diseño de un exoesqueleto para miembro superior

5/8/2018 diseño de un exoesqueleto para miembro superior - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-un-exoesqueleto-para-miembro-superior 1/9

8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICACusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

EXOESQUELETO MECATRÓNICO PARA REHABILITACIÓN MOTORA

R. GUTIERREZ*, P. A. NIÑO- SUAREZ,* O. F. AVILES -SANCHEZ*, F. VANEGAS*, J. DUQUE*

*Programa de Ingenieria Mecatronica, Grupo de Investigación DAVINCI

Facultad de Ingeniería

Universidad Militar Nueva Granada

*e-mail: ricardo.gutierrez, asuarez, [email protected]

RESUMEN

El dispositivo de rehabilitación, cuyo diseño e implementación se presenta en este trabajo, es una estructura conforma de exoesqueleto que se sujeta al brazo del paciente permitiéndole a este realizar movimientos combinados,gracias a los tres grados de libertad que posee el dispositivo de rehabilitación. El dispositivo es controlado por medio de una interfaz de usuario que permite enviar las órdenes de movimiento al exoesqueleto a partir del puertodel computador, por lo tanto el terapeuta puede modificar la terapia que debe realizar el paciente modificando lastrayectorias a seguir por el exoesqueleto. Adicionalmente, podrá programar la cantidad de repeticiones que el

paciente debe realizar y almacenar los datos obtenidos de la posición de cada una de las articulaciones del miembrosuperior en cada sesión de terapia, para de esta forma monitorear el progreso del paciente.

La posibilidad de llevar un control cronológico de la evolución del paciente es un beneficio adicional que brinda eldispositivo, dado que es posible almacenar en una base de datos las mediciones de la amplitud de los movimientos delas articulaciones de la extremidad superior (codo y muñeca). El prototipo cumple la función de reeducación demovimientos (función pasiva), para lo cual cuenta con un banco de trayectorias programables por el especialista de

una forma sencilla, el fisioterapeuta realiza el movimiento con el dispositivo una vez y el exoesqueleto lo repitealmacenando la rutina en su memoria.

El este artículo se presenta el diseño mecánico, con base en el análisis por elementos finitos, de cada una de las piezas que conforman el exoesqueleto, se presenta también el diseño e implementación de los sistemas de potencia,su integración al sistema mecánico, el desarrollo del sistema de control y de la interfaz de usuario.

PALABRAS CLAVE: biomecánica, mecatrónica, lógica difusa.

INTRODUCCIÓN



Este proyecto nace de la necesidad de realizar terapias de movimiento pasivo para rehabilitación en miembro

superior de una manera controlada y repetitiva, en la que se pueda llevar un registro cronológico de la evolución del paciente. Un buen tratamiento en la rehabilitación de enfermedades con secuelas motoras como por ejemplo lahemiplejia, implica mucha labor de terapia experimental, cuyos resultados dependen de la retroalimentación oralconstante entre paciente y terapeuta. La adaptación constante de las técnicas de rehabilitación a la respuesta del

paciente que se logra utilizando un dispositivo automático de rehabilitación motora, no solo impedirá malgastar eltiempo en terapias ineficientes, sino que también hará posible un tratamiento sistemático con mejores resultados.

A partir de un estudio realizado con el apoyo de un conjunto de fisioterapeutas, pacientes y especialistas en el áreade rehabilitación en el Hospital Militar Central de Bogotá, Colombia, se determinó la necesidad de desarrollar un

prototipo que permitiera controlar los movimientos del miembro superior de un paciente en rehabilitación y mantener la repetibilidad de una terapia, independientemente del tiempo que dure la misma y del gasto energético que estaimplique.

Existen varias enfermedades y diferentes traumas físicos que dejan deficiencias motoras en las extremidadessuperiores de los individuos, estas lesiones requieren tratamientos de rehabilitación especializada con sesiones defisioterapia llevadas a cabo por personal experto. En la actualidad, la mayoría de estas terapias se realizan en forma

manual involucrando rutinas de movimientos en las que se requiere esfuerzo físico por parte del fisioterapeuta [1], loque puede provocar que al final de una jornada el fisioterapeuta, por los efectos del cansancio físico, no realice los

procedimientos adecuadamente. Adicionalmente, en algunos tipos de terapia el fisioterapeuta debe aplicar unaresistencia al movimiento del paciente, la fuerza aplicada debe ser controlada para evitar generar una lesión mayor,además si esta no es aplicada correctamente se puede provocar un temor en el paciente a las terapias y por ende unatensión de los músculos afectados, lo que con lleva a un retrazo significativo en la evolución del tratamiento.

El artículo esta organizado de la siguiente forma: En la Sección 2 se presenta una breve descripción de la biomecánica del miembro superior que sirvió como base para el diseño del exoesqueleto. En la Sección 3 se presentan las consideraciones para el diseño mecánico del prototipo. En la Sección 4 se presenta el diseño delsistema de control, de la etapa de adquisición de señales y de la etapa de potencia para el manejo de los actuadores.Además se presenta la interfaz de usuario desarrollada para el manejo del dispositivo. En la Sección 5 se presentanlos resultados obtenidos al utilizar el dispositivo y finalmente en la Sección 6 se presentan las conclusiones.

ANÁLISIS BIOMECÁNICO DEL MIEMBRO SUPERIOR

análisis biomecánico se realizó identificando los cinco grados de libertad, (DoF), del miembro superior. Estosgrados de libertad son abducción y aducción del hombro, flexión y extensión del hombro, rotación interna y externadel húmero, flexión y extensión del codo, pronación y supinación de la mano, [9]. Con estos grados de libertad selogran la mayoría de los movimientos del miembro superior, exceptuando los movimientos de la mano.

De la misma forma, de [5] se obtuvieron los centros de gravedad del miembro superior, datos que se muestran enla Tabla 1. A partir de estos datos se realizó un modelo en CAD del mismo con el fin de analizar su dinámicamediante la simulación de varios movimientos. El modelo en CAD utilizado para realizar las simulaciones, seobserva en la Fig. 1a.

Tabla 1. Centros de gravedad del miembro superior.

Segmento Peso relativoLocalización del

centro de gravedad

Brazo 0.02651.3% al eje del hombro

48.7% al eje del codo

Antebrazo 0.01639% al eje del codo

61% al eje de la muñeca

Mano 0.00782% al eje de la muñeca18% a la tercera falange



Se realizaron diferentes simulaciones del comportamiento mecánico del brazo con el fin de obtener los torquesmáximos necesarios para mover cada articulación, los valores obtenidos se presentan en la Tabla 2. Como elementoadicional, necesario para la selección de los motores que mueven el exoesqueleto, se analizó la resistencia que puedeejercer el paciente al movimiento y el peso propio del prototipo. Con el apoyo de un grupo de fisioterapeutas y a

partir de lo presentado en [10], se realizó el análisis de las diferentes rutinas realizadas en cada terapia y se determinóque la velocidad máxima para el giro de cada articulación debía ser de 25º/s

DISEÑO MECÁNICO

A partir de los datos obtenidos al realizar el análisis biomecánico de la extremidad superior, se estableció que laestructura a diseñar debía contar con tres grados de libertad, rotación interna-externa del húmero, flexión-extensión

del codo y pronación-supinación de la muñeca, no son implementados lo movimientos para la aducción-abducción yflexión elevación del codo, por no considerarsen necesarios para la fase inicial de desarrollo del dispositivo.Utilizando los modelos en CAD realizados, con base a un análisis por elementos finitos se obtuvieron lascaracterísticas de fabricación del exoesqueleto [7], que incluyen tipo de material a utilizar y dimensiones del mismo.

Estructura Mecánica

El diseño en CAD de la estructura básica del prototipo permitió, a partir de diferentes simulaciones, obtener los

torques requeridos para mover cada grado de libertad. Con los datos presentados en la Tabla 2, se seleccionaron losmotores. Teniendo en cuenta las características dadas por el fabricante, en lo referente a peso y geometría de cadamotor, mediante un software de CAD se simularon completamente los mecanismos diseñados y su integración. Laestructura mecánica propuesta se presenta en la Fig. 2.

A continuación se presentan los mecanismos diseñados para cada uno de los grados de libertad.

Rotación del húmero: Debido que el eje de rotación de este movimiento es interno, se desarrolló un mecanismoexterno que consiste en dos férulas concéntricas con una guía que garantiza que una férula rote sobre la otra. Ademásse adicionó una transmisión que permite que el movimiento del motor situado en la férula superior actúe sobre lainferior. En la Fig. 3a. se observa como se diseñó este grado de libertad.

(a) (b)Figura 1. Comparación entre el modelo virtual y un brazo real.

(a) Modelo Virtual del miembro superior, (b) Brazo humano real

Tabla 2. Torques máximos para cada DoF.

Peso(Kg.)

Torqueflexiónhombro(Nm)

Torquerotaciónhúmero(Nm)

Torqueflexióncodo(Nm)

Torque pronación

mano(Nm)

Torqueabducción

hombro(Nm)

50 7.29 4.87 0.615 0.480 7.2960 8.73 5.84 0.737 0.510 8.73

100 14.5 9.68 1.23 0.734 14.5



Flexión - Extensión del codo: Este movimiento se realiza con un mecanismo derivado de un brace ortopédicoarticulado. El eje del motor es concéntrico al eje de rotación del codo y cuenta con unas barras que se deslizan parahacerlo ajustable al tamaño del brazo del paciente. El mecanismo se observa en la Fig. 3b.

Pronación – supinación de la mano: El mecanismo diseñado para esta acción es similar al de rotación del húmero yaque el eje de rotación se encuentra paralelo al eje de los hueso del radio y cúbito. La férula que va en la mano poseeun engrane por medio del cual el motor ubicado en la férula complementaria realiza el movimientos de prona-supina.Esta férula se aloja en una muñequera universal para túnel carpiano, como se ilustra en la Fig. 3c.

Fig. 2. Estructura mecánica del exoesqueleto

(a). (b).

(c). (d).

Figura 3. Diseño en CAD del prototipo. (a) Detalle férulas de rotación del húmero, (b) Detalle

férulas de flexión y extensión del hombro, (c) Detalle mecanismo de prona y supina de la muñeca,(d) Silla para paciente y soporte del prototipo.



Análisis dinámico por elementos finitos

Asumiendo que un paciente promedio genera un torque normal, igual al que se calcularía al realizar un análisisestático de las fuerzas en el brazo extendido sosteniendo 5Kg en su mano, [9], se obtuvo el valor torque-resistencia,de todo el brazo, como se ilustra en la Fig. 4. Al realizar la sumatoria de los torques obtenidos por el efecto del pesodel brazo, el peso de la estructura del prototipo y la fuerza-resistencia, se determino la potencia necesaria para mover cada articulación. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 3.

De igual forma, se realizó el análisis de elementos finitos de cada una de las piezas, usando las propiedadesmecánicas de diferentes materiales y aplicando las fuerzas obtenidas, como se ilustra en la Fig. 5. Siguiendo loslineamientos dados en [2], a partir de los resultados obtenidos, se selecciono el aluminio como material para fabricar

las diferentes piezas del dispositivo.

Figura. 5. Resultado análisis por elementos finitos de distintas piezas; (a) FEM mecanismo rotación del húmero, (b) FEM Soporte motorcodo, (c) FEM Soporte flexión hombro, (d) FEM Férula mano

Figura 4. Brazo extendido

Movimiento Potencia (W)

Flexión extensión dehombro

41.88

Rotación de húmero 17.45

Flexión extensión del codo 16.47

Pronación supinación de lamano

3.92

Tabla.3. Requerimientos de potencia en las articulaciones del prototipo.

(a). (b).

(c). (d).



Fue necesario también diseñar y fabricar una base para soportar el prototipo y unirlo a una silla. La base fuerealizada en lámina de hierro, con dos ranuras en las que se inserta el soporte del primer motor y se ajusta ladistancia, fijándolo mediante un tornillo y otra ranura a la que se une la silla mediante un tornillo pasante conarandelas y tuerca. Se utilizó una silla neumática con rodachinas, fácil de conseguir en el mercado, esta silla tiene laaltura ajustable por medio de un cilindro neumático y en ella se puede transportar fácilmente hasta la maquina a un

paciente que no puede caminar o que este gravemente lesionado. En la Fig. 6 se puede apreciar el prototipofabricado.

Fig. 6. Dispositivo de rehabilitación motora

SISTEMA DE CONTROL Y MANDO

El sistema de control propuesto dirige la trayectoria de cada uno de los actuadores del prototipo. Las trayectoriasse determinan de acuerdo a la rutina de rehabilitación que ha sido programada por el terapista, por medio de uncontrol de posición. Este control se realiza tomando como datos de entrada la información suministrada por elsistema de adquisición de datos y entregando la señal de control a una etapa de potencia que maneja los actuadores.

Esquema de Control Difuso

El esquema de control propuesto se basa en un control difuso general como se observa en la Fig. 7, [4]. Para sudiseño es necesario inicialmente identificar las variables del sistema, que son; la corriente de los actuadores, el error de posición y la señal de control para los actuadores.

Para cada actuador se propuso un sistema de control que tiene como entradas el error de posición y la medición decorriente del actuador, y como salida el valor de ciclo útil de señal de modulación de ancho de pulso, PWM. En laFig. 8 se presenta el diagrama de bloques para el esquema de control propuesto, [6].

Figura 7. Diagrama en bloques del sistema de control difuso

Fig. 8. Modelo sistema de control



Para el diseño del controlador, se generaron los conjuntos difusos para cada variable del sistema, la medida decorriente y el error de posición. La salida del controlador difuso es un valor PWM. En la Fig. 9 se muestran estosconjuntos, el eje horizontal en la Fig. 9a, representa el error de posición, que esta definido de -255 a 255dependiendo del sentido del error y responde a la posición de salida restada de la posición de referencia. El rangoesta dado por la conversión análoga digital realizada en la etapa de adquisición de señal del prototipo. Los conjuntosdifusos son definidos de la siguiente manera:

N: Negativo, posee valores entre -255 y -115BN: Bajo negativo, posee valores entre -220 y -20Z: Cercano a cero, posee valores entre -50 y 50BP: Bajo positivo, posee valores entre 20 y 220P: Positivo, posee valores entre 115 y 255.

En la Fig. 9b el eje horizontal representa la medición de corriente realizada por el PIC16F876A, tiene un rango de 0a 255. Se aprecia en la gráfica que para el rango de valores altos de corriente el valor de control es más pequeño yaque al llegar a estos valores se debe utilizar un PWM pequeño para compensar y evitar que se quemen losmanejadores de los motores. Estos conjuntos difusos también se definieron mediante ensayo-error así:

B: Bajo, posee valores entre 0 y 124M: Medio, esta comprendido entre 63 y 190A: Alto, esta comprendido entre 130 y 255

Para definir los conjuntos de salida se realizó una tabla de reglas semánticas, donde al confrontar las dos variablesde entradas en conjuntos difusos específicos, se tomara como respuesta otro en la variable de salida. Esta tabla tomael nombre de tabla FAM por su sigla en inglés (Fuzzy associative memories) y se muestra en la Tabla 4. Losconjuntos de la variable de salida se presentan en la Fig. 9c.

Una vez definidos los conjuntos difusos se realizó la defusificación por el método del centroide [3], resolviendo,

∫

∫ =

b

a

b

a

dx xF

xdx xF COG

).(

).( (1)

Para desarrollar el algoritmo de control se utilizó el programa XFuzzy, en el cual se realizó la superficie de controly la función en código C que maneja el controlador en el programa de control de la interfaz. La gráfica de lasuperficie de control se presenta en la Fig. 9d, donde se observa la relación entre las tres variable que interactúan en

el control para cualquier valor de las variables de entrada.

Tabla.4. FAM (Fuzzy associative memories)

P: Positivo comprende desde 130 a 255BP: Bajo positivo, desde -10 hasta 150Z: Cercano a cero, desde -80hasta 80

BN: Bajo negativo, desde -10 hasta -150 N: Negativo, desde -130 hasta -255

E.P.\ I B M A

P N BN BN

BP BN BN BN

Z Z Z Z

BN P BP P

N P BP BP

(a). (b).

(c). (d). Figura 9. Conjuntos difusos de las distintas variables del sistema

y la superficie de control.(a) Conjunto difuso de error deposición, (b) Conjunto difuso de error de corriente, (c) Conjunto

difuso de PWM, (d) Superficie de control



Programación de Terapias.

Para programar las terapias se introduce la rutina a seguir con un modelo a escala, que posee los mismos grados delibertad que en el exoesqueleto. El terapeuta realiza las trayectorias a programar con este modelo, de tal forma quelas trayectorias generadas son introducidas como la referencia del sistema de control. Este tipo de programación (off-

line) es especialmente útil al momento de realizar teleterapias, en donde el especialista introduce las terapiaslocalmente y son ejecutadas de forma remota.

Etapa de Potencia de los Actuadores

Debido a las especificaciones de potencia del diseño mecánico mostradas en la Tabla 3, se seleccionaron tresmotores, uno por cada grado de libertad. Para manejar los motores se diseñaron dos puentes en H. El primero quetiene un rango de voltaje de alimentación entre 12V y 40V y soporta una corriente de 8A y el segundo de 12V a100V y una máxima corriente de 3.5A. Cada puente cuenta con una resistencia RS, cuya función es sensar lacorriente que pasa por el puente.

Etapa de Adquisición de Señales

Dado que el sistema de control requiere conocer el ángulo de cada eslabón del brazo y el torque que ejerce el prototipo sobre el brazo del paciente, el sistema de adquisición de señales esta conformado por:

1) Sensor de Posición. Para medir el ángulo de rotación de la articulación se utilizaron potenciómetros lineales de300º de giro y de 100K Ω, unidos al eje de rotación de cada motorreductor.

2) Sensor de Corriente. Los puentes en H son alimentados por una señal PWM para regular la velocidad y el torquede los motores, esta señal tiene una frecuencia de 170 Hz. Cada puente en H posee una resistencia para medir lacorriente que pasa por el motor, esta corriente indica la fuerza que se esta ejerciendo sobre la articulación del

paciente. La resistencia de medida, Rs, es de un valor pequeño para que no afectar la eficiencia del puente. Al pasar la corriente sobre esta resistencia genera una caída de voltaje que varía proporcionalmente al valor de la corriente.Este voltaje tiene la misma frecuencia del voltaje del PWM y un nivel pequeño, del orden del los 0.3V, por lo que senecesita una etapa de amplificación y filtrado para obtener una señal fácil de manejar.

3) Sistema de Acondicionamiento de señal. Un microcontrolador PIC16F876 se utiliza para el acondicionamiento dela señal. Dado que en cada motor se miden dos variables, los datos que llegan al conversor análogo-digital delPIC16F876 deben ser multiplexados. Este microcontrolador se encarga además, de la comunicación serial con lacomputadora. Un segundo microcontrolador PIC16F628. envía la señal de PWM y el sentido de giro a losmanejadores de los motores y un circuito integrado MAX232 convierte la señal enviada por el puerto serial de lacomputadora, a una señal que pueda ser leída por el microcontrolador PIC16F628 durante la comunicación serial.

Diseño de la Interfaz de Usuario

Para el diseño de la interfaz de usuario se utilizaron las librerías gráficas Qt y la base de datos PostgeSQL, que esuna base SQL robusta liberada bajo licencia BSD, gratuita para cualquier propósito. El programa de la interfaz estaen capacidad de guardar los datos propios del paciente, guardar datos de una terapia y repetirlos. Las terapias

realizadas son guardadas en un archivo con el ánimo que el especialista las revise y analice si el paciente estarespondiendo favorablemente a las terapias.Es posible realizar terapias remotas con el exoesqueleto mediante el protocolo SSH. Esto ofrece la posibilidad de nodesplazar al especialista hasta el lugar de ejecución de la terapia, puesto que esto es costoso y es difícil entrenar

personal para realizar las terapias manualmente.

RESULTADOS

1) Prueba en humanos. El prototipo siguió satisfactoriamente la trayectoria configurada en una terapia establecida para un paciente de 65 kilos de peso. En la fig. 10 se muestra la gráfica de seguimiento del motor correspondiente ala flexión del codo.

2) Teleterapia. Cuando se realiza tele terapia en una red LAN fast-Ethernet se encuentra que el retardo en lacomunicación de datos, imagen de video y ejecución de comandos es mínima, y es posible utilizarlo en un caso real

sin temor a que la ejecución del control sea excesivamente lento.



3) Exoesqueleto. Se realizó un prototipo con tres grados de libertad, para rehabilitación de hombro, en el movimientode rotación interna del húmero, codo y muñeca, cuyos movimientos con seres humanos son similares a los

programados inicialmente en el módulo de programación de trayectoria.

CONCLUSIONES

Al finalizar este proyecto se presenta una nueva alternativa para rehabilitación, ofreciendo un exoesqueleto que permite la realización de ejercicios para tres articulaciones distintas al mismo tiempo. A partir del diseño mecánicoobtuvo una estructura rígida, construida con materiales de alta resistencia, que cumple con las expectativas

planteadas. El uso de herramientas CAD desempeña un papel importante en la minimización del tiempo empleado para ajustes. El esquema de control propuesto, desarrollado a partir de Lógica Difusa, cumple con los

requerimientos de robustez y adaptabilidad que el sistema exige. Dado que el sistema está desarrollado para pacientes cuyo peso puede estar entre 50 Kg a 100 Kg, el control se desempeña adecuadamente sin importar lavariación de este parámetro.

REFERENCIAS

1. Bobath, B. (1996). Hemiplejía del adulto: Evaluación y tratamiento, Medica Panamericana, Buenos Aires,Argentina.

2. Bolton, W., Philip, M. (2002). Technology of Engineering Materials, Butterworth-Heinemann, Great Britain.

3. Jyh-Shing, R., Chuen-Tsai, S., Eji, M. (1997). Neuro-Fuzzy and Soft Computing , Prentice Hall, New Jersey,US.

4. Kulczycki, P. (2000). Fuzzy Controller for Mechanical Systems, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 8 (5), pp.645-652.

5. Moreno, J. (1999). Métodos de Investigación en Biomecánica, Tesis de Grado Universidad Nacional de

Colombia, Bogota, Colombia.

6. Pagilla, R. (2001). A stable Transition controller for Constrained Robots, IEEE Tran. on Mechatronics, 6 (5).

7. Ponikvar, M., Munih, M., Hoogen, J., Shmith, G. and Riener, R. (2003). Haptic Enviroment for analysis of smooth arm movements, International Conference of Advanced Robotic.

8. Rahman, T., Stroud, S., Ramanathan, R., Alexander M., Seliktar, R., Harwin, W. (1996). Consumer Criteria for an Arm Orthosis, University of Delaware

9. Tortora, G, Angnostakos N. (1996). Principios de anatomía y fisiología, Editorial Harla, Sexta Edición, MéxicoD.F, México.

10. Vargas, F. (1998). Unidad de movimiento pasivo continuo para terapia de hombro, Tesis de Grado Universidad

Nacional de Colombia, Bogota, Colombia.

Fi ura 10. Resultados obtenidos al evaluar el desem eño del motor del rado de libertad del codo durante na tera ia

diseño de un exoesqueleto para miembro superior

Documents