2]
0 NPPxFT
kGN 39.54
0fx
56
0MC + [Ec. 8, 2]
02/***2* hPPxhFTcPPycRb
KgFT 83.53
+ 0MF [Ec. 8,2]
0 RbPPyMF
Mf = -4.99x+8.07x xxMF 07.899.4
Si x=0 00*07.80*98.4 MF
Si x= 0.60m NmKgmmmMF 33.1885.1)60.0(07.8)60.0(98.4
4.3.2.2 Diagrama de Fuerza Cortante
V(N) 18.71
X (Metros) 0 +97.84
-79.08
Figura 38: Diagrama Fuerza Cortante
4.3.2.3 Diagrama de Momento Flector
Mf(N) 18.33
X (metros) 0
Figura 39: Diagrama Momento Flector
57
CORTE 2
N MF
V h
Figura 40: Diagrama de cuerpo Libre, Corte 2
0fy [Ec. 7,2]
NKgV 71.1891.1
|0 fx [Ec. 6,2]
KgN 19.49
0MC [Ec. 8,2]
02/***2* hPMxhRAxaPMyaRAy
KgRAx 05.52
0MF + [Ec. 8, 2]
0 RAyPMyMF
XXMF 68.1638.7
Si x=0 00*68.160*38.7 MF
Si x= 0.20
lg/10.033.1885.1)20.0(68.16)20.0(38.7 pulbNmKgmmmMF
58
4.3.2.4 Diagrama de Fuerza Cortante
V(N)
163.46 -144.74 18.71
X (Metros) 0
Figura 41: Diagrama de Fuerza Cortante
4.3.2.5 Diagrama de momento flector
Mf(N) 18.33
X (metros) 0
Figura 42: Diagrama Momento Flector
En cálculos del diagrama de cuerpo libre encontramos los resultados de todas
las reacciones que se forman en el sistema, a continuación una tabla en la que
se muestra diferentes grados de inclinación y sus respectivas fuerzas y
longitudes según varía los ángulos
59
Tabla 16: Cálculos de Fuerzas y Reacciones
𝜶 𝜷 a(m) b(m) c(m) d(m) RAX(Kg) RAY(Kg) FT(Kg) RBY(Kg)
10 3,31 0,098 0,017 0,2995 0,017 51,27 16,65 53,29 8,09
20 6,54 0,094 0,034 0,298 0,034 22,05 16 26,04 8,02
30 9,59 0,086 0,05 0,2958 0,05 20,89 14,95 16,73 7,89
40 12,37 0,076 0,064 0,2903 0,064 4,444 13,51 11,94 7,73
50 14,79 0,064 0,076 0,29 0,076 0,07 11,75 9,013 7,55
60 16,77 0,05 0,086 0,2872 0,086 -3,04 9,72 7,05 7,35
70 18,25 0,034 0,093 0,2849 0,093 -5,25 7,48 5,7 7,14
80 19,16 0,017 0,098 0,2833 0,098 -6,71 5,09 4,77 6,95
90 19,47 0 0,1 0,2828 0,1 -7,5 2,65 4,16 6,77
4.4 CALCULO TORNILLO DE POTENCIA
Para el cálculo del tornillo de potencia tenemos los siguientes datos:
NF 24,522 Carga
mmd 20 Diámetro mayor
20.0 fcf Coeficiente de fricción
mml 5.2 Avance=paso
mmdc 26 Diámetro del collarín
mmp 5.2 Paso
4.4.1 DIÁMETRO DE PASO
2
pddm [Ec. 12,2]
mmdm 7.18 m0187.0
4.4.2 DIÁMETRO MENOR
pddr [Ec. 11,2]
mmdr 5.17 m0175.0
60
4.4.3 AVANCE
Avance (l)=paso (p) ya que es un tornillo simple.
mml 5.2 m0025.0
4.5 CÁLCULO DEL PAR DE TORSIÓN (TR)
4.5.1 CONTRA CARGA
Se requiere calcular el par de torsión, se utiliza la siguiente formula.
2
**)(
2
* fcdcF
fldm
fdmldmFTR
[Ec. 13,2]
TR = Par de torsión
F = Carga
Dm = Diámetro de Paso
l = Avance
f=fc = Coeficiente de fricción
dc = Diámetro del collarín
𝜋 = Constante
NmTR 54,2
4.5.2 PAR DE TORSIÓN PARA BAJAR LA CARGA
2
**)(
2
* fcdcF
fldm
lfdmdmFTR
[Ec. 14,2]
TR = Par de torsión
F = Carga
Dm = Diámetro de Paso
l = Avance
f=fc = Coeficiente de fricción
dc = Diámetro del collarín
𝜋 = Constante
NmTR 10,2
61
4.6 CÁLCULO DE ESFUERZO FLEXIONANTE PIEZA1
S
MM [Ec. 9,2]
3lg131.0
lg/10.0
pu
pulbM
2lg793.0
pu
lbM
A
FNF
2lg484.0
8,118
pu
lbF
2lg45,245
pu
lbF
SUMATORIA DE ESFUERZOS PIEZA 1
FMT
22 lg45,245
lg793.0
pu
lb
pu
lbT
2lg24,246
pu
lbT
COMPARACIÓN DE ESFUERZOS
permFM
222 lg400.14
lg45,245
lg793.0
pu
lb
pu
lb
pu
lb
22 lg400.14
lg24,246
pu
lb
pu
lb
4.7 CÁLCULO DE ESFUERZO FLEXIONANTE PIEZA2
S
MM [Ec. 9,2]
3lg131.0
lg/10.0
pu
pulbM
62
2lg793.0
pu
lbM
A
FNF
2lg484.0
119
pu
lbF
2lg86.245
pu
lbF
SUMATORIA DE ESFUERZOS PIEZA 2
FMT
22 lg86.245
lg793.0
pu
lb
pu
lbT
2lg65.246
pu
lbT
COMPARACIÓN DE ESFUERZOS
permFM
222 lg400.14
lg86.245
lg793.0
pu
lb
pu
lb
pu
lb
22 lg400.14
lg65.246
pu
lb
pu
lb
CÁLCULO ESFUERZO PERMISIBLE
FS
Syperm [Ec. 10,2]
5.2
lg/36000 2pulbperm
2lg400.14
pu
lbperm
63
4.8 ESFUERZO CORTANTE PIEZA 1
Aa
FAx
2lg484.0
113
pu
lb
2lg47.233
pu
lb
4.8.1 ESFUERZO CORTANTE PIEZA 2
Ab
FT
2lg484.0
117
pu
lb
2lg73.241
pu
lb
4.8.2 ESFUERZO CORTANTE PERMISIBLE
perm *575.0
2lg14400*575.0
pu
lb
2lg8220
pu
lb
4.9 CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE PASADOR PIEZA 1
2*
4*
D
FAperm
2lg14400*
4*113
pu
lb
lbD
mmpuD 37.25lg999.0
64
4.9.1 CÁLCULO DEL DIÁMTREO DE PASADOR PIEZA 2
2*
4*
D
FTperm
2lg14400*
4*117
pu
lb
lbD
mmpuD 57.25lg10.0
4.10 SIMULACION EN SOLIDWORKS PIEZA 1
En la figura se muestra la carga distribuida a la que será sometida la pieza al
momento de realizar el trabajo.
Figura 43: Simulación Distribución de Cargas, Pieza 1
4.10.1TENSIÓN DE VON MISES
Figura 44: Simulación Tensión Von Mises, Pieza 1
65
4.10.2 FACTOR DE SEGURIDAD
En la figura se puede observar que el FDS es de 4 lo cual nos indica que el
diseño es seguro para el tipo de carga que debe soportar.
Figura 45: Simulación Factor de Seguridad, Pieza 1
4.11 SIMULACION SOLID WORKS PIEZA 2
En la figura se muestra las cargas de peso, fuerzas y reacciones a la que es
sometida la pieza,
Figura 46: Simulación Distribución de Carga, Pieza 2
66
4.11.1 TENSIÓN DE VON MISES
Figura 47: Simulación Tensión de Von Mises, Pieza 2
4.11.2 FACTOR DE SEGURIDAD
Figura 48: Simulación Factor de Seguridad, Pieza 2
En la figura se puede observar que el FDS es de 4 lo cual nos indica que el
diseño es seguro para el tipo de carga que debe soportar.
5. IMPLEMENTACION Y RESULTADOS
67
En este capítulo permite utilizar la información recopilada y poder describir la
implementación y los resultados que nos presentan la Máquina de
Rehabilitación que permitirá la recuperación en la flexión y extensión de la
rodilla lesionada, Por medio de los estudios y cálculos realizados para las tres
partes principales que componen todo el proyecto y para que pueda funcionar
de manera conjunta como son: el sistema electrónico de adquisición de señales
mioeléctricas, el sistema mecánico y el sistema de control para desarrollar el
prototipo de la máquina de rehabilitación de lesiones de rodilla.
Por medio de un análisis estático, dinámico se pudo diseñar e implementar las
diferentes piezas mecánicas para el correcto funcionamiento en los
movimientos pasivos continuos de la máquina de rehabilitación y para los
circuitos eléctricos para que puedan controlar y funcionar de una buena
manera con tiempos y ángulos de inclinación.
La puesta en marcha de la Maquina de rehabilitación de lesiones de rodilla se
lo hizo de forma horizontal ya que es la posición ideal, 10° grados de
inclinación para iniciar el proceso de rehabilitación y la cual llegará a una
posición final de 90° grados de inclinación
Figura 49: Máquina de Rehabilitación de rodillas,
68
Para una buena utilización de la máquina de rehabilitación de lesiones de
rodillas, mediante las pruebas realizadas se pudo observar, determinar y
recomendar la siguiente tabla que es un estándar que permita una correcta
rutina de ejercicios de flexión y extensión, donde el paciente inicie la terapia
con los siguientes datos iniciales de nivel de inclinación y tiempo para que
puedan realizar la serie de ejercicios.
Tabla 17: Utilización Máquina de Rehabilitación
DIA NIVEL TIEMPO REPETICIONES
1 10°-20° 5 min 25
2 10°-30° 5 min 8
3 10°-40° 10 min 8
4 10°-50° 10 min 5
5 10°-60° 15 min 5
6 10°-70° 25 min 4
7 10°-80° 30 min 6
8 10°-90° 60 min 7
Al obtener la Maquina de rehabilitación de lesiones de rodillas funcionando, ya
que este cumple las necesidades y requerimientos establecidos se pudo
determinar los siguientes datos técnicos.
Datos Técnicos Maquina de Rehabilitación de Lesiones de rodilla
Peso: 18Kg
Longitud: 105 cm
Rango de Movimiento: 10° - 90°
Velocidad: 45°/minuto
69
Para el sistema de adquisición de señales mioeléctricas se pudo diseñar e
implementar los filtros de señales para que se pueda obtener una buena señal
entre 0.5Hz y 500Hz, que es rango al final para un correcto análisis de la
señales de los músculos que trabajan junto con el movimiento que realiza la
rodilla por medio de una interfaz.
Se realizó varias pruebas obteniendo los siguientes gráficas en las que se
puede observar mediante un osciloscopio las señales adquiridas por el circuito
diseñado, para después poderlas apreciar en un software donde se pueda
visualizar de una mejor manera las señales y registrando los datos para una
evaluación.
Figura 50: Señal adquirida con osciloscopio
La tarjeta DAC, permite adquirir y registrar los datos obtenidos para poderlos
visualizar posteriormente. Primero se va obteniendo los valores los cuales se
están guardando en un archivo y al momento de para el programa se puede
visualizar todos los datos registrados por la entrada de la señal para luego
observarlos y poder analizar las señales adquiridas. La amplitud está en una
escala de 2.485 a 2.502mV, además de una variación del tiempo.
Después de realizar varias pruebas se pudo visualizar las señales mioeléctricas
pre amplificadas, filtro pasa bajo , filtro pasa alto y amplificadas, ya que por una
parte se puede mantener en estado de reposo y no presenta cambio en la
70
amplitud en el transcurso del tiempo, mientras que cuando el musculo realiza
algún tipo de trabajo o esfuerzo la señal mioeléctricas varia en su amplitud.
Figura 51: Señal adquirida Labview
En la figura se puede visualizar el tipo de señal mioeléctrica al momento de
realizar esfuerzo o mantenerlo en estado de reposo sin ningún tipo de
movimiento.
Las señales pueden ser analizadas para realizar una evaluación de cómo está
la actividad muscular o la evolución que presente el musculo al momento de
realizar una terapia física.
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
71
6.1 CONCLUSIONES
Luego del diseño, construcción y control del prototipo de Máquina de
Rehabilitación de rodilla y el sistema de adquisición de señales mioeléctricas se
puede citar las siguientes conclusiones y recomendaciones.
Tras haber desarrollado el prototipo se puede concluir con lo siguiente.
Para la construcción del sistema mecánico se diseñó un sistema mediante
el cual se pudo dimensionar el tornillo de potencia, ejes, ángulos de
soporte, los cuales ayudar a realizar pruebas de funcionamiento y de
simulaciones de esfuerzos antes de la construcción del prototipo.
El uso del software y hardware Arduino permitió implementar el sistema
de control para la máquina de rehabilitación por medio de nivel de
rehabilitación, tiempo y pausa para la interfaz con el usuario amigable al
usar el sistema de puede comprobar que existe un funcionamiento de
acuerdo a lo programado y las secuencias de trabajo en tiempo real
funcionan correctamente.
El uso del software Labview permitió desarrollar un interfaz de
visualización de las señales mioeléctricas para su estudio al momento de
realizar la rehabilitación de la rodilla.
El sistema de rehabilitación de rodilla tanto con el sistema de adquisición
de señales mioeléctricas lo puede utilizar cualquier persona que sufra de
lesiones de rodillas.
El sistema de adquisición de señales mioeléctricas permite obtener
señales con más intensidad al dependiendo el momento de realizar el
trabajo en los primeros grados ya que recorre poca distancia, mientras
cuando llega a los grados finales es menor la intensidad de la señal.
72
6.2 RECOMENDACIONES
Luego del diseño y construcción del equipo de puede obtener las siguientes
recomendaciones.
Se puede realizar un diseño mecánico en el cual el movimiento de la
rodilla pueda alcanzar un inicio de -10° hasta los 120°, esto permitirá
alcanzar más flexibilidad en la rodilla y una mejor recuperación. Es
necesario un diseño mecánico más profundo que permita alcanzar estos
niveles.
Es importante llevar un registro computarizado de los niveles de
recuperación de la rodilla y también de lo muscular para que cada
paciente tenga su historia, esto se lo podría hacer por medio de bases de
datos.
Se puede realizar cambios en la programación para tener una terapia de
mucha duración.
Es necesario tomar en cuenta y poder disminuir el peso cambiando los
materiales para que el prototipo sea un más ligera para su traslado de un
lugar a otro, esto implicara abaratar costos y maquinado en las piezas que
compones todo el sistema mecánico.
Selección adecuada y correcta de amplificadores para que se pueda
receptar la señal mioeléctricas y pueda tener un mejor tratamiento y una
mejor visualización.
La ubicación de los electrodos de superficie deben colocarse a 2 cm de
distancia, para obtener una mejor señal.
Utilizar electrodos de superficie de bajo costo y de fácil utilización.
73
Anexo 1: Tamaños y roscas básicos preferidos de tornillos
74
Anexo 2: Dimensiones de roscas de tornillos métricas
75
Anexo 3: Propiedades de los aceros estructurales
76
Anexo 4: Propiedades de los ángulos de acero de lados iguales y lados desiguales.
77
Anexo 5: Diámetros y Áreas de roscas métricas de paso fino y paso
grueso
78
Anexo 6: Coeficiente de Fricción de pares roscados
79
Anexo 7: Grados de Inclinación
POSICION 10°- 20° POSICION 10°- 30°
pis
POSICION 10°- 40° POSICION 10°- 50°
POSICION 10°- 60° POSICION 10°- 70°
POSICION 10° - 80° POSICIÓN 10°-90°
80
Anexo 8: Placa Control Máquina de Rehabilitación
81
Anexo 9: Placa Adquisición de señales Mioeléctricas
82
Anexo 10: Programa Control Máquina de Rehabilitación
#include <Keypad.h>
#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(22, 23, 24, 25, 26, 27);
const byte ROWS = 4; //four rows
const byte COLS = 4; //four columns
int aux=0;
int nivel=0;
int tiempo=0;
int minu=0;
int segu=0;
int ums=0;
int ms=0;
int st=0;
int x=0;
int p1=50; // Declara los 4 pines digitales que usaremos. El orden debe coincidir con la
disposición
int p2=51; // de los cables en el bobinado de nuestro motor. Las líneas p1 y p3 deben
corresponder
int p3=52; // a dos extremos de una misma bobina, al igual que p2 y p4. Una vez verificado
esto,
int p4=53; // si se invierte uno de los pares (1-3 o 2-4)se invertirá el sentido de giro
int temp =10; // Delay entre cada paso
int vuelta=500; // Cantidad de pasoa para una vuelta completa
int cuenta=0; // Llev
//define the cymbols on the buttons of the keypads
char hexaKeys[ROWS][COLS] = {
83
{'1','2','3','A'},
{'4','5','6','B'},
{'7','8','9','C'},
{'*','0','#','D'}
};
byte rowPins[ROWS] = {9,8, 7, 6}; //connect to the row pinouts of the keypad
byte colPins[COLS] = {5,4, 3, 2}; //connect to the column pinouts of the keypad
char customKey;
//initialize an instance of class NewKeypad
Keypad customKeypad = Keypad( makeKeymap(hexaKeys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);
void setup(){
pinMode(p1,OUTPUT);//Declara como salidas los pines para el motor
pinMode(p2,OUTPUT);
pinMode(p3,OUTPUT);
pinMode(p4,OUTPUT);
pinMode(45,OUTPUT);//buzzer
pinMode(44,INPUT);
Serial.begin(9600);
lcd.begin(16, 2);
// Print a message to the LCD.
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("* INICIANDO *");
cero();
lcd.clear();
}
84
void loop(){
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(" *: MENU");
customKey = customKeypad.getKey();
if (customKey!=NO_KEY){
Serial.println(customKey);
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(customKey);
delay(500);
if(customKey=='*'){
lcd.clear();
menu();
lcd.clear();
segu=0;
minu=tiempo;
control();
final();
cero();
}
}
}
void control(){
while(true){
lcd.clear();
85
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(" REHABILITANDO ");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("NIV:");
lcd.print(nivel);
lcd.print(" MIN:");
//lcd.print(tiempo);
//lcd.print(" ");
lcd.print(minu);
lcd.print(":");
lcd.print(segu);
//delay(995);
if(nivel==1){
for(x=1;x<=3;x++){
izquierda();//flexion
}//for
}//nivel 1
if(nivel==2){
for(x=1;x<=10;x++){
izquierda();//flexion
}//for
}//nivel 2
if(nivel==3){
for(x=1;x<=20;x++){
izquierda();//flexion
}//for
86
}//nivel 3
if(nivel==4){
for(x=1;x<=35;x++){
izquierda();//flexion
}//for
}//nivel 4
if(nivel==5){
for(x=1;x<=45;x++){
izquierda();//flexion
}//for
}//nivel 5
if(nivel==6){
for(x=1;x<=60;x++){
izquierda();//flexion
}//for
}//nivel 6
if(nivel==7){
for(x=1;x<=75;x++){
izquierda();//flexion
}//for
}//nivel 7
if(nivel==8){
for(x=1;x<=90;x++){
izquierda();//flexion
87
}//for
}//nivel 8
derecha();//extencion
if(minu<0){
break;
}
}//while
}
void izquierda(){
int y;
p2=53; // de los cables en el bobinado de nuestro motor. Las líneas p1 y p3 deben
corresponder
p4=51;
for(y=1;y<=51;y++){
if(digitalRead(43)==0){pause();}
digitalWrite(p1,HIGH) ;
digitalWrite(p2,LOW) ;
digitalWrite(p3,LOW) ;
digitalWrite(p4,HIGH) ;
delay(temp);
//segundo paso
digitalWrite(p1,LOW) ;
digitalWrite(p2,LOW) ;
digitalWrite(p3,HIGH) ;
digitalWrite(p4,HIGH) ;
delay(temp);
88
if(y==25){
if(minu<0){
break;
}
reloj();}
//primer paso
digitalWrite(p1,LOW) ;
digitalWrite(p2,HIGH) ;
digitalWrite(p3,HIGH) ;
digitalWrite(p4,LOW) ;
delay(temp);
//Posición inicial
digitalWrite(p1,HIGH) ;
digitalWrite(p2,HIGH) ;
digitalWrite(p3,LOW) ;
digitalWrite(p4,LOW) ;
delay(temp);
if(minu<0){
break;
}
}//for
reloj();
}//void izq
void derecha(){
p2=51; // de los cables en el bobinado de nuestro motor. Las líneas p1 y p3 deben
corresponder
p4=53;
89
int y=0;
while(digitalRead(44)==1){//regresar hasta que el fin de carrera tope
if(digitalRead(43)==0){pause();}
digitalWrite(p1,HIGH) ;
digitalWrite(p2,LOW) ;
digitalWrite(p3,LOW) ;
digitalWrite(p4,HIGH) ;
delay(temp);
//segundo paso
digitalWrite(p1,LOW) ;
digitalWrite(p2,LOW) ;
digitalWrite(p3,HIGH) ;
digitalWrite(p4,HIGH) ;
delay(temp);
if(y==25){
if(minu<0){
break;
}
reloj();
y=0;}
y++;
//primer paso
digitalWrite(p1,LOW) ;
digitalWrite(p2,HIGH) ;
digitalWrite(p3,HIGH) ;
digitalWrite(p4,LOW) ;
90
delay(temp);
//Posición inicial
digitalWrite(p1,HIGH) ;
digitalWrite(p2,HIGH) ;
digitalWrite(p3,LOW) ;
digitalWrite(p4,LOW) ;
delay(temp);
}//while
}
void pause(){
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print(" PAUSADO ");
digitalWrite(45,HIGH) ;
delay(2000);
digitalWrite(45,LOW) ;
while(digitalRead(43)==1){
}
digitalWrite(45,HIGH) ;
delay(500);
digitalWrite(45,LOW) ;
}
void reloj(){
if (segu==0){
segu=60;
91
minu--;
}
if (segu>0){
segu--;
}
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(" REHABILITANDO ");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("NIV:");
lcd.print(nivel);
lcd.print(" MIN:");
lcd.print(minu);
lcd.print(":");
lcd.print(segu);
}
void final(){
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print(" FINALIZADO ");
digitalWrite(45,HIGH) ;
delay(100);
digitalWrite(45,LOW) ;
delay(1000);
customKey=0;
while(customKey!='#'){
92
customKey = customKeypad.getKey();
digitalWrite(45,HIGH) ;
delay(100);
customKey = customKeypad.getKey();
digitalWrite(45,LOW) ;
delay(1000);
}
lcd.clear();
}
void menu(){
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print(" ** MENU **");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("1:NIVEL 2:TIEMPO");
delay(500);
while((customKey!='1')||(customKey!='2')){
customKey = customKeypad.getKey();
if (customKey){
if(customKey=='1'){
lcd.clear();
menuniv();
break;
}
if(customKey=='2'){
lcd.clear();
menutim();
93
break;
}
}
}
}
void menuniv(){
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("** NIVEL **");
delay(500);
while(customKey!='#'){
customKey = customKeypad.getKey();
if (customKey){
if (customKey!='#'){
nivel=customKey-48;
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("** NIVEL **");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(" ");
lcd.print(nivel);
lcd.print(" #:SALIR");
}
} //if end
}//while end
lcd.clear();
customKey=='0';
94
menutim();
}//menuniv end
void menutim(){
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("** TIEMPO **");
delay(500);
customKey = customKeypad.getKey();
while(customKey!='#'){
customKey = customKeypad.getKey();
if (customKey){
if (customKey!='#'){
tiempo=(customKey-48)*5;
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("** TIEMPO **");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(" ");
lcd.print(tiempo);
lcd.print(" #:SALIR");
}
} //if end
}//while end
}//menutim end
void cero(){
while(digitalRead(44)==1){//regresar hasta que el fin de carrera tope
if(digitalRead(43)==0){pause();}
95
digitalWrite(p1,HIGH) ;
digitalWrite(p2,LOW) ;
digitalWrite(p3,LOW) ;
digitalWrite(p4,HIGH) ;
delay(temp);
//segundo paso
digitalWrite(p1,LOW) ;
digitalWrite(p2,LOW) ;
digitalWrite(p3,HIGH) ;
digitalWrite(p4,HIGH) ;
delay(temp);
//primer paso
digitalWrite(p1,LOW) ;
digitalWrite(p2,HIGH) ;
digitalWrite(p3,HIGH) ;
digitalWrite(p4,LOW) ;
delay(temp);
//Posición inicial
digitalWrite(p1,HIGH) ;
digitalWrite(p2,HIGH) ;
digitalWrite(p3,LOW) ;
digitalWrite(p4,LOW) ;
delay(temp);
}//while
}
96
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