INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

“DISEÑO DE UN

EXOESQUELETO PARA

REHABILITACIÓN DE

MIEMBRO INFERIOR”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

DIRIGIDA POR: DRA. ESTHER LUGO GONZÁLEZ ING. LUIS GUILLERMO LÓPEZ GONZÁLEZ

P R E S E N T A N:

RODRIGO IVAN CASTILLO CASTILLO NISIN CHÁVEZ MARTÍNEZ

JOSÉ EDUARDO LEÓN GABRIEL

MÉXICO, D.F. ABRIL DEL 2016

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

i

AGRADECIMIENTOS, DEDICATORIAS.

Castillo Castillo Rodrigo Ivan.

A mis padres

Con mucho amor y cariño ya que me dieron la vida y han estado conmigo en todo momento. Gracias

papá y mamá por darme todas la herramientas para obtener una carrera para mi futuro y por creer en

mí, aunque hemos pasado momentos difíciles siempre han estado apoyándome y brindándome todo

su amor a cada paso que he dado, por todo esto les agradezco de todo corazón el que estén a mi lado.

A mi esposa

Gracias por todo el amor, comprensión y paciencia brindada a lo largo de mi carrera, gracias por

esos momentos en que me alentaste para seguir adelante en momentos difíciles y más que nada

agradezco por el regalo más grande que me has brindado hasta este momento, muchas gracias por

darme a un niño tan guapo y precioso a quien cuidaremos y lo veremos crecer como una persona

capaz y así pueda valerse por sí mismo los amo.

A mi hermana

Gracias por mostrarme que a pesar de las dificultades podemos lograr nuestras metas, que no

importa lo que diga la gente mientras tengas tus propios objetivos y metas bien trazados y al final

demuestres lo que eres cumpliéndote a ti mismo lo que habías planeado en un principio.

A mi familia

En general agradezco a toda mi familia ya que sin ellos no podría a ver concluido esta etapa de mi

vida, ha ustedes que a pesar de todo siempre han creído en mí y me han apoyado en cualquier

momento gracias, en especial a mis abuelos que cuando los necesito siempre me extienden la mano

para ayudarme y a mi tía Patricia que fue una parte importante de mi vida le agradezco su tiempo,

paciencia, amabilidad y sacrificio ya que sin ella no sería la persona que soy, muchas gracias a

todos.

A mis amigos

Les agradezco a Nisin, León, Eder, Rodrigo, Juan Carlos, Pechi, Ángel ya que sin ustedes nada de

esto hubiera sido posible, por brindarme su amistad, confianza y apoyo en los momentos más

importantes de esta etapa, Pero principalmente a Nisin y León porque sin su ayuda no hubiera

finalizado este proyecto muchas gracias.

A mis profesores

Les agradezco todos sus consejos y enseñanzas ya que sin ellas no sería posible que concluyera mi

carrera, a nuestra asesora Esther Lugo González por darnos las herramientas necesarias junto con

sus consejos y enseñanzas para poder concluir nuestro proyecto.

A los antes mencionados los quiero con todo mi corazón y este trabajo que me costó tiempo y

esfuerzo el poder realizarlo se los dedico a ustedes, ya que sin sus experiencias, conocimientos y

apoyo no hubiera sido posible concluir este proyecto.

Chávez Martínez Nisin

Al iniciar el camino en la vida de un politécnico nunca imagine la transcendencia de mis actos que

guiarían mi futuro. Cada comienzo es diferente para cada uno de nosotros, mi principio fue

emocionante y difícil, se tuvo que superar adversidades mismas que vencí, nunca solo, mi familia,

mis amigos, mi segunda familia y mi alma mater por darme la oportunidad de crecer en su seno, el

Instituto Politécnico Nacional y la amada Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.

Para poder ascender hay que tener una base sólida la cual mis padres fueron, son y serán esa gran

base en mi vida. Los valores son la herramienta que hace que crezcas como persona y profesionista,

mi familia me enseñó por medio de la práctica los valores más importantes en mi ser.

ii

Mi padre Juan me enseñó el valor del respeto a la vida y sobre todo a los demás, cada acto que

realizaba me forjaba un carácter indomable.

Mi madre Antonieta cada día me presento el valor de la perseverancia y con su espíritu amoroso que

unido a su gran carácter sembró esa gran semilla en lo profundo de mi ser.

Mis hermanas Angélica, Rosita y Antonietita, mis ángeles con los cuales tuve la fortuna de crecer,

cuidar y amar, me enseñaron los valores de la bondad, justicia, amor, el perdón y la generosidad.

Los pasos juntos, nuestras discusiones, abrazos, felicidades, tristezas todo lo que engloba la

hermandad, me hizo dar mi vida por ellas, son los pilares que todo ser humano anhela y que para mi

gran fortuna yo vivo con mis seres celestiales en el mundo terrenal.

En mi vida pasaron compañeros, amigos y mejores amigos, solo un puñado de ellos los puedo

confiar mis delitos, mis amores, mis miedos, mis defectos. No todos pueden presumir de una

amistad tan sincera como la que yo tengo. La escuela me enseño que el orden de los factores no

afecta el producto, por ello Eder, Alfredo, Rodrigo, Cesar, Ángel, Juan Carlos, Agustín, Eduardo y

Rodrigo Ivan. Son mi base sólida fuera de mi núcleo, mi segunda familia.

Recuerdo que al llegar a la universidad nunca pensé lo que podríamos realizar juntos y lo que a

futuro nos falta por recorrer, me ayudaron a darle los toques finales a mi carácter, les agradezco el

haberme ayudado en tantas situaciones y apoyado en momentos difíciles. La vida te da siempre la

respuesta del cómo y por qué pasan las cosas, me enseñó a que las personas desconocidas se pueden

convertir en hermanos.

Ahora la parte importante del cual pude realizar la tesis fue gracias al apoyo de Rodrigo Castillo y

Eduardo León, los cuales creyeron en mí y dieron lo mejor de sí, como toda pequeña familia

pasamos por altos y bajos, los cuales superamos y eso, esa sencilla acción me llena de sentimientos

tan agradables que me hacen un nudo en la garganta de la felicidad, al decir… Pude y podemos

superar cualquier situación. Gracias a ustedes formamos un equipo de ensueño, teniendo al jurado

más imponente de la escuela nuestro destino era ser grandes o morir en el intento y sin más

preámbulo, lo logramos juntos.

Por estar conmigo y más a los presentes en esta hoja los amo y gracias de todo corazón.

León Gabriel José Eduardo.

En agradecimiento a mis profesores y jurado que pusieron un granito de arena para que se pudiera

efectuar este trabajo lo mejor posible, a nuestra Asesora Esther Lugo González, quien nos brindó la

paciencia y comprensión para desarrollar el contenido de este trabajo, a mi novia Nancy Maya H.

quien me brindó cariño, la fortaleza y el mejor apoyo moral para concluir este trabajo, a mis

hermanos Itzel, Janet y Andrés, a mi señor padre, que me brindaron la confianza, apoyo y

comprensión que a pesar de no haber estado en muchas ocasiones, reuniones y salidas con ellos

durante el trayecto de mi carrera, me supieron comprender, a mi madre que en vida nos facilitó todas

las herramientas para que siguiéramos adelante con nuestros estudios tanto a mis hermanos a mi

padre y a mí, lo cual después de su ausencia fue la inspiración para poder seguir adelante y nunca

rendirme.

Agradecer a mis compañeros de proyecto principalmente Rodrigo Ivan Castillo Castillo y Nisin

Chávez Martínez que a pesar de que en ocasiones tuvimos malos entendidos al realizar este

proyecto, lo estamos concluyendo exitosamente.

Así como también a mis compañeros de aula que siempre me apoyaron y llegamos hasta el final de

la carrera, la unión del grupo que nunca había tenido a lo largo de mis estudios la encontré en la

escuela de mis sueños la gloriosa ESIME.

iii

Contenido

Resumen. vi

Abstract. vii

Introducción viii

Objetivo General. x

Objetivos Específicos. x

Justificación. xi

Índice de Figuras 1

Índice de Tablas 4

Estado del Arte 5

1.1 Introducción a los exoesqueletos. 6

1.2 Evolución de los exoesqueletos. 6

1.3 Exoesqueletos Institucionales. 9

1.4 Planteamiento del Problema. 11

Marco Teórico de la marcha humana. 12

2.1 La marcha humana. 13

2.1.1 El ciclo de la marcha y sus fases. 13

2.1.1.1 Fase de apoyo. 14

2.1.1.2 Fase de oscilación 14

2.1.2 Mecanismos patológicos de la marcha. 15

2.2 Análisis de marcha humana. 16

2.2.1 Subdivisión de la fase de apoyo. 16

2.3 Métodos del estudio de la marcha 16

2.4 Análisis cinemático del Tobillo 17

2.5. Análisis cinemático talón 17

2.6 Análisis cinemático tobillo 18

2.7 Análisis cinemático rodilla. 19

2.8 Análisis cinemático cadera 19

2.9 Exoesqueleto 20

2.10 Rehabilitación 20

2. 11 Autovalimiento 21

2.12 Parálisis Cerebral Infantil (PCI) 22

2.12.1 Diagnostico. 23

2.12.2 Tratamiento. 23

2.13 Diseño de Mecanismos 24

2.13.1 Mecanismos y máquinas 25

iv

2.14 Grados de libertad (GDL) o movilidad. 26

2.14.1 Calculo de grados de libertad. 29

2.15 Análisis de viga 30

2.16 Polipasto manual de Cadena 33

2.17 Servomotores 34

2.17.1 Rangos de operación del servomotor 35

2.18 Diagrama de bloques de un servomotor 37

2.19 Microcontroladores 37

2.19.1 Microcontrolador 16 f628a 38

1.19.2 Cambio de microcontrolador por expansión 39

2.19.3 Tipos de comunicación de los microcontroladores. 40

2.19.4 UART o USART (transmisor y receptor síncrono asíncrono universal) 40

2.20 Programas para diseño de PCB 42

2.21 Programas para diseño de HMI. 43

2.22 Tipos de HMI 43

2.22.1 Funciones de un software HMI. 44

Diseño del exoesqueleto 46

3.1 Grado de libertad en mecanismos planos. 48

3.2 Análisis de estructura 48

3.2 Materiales a utilizar en la fabricación del exoesqueleto. 52

3.3 Materiales para las piezas del exoesqueleto 56

3.4 Análisis de pesos de las piezas del exoesqueleto. 57

3.5 Análisis cinemático del exoesqueleto 58

3.6 Ensamble del exoesqueleto. 60

3.6.1 Juntas superiores (semijuntas) 60

3.6.2 Selección de Rodamiento. 61

3.6.3 Selección de en voladizo o doble en voladizo. 62

3.6.4 Consideraciones para el uso del exoesqueleto en el usuario. 63

3.6.5 Cálculo de poleas. 64

3.7 Comparación del Polipasto manual de cadena modelo con los polipastos eléctricos rápidos de

tipo fijo 220 VOLTS 64

3.8 Simulación de marcha con el exoesqueleto. 65

3.9 Sistema eléctrico 75

3.8 Programación de interfaz Humano Máquina (HMI). 88

Simulación y Análisis de Resultados 97

4.1 Introducción 98

v

4.3 Prueba de esfuerzos y resistencia. 100

Conclusión 105

4.4 Sistema de adaptación para el movimiento de la junta, segmento y servomotor. 105

Conclusión: 106

4.5 Sistema electrónico. 106

Conclusión general 106

4.6 Análisis Financiero 107

Trabajos Futuros 110

Referencias 112

ANEXOS 113

vi

Resumen.

El proceso de rehabilitación es un conjunto de procedimientos dirigidos a ayudar a una persona a

alcanzar el más alto potencial físico compatible con su deficiencia. La aplicación de la robótica en

procedimientos terapéuticos pretende lograr la mejor recuperación funcional motora posible.

En el caso de las personas con parálisis cerebral infantil es un proceso en el cual lleva una serie de

rehabilitaciones continuas, es por eso la realización del diseño de un exoesqueleto que realice como

tal una rehabilitación para el miembro inferior de una persona.

El exoesqueleto para rehabilitación de miembro inferior se divide en tres puntos específicos, los

cuales son el diseño mecánico, el sistema eléctrico de los servomotores y el HMI para hacer un

entorno amigable con el fisioterapeuta que va aplicar al paciente.

En el tema mecánico se diseña con base en la biomecánica, específicamente en el estudio de los

miembros inferiores. Se desarrolla un sistema mecánico con características similares a la de un

cuerpo humano en la cual intervienen para un proceso de marcha, haciendo un estudio cinemático se

toma como eslabones cada parte del miembro inferior, para asociarlo a un entorno mecánico y

plantear la solución adecuada a nuestro alcance del proyecto.

En la creación de las piezas se utiliza el software Solidworks al igual para el ensamble del

exoesqueleto y una simulación del proceso de marcha, este software ayuda a hacer pruebas de

laboratorio para ver la funcionalidad del diseño propuesto.

El sistema eléctrico está diseñado específicamente para el movimiento de los servomotores que

harán la emulación de la marcha y con ello lograr una terapia física, donde los grados de movilidad

están secuenciados semejantes a un ciclo de marcha, se diseña para el funcionamiento de los

servomotores por medio del microcontrolador 16F628A, su algoritmo realizan 2 funciones

específicas: manipular los servomotores y tener una comunicación serial con el HMI, la

programación se realiza con el software de Microcode Studio- PICBASIC PRO.

El HMI se diseña con el programa Visual Basic, se realiza un entorno practico para el fisioterapeuta,

en la cual pueda manipular los rangos de movilidad con respecto a los grados de los servomotores.

Se implementara una base datos de cada paciente, para llevar un registro clínico y así poder

disminuir costos y hacer más eficiente el tiempo de cada terapia.

Estos tres puntos conjuntamente generaran un diseño multidisciplinario, que pueda ayudar a

disminuir la espasticidad y mejorar la rehabilitación física a pacientes con parálisis cerebral infantil.

vii

Abstract.

The rehabilitation process is a set of procedures to help a person to achieve the highest potential to

support physical deficiency. The application of robotics in therapeutic procedures intended to

achieve the best possible functional motor recovery.

In the case of people with cerebral palsy is a process which takes a series of continuous

rehabilitation, which is why the realization of the design of an exoskeleton performing at such

rehabilitation for the lower limb of a person.

The exoskeleton for rehabilitation of lower limb is divided into three specific points, which are the

mechanical design, electrical system of the servomotors and the HMI for a friendly environment

with the physiotherapist that will apply to the patient.

In the mechanical theme it is designed based on biomechanical, specifically in the study of the lower

limbs. A mechanical system develops similar to that of a human body in which involved a process

running, doing a kinematic survey is taken as links each part of the leg, to associate a mechanical

environment and propose the right solution features our project scope.

In creating the Solidworks software parts for assembly as the exoskeleton and process simulation is

used up, this software helps make laboratory tests for the functionality of the proposed design.

The electrical system is designed specifically for the movement of the actuators that make emulation

of the march and to achieve physical therapy, where the degrees of mobility are similar sequenced a

gait cycle, it is designed for the operation of the servo motors by 16F628A microcontroller average,

its algorithm perform two specific functions: manipulate the servo and have a serial communication

with the HMI, programming is done with software Microcode Studio- PICBASIC PRO.

The HMI is designed with the Visual Basic program, a practical environment for the

physiotherapist, which can manipulate the ranges of motion with respect to the degree of the power

units is performed. A database for each patient is implemented, to take a clinical record and be able

to reduce costs and streamline the time of each therapy.

These three points together generate a multidisciplinary design that can help reduce spasticity and

improve physical rehabilitation for patients with cerebral palsy.

viii

Introducción

Los exoesqueletos, es decir, "esqueletos externos", son comunes en la naturaleza. Los saltamontes,

las cucarachas, los cangrejos y las langostas tienen exoesqueletos en lugar de un endoesqueleto

interior como los humanos, proporcionando apoyo al cuerpo y protección contra depredadores. Las

tortugas tienen tanto un esqueleto interno como un exoesqueleto, el caparazón.

Los exoesqueletos robóticos o mecánicos podrían ofrecerles a los humanos el tipo de protección,

apoyo y fuerza que ofrece la naturaleza[1].

Caminar es una actividad fundamental que desarrolla cualquier persona para realizar infinidad de

actividades diarias. Bajo condiciones normales, la marcha es una actividad automática, sin observar

los detalles de su ejecución, el soporte de peso y la marcha son las funciones más importantes de las

extremidades inferiores, debiendo considerar en la rehabilitación, cuando existan trastornos de la

misma, programas hacia el restablecimiento de una posición de equilibrio segura y enfocado a la

habilidad de caminar lo más normal posible y seguro.

Por otro lado la rehabilitación de la marcha es un aspecto importante de la rehabilitación

neurológica. Hay un grupo importante de técnicas terapéuticas que tienen en común las siguientes

metas de tratamiento:

Mejorar la fuerza muscular en miembros inferiores.

Aumentar la estabilidad funcional y el equilibrio para desarrollar la marcha.

Facilitar aprender nuevamente los patrones de movimientos normales.

Mejorar el control de la postura y el movimiento.

Aumento de las capacidades físicas para la ambulación[2].

La enseñanza de la marcha en la paralela es una de las actividades más comunes en la rehabilitación

de pacientes con enfermedades neurológicas.

El entrenamiento en las paralelas a veces se retrasa por la incapacidad del paciente para mantenerse

de pie, ya sea por debilidad acentuada en los extensores de la rodilla (cuádriceps), por

anormalidades en la postura que impiden una correcta bipedestación, por hipotonía etc.

Con el uso del soporte parcial del peso corporal en la paralela, se le facilita al paciente la postura de

pie y la marcha, mientras se continua ejercitando en el gimnasio terapéutico las demás actividades.

El uso del soporte parcial de peso corporal permite al paciente que con el menor esfuerzo posible

comience la marcha, evitando anormalidades en la misma y la correcta enseñanza de las actividades

del paso, descarga etc.

Permite la enseñanza de la marcha en sus diferentes fases con más facilidad de aprendizaje del

paciente para realizarlo, además de hacerlo con el uso de los diferentes aditamentos (andador,

muletas, bastones canadienses, etc.) [2].

En la actualidad tenemos rehabilitaciones de miembro inferior mediante la fisioterapia manual o con

ciertos ejercicios musculares con aparatos mecánicos muy simples, esto con la ayuda de un

fisioterapeuta o personas capacitadas al alcance, lo cual puede provocar que al final de una jornada

el fisioterapeuta, por los efectos del cansancio físico, no realice los procedimientos adecuadamente.

ix

El uso de terapia mediante Robots ha mejorado los procedimientos de rehabilitación actuales,

permitiendo así una rehabilitación de mayor calidad así como también la motivación del paciente,

quien se sentirá más independiente de la disponibilidad de un fisioterapeuta, mejorando repetitividad

y motivación al mismo tiempo[3].

En este trabajo se presenta un diseño de exoesqueleto de miembro inferior el cual se desarrolla con

el objetivo de auxiliar al terapeuta en la rehabilitación de miembro inferior.

x

Objetivo General.

Diseñar un exoesqueleto de rehabilitación para miembro inferior, auxiliar en terapias de personas

con parálisis cerebral infantil.

Objetivos Específicos.

Diseñar un exoesqueleto mecánico para miembro inferior.

Diseñar un sistema electrónico para la comunicación y manipulación del exoesqueleto.

Desarrollar una Interfaz Humano-Maquina manipular los movimientos en el exoesqueleto

de miembro inferior.

Desarrollar una base de datos para el control clínico de pacientes.

Realizar pruebas con la simulación del prototipo virtual para analizar resultados y hacer las

conclusiones y correcciones necesarias.

xi

Justificación.

De acuerdo a las estadísticas del centro de cirugía especial de México muestran el gran número de

nacimientos al año con alguna discapacidad, entre estos datos muestra un número de nacimientos

aproximadamente de 500,000 infantes diagnosticados con Parálisis Cerebral Infantil. Esta categoría

se divide en un 60% afectaciones de movimiento, lenguaje y aprendizaje. El 40% restante solamente

tienen una afectación intelectual.

Por otro lado, interpretando 60% como un 100% de personas que tienen afectaciones en

movimiento, trastornos musculares e intelectuales se dividen en 80% son ocasionados por problemas

de prematurez o problemas durante el parto, mientras que el 20% restante sufren algún trastorno

cerebral durante los primeros 6 años de vida.[4]

La rehabilitación está enfocada en dos objetivos. Primero recuperar la fuerza muscular que es la

capacidad del músculo para contraerse y segundo recuperar la resistencia que es la capacidad de

realizar el mismo movimiento repetidas veces.

La asistencia del fisioterapeuta para realizar el ejercicio puede variar dejando que el paciente haga el

ejercicio completamente solo, asistiendo completa o parcialmente para la realización del mismo.

Existen diferentes tipos de ejercicios de rehabilitación como los ejercicios de fortalecimiento, estos

incrementan la cantidad de fuerza que el músculo puede generar. En un ejercicio isométrico, la

longitud de la fibra muscular es constante, de forma que la contracción muscular ocurre sin

movimiento articular. Un ejercicio isotónico es un ejercicio dinámico realizado con una carga o

resistencia constante, pero sin controlar la velocidad del movimiento, en estos ejercicios la tensión

de una fibra muscular es relativamente constante[5].

Una de las principales razones por la cual se pretende realizar este exoesqueleto es con el fin de

ayudar a la rehabilitación de personas con parálisis cerebral, mejorar la fuerza en el miembro

inferior del paciente como también aumentar la estabilidad funcional y el equilibrio para desarrollar

una mejor marcha en el paciente.

Este proyecto pretende beneficiar directamente al paciente en su rehabilitación, tal persona que

carece de movilidad autónoma para poder realizar sus terapias necesarias, así como en segunda

instancia al terapeuta que esté a cargo.

Dicha persona se verá beneficiada en cuanto a la autonomía de su rehabilitación, esto sin dejar atrás

que el fisioterapeuta programará y autorizará la rehabilitación continua del paciente conforme a los

resultados obtenidos sesión tras sesión.

Los resultados del paciente en su mejoría física se verán reflejados a mediano o largo plazo según

nivel de parálisis del infante.

1

Índice de Figuras

Figura 1.1 Dispositivo ReWalken.……………………………..……….…………………………… 7

Figura 1.2 Gama de exoesqueletos Hal de Cyberdyne………………………………..……….…….. 7

Figura 1.3 Prótesis de mano "Cyborg beast”………………………………………………………… 8

Figura 1.4. Exoesqueleto para mejorar la fuerza……………………………………………………10

Figura 2.1. Longitud de zancada: A. Fase de apoyo: 1 Contacto inicial. 2. Respuesta carga, 3. Apoyo

medio. 4. Apoyo final. 5. Preoscilación. B. Fase de oscilación: 6. Oscilación inicial. 7. Fase media.

8. Final oscilación……………………………………………………………………………………13

Figura 2.2. Ciclo de la marcha: 1. Aceleración. 2. Media oscilación. 3. Deceleración. 4 Apoyo talón.

5 Apoyo plano. 6. Apoyo medio. 7. Talón fuera, salida de talón. 8. Dedos fuera, despegue…….... 14

Figura 2.3. Subdivisiones de la fase de apoyo………………………...…………………………… 16

Figura 2.4. Análisis cinemático…………………………….………………………………………. 17

Figura 2.5. Análisis cinemático, antes del contacto del talón con el suelo………………………… 18

Figura 2.6. Análisis cinemático, al contacto del talón………………………………………............ 18

Figura 2.7. Análisis cinemático, apoyo medio…………………………………………………...… 19

Figura 2.8. Análisis Cinemático, en el apoyo medio (Rodilla)……………………….……………. 19

Figura 2.9. Análisis cinemático, apoyo medio (Cadera)…………………………………...………. 20

Figura 2.10. Muestra un lápiz colocado sobre un pedazo de papel plano junto con un sistema de

coordenadas x, y…………………………………………...……………………………………….. 26

Figura 2.11. Eslabones como bloques de construcción básicos de todos los mecanismos………… 28

Figura 2.12. Notaciones esquemáticas que se recomiendan para los eslabones binarios, ternarios y de

orden superior, y para las juntas móviles y fijas con libertades de rotación y traslación, además de un

ejemplo de su combinación………………………...………………………………………………. 28

Figura 2.13. Tipos de mecanismos…………...…………………………………………………….. 29

Figura 2.14. Fuerzas externas contra fuerzas internas………………………..…………………….. 30

Figura 2.15. Convención cortante positiva y negativa………………...…………………………… 30

Figura 2.16. Convención momentos positivos y negativos…………………………...……………. 31

Figura 2.17. Cargas distribuidas actuando perpendicular a un elemento…………………...……… 31

Figura 2.18. Polipasto manual de cadena………………………………………………….……….. 33

Figura 2.19. Arneses…………………………………….…………………………………………..34

Figura 2.20. Variedad de servomotores……………………………………………………………...35

Figura 2.21. PWM para recorrer todo el rango de operación del servo……………………...…….. 36

Figura 2.22. Tren de pulsos para control del servo……………………………………..………….. 36

Figura 2.23. Esquema de un servomotor de posición angular……………………………………37

Figura 2.24. Diagrama a bloques del sistema de lazo cerrado del servomotor………………….37

Figura 2.25. Microcontrolador 16F628A……………………………………………………........... 39

Figura 2.26 Data sheet PIC 16F6876/873………………………………………………………….39

Figura 3.1. Diagrama del diseño propuesto………………………………….…………………..…..47

Figura 3.2. Diagrama cinemático…………………………………………..………………………. 47

Figura 3.3. Diseño estipulado con 3 grados de libertad…………………….……………..……….. 48

Figura 3.4. Propuesta de diseño de base…………………………………..…………….…………..48

Figura 3.5. Estructura a 75% diseñada…………………………………..……..…………………. .49

Figura 3.6. Bosquejo del diseño principal…………………………….....…………………………. 49

Figura 3.7. Simulación del sistema equilibrado……………………………………………………. 49

Figura 3.8. Diagrama de corte……………………………..………………………………………...51

2

Figura 3.9. Diseño del Respaldo………..………………………………………………………….. 54

Figura 3.10. Diseño de la parte de cadera………………………………..………………………… 54

Figura 3.11. Diseño de la unión del respaldo hacia la cadera……………………………………… 54

Figura 3.12. Diseño de cople de unión……………………………………………………….……...54

Figura 3.13. Diseño de la estructura del muslo……………………………………….......................55

Figura 3.14. Diseño de la estructura de la pierna……………………………………………..…….55

Figura 3.15. Diseño de la estructura del pie………………..……………………………................. 55

Figura 3.16. Descanso para los miembros inferiores……………………………………………….55

Figura 3.17. Diseño del soporte…………………………………………………………………….56

Figura 3.18. Diseño de la parte unión cople-segmento-servomotor……………………………….. 56

Figura 3.19. Juntas revolutas (pasador)……………………………………………………………. 60

Figura 3.20. Lubricación Hidrodinámica………………………………………………………….. 61

Figura 3.21. Cojinete de bolas……………………………………………………………………… 61

Figura 3.22. Cojinete de bolas propuesto (marca Mootio)…………………………………………..61

Figura 3.23. Montaje en voladizo cortante simple…………………………………………………..62

Figura 3.24. Diseño de piezas Cadera-Muslo……………………………………………………… 62

Figura 3.25. Diseño de piezas Muslo-Pierna………………………………………………………...63

Figura 3.26. Diseño de piezas Pierna-Pie……………………………………………………………63

Figura 3.27. Exoesqueleto vista isométrica 0°……………………………………………………... 66

Figura 3.28. Vistas de la configuración 1………………………………………………………….. 67

Figura 3.29. Vistas de la configuración 2………………………………………………………….. 68

Figura 3.30. Vistas de la configuración 3………………………………………………………….. 69

Figura 3.31. Vistas de la configuración 4………………………………………………………….. 70

Figura 3.32. Vistas de la configuración 5………………………………………………………….. 71

Figura 3.33. Velocidad del motor de la cadera (lado derecho)…………………………………….. 72

Figura 3.34. Velocidad del motor de la Rodilla derecha…………………………………………....72

Figura 3.35. Velocidad del motor del tobillo derecho………………………………………………72

Figura 3.36. Velocidad del motor de la cadera (lado izquierdo)…………………………………...73

Figura 3.37. Velocidad del motor de la rodilla izquierda…………………….……………………..73

Figura 3.38. Velocidad del motor del tobillo izquierdo…………………………………………….73

Figura 3.39. Comparativa del desplazamiento de marcha…………………………………………. 74

Figura 3.40. Circuito de Fuente de Alimentación………………………………………………….. 75

Figura 3.41. Muestra de la aplicación del diodo de protección…………………………………….. 77

Figura 3.42. Acoplamiento del microcontrolador 16F628A……………………………………….. 78

Figura 3.43. Circuito del microcontrolador hacia los servomotores……….………………………..79

Figura 3.44. Muestra del rango del servomotor en grados…………………………………………..80

Figura 3.45. Servomotor CYS-S8218……………………………………………………………… 80

Figura 3.46. Circuito de comunicación serial………………………………………………………. 81

Figura 3.47. Circuito del oscilador externo………………………………………………………… 81

Figura 3.48. Circuito del botón de reinicio………………………………………………………… 83

Figura 3.49. Trasmisión de datos entre el microcontrolador 16F628A y el MAX232…………….. 84

Figura 3.50. Configuración del circuito integrado MAX232……………………………………….84

Figura 3.51. Salida del MAX232 conectada a un conector DB9…………………………………... 85

Figura 3.52. Icono del software "eagle"…………………………………………………………….85

Figura 3.53. Diseño esquemático proporcionado por "eagle"………………………………………86

Figura 3.54. Diseño final de la PCB dentro del software "eagle"…………………………………..86

Figura 3.55. Diseño de impresión de PCB con guía para componentes…………………………87

Figura 3.56. Diseño impreso de pistas de cobre…………………………………………………….87

Figura 3.57. Diagrama de flujo de la interfaz HMI………………………………………………88

3

Figura 3.58. Diagrama de flujo de la comunicación serial………………………………………… 89

Figura 3.59. Inicialización………………………………………………………………………….. 89

Figura 3.60. Loop de opciones……………………………………………………………………... 89

Figura 3.61. Secuencia de opción uno……………………………………………………………… 90

Figura 3.62. Secuencia de opción dos……………………………………………………………… 90

Figura 3.63. Finalizar el programa…………………………………………………………………. 91

Figura 3.64. Etiquetas de dirección para finalizar el programa……………………………………...91

Figura 3.65. Redireccionamiento al inicio del programa…………………………………………... 91

Figura 3.66. Conector del diagrama de flujo……………………………………………………….92

Figura 3.67. Loop de puerto com…………………………………………………………….……..92

Figura 3.68. Ingreso de datos……………………………………………………………….………92

Figura 3.69. Opciones disponibles………………………………………………………………….92

Figura 3.70. Conector de diagramas de flujo……………………………………………………….93

Figura 3.71. Pantalla principal de la HMI………………………………………………………….93

Figura 3.72 Tabla de datos del paciente……………………………………………………………94

Figura 3.73. Ficha de registro del paciente…………………………………………………………94

Figura 3.74. Control de ángulos y velocidad del paciente…………………………………………. 94

Figura 3.75. Diagrama de flujo de HMI…………………………………………………………….95

Figura 4.1 Simulación de soportes……………………………………………………………….100

Figura 4.2. Acoplamiento del servomotor…………………………………………………………105

Figura 4.3 Funcionamiento del servomotor con acoplamiento……………………………………105

Figura 5.1. Vistas del proyecto……………………………………………………………………111

4

Índice de Tablas

Tabla 1. Materiales por pieza……………………………………………………..…………………53

Tabla 2. Materiales investigados y propuestos………………………………………………………56

Tabla 3. Análisis de peso…………………………………………………………………………….57

Tabla 4. Valores obtenidos teóricamente……………………………………………………………59

Tabla 5. Configuración 1………. …………………………………………………………………...67

Tabla 6. Configuración 2……………………………………………………………………………68

Tabla 7. Configuración 3……………………………………………………………………………69

Tabla 8. Configuración 4……………………………………………………………………………70

Tabla 9. Configuración 5……………………………………………………………………………71

Tabla 10. Valores de Vo……………………………………………………………………………..77

Tabla 11. Rangos de operación……………………………………………………………………...79

Tabla 12. Relación de PIN del microcontrolador-motor…………………………………………….80

Tabla 13. Comunicación de 3 hilos………………………………………………………………….85

Tabla 14. Tabla de clasificación de índice de masa corporal………………………………………..98

Tabla 15. Tabla de selección de paciente……………………………………………………………99

Tabla 16. Diseño de estructura……………………………………………………………………..100

Tabla 17. Información de malla……………………………………………………………………102

Tabla 18. Resultados del estudio…………………………………………………………………...103

Tabla 19. Análisis Financiero………………………………………………………………………107

Tabla 20. Estudio de mano de obra………………………………………………………………...107

Tabla 21. Estudio de material electrónico………………………………………………………….108

Tabla 22. Estudio de material mecánico…………………………………….…………………..…108

Tabla 23. Estudio de costos de software…………………………………………………………...109

5

1

En este capítulo se presentan

algunos de los exoesqueletos

existentes a nivel internacional,

nacional e institucional, así como

también su aplicación de cada uno

de ellos.

Estado del Arte

ESTADO DEL ARTE

6

1.1 Introducción a los exoesqueletos.

La tecnología ha avanzado demasiado desde que empezó la revolución industrial, y es momento de

obtener el mejor provecho de ésta. La combinación hombre-máquina está en desarrollo como

consecuencia de la observación de la naturaleza, la ciencia ficción, y la necesidad humana. Este

trabajo se centra en la descripción general de un exoesqueleto, como la descripción de sus

características más importantes. Iniciando un proceso de diseño y los primeros análisis que este

dispositivo necesita en su temprano desarrollo[6].

1.2 Evolución de los exoesqueletos.

Los exoesqueletos llegan para revolucionar no solo el mundo de la ciencia sino también nuestra vida

cotidiana. El último modelo llamado „Body Extender‟ es el más complejo creado hasta ahora, capaz

de levantar 50 kilos con una sola de sus pinzas, 100 con las dos extremidades combinadas superando

por 10 veces la fuerza que el usuario aplica a un objeto[7].

Con firma italiana el prototipo está desarrollado por ingenieros del Laboratorio de Robótica

Perceptual de la Escuela Técnica Superior Santa Anna, en Pisa “Es un dispositivo capaz de realizar

el seguimiento del movimiento complejo del cuerpo humano y también amplificar la fuerza del

usuario” Fabio Salsedo.

El hecho de estar formado por componentes modulares permite que el robot en cuestión se

reconstruya fácilmente adaptándose a la demanda.

El futuro de la robótica pasa necesariamente por una serie de máquinas que investigadores y

empresas están comercializando o en proceso de hacerlo. Tal es el caso de El Hulc, un exoesqueleto

hidráulico que facilita a soldados llevar un peso de alrededor de 90 kg. De similar forma el sistema

de Hulc constituye una gama de máquinas diseñadas para trabajos de rescate o para levantar peso en

el lugar de trabajo librando así al operario de una posible lesión de espalda.

También con uso médico la compañía israelí Argo Medical Technologies comercializa su

dispositivo ReWalken (Fig. 1.1) que ayuda a las personas con discapacidad a caminar en posición

vertical usando muletas.

ESTADO DEL ARTE

7

Figura 1.1 Dispositivo ReWalken.

Parecido cometido siguen el modelo de Cyberdyne (Fig. 1.2) y EKSO Bionics.

La empresa suiza Hocoma ofrece el dispositivo terapéutico Lokomat, unos pantalones robóticos que

los pacientes con accidente cerebrovascular y otras afecciones emplean sobre una cinta diseñada en

favor de su rehabilitación.

Figura 1.2 Gama de exoesqueletos Hal de Cyberdyne[7].

Innovación y tecnología suelen ser importantes aliados en el proceso de rehabilitación de personas

con discapacidad física. Cada año nuevos desarrollos como prótesis, órtesis o exoesqueletos, salen al

mercado y se convierten en una ayuda vital para mejorar la calidad de vida de los pacientes. En el

2007 en Chile se conoció la primera prótesis de mano impresa en 3D, llamada "Cyborg beast"

(Fig.1.3), la que fue entregada al joven Wladimir Silva, paciente de la Fundación Teletón.

ESTADO DEL ARTE

8

Figura 1.3 Prótesis de mano "Cyborg beast"

La doctora Jacqueline Dote, Fisiatra del Laboratorio de Órtesis y Prótesis la Fundación Teletón,

“Wladimir incorporó el movimiento y pudo darle uso inmediatamente". Esta donación, única en la

historia de la institución, se logró gracias a un equipo de investigación de Estados Unidos y a la

labor del diseñador chileno Jorge Zúñiga, de la Universidad de Creighton, quien cuenta con

experiencia en trabajo con niños y jóvenes. Está aún en estado experimental y ha logrado ampliar la

movilidad de cinco personas más, las que formarán parte del estudio de esta impresión 3D.

La doctora Dote, valora la inclusión de nuevas tecnologías en la rehabilitación, que "permite

complementar los tratamientos en forma equitativa, desde Arica a Coyhaique, durante la

permanencia del paciente en la institución, potenciando sus logros y favoreciendo la independencia e

inclusión".

Otro soporte incorporado en los últimos años son los exoesqueletos mecánicos, armazones externos

al cuerpo y que funcionan con sistema de motores o de manera hidráulica y que permiten a pacientes

con movilidad reducida en sus extremidades o sin ella, poder caminar y ejercitar su musculatura.

Este tipo de elementos nace mayormente producto de la asociación entre las historias de ciencia

ficción en combinación con el avance de la tecnología.

“Las nuevas generaciones nacen con la tecnología, por lo tanto su visión por ejemplo frente al uso

de dispositivos 'diferentes' es natural, los cómics, los juegos de video, el cine, hacen que no les

extrañe portar algo diferente a su cuerpo, siempre que esto sea funcional y cumpla un objetivo

determinado que ellos necesiten", añade la especialista.

Actualmente, la fundación Teletón cuenta con las primeras prótesis fabricadas por impresoras en tres

dimensiones, exoesqueletos como Locomat y sistemas computacionales que permiten a personas

que no pueden comunicarse, hacerlo a través de programa que detectan señales.[8]

Juan Pablo Rodríguez, integrante del equipo de "Get Up", una silla de ruedas que permite a los

usuarios ponerse de pie. Al generar carga sobre los huesos por el peso de la persona, estos tiende a

absorber el calcio perdido por la hipomovilidad, evitando e incluso revirtiendo la osteoporosis".

También previene la hipotrofia muscular, las escaras que se producen al ejercer una presión

constante sobre algunas partes del cuerpo, activa el sistema nervioso, optimiza la mecánica

respiratoria y mejora el tránsito gastrointestinal.[8].

ESTADO DEL ARTE

9

Con el fin de eventualmente ayudar a la movilidad de pacientes con lesión medular e incluso a

adultos mayores que no pueden andar por problemas en sus extremidades inferiores, ingenieros de la

UNAM diseñaron:

El experto Serafín Castañeda Cedeño[9] explicó que un exoesqueleto, es una especie de traje

biónico, como el de Iron Man; un armazón robótico móvil que potencializa las capacidades

humanas.

Hay exoesqueletos para amplificar capacidades humanas, realizados especialmente para la milicia,

como el BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton), creado en la Universidad de Berkeley,

Estados Unidos, y el HAL (Hybrid Assistive Leg), de la Universidad de Tsukuba, Japón, que son

utilizados por los soldados para cargar o recorrer largas distancias.

El más avanzado es el Ekso Bionics, creado en la Universidad de Berkeley, que permite caminar a

las personas con paraplejia, aunque no de forma normal, sino con apoyo de bastones.

En mayo de 2013 trajeron el Ekso Bionics a México, que cuesta entre 150 y 200 mil dólares [9].

En los últimos tres años, en la Facultad de Ingeniería (FI) de la UNAM, Castañeda y colaboradores

desarrollaron un primer prototipo mecánico de miembro inferior para pacientes que tienen lesión

medular.

Es uno de los primeros modelos a nivel nacional. Se trata de un exoesqueleto con 10 grados de

libertad en las articulaciones para moverse: dos para la cadera, uno para la rodilla y dos para el

tobillo, por cada una de las piernas.

Esta órtesis, por restricción en costos para el diseño mecánico y para que fuera fácil de

manufacturar, está hecha principalmente de aluminio, por su ligereza; funciona con motores de

corriente directa y tiene mecanismos de reducción de velocidades.[9]

No es invasiva, un individuo se la puede poner con su misma ropa y zapatos, como si fuera un „traje

externo. Es fácil de colocar, aunque es más robusta que una vestimenta. A diferencia del Ekso

Bionics, el objetivo del equipo de esta casa de estudios es que quien use el aparato camine sin

bastones, „con sus propios pies[9].

1.3 Exoesqueletos Institucionales.

Egresados del Instituto Politécnico Nacional (IPN) desarrollaron un exoesqueleto que auxilia en la

marcha a personas con problemas motrices causados por alguna enfermedad o como consecuencia

de la edad.

Emmanuel Jiménez Vázquez e Irving Omar Cázares Ramírez, egresados de la Unidad Profesional

Interdisciplinaria de Ingeniería y Tecnologías Avanzadas (UPIITA) del IPN, son los creadores de

este dispositivo, cuya aportación principal es que evita el esfuerzo sobre las piernas y facilita el

traslado. Se trata de una tecnología que ya existe en países avanzados, pero tiene un costo de

alrededor de 250 mil pesos. Su proyecto lo desarrollaron considerando medidas antropométricas de

los mexicanos y tendrá un costo de 35 mil pesos.

ESTADO DEL ARTE

10

El dispositivo funciona con una batería de 12 volts y está provisto de una serie de sensores de

presión, aceleración y posición, que indican la postura en la que se encuentra el paciente y, con base

en ello, el sistema de control permite el movimiento hacia un ciclo definido de marcha.

La estructura la diseñaron con aluminio, debido a que es un material de fácil maquinado y su costo

es accesible.

La estructura tiene un peso aproximado de seis kilos, sin contar el peso de los motores, y fue

diseñada para personas con estaturas entre 1.50 y 1.70 metros y con un peso hasta de 100 kilos,

indicó el IPN.

Mediante un sistema de visión obtuvieron la mecánica de la marcha y determinaron una ecuación

para describir los movimientos desde el plano sagital, y con esa información desarrollaron el sistema

de control para el robot[10].

Hipólito Aguilar Sierra y Ricardo López Gutiérrez, maestros en Control Automático de la Unidad

Mixta Internacional (UMI) del Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav),

encabezan un proyecto que cuenta con un robot especializado en cadera y extremidades inferiores,

así como un sistema dedicado al tobillo y la pierna.

El exoesqueleto podría ser de gran utilidad en la industria, pues un empleado podría cargar una gran

cantidad de material sin lesionarse o sufrir algún accidente, gracias a un sistema neumático",

precisaron los especialistas en un comunicado de prensa retomado por el diario Reforma. Además, el

usuario también podría realizar tareas que demanden de mucha precisión, con apoyo del sistema

electrónico de la armadura. También puede funcionar como apoyo en labores de salvamento, donde

se requiere mover una gran cantidad de comida y medicinas[11].

Figura 1.4. Exoesqueleto para mejorar la fuerza.

ESTADO DEL ARTE

11

1.4 Planteamiento del Problema.

. En la aplicación médica existen exoesqueletos para rehabilitación que tienen instrumentos

estorbosos y pesados, que los pacientes tienen que cargar en la espalda, lo que genera problemas en

la columna si no están bien diseñados. Con base en la investigación realizada se encontró que estos

dispositivos son caros, aproximadamente 250 mil pesos, lo que resulta imposible de cubrir por

muchas instituciones públicas.

Por otro lado los exoesqueletos para rehabilitación solo se enfocan en la mejora de la marcha, lo

que no es totalmente funcional para pacientes que necesitan rehabilitación con algún trastorno

muscular del miembro inferior lo que disminuye el rango de pacientes que pueden usar el

exoesqueleto . Cabe señalar que los candidatos que pueden utilizar estos dispositivos no tienen un

daño muscular tan severo como un paciente con parálisis cerebral infantil.

Por dicha problemática, es necesario diseñar un exoesqueleto para rehabilitación de miembro

inferior enfocado a pacientes con parálisis cerebral infantil, que presentan trastorno muscular y

espasticidad, cuyo propósito es emular la marcha, permitir movimientos de flexión y extensión de

la pierna, además se desea que sea ajustable en longitud, ya que como se diseñará para niños estos

tienden a crecer muy rápidamente y la idea es que puedan utilizar el prototipo el tiempo necesario.

Lic. Rodolfo Alpisar Gómez encargado del área de mecanoterapia del CRIT Estado de México:

“La mayor problemática en el CRIT es que el exoesqueleto que se tiene está diseñado para adultos y

no para pacientes pediátricos, realmente la población que se ha podido atender es muy reducida en

base a eso, además que trae medidas estandarizada para adultos norteamericanos, lo cual influye a

tratar solamente a adolescentes y no para la población infantil. Por otro lado el exoesqueleto

existente en esta área no guarda ninguna carpeta de expedientes ni memoria integrada, por lo cual

hay que ir metiendo los datos desde un principio y anotarlos a mano en una bitácora de cada persona

además de ajustarlo al proceso de su rehabilitación del paciente, y verdaderamente es tiempo que se

puede utilizar para programar a otros pacientes a que puedan utilizar el equipo durante el día.

Sería muy provechoso el exoesqueleto implementado para pequeños ya que por su espasticidad

neuronal es más útil para niños que para un paciente adulto.

Se prefiere un exoesqueleto que en este caso Locomat ya que este último lleva muy limitado el

movimiento en el tronco y la cadera, mientras que un exoesqueleto trabaja más en la

implementación de la propiocepción lo que es muy importante en la marcha de las personas”.

12

Se presentan los fundamentos

teóricos para la rehabilitación,

conceptos y descripciones teóricas

de la marcha humana.

Marco Teórico de la

marcha humana.

MARCO TEÓRICO

13

2.1 La marcha humana.

La marcha humana es un proceso de locomoción que el cuerpo humano, en posición erguida, se

mueve hacia adelante, siendo su peso soportado alternativamente por ambas piernas. Mientras el

cuerpo se desplaza sobre la pierna de soporte, la otra se balancea hacia adelante como preparación

para el siguiente apoyo. Uno de los pies se encuentra siempre en el suelo y, en el periodo de

trasferencia del peso del cuerpo de la pierna retrasada a la pierna a la pierna adelantada, existe un

breve intervalo de tiempo durante el cual ambos pies descansan sobre el suelo. Al aumentar el

individuo su velocidad, dichos periodos de apoyo bipodal se reducen progresivamente, en relación al

ciclo de la marcha, hasta que el sujeto comienza a correr, siendo entonces reemplazados por breves

intervalos de tiempo en que ambos pies se encuentran en el aire. La relación de la acción muscular y

la sincronización de los movimientos de las articulaciones demuestran el trabajo en equipo de todos

los movimientos corporales.

2.1.1 El ciclo de la marcha y sus fases.

La marcha es un ejemplo de movimiento periódico en el que el segmento inferior se puede decir que

parte de cero, pasando por un arco de movimiento, con una caída de cero al final de cada paso. Se

denomina zancada a la secuencia de acontecimientos que tiene lugar entre dos repeticiones

consecutivas de uno cualquiera de los sucesos de la marcha. Se adopta como principio del ciclo el

instante en que uno de los pies toma contacto con el suelo, habitualmente a través del talón.

Tomando como origen el contacto del pie derecho, el ciclo terminara en el siguiente apoyo del

mismo pie. Por su parte, el pie izquierdo experimentaría la misma serie de acontecimientos que el

derecho, desplazándose en el tiempo por medio ciclo. La distancia media entre dos apoyos

consecutivos del mismo pie se denomina longitud de zancada, y es la suma de las longitudes del

paso izquierdo y derecho. (Figura 2.1)

Figura 2.1. Longitud de zancada: A. Fase de apoyo: 1 Contacto inicial. 2. Respuesta carga, 3. Apoyo medio. 4. Apoyo final. 5.

Preoscilación. B. Fase de oscilación: 6. Oscilación inicial. 7. Fase media. 8. Final oscilación.

Durante el desarrollo del ciclo de la marcha completo, el patrón periódico característico de dicha

forma de locomoción humana se ha definido como zancada, donde cada pie pasa por una fase de

apoyo, durante la cual el pie se encuentra en contacto con el suelo y por una fase de oscilación, en la

cual el pie se halla en el aire, al tiempo que avanza como preparación para el siguiente apoyo.

A su vez estas dos fases permiten realizar una subdivisión de los eventos sucesivos que se producen

en cada uno de los pies.

MARCO TEÓRICO

14

2.1.1.1 Fase de apoyo.

Esta fase comienza con el contacto inicial del talón con el suelo y finaliza con el despegue del

antepié. Este apoyo está compuesto por cinco periodos elementales:

1. Fase de contacto inicial.

2. Fase inicial del apoyo o respuesta de carga.

3. Fase inicial de apoyo.

4. Fase final del apoyo.

5. Fase previa a la oscilación.

En relación a la duración del ciclo de la marcha, la fase de apoyo constituye alrededor de un 60% del

ciclo.

2.1.1.2 Fase de oscilación

Transcurre desde el instante del despegue del antepié, avanzando el pie en el aire como preparación

para el siguiente apoyo, hasta el contacto con el suelo, para dar paso a la siguiente zancada. Esta fase

está formada por tres periodos fundamentales:

6. Fase inicial de la oscilación.

7. Fase media de la oscilación.

8. Fase final de la oscilación.

Figura 2.2. Ciclo de la marcha: 1. Aceleración. 2. Media oscilación. 3. Deceleración. 4 Apoyo talón. 5 Apoyo plano. 6. Apoyo

medio. 7. Talón fuera, salida de talón. 8. Dedos fuera, despegue.

MARCO TEÓRICO

15

La duración de esta fase representa el 40% restante de la duración del ciclo de la marcha. (Figura

2.2).

Sin embargo, la duración de cada una de estas fases dependerá de la velocidad adoptada por el

sujeto, aumentando la proporción de la oscilación frente al apoyo al aumentar la velocidad.

2.1.2 Mecanismos patológicos de la marcha.

Existen diferentes clasificaciones de las alteraciones de la marcha debidas a patologías, que

dependen de su etiología, de la zona anatómica afectada, de la fase de la marcha en que esta alterad,

etc.

Estas alteraciones básicas se pueden clasificar en:

a) Deformidad. Aparece cuando los tejidos no permiten una movilidad suficiente para adoptar

posturas normales y rangos de movimiento fisiológicos durante la marcha. La contractura y

la retracción suelen ser las causas más habituales. La contractura representa un cambio

estructural o funcional en el tejido conectivo de los músculos, ligamentos o cápsula articular,

debida a una inmovilidad prolongada o como secuela de una lesión. Se pueden producir

alteraciones muy variadas durante la marcha, que serán más marcadas durante la fase de

apoyo.

b) Debilidad muscular. Puede ser debida a un atrofia muscular por desuso, a lesiones

neurológicas y a miopatías. Sin embargo, los pacientes poseen una excelente capacidad de

sustitución, utilizando otros grupos musculares.

c) Dolor. La causa principal del dolor durante la locomoción corresponde a una excesiva

tracción tisular. El paciente buscara posturas protectoras del dolor (flexión plantar de 15°, de

rodilla de 30°-45° y cadera en 30° de flexión).

d) Control neurológico deficitario. Cuando existen patologías a nivel del sistema nervioso

central o periférico, se pueden producir alteraciones básicas en diferentes combinaciones y

con intensidad variable. Estas alteraciones son:

Espasticidad.

Alteraciones de la coordinación.

Patrones reflejos primitivos del aparato locomotor.

Alteraciones de la secuencia de actuación muscular.

Alteración de la propiocepción.

Alteración del control muscular en dependencia de la posición del miembro y del

alineamiento corporal.

Finalmente, se puede concluir que el análisis anatómico básico de la marcha es sólido para todas las

personas físicamente normales. Las características individuales son tan específicas que a muchas

personas se las reconoce por su marcha. Estas variaciones pueden ser de carácter estructural o

funcional, e incluso frecuentemente pueden estar relacionadas con características de la

personalidad[12].

MARCO TEÓRICO

16

2.2 Análisis de marcha humana.

2.2.1 Subdivisión de la fase de apoyo.

Hay cinco momentos que son útiles al subdividir la fase de apoyo: Contacto del talón, apoyo plantar,

apoyo medio, elevación del talón y despegue del pie.

El contacto del talón se refiere al instante en que el talón de la pierna de referencia toca el suelo. El

apoyo plantar se refiere al contacto de la parte anterior del pie con el suelo. El apoyo medio ocurre

cuando el trocánter mayor* está alineado verticalmente con el centro del pie, visto desde un plano

sagital. La elevación del talón ocurre cuando el talón se eleva del suelo, y el despegue del pie ocurre

cuando los dedos se elevan del suelo.

La fase de apoyo puede también dividirse en intervalos con los términos de aceptación del peso,

apoyo medio y despegue. El intervalo de aceptación del peso empieza en el contacto del talón y

termina con el apoyo plantar.

El intervalo de apoyo medio empieza con el apoyo plantar y termina con la elevación del talón al

despegue de talón. El despegue se extiende desde la elevación de los dedos (Fig. 2.3).

Figura 2.3. Subdivisiones de la fase de apoyo.

La evaluación clínica de la marcha es suficiente generalmente con la estimación visual de la

posición del trocánter mayor.

2.3 Métodos del estudio de la marcha

Los investigadores de la locomoción humana han estudiado dos métodos de investigación. Uno es

la cinemática que describe los movimientos del cuerpo en conjunto y los movimientos relativos de

las partes del cuerpo durante las diferentes fases de la marcha. Un ejemplo de esto es el estudio de

las relaciones angulares de los segmentos de la extremidad inferior durante el ciclo de la marcha.

EI otro es del área de la cinética que se refiere a las fuerzas que producen el movimiento. Las

fuerzas de mayor influencia en los movimientos del cuerpo en la marcha normal, son aquellas

debidas a:

1. Gravedad

2. Contracción muscular

3. Inercia

4. Reacciones del suelo (resultantes de las fuerzas que ejerce el suelo en el pie).

MARCO TEÓRICO

17

Con el propósito de analizar el plano sagital, la marcha ha sido considerada en tres intervalos

seguidos:

I. Contacto de talón a punto de apoyo medio

II. Punto de apoyo medio a despegue de los dedos

III. Fase de balanceo.

Cada uno de estos intervalos de acciones del tobillo, rodilla y cadera, se discuten separadamente, en

términos de factores de cinemática y cinética.

La discusión de los factores cinéticos se refiere a las fuerzas creadas externa e internamente.

Movimiento en el plano sagital entre el contacto del talón y el punto de apoyo medio

2.4 Análisis cinemático del Tobillo

En el momento del contacto del talón simultáneamente con el contacto del talón, en el tiempo en que

la planta del pie está en contacto con el suelo (Fig. 2.4), cuando la planta del pie está plana en el

suelo en la fase media el juego del tobillo está en posición neutra a medio camino entre la

dorsiflexión y la flexión plantar, la articulación del tobillo empieza a moverse en dirección a la

flexión plantar la articulación del tobillo va de la posición neutral a los 15 grados de flexión plantar,

la tibia y otros segmentos de la pierna que apoya empieza a rotar hacia adelante sobre el pie fijo la

articulación del tobillo está en 5 grados aproximadamente de dorsiflexión.

.

Figura 2.4. Análisis cinemático.

2.5. Análisis cinemático talón

Inmediatamente antes de que el talón contacte con el suelo (Fig. 2.5), la articulación empieza a

flexionar y continúa flexionando hasta que la planta del pie está plana en el suelo, la rodilla está

aproximadamente a 20 grados de flexión y empieza a moverse en dirección de extensión,

simultáneamente con el contacto del talón, la articulación empieza a flexionar y continúa

flexionando hasta que la planta del pie está plana en el suelo, inmediatamente después de haber

alcanzado la posición plana del pie, la rodilla está aproximadamente a 20 grados de flexión y

empieza a moverse en dirección de extensión.

MARCO TEÓRICO

18

Figura 2.5. Análisis cinemático, antes del contacto del talón con el suelo.

En el apoyo medio la rodilla está aproximadamente a 10 grados de flexión y continúa moviéndose

hacia la extensión al contacto del talón. (Fig 2.6).La cadera está aproximadamente a 30 grados de

flexión e inmediatamente después del contacto del talón la articulación de la cadera empieza a

moverse en extensión. En la posición del pie plano en el suelo el ángulo de flexión ha disminuido

alrededor de 20 grados, entre el pie plano y el apoyo medio la articulación de la cadera se mueve

aproximadamente 20 grados de flexión, a posición neutral.

Figura 2.6. Análisis cinemático, al contacto del talón.

2.6 Análisis cinemático tobillo

En el apoyo medio, (Fig. 2.7) la dorsiflexión aumenta rápidamente desde una posición de unos 5

grados de dorsiflexión en el apoyo medio. Al despegue del talón cuan do el tacón del zapato deja el

suelo, la articulación del tobillo está aproximadamente en 15 grados de dorsiflexión en el intervalo

de elevación del talón y el despegue del pie. La relación angular entre la tibia y el pie son casi

completamente opuestas de 15 grados de dorsiflexión al despegue del talón, el tobillo se mueve

hasta unos 35 grados, con lo que al despegue del pie la articulación está en unos 20 grados de

flexión plantar.

MARCO TEÓRICO

19

Figura 2.7. Análisis cinemático, apoyo medio.

2.7 Análisis cinemático rodilla.

En el apoyo medio (Fig. 2.8), la articulación de la rodilla está en unos 10 grados de flexión,

moviéndose hacia la extensión e inmediatamente antes de que el talón pierda contacto con el suelo.

La rodilla tiene 4 grados de extensión completa entre el despegue del talón y el de los dedos, la

articulación de la rodilla se mueve de casi una completa extensión a unos 40 grados de flexión.

Figura 2.8. Análisis Cinemático, en el apoyo medio (Rodilla).

2.8 Análisis cinemático cadera

En el apoyo medio (Fig. 2.9), desde una posición de 0 grados en el apoyo medio, la cadera continúa

moviéndose hacia la extensión cuando el talón deja el suelo, la cadera está en una actitud de, 10 a 15

grados de hiperextensión e inmediatamente después del despegue del talón la cadera alcanza un

máximo de hiperextensión de unos 20 grados, cuando los dedos despegan del suelo, la cadera está

cerca de una posición neutral y se mueve en dirección de flexión.

MARCO TEÓRICO

20

Figura 2.9. Análisis cinemático, apoyo medio (Cadera)[13].

2.9 Exoesqueleto

La palabra exoesqueleto viene de “exo” que es un prefijo griego, con el significado de “fuera, lo

externo”, y esqueleto que para referirse a la silueta descarnada, desnuda o descubierta que todos

visualizamos cuando leemos o escuchamos la palabra, empezó a utilizarse en los inicios del siglo

XVII, hacia el año 1600. Por lo tanto, podemos traducir textualmente exoesqueleto como

(exoskeleton, en latín moderno o griego) como “esqueleto externo o exterior”[14].

2.10 Rehabilitación

La Organización Mundial de la Salud en 1969 define la rehabilitación como parte de la asistencia

médica encargada de desarrollar las capacidades funcionales y psicológicas del individuo y activar

sus mecanismos de compensación, a fin de permitirle llevar una existencia autónoma y dinámica. El

objetivo se mide en parámetros funcionales, en el restablecimiento de su movilidad, cuidado

personal, habilidad manual y comunicación.

La rehabilitación como especialidad se aparta del concepto tradicional de individualidad para

interiorizarse también en lo social. Los valores que crea no siempre se pueden cuantificar, pero

hacen al bienestar y la felicidad del discapacitado y su familia.

La complejidad está más bien dada por las vivencias psíquicas con relación a la discapacidad que

por el desajuste del medio interno como sucede en la atención del paciente agudo. “Es más fácil dar

vida que felicidad “.

La rehabilitación nace con la aparición de secuelas invalidantes, donde la etiología y el tratamiento

primario se han instituido y el hombre se encuentra ante su familia y la sociedad desprotegido social

y económicamente a causa de sus deficiencias.

Deaver estableció las bases de la rehabilitación en la siguiente forma:

Uso básico de las manos

Ambulación

Independencia en la atención personal

Comunicación

Aspecto normal

MARCO TEÓRICO

21

La rehabilitación es un proceso (largo) compuesto por acciones médicas y sociales (educación,

vivienda, trabajo) tendientes a lograr la máxima recuperación, disminuyendo el déficit funcional,

favoreciendo el autovalimiento, la aceptación de la discapacidad y la inserción social.

Primeramente se busca que sea independiente dentro de sus limitaciones y al final que se integre a la

sociedad. Todo esto sólo se puede lograr en el marco de una labor de equipo. En rehabilitación el

equipo funciona en forma inter y multidisciplinaria, tanto en la evaluación como en el tratamiento.

Intervienen varios integrantes con el objetivo de averiguar y valorar cuantitativamente y

cualitativamente las características de las dificultades funcionales y sociales. La rehabilitación no

cura, ayuda a la independencia del sujeto potenciando la función remanente.

El médico rehabilitador debe hacer un programa buscando objetivos alcanzables, lógicos,

determinando la metodología. El alta debe ser planteada desde el ingreso [15].

Después de una lesión, una enfermedad o una cirugía seria, la recuperación puede ser lenta. Es

posible que necesite recuperar nuevamente su fortaleza, volver a poner en práctica sus habilidades o

encontrar nuevas formas de hacer las cosas que hacía antes. Este proceso es la rehabilitación.

La rehabilitación suele enfocarse en:

Fisioterapia para ayudarlo a fortalecerse y recuperar la movilidad y condición física.

Terapia ocupacional para ayudarlo con sus actividades cotidianas.

Tratamiento del dolor.

El tipo de tratamiento y las metas que esperan alcanzarse pueden variar en distintas personas[16].

2. 11 Autovalimiento

Es la habilidad para desempeñar actividades de la vida diaria como son algunas de las capacidades

más importantes que los niños aprenden o alcanzan a medida que van creciendo, es constante

escucharlos decir: "yo puedo", "yo solo", "yo lo hago". Sin embargo los niños no sólo deben

aprender a cuidar de sus necesidades personales, sino también es necesario que desempeñen las

actividades según las normas de su escuela y de su sociedad.

Que el niño aprenda habilidades de auto cuidado así como algunas habilidades básicas del manejo

del hogar, les enseña a ser responsables consigo mismo y con los demás, los ayuda a sentirse parte

de la familia y posteriormente los ayudara a integrarse adecuadamente en su ambiente escolar. Es

por ello que la familia, como primer agente, desempeña un papel importante en el desarrollo global

de los niños y el que adquiera pautas mínimas de alimentación, higiene y vestido favorece su

independencia y alivia la resolución de las actividades cotidianas de los padres y porque no decirlo,

también de los profesores; que muchas veces se encuentran en el aula con niños que aún no logran

colocarse los zapatos luego de jugar en la colchoneta, guardar los juguetes que usaron en la hora

libre, sacar su individual o abrir su galleta a la hora de la lonchera; lavarse o secarse la cara y las

manos, después de hacer algún deporte, etc.

Además, es importante que exista una interacción entre el trabajo del docente y el de los Padres, este

debe de caracterizarse por ser continua, flexible, coherente y por sobre todo creativa, para lograr una

mayor independencia del niño mejorando su calidad de vida y por su supuesto la de su familia. El

hecho de que el niño aprenda un hábito es una tarea ardua que lleva mucho tiempo, paciencia y

sobre todo compromiso[17].

MARCO TEÓRICO

22

2.12 Parálisis Cerebral Infantil (PCI)

La parálisis cerebral es una alteración que afecta al músculo, la postura y el movimiento, provocada

por alguna lesión en un cerebro en desarrollo, desde el embarazo, parto, hasta los 5 años (momento

en que el cerebro alcanza el 90% de su peso). No se trata pues de una única enfermedad, sino de un

grupo de condiciones que provocan un mal funcionamiento de las vías motoras (áreas del cerebro

encargadas del movimiento) en un cerebro en desarrollo y que son permanentes y no progresivas.

También la severidad de la afectación es variable: encontramos desde formas ligeras a formas graves

con importantes alteraciones físicas, con o sin retraso mental o convulsiones.

En un 40% de casos se desconoce la causa (idiopáticos) y en el 85% está presente al nacer

(congénitos). Las causas son múltiples, pudiendo ser malformaciones, lesiones cerebrales que

ocurren durante la vida fetal por infección o falta de oxígeno y riego sanguíneo, problemas del parto

y lesiones o accidentes postnatales secundarios a meningitis, encefalitis, accidentes de tráfico,

ahogamiento, etc. También pueden presentarla los prematuros muy pequeños que han tenido

complicaciones en los primeros meses de vida.

La parálisis cerebral se clasifica según las extremidades a las que afecta y el tipo de problema del

movimiento que origina. Cuando se afecta un brazo o una pierna se le llama monoplejia, si se afecta

el brazo y la pierna del mismo lado se llama hemiplejia, si se afectan las dos piernas paraplejia y

diplejia si existe mayor afectación de las piernas y poca de los brazos. Triplejia, si se afecta un brazo

y las dos piernas. Quadriplejia si la afectación es de brazos y piernas.

Los tipos de trastorno muscular y del movimiento son la espasticidad, es la forma más frecuente

(70%), implica una lesión de la corteza cerebral y produce un aumento del tono muscular, por lo que

los músculos se encontrarán rígidos y duros. Atetosis, que se caracteriza por unos movimientos

musculares irregulares e incontrolados que dificultan el control de la postura y del movimiento de

las extremidades. Reacciones musculares mixtas, en las cuales se pueden dar situaciones de los dos

casos anteriores: espasticidad y atetosis.

La combinación de la localización y el tipo de desorden muscular nos dará la clase de parálisis, así si

afecta a medio cuerpo y presenta espasticidad tendremos una hemiplejia espástica, o si afecta un

brazo y atetosis será una monoplejia atetósica. Los niños que presentan espasticidad muscular tienen

los músculos como "el cierre de una navaja" duros, con mucha resistencia al movimiento, si

consiguen caminar lo hacen con una marcha, “en tijera" y apoyándose sobre las puntas de los dedos

de los pies. En cambio, los niños con atetosis son todo lo contrario, tienen movimientos continuos

sin propósito, presentando muecas faciales y giros continuos de las manos y de los músculos de la

lengua y de la boca.

Los niños con parálisis cerebral pueden tener también problemas asociados como el retraso mental,

que aparece en las dos terceras partes de los niños con cuadriplejia espástica. Este retraso puede ser

más o menos importante según la localización y el grado de la afectación cerebral. A veces pueden

también tener convulsiones y problemas de lenguaje y del habla, oculares y de la audición.

MARCO TEÓRICO

23

2.12.1 Diagnostico.

El diagnóstico puede sospecharse por el cuadro clínico, los antecedentes médicos y la exploración

física, especialmente del sistema nervioso. En ocasiones el diagnóstico no será evidente al nacer,

pero la exploración por parte del pediatra y los controles repetidos podrán ayudar. Así, estos

controles, especialmente los que vigilan el desarrollo psicomotor del niño, nos indicara cuándo será

necesario recurrir a consultar al neuropediatra para descartar o no esta patología. Si el niño presenta

alteraciones para sonreír, mantenerse sentado, gatear y caminar, aunque no se presenten alteraciones

en el habla o en la comprensión del lenguaje, habrá que evaluarlo.

2.12.2 Tratamiento.

La parálisis cerebral no tiene tratamiento curativo, aunque sí podemos tratar y mejorar los efectos de

esta lesión cerebral irreversible. Se consigue, según el grado de afectación (se debe recordar que

niños con parálisis grave pueden tener una inteligencia normal), que el niño alcance su mayor nivel

de independencia y la capacidad para desenvolverse y disminuir sus limitaciones.

Se necesitará la colaboración de un equipo multidisciplinar (social, psicológico, sanitario y

educativo) para desarrollar un programa estructurado de tratamiento, que orientará y colaborará con

la familia sobre los variados aspectos que será necesario tratar (desde ayudas ortopédicas a centro

educativo, adaptaciones personalizadas, logopedia, etc.), pues estos niños ya sabemos que además

del trastorno motor suelen tener problemas visuales y auditivos, pueden también tener dificultades

en la comunicación y en ocasiones, convulsiones. Necesitaran la ayuda de un fisioterapeuta para

mejorar el estado muscular, especialmente en las formas espásticas, y evitar deformidades que

requieran tratamiento ortopédico. Los fármacos tienen poca utilidad en la parálisis cerebral, a

excepción de los casos que tengan epilepsia o convulsiones.

Por último, cabe destacar el hecho de que muy pobres quedarán estos cuidados si sólo van

destinados a tratar la alteración en el niño; ésta, como cualquier otra alteración crónica en la

infancia, afecta al niño y a su entorno cercano, generalmente su familia, por lo que se hace

necesaria, desde una visión global y siempre buscando el mayor progreso y beneficio para el niño, el

que los padres participen activamente en todo, posean suficiente información y formación, así como

el que pertenezcan a alguna asociación de grupos de padres de ayuda mutua y puedan disponer de

momentos de respiro para ellos; por todo esto reiteramos la importancia de que esta situación sea

atendida desde un equipo multiprofesional[18].

La parálisis cerebral es la primera causa de invalidez en la infancia. El niño que padece de este

trastorno presenta afectaciones motrices que le impiden un desarrollo normal. La psicomotricidad se

encuentra afectada en gran medida, estando la relación entre razonamiento y movimiento dañado, y

por ende el desarrollo de habilidades que se desprenden de esa relación. "El problema se contempló

como neurofisiológico y se insistió en que la causa de la incapacidad motora de los pacientes

obedecía principalmente a la liberación de modalidades reflejas anormales de la postura y los

movimientos, al perderse la inhibición normal que ejercen los centros superiores del sistema

nervioso central".

Múltiples factores la producen, el mayor porciento ocurre en el momento del nacimiento en que por

distintos motivos puede ocurrir una hipoxia del cerebro, lesionando zonas del mismo. Esta lesión

provoca diferentes incapacidades tales como trastornos de la postura y el movimiento que pueden

MARCO TEÓRICO

24

estar acompañadas o no de convulsiones, retraso mental, problemas visuales, auditivos y del

lenguaje.

La mayoría de los casos tienen posibilidades de rehabilitación teniendo en cuenta la magnitud del

daño cerebral, la edad del niño, el grado de retraso mental, ataques epilépticos y otros problemas que

puedan estar asociados. El aspecto motor puede ser modificado de manera favorable si el

tratamiento comienza en edades tempranas evitando retrasar aun más la adquisición y el aprendizaje

de determinadas conductas motrices.

La rehabilitación pudiera considerarse como un conjunto de tratamientos mediante los cuales una

persona incapacitada se coloca mental, física, ocupacional y laboralmente en condiciones que

posibilitan un desenvolvimiento lo más cercano posible al de una persona normal dentro de su

medio social.

Parálisis cerebral es un término usado para describir un grupo de incapacidades motoras producidas

por un daño en el cerebro del niño que pueden ocurrir en el período prenatal, perinatal o postnatal.

La definición de PCI más ampliamente aceptada y más precisa es la de un "trastorno del tono

postural y del movimiento, de carácter persistente (pero no invariable), secundario a una agresión no

progresiva a un cerebro inmaduro".

Bajo el concepto de PCI encontramos diferentes tipos de patologías con causas diferentes, con

pronóstico variable dependiendo del grado de afectación y extensión de la lesión en el cerebro. La

lesión es cerebral por lo que no incluye otras causas de trastorno motor (lesión medular, de sistema

nervioso periférico). No es progresiva y si de carácter persistente causando un deterioro variable de

la coordinación del movimiento, con la incapacidad posterior del niño para mantener posturas

normales y realizar movimientos normales, conduciendo entonces a otros problemas ya ortopédicos

por lo que se deben prevenir desde el primer momento. Al ocurrir en una etapa en que el cerebro se

encuentra en desarrollo va a interferir en la correcta maduración del sistema nervioso incluso sin que

el niño tenga una experiencia previa del movimiento voluntario, pero al no haber una especificidad

de funciones y gracias a la neuroplasticidad va a permitir que áreas no lesionadas del cerebro suplan

la función de aquellas zonas lesionadas y se establezcan vías suplementarias de transmisión. Esta

neuroplasticidad del sistema nervioso será más efectiva cuando la lesión sea focal y mucho menos

probable cuando sea generalizada[18].

2.13 Diseño de Mecanismos

Principalmente iniciaremos por definir que es diseño el cual se refiere a un boceto, bosquejo o

esquema que se realiza, ya sea mentalmente o en un soporte material, antes de concretar la

producción de algo. El término también se emplea para referirse a la apariencia de ciertos productos

en cuanto a sus líneas, forma y funcionalidades.

El concepto de diseño suele utilizarse en el contexto de las artes, la arquitectura, la ingeniería y otras

disciplinas. El momento del diseño implica una representación mental y la posterior plasmación de

dicha idea en algún formato gráfico (visual) para exhibir cómo será la obra que se planea realizar. El

diseño, por lo tanto, puede incluir un dibujo o trazado que anticipe las características de la obra.

Así mismo definiremos que es el diseño mecánico para poder entrar en tema y visualizar el diseño

de los mecanismos, en ingeniería el diseño mecánico es el proceso de dar forma, dimensiones,

MARCO TEÓRICO

25

materiales, tecnología de fabricación y funcionamiento de una máquina para que cumpla unas

determinadas funciones o necesidades.

El diseño se diferencia del análisis, en que en éste se toma un diseño ya existente para estudiarlo, y

verificar que cumpla con las necesidades para las que fue diseñado.

La emulación de los miembros inferiores se harán por medio de tres segmentos que serán semejantes

a la pierna, muslo y pie y cada uno de ellos estarán unidos por una junta que unirán los segmentos

antes mencionados y con ello simular la flexión de las articulaciones.

Será de útil importancia el conocer el tipo de juntas y mecanismo que son conformados por estos

componentes para lograr una simulación semejante a la del miembro inferior.

Cinemática Estudio del movimiento sin considerar las fuerzas.

Cinética Estudio de las fuerzas sobre sistemas en movimiento.

En la práctica de diseño de ingeniería también es válido considerar primero los movimientos

cinemáticos deseados y sus consecuencias, y subsecuentemente investigar las fuerzas cinéticas

asociadas con esos movimientos.

Un objetivo fundamental de la cinemática es crear (diseñar) los movimientos deseados de las partes

mecánicas y luego calcular matemáticamente las posiciones, velocidades y aceleraciones que los

movimientos crearán en las partes. Como el diseño de ingeniería implica crear sistemas libres de

falla durante su vida de servicio esperada, el objetivo es mantener los esfuerzos dentro de límites

aceptables para los materiales elegidos y las condiciones ambientales encontradas. Esto, obviamente,

requiere que todas las fuerzas que actúan en el sistema sean definidas y se mantengan dentro de los

límites deseados. En maquinaria que se mueve (la única interesante), con frecuencia las fuerzas más

grandes encontradas son las generadas por la dinámica de la misma máquina. Estas fuerzas

dinámicas son proporcionales a la aceleración, la cual lleva de nuevo a la cinemática, el fundamento

del diseño mecánico. Las decisiones básicas y tempranas en el proceso de diseño que implican

principios cinemáticos pueden ser cruciales para el éxito de cualquier diseño mecánico.

2.13.1 Mecanismos y máquinas.

Un mecanismo es un dispositivo que transforma el movimiento en un patrón deseable, y por lo

general desarrolla fuerzas muy bajas y transmite poca potencia, un mecanismo como un medio de

transmisión, control o restricción del movimiento relativo. Una máquina, en general, contiene

mecanismos que están diseñados para producir y transmitir fuerzas significativas. Algunos ejemplos

comunes de mecanismos pueden ser un sacapuntas, un obturador de cámara fotográfica, un reloj

análogo, una silla plegable, una lámpara de escritorio ajustable y un paraguas. Algunos ejemplos de

máquinas que poseen movimientos similares a los mecanismos antes mencionados son un

procesador de alimentos, la puerta de la bóveda de un banco, la transmisión de un automóvil, una

niveladora, un robot y un juego mecánico de un parque de diversiones. No existe una clara línea

divisoria entre mecanismos y máquinas. Difieren en su grado y no en su clase. Si las fuerzas o

niveles de energía en el dispositivo son significativos, se considerará como una máquina; si no es

así, será considerado como un mecanismo. Una definición útil de trabajo de un mecanismo es un

sistema de elementos acomodados para transmitir movimiento de una forma predeterminada. Ésta

MARCO TEÓRICO

26

puede ser convertida en una definición de una máquina si se le agregan las palabras y energía

después de la palabra movimiento.

Los mecanismos, si se cargan en exceso y funcionan a bajas velocidades, en ocasiones se pueden

tratar de manera estricta como dispositivos cinemáticos; es decir, se pueden analizar

cinemáticamente sin considerar las fuerzas. Las máquinas (y mecanismos que funcionan a altas

velocidades), por otra parte, primero deben tratarse como mecanismos, sus velocidades y

aceleraciones analizadas cinemáticamente y, posteriormente, como sistemas dinámicos en los que

sus fuerzas estáticas y dinámicas producidas por esas aceleraciones son analizadas mediante

principios de cinética.

2.14 Grados de libertad (GDL) o movilidad.

La movilidad de un sistema mecánico (M) se puede clasificar de acuerdo con el número de grados

de libertad (GDL) que posee. El GDL del sistema es igual al número de parámetros (mediciones)

independientes que se requieren para definir de manera única su posición en el espacio en cualquier

instante de tiempo. Hay que observar que GDL se define con respecto a un marco de referencia

seleccionado. La figura 2.10 muestra un lápiz colocado sobre un pedazo de papel plano junto con un

sistema de coordenadas x, y. Si se restringe este lápiz a permanecer siempre en el plano del papel, se

requieren tres parámetros (GDL) para definir por completo la posición de cualquier punto en el lápiz

y una coordenada angular (θ) para definir el ángulo de este con respecto a los ejes. Las mediciones

mínimas requeridas para definir su posición se muestran en la fi gura x, y y θ. Este sistema del lápiz

en un plano tiene por tanto tres GDL. Hay que observar que los parámetros particulares elegidos

para definir su posición no son únicos. Se podría utilizar un conjunto alterno de tres parámetros.

Existe una infinidad de conjuntos de parámetros posibles, pero en este caso debe haber tres

parámetros por conjunto, tales como dos longitudes y un ángulo, para definir la posición del sistema

debido a que un cuerpo rígido en movimiento plano tiene tres GDL.

Figura 2.10. Muestra un lápiz colocado sobre un pedazo de papel plano junto con un sistema de coordenadas x, y.

Ahora permita que el lápiz exista en un mundo tridimensional. Sosténgalo sobre la cubierta de su

escritorio y muévalo con respecto a él. Son necesarios seis parámetros para definir sus seis GDL. Un

conjunto posible de parámetros que podría utilizarse es: tres longitudes (x, y, z) más tres ángulos (θ,

ᵖ, ᵠ). Cualquier cuerpo rígido en el espacio tridimensional tiene seis grados de libertad. Trate de

identificar estos seis GDL al mover el lápiz o pluma con respecto a la cubierta del escritorio.

MARCO TEÓRICO

27

El lápiz en estos ejemplos representa un cuerpo rígido o eslabón, el cual para propósitos de análisis

cinemático se supondrá que es incapaz de deformarse. Esto es meramente una ficción conveniente

que permite definir con más facilidad los movimientos totales del cuerpo. Más adelante, se puede

sobreponer cualquier deformación provocada por cargas externas o inerciales sobre los movimientos

cinemáticos para obtener una imagen más completa y precisa del comportamiento del cuerpo. Pero

hay que recordar, en general, que se enfrenta a una hoja de papel en blanco en la etapa inicial del

proceso de diseño. No se pueden determinar las deformaciones de un cuerpo hasta definir su

tamaño, forma, propiedades de los materiales y cargas. Por lo tanto, en esta etapa se supondrá, para

propósitos de síntesis y análisis, cinemáticos iniciales, que los cuerpos cinemáticos son rígidos y sin

masa.

Un cuerpo rígido libre de moverse dentro de un marco de referencia, en el caso general, tendrá

movimiento complejo, el cual es una combinación simultánea de rotación y traslación. En el espacio

tridimensional, puede haber rotación alrededor de un eje (cualquier eje oblicuo o uno de los tres ejes

principales) y también traslación simultanea que se puede resolver en elementos a lo largo de tres

ejes. En un plano, o espacio bidimensional, el movimiento complejo se vuelve una combinación de

rotación simultánea alrededor de un eje (perpendicular al plano) así como traslación descompuesta

en elementos a lo largo de dos ejes en el plano. Para simplificar, se limitara este análisis al caso de

sistemas cinemáticos planos (2-D). Para este propósito, se definirán estos términos en movimiento

plano como se explica en los siguientes subtemas:

Rotación pura:

El cuerpo posee un punto (centro de rotación) que no tiene movimiento con respecto al marco de

referencia “estacionario”. Todos los demás puntos del cuerpo describen arcos alrededor del centro.

Una línea de referencia trazada en el cuerpo a través del centro cambia sólo su orientación angular.

Traslación pura:

Todos los puntos del cuerpo describen trayectorias paralelas (curvilíneas o rectilíneas). Una línea de

referencia trazada en el cuerpo cambia su posición lineal pero no su orientación angular.

Movimiento complejo:

Una combinación simultánea de rotación y traslación. Cualquier línea de referencia trazada en el

cuerpo cambiará tanto su posición lineal como su orientación angular. Los puntos en el cuerpo

recorrerán trayectorias no paralelas, y habrá, en todo instante, un centro de rotación, el cual

cambiará continuamente de ubicación.

La traslación y rotación:

Representan movimientos independientes del cuerpo. Cada uno puede presentarse sin el otro. Si se

define un sistema de coordenadas 2-D como se muestra en la figura 2.10 los términos en x y y

representan componentes de movimiento de traslación, y el termino θ la componente de rotación.

Eslabones, juntas y cadenas cinemáticas:

La exploración de la cinemática de mecanismos iniciara con análisis del tema de diseño de

eslabonamientos. Los eslabonamientos son los bloques de construcción básicos de todos los

mecanismos. Los eslabonamientos se componen de eslabones y juntas.

Un eslabón, como se muestra en la figura 2.11, es un cuerpo rígido (supuesto) que posee por lo

menos dos nodos que son puntos de unión con otros eslabones.

MARCO TEÓRICO

28

Eslabón binario el que tiene dos nodos.

Eslabón ternario el que tiene tres nodos.

Eslabón cuaternario el que tiene cuatro nodos.

Una junta es una conexión entre dos o más eslabones (en sus nodos), la cual permite algún

movimiento, o movimiento potencial, entre los eslabones conectados.

Figura 2.11. Eslabones como bloques de construcción básicos de todos los mecanismos.

El análisis de mecanismos requiere que se dibujen diagramas cinemáticos claros, simples y

esquemáticos de los eslabones y juntas con los que están formados dichos mecanismos. Algunas

veces puede ser difícil identificar los eslabones y juntas cinemáticos en un mecanismo complicado.

A menudo, los alumnos principiantes en este tema tienen esta dificultad. En la presente sección se

define un enfoque para elaborar diagramas cinemáticos simplificados.

Los eslabones reales pueden tener cualquier forma, pero un eslabón “cinemático”, o borde de

eslabón, se define como una línea entre juntas que permite el movimiento relativo entre eslabones

adyacentes. Las juntas pueden permitir rotación, traslación o ambos movimientos entre los

eslabones unidos. Los movimientos posibles de la junta deben ser claros y obvios en el diagrama

cinemático.

En la figura 2.12 se muestran las notaciones esquemáticas que se recomiendan para los eslabones

binarios, ternarios y de orden superior, y para las juntas móviles y fijas con libertades de rotación y

traslación, además de un ejemplo de su combinación. Son posibles muchas otras notaciones, pero

independientemente de la que se utilice, es crucial que el diagrama indique cuales eslabones o juntas

están fijos y cuales pueden moverse. En caso contrario, nadie será capaz de interpretar la cinemática

del diseño. Se debe usar el sombreado o achurado para indicar que un eslabón es sólido.

Figura 2.12. Notaciones esquemáticas que se recomiendan para los eslabones binarios, ternarios y de orden superior, y para

las juntas móviles y fijas con libertades de rotación y traslación, además de un ejemplo de su combinación.

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29

2.14.1 Calculo de grados de libertad.

Para determinar el GDL global de cualquier mecanismo, se debe considerar el número de eslabones,

así como las juntas y las interacciones entre ellos (Fig. 2.13).

Figura 2.13. Tipos de mecanismos.

Las juntas eliminan grados de libertad

(2.1)

Dónde:

M = grado de libertad o movilidad

L = número de eslabones

J = número de juntas

G = número de eslabones conectados a tierra

Hay que observar que en cualquier mecanismo real, aun cuando más de un eslabón de la cadena

cinemática esté conectado a tierra, el efecto neto será crear un eslabón conectado a tierra de mayor

orden y más grande, ya que solo puede haber un plano de tierra. Por lo tanto, G siempre es uno y la

ecuación de Gruebler se convierte en:

( ) (2.2)

El valor de J en las ecuaciones (2.1) y (2.2) debe reflejar el valor de todas las juntas en el

mecanismo.

Esto es, las semijuntas cuentan como 1/2 porque solo eliminan un GDL. Esto es menos confuso si se

utiliza la modificación de Kutzbach de la ecuación de Gruebler (2.3).

( ) (2.3).

Dónde:

M = grado de libertad o movilidad

L = número de eslabones

= número de juntas de 1 GDL (completas)

= número de juntas de 2 GDL (semi)

[19]

MARCO TEÓRICO

30

2.15 Análisis de viga

Los elementos tipo viga las fuerzas internas involucran tres incógnitas: una fuerza axial, una fuerza

cortante y un momento, por lo tanto conociendo las fuerzas de extremo y aplicando el método de las

secciones en cualquier punto de la viga nos daría como resultado un tramo de viga estáticamente

determinado con tres ecuaciones estáticas disponibles y tres incógnitas por determinar. Observemos

que la clave es conocer las fuerzas de extremo de elemento, es decir, aquellas que se ejercen en las

uniones con otros elementos pertenecientes al sistema estructural y de ahí proceder a determinar las

fuerzas internas por la estática. Podemos concluir que el elemento a analizar es estáticamente

determinado así pertenezca a un sistema indeterminado.

Esto explica porque la metodología y el objetivo de los métodos de análisis es determinar las fuerzas

de unión y de ahí seguir con el análisis independiente de cada elemento.

Teniendo en cuenta estas consideraciones podemos aislar un elemento tipo viga, considerarlo con

sus fuerzas extremas como fuerzas de reacción y analizarlo hasta encontrar las fuerzas internas:

Teniendo en cuenta estas consideraciones podemos aislar un elemento tipo viga, considerarlo con

sus fuerzas extremas como fuerzas de reacción y analizarlo hasta encontrar las fuerzas internas

(Fig.2.14):

Figura 2.14. Fuerzas externas contra fuerzas internas.

Notemos que al partir el elemento una sección ejerce sobre la otra fuerzas equivalentes a un apoyo

de empotramiento, podemos decir, que las conexiones que se generan a lo largo del elemento son

uniones rígidas y las fuerzas en cada sección son iguales y de sentido contrario.

Para el estudio de los elementos tipo viga se utilizará la siguiente convención:

Cortante: Las fuerzas cortantes positivas son aquellas que producen una rotación horaria del

elemento (Fig.2.15).

Figura 2.15. Convención cortante positiva y negativa.

Momento: Los momentos positivos son aquellos que producen concavidad hacía arriba en el

elemento horizontal o tracciones en la fibra inferior. Para elementos verticales esta convención se

puede complicar un poco por lo tanto regirá el criterio de dibujar el diagrama de momentos para la

cara traccionada (Fig. 2.16).

MARCO TEÓRICO

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Figura 2.16. Convención momentos positivos y negativos.

Fuerza axial: Se considera una fuerza axial positiva cuando ella implica tracción en el elemento.

Las acciones de las fuerzas internas en vigas se ilustran mejor por medio de diagramas de fuerza

axial (P), diagramas de fuerza cortante (V) y diagramas de momento flector (M). Los diagramas

representan la variación de estas fuerzas a lo largo del elemento, dibujando en las abscisas la

longitud del elemento y en las ordenadas el valor de la fuerza interna. Para axial y cortante los

valores positivos se dibujan por encima del elemento pero para los momentos se dibujará el

diagrama para el lado traccionado del elemento, así, si el elemento es horizontal el lado positivo del

diagrama estará para abajo. La convención para momentos rige para cualquier ubicación de este en

el espacio y es independiente del origen escogido, ya sea este en el extremo derecho o izquierdo del

elemento.

Relación entre momento cortante y carga: En el caso de cargas distribuidas actuando perpendicular

al elemento se puede encontrar una relación con las fuerzas internas de cortante y momento

promedio del siguiente análisis de una sección infinitesimal del elemento (Fig. 2.17).

Figura 2.17. Cargas distribuidas actuando perpendicular a un elemento.

Aplicando equilibrio a la sección de viga indicada tenemos:

(2.4)

Integrando a ambos lados, tenemos:

(2.5)

La variación del cortante en un tramo de viga dado es igual al área bajo la curva de carga. (Note que

el equilibrio se hizo con la carga negativa, por lo tanto no se debe involucrar otra vez su signo en la

ecuación), dividiendo por dL a ambos lados tenemos:

(2.6)

MARCO TEÓRICO

32

Donde podemos decir que la pendiente a la curva del diagrama de cortante es igual al negativo de la

carga distribuida.

Ahora con la ecuación de momentos tenemos:

(2.7)

Considerando una longitud muy pequeña del trozo de viga analizado, el término con dL2 se

aproxima a cero, y la ecuación nos queda:

(2.8)

Integrando:

(2.9)

De donde la segunda integral representa el área bajo la curva del diagrama de cortantes en un tramo

de viga dado y podemos concluir que la variación del diagrama de momentos en un tramo de vigas

es igual al área bajo la curva del diagrama de cortante.

Dividiendo a ambos lados por dL, tenemos:

(2.10)

Donde la pendiente del diagrama de momentos en cualquier punto es igual al valor del cortante en

ese punto[20].

MARCO TEÓRICO

33

2.16 Polipasto manual de Cadena

Capacidades 500 – 20,000 kg

Figura 2.18. Polipasto manual de cadena.

Su robusta construcción, completamente de acero (Fig.2.18) tiene rodamientos de rodillos o de bolas

adaptados a todos sus componentes rotatorios. Esto reduce la fricción e incrementa la eficiencia. El

polipasto está recubierto con pintura epóxica como estándar.

Características:

La cubierta de la rueda de la cadena de mando con ranuras especiales y el óptimo

diseño de la rueda, evitan que la cadena de mando se bloquee y se salga.

Nuez de la cadena de carga templada, con cuatro ensambles mecanizados de

precisión.

Dos rodillos guía y un separador de cadena, aseguran un alineamiento preciso de la

cadena de carga sobre la nuez.

Todos los componentes del freno están fabricados con materiales de alta calidad y

están galvanizados y bicromatados para proporcionar una protección adicional anti-

corrosiva.

MARCO TEÓRICO

34

Figura 2.19. Arneses.

Dichos arneses son muy utilizados para rescate y alpinismo, ya que son cómodos y ligeros como se

muestra en la figura, este consiste de unos cinturones que sostendrán el cuerpo del individuo, están

colocados alrededor del cuerpo en puntos de apoyo específicos.

2.17 Servomotores

Los servos son un tipo especial de motor de c.c. que se caracterizan por su capacidad para

posicionarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su intervalo de operación. Para

ello, el servomotor espera un tren de pulsos que se corresponde con el movimiento a realizar. Están

generalmente formados por un amplificador, un motor, un sistema reductor formado por ruedas

dentadas y un circuito de realimentación, todo en un misma caja de pequeñas dimensiones. El

resultado es un servo de posición con un margen de operación de 180° aproximadamente.

Se dice que el servo es un dispositivo con un eje de rendimiento controlado ya que puede ser llevado

a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que exista una señal

codificada en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la

señal codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos

para posicionar elementos de control como palancas, pequeños ascensores y timones. También se

usan en radio-control, marionetas y, por supuesto, en robots. Los Servos son sumamente útiles en

robótica. Los motores son pequeños.

La corriente que requiere depende del tamaño del servo; Normalmente el fabricante indica cual es la

corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar moviéndose todo el

tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está

enclavado.

Existen diferentes tipos de servomotores los cuales se distinguen por sus características como se

menciona anteriormente, aquí algunos modelos de ellos y sus marcas:

Marca: Futaba Modelo: S3003

Marca: Hitec Modelo: Hs-422

Marca: Hextronik Modelo: HX12K

Marca: CYS Modelo: S8218

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Marca: Towerpro Modelo: sg90

Figura 2.20. Variedad de servomotores.

2.17.1 Rangos de operación del servomotor

El motor del servomotor tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro conectado al eje

central del motor, Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual

del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito

checa que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al ángulo

que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en

algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante.

Un servomotor normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un

servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el

sugerido por las especificaciones del fabricante.

El voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje

necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar

sólo una pequeña cantidad, el motor girará a menor velocidad. A esto se le denomina control

proporcional.

La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas más

empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se

varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con el

objetivo de modificar la posición del servo según se desee.

Para la generación de una onda PWM en un microcontrolador, lo más habitual es usar un timer y un

comparador (interrupciones asociadas), de modo que el microcontrolador quede libre para realizar

otras tareas, y la generación de la señal sea automática y más efectiva. El mecanismo consiste en

programar el timer con el ancho del pulso (el período de la señal) y al comparador con el valor de

duración del pulso a nivel alto. Cuando se produce una interrupción de overflow del timer, la

subrutina de interrupción debe poner la señal PWM a nivel alto y cuando se produzca la interrupción

del comparador, ésta debe poner la señal PWM a nivel bajo.

MARCO TEÓRICO

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Figura 2.21. PWM para recorrer todo el rango de operación del servo.

El sistema de control de un servo se limita a indicar en que posición se debe situar. Esto se lleva a

cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica el ángulo de giro del motor.

Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y

mínimo que el servo entiende. Los valores más generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms

y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y 180º). El valor 1.5 ms indicaría la

posición central o neutra (90º), mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones

intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible EMPLEAR pulsos

menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°. Si se

sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que

se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites

mecánicos constructivos.

El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y

otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30 ms). Si el intervalo entre pulso y

pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la temporización interna del servo, causando un

zumbido, y la vibración del eje de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a

estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños.

Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición durante un cierto

tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. De este modo, si existe

alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición, intentará resistirse. Si se deja de enviar

pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor que el máximo) entonces el servo perderá fuerza y

dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo.

Figura 2.22. Tren de pulsos para control del servo.

MARCO TEÓRICO

37

2.18 Diagrama de bloques de un servomotor

Figura 2.23. Esquema de un servomotor de posición angular.

Se observa en la imagen 2.23 un esquema del servomotor de posición (angular) realizado a partir de

la realimentación del servomotor eléctrico de CC. El mismo constituye un sistema de lazo cerrado

donde el sistema a controlar o Planta es el dicho motor y el diagrama de bloques que lo representa es

el siguiente:

Figura 2.24. Diagrama a bloques del sistema de lazo cerrado del servomotor.

2.19 Microcontroladores

Se denomina microcontrolador a un dispositivo programable capaz de realizar diferentes actividades

que requieran del procesamiento de datos digitales y del control y comunicación digital de diferentes

dispositivos.

Los microcontroladores poseen una memoria interna que almacena dos tipos de datos; las

instrucciones, que corresponden al programa que se ejecuta, y los registros, es decir, los datos que el

usuario maneja, así como registros especiales para el control de las diferentes funciones del

microcontrolador.

Se programan en Assembler y cada microcontrolador varía su conjunto de instrucciones de acuerdo

a su fabricante y modelo. De acuerdo al número de instrucciones que el microcontrolador maneja se

le denomina de arquitectura RISC (reducido) o CISC (complejo).

Poseen principalmente una ALU (Unidad Lógico Aritmética), memoria del programa, memoria de

registros, y pines I/O (entrada y/0 salida). La ALU es la encargada de procesar los datos

dependiendo de las instrucciones que se ejecuten (ADD, OR, AND), mientras que los pines son los

que se encargan de comunicar al microcontrolador con el medio externo; la función de los pines

puede ser de transmisión de datos, alimentación de corriente para l funcionamiento de este o pines

de control especifico.

MARCO TEÓRICO

38

2.19.1 Microcontrolador 16 f628a

En este proyecto se utilizó el PIC 16F628A. Este microcontrolador es fabricado por

MicroChip familia a la cual se le denomina PIC. El modelo 16F628A posee varias características

que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil, eficiente y práctico para

ser empleado en el proyectó que posteriormente será detallado.

Algunas de estas características se muestran a continuación:

Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH; este tipo

de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la "F" en el modelo).

Set de instrucciones reducidas (tipo RISC, 35 instrucciones), pero con las instrucciones

necesarias para facilitar su manejo.

Oscilador interno de 5 MHz

Las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo de maquina excepto los saltos (goto y call),

que requieren 2 ciclos. Aquí hay que especificar que un ciclo de maquina se tarda 4 ciclos de

reloj, si se utiliza el reloj interno de 5 MHz los ciclos de maquina se realizaran con una

frecuencia de 1 MHz, es decir que cada instrucción se ejecutara en 1µs.

memoria de programa: 2048 localidades de 14 bits.

memoria de datos: RAM de 224 bytes (8 bits por registro).

memoria EEPROM: 128 bytes (8 bits por registro).

16 terminales de I/O que soportan hasta 25 mA

3 Temporizadores

Módulos de comunicación serie, comparadores, PWM

Por las características mencionadas en el listado anterior se utilizara este modelo de

microcontrolador (16F628A) en específico, ya que cumple con los requerimientos necesarios para el

proyecto en cuestión; Una de las características importantes para utilizar este microcontrolador fue

el módulo de comunicación serial al igual que su memoria reprogramable, también cuenta con los

puertos de salida necesarios para el proyecto en este caso 6 salidas serán necesarias para realizar la

tarea, así mismo cuenta con una amplia memoria RAM y EEPROM las cuales se utilizaran para la

memoria de ejecución y la memoria de programa respectivamente, tomando en cuenta estas

características el actual proyecto puede ser ejecutado por el microcontrolador 16F628A (Fig. 2.25).

MARCO TEÓRICO

39

Figura 2.25. Microcontrolador 16F628A

1.19.2 Cambio de microcontrolador por expansión

Para realizar un cambio de microcontrolador es necesario tomar en cuenta cuales son las necesidades

básicas de nuestro proyecto en nuestro caso optamos por el microcontrolador 16F628A, el cual nos

brinda los elementos necesarios para poder controlar y comunicar nuestro proyecto, si en su caso

fuera necesario cambiar este modelo por una expansión del proyecto esto no es imposible de realizar

ya que la marca de microcontrolador usada tiene una amplia variedad y respeta el protocolo de

comunicación existente entre el microcontrolador y la HMI que se verán más adelante.

Al expandir se realizara una modificación en el sistema electrónico ya que esta adecuado al

microcontrolador utilizado en este proyecto o bien puede realizarse otro circuito en el cual se le

incluya el protocolo de comunicación y las salidas de los servomotores para así conectar ambos

circuitos, al nuevo circuito electrónico se le deben adaptar las nuevas entradas o salidas a utilizar; Al

realizar la migración debemos tomar en cuenta todos los componentes a utilizar ya sean sensores,

botones entre otros, para esto depende mucho de las funciones que queremos que nuestro proyecto

realice; Pero por el momento se realizara con el modelo antes mencionado por las características que

nos brinda y son suficientes para realizar el proyecto.

Figura 2.26. Datasheet PIC 16F6876/873

MARCO TEÓRICO

40

2.19.3 Tipos de comunicación de los microcontroladores.

Se presentan los tipos de comunicación que pueden ser utilizados por los Microcontroladores PIC,

ya que existen varias maneras de realizar la comunicación entre estos dispositivos y un computador

se da una breve explicación de cómo funciona cada uno de ellos.

2.19.4 UART o USART (transmisor y receptor síncrono asíncrono universal)

Se diseñaron para convertir las señales que maneja el microcontrolador compatibles con el protocolo

RS232 y transmitirlas al exterior.

La USART del PIC puede ser configurada para operar en tres modos:

Modo Asíncrono (full duplex (transmisión y recepción simultáneas)),

Modo Síncrono – Maestro (half duplex)

Modo Síncrono – Esclavo (half duplex)

El módulo Asíncrono de la USART consta de 4 módulos fundamentales:

El circuito de muestreo

El generador de frecuencia de transmisión (Baud Rate)

El transmisor asíncrono

El receptor asíncrono.

El RS-232 (también conocido como Electronic Industries Alliance RS-232C) es una interfaz que

designa una norma para el intercambio serie de datos binarios entre un DTE (Equipo terminal de

datos) y un DCE (Data Communication Equipment, Equipo de Comunicación de datos).

La interfaz RS-232 está diseñada para distancias cortas, de unos 15 metros o menos, y para

velocidades de comunicación bajas, de no más de 20 [Kb/s]. A pesar de ello, muchas veces se utiliza

a mayores velocidades con un resultado aceptable.

Para la conversión de voltajes aceptables para el protocolo RS232 se utilizan convertidores de

niveles RS232 a TTL y viceversa.

Puerto paralelo:

Está conformado por un conjunto de líneas de entrada y salida los cuales conforman una puerta

paralela esclava para poder conectarse con los buses de otros dispositivos, Microcontroladores y/o

microprocesadores.

En este tipo de comunicación los datos se transmiten byte por byte en el bus conformado, en

contraposición al puerto serie, que envía los datos bit a bit por el mismo hilo.

USB (Universal Serial Bus):

Es un moderno protocolo de comunicación para el cual Microchip tiene soporte con una serie de

PICs USB.

MARCO TEÓRICO

41

Estos Microcontroladores tienen implementado el hardware para el control del protocolo USB en el

cual se dio mucha importancia a la velocidad de procesamiento de estos PIC.

Mediante un complejo sistema de multiplicación de frecuencia de oscilación mediante PLL se

obtiene un reloj de 96MHz el cual se divide y se asigna 48Mhz para el funcionamiento del USB, y

mediante otro divisor se puede asignar también otro reloj para el funcionamiento del

microcontrolador.

Estos Microcontroladores presentan los siguientes tipos de aplicaciones:

Propósito General (USB HARDWARE DRIVER

HID (Human Interface Device)

CDC (Emulación RS232)

USB Mass Storage

En el caso de aplicaciones de propósito general Microchip brinda el software necesario para el

desarrollo de estos. Por ejemplo para aplicaciones en Windows existe una librería dinámica

“mpusbapi.dll” el cual implementa funciones para aplicaciones en Ordenador el cual junto con el

driver “mchpusb” y el firmware desarrollado en el PIC se tiene comunicación USB eficiente.

El modo de transmisión de datos se puede realizar de tres maneras:

Control transfer

Interrupt Bulk

Isochronous

I2C (INTER-INTEGRATED CIRCUIT): I²C es un bus de comunicaciones serie. La velocidad es de 100Kbits por segundo en el modo

estándar, aunque también permite velocidades de 3.4 Mbit/s. Es un bus muy usado para comunicar

Microcontroladores y sus periféricos en sistemas integrados (Embedded Systems) y generalizando

más para comunicar circuitos integrados entre sí que normalmente residen en un mismo circuito

impreso.

La principal característica de I²C es que utiliza dos líneas para transmitir la información y una de

referencia:

SDA: datos

SCL: reloj

GND: masa

Las dos primeras líneas son drenador abierto, por lo que necesitan resistencias de pull-up.

Los dispositivos conectados al bus I²C tienen una dirección única para cada uno. También pueden

ser maestros o esclavos. El dispositivo maestro inicia la transferencia de datos y además genera la

señal de reloj, pero no es necesario que el maestro sea siempre el mismo dispositivo, esta

característica se la pueden ir pasando los dispositivos que tengan esa capacidad. Esta característica

hace que al bus I²C se le denomine bus multimaestro

MARCO TEÓRICO

42

SPI (Serial Peripheral Interface): El Bus SPI es un estándar de comunicaciones, usado principalmente para la transferencia de

información entre circuitos integrados en equipos electrónicos. El bus de interface de periféricos

serie o bus SPI es un estándar para controlar casi cualquier electrónica digital que acepte un flujo de

bits serie regulado por un reloj

Incluye una línea de reloj, dato entrante, dato saliente y un pin de chip select, que conecta o

desconecta la operación del dispositivo con el que uno desea comunicarse. De esta forma, este

estándar permite multiplexar las líneas de reloj.

CAN (Controller Area Network): CAN es un protocolo de comunicaciones desarrollado por la firma alemana Robert Bosch GmbH,

basado en una topología bus para la transmisión de mensajes en ambientes distribuidos, además

ofrece una solución a la gestión de la comunicación entre múltiples CPUs (unidades centrales de

proceso).

Características:

Es un protocolo de comunicaciones normalizado, con lo que se simplifica y economiza la

tarea de comunicar subsistemas de diferentes fabricantes sobre una red común o bus.

El procesador anfitrión (host) delega la carga de comunicaciones a un periférico

inteligente, por lo tanto el procesador anfitrión dispone de mayor tiempo para ejecutar

sus propias tareas.

Al ser una red multiplexada, reduce considerablemente el cableado y elimina las

conexiones punto a punto, excepto en los enganches.

Para simplificar aún más la electrónica del coche se puede utilizar una subred más

simple, que se conecta a la red CAN, llamada LIN.

2.20 Programas para diseño de PCB

Existe una amplia variedad de software para la creación de diseños y simulación de circuitos

electrónicos, los cuales hacen la tarea fácil para poder crear diseños de circuitos electrónicos, al

igual realizan una simulación la cual puede reflejar un resultado ideal en cuanto a los componentes

ocupados y también nos ayudan a realizar la construcción de dichos diseños mediante la impresión

del circuito en tamaño real, existen algunos software que solo tienen alguna de estas herramientas

las principales:

Simulación de circuitos electrónicos ya sean esquemáticos o con componentes físicos.

Diseño de las pistas de la circuitería de la placa.

Impresión en tamaño real del circuito diseñado.

Software que son conocidos dentro del diseño de circuitos electrónicos:

MARCO TEÓRICO

43

PCB Wizard

ARES professional

Livewire

EAGLE

Se utiliza el software “Eagle” es un software para hacer circuitos impresos. La versión que

manejaremos durante el proyecto será la 5.11.0 profesional la cual tiene algunas características, tales

como:

No existe un tamaño limitante en el diseño del circuito.

Solo tiene dos capas de trabajo la capa de componentes normales (Bottom) y la capa de

componentes superficiales (Top).

El plano esquemático del circuito solo puede ser de una hoja o de tamaño plano depende

del diseño.

2.21 Programas para diseño de HMI.

La sigla HMI es la abreviación en ingles de Interfaz Hombre Maquina. Los sistemas HMI podemos

pensarlos como una “ventana” de un proceso. Esta ventana puede estar en dispositivos especiales

como paneles de operador o en una computadora. Los sistemas HMI en computadoras se los conoce

también como software HMI (en adelante HMI) o de monitoreo y control de supervisión. Las

señales del procesos son conducidas al HMI por medio de dispositivos como tarjetas de

entrada/salida en la computadora, PLC‟s (Controladores lógicos programables), RTU (Unidades

remotas de I/O ) o DRIVE‟s (Variadores de velocidad de motores). Todos estos dispositivos deben

tener una comunicación que entienda el HMI.

2.22 Tipos de HMI

Desarrollos a medida. Se desarrollan en un entorno de programación gráfica como

VC++, Visual Basic, Delphi, etc.

Paquetes enlatados HMI. Son paquetes de software que contemplan la mayoría de las

funciones estándares de los sistemas SCADA. Ejemplos son FIX, WinCC, Wonderware,

etc.

MARCO TEÓRICO

44

2.22.1 Funciones de un software HMI.

Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en tiempo real. Estos

datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que permitan una lectura más

fácil de interpretar.

Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustar las

condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.

Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y

reportarlo estos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en límites de control

preestablecidos.

Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del proceso y así

mantener estos valores dentro de ciertos límites. Control va más allá del control de

supervisión removiendo la necesidad de la interacción humana. Sin embargo la

aplicación de esta función desde un software corriendo en una PC puede quedar limitada

por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema.

Históricos. Es la capacidad de muestrear y almacenar en archivos, datos del proceso a

una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es una poderosa herramienta

para la optimización y corrección de procesos.

Tareas de un software de supervisión y control:

Permitir una comunicación con dispositivos de campo.

Actualizar una base de datos “dinámica” con las variables del proceso.

Visualizar las variables mediante pantallas con objetos animados (mímicos).

Permitir que el operador pueda enviar señales al proceso, mediante botones, controles

ON/OFF , ajustes continuos con el mouse o teclado.

Supervisar niveles de alarma y alertar/actuar en caso de que las variables excedan los

límites normales.

Almacenar los valores de la variable para análisis estadístico y/o control.

Controlar en forma limitada ciertas variables de proceso.

Tipos de software de supervisión y control para pc:

Lenguajes de programación visual como Visual C++ o Visual Basic. Se utilizan para

desarrollar software HMI a medida del usuario. Una vez generado el software el usuario

no tiene posibilidad de re-programarlo.

Paquetes de desarrollo que están orientados a tareas HMI. Pueden ser utilizados para

desarrollar un HMI a medida del usuario y/o para ejecutar un HMI desarrollado para el

usuario. El usuario podrá re-programarlo si tiene la llave (software) como para hacerlo.

Ejemplos son FIX Dynamics, Wonderware, PCIM, Factory Link, WinCC

MARCO TEÓRICO

45

Facilidades que otorgan las tareas de diseño los paquetes orientados HMI/SCADA:

Incorporan protocolos para comunicarse con los dispositivos de campo más conocidos.

Drivers, OPC

Tienen herramientas para crear bases de datos dinámicas

Permiten crear y animar pantallas en forma sencilla,

Incluyen gran cantidad de librería de objetos para representar dispositivos de uso en la

industria como: motores, tanques, indicadores, interruptores, etc.

46

En este capítulo se redactan los

procedimientos necesarios para la

obtención del articulamiento

mecánico, así como también la parte

eléctrica, e interfaz de manipulación

del exoesqueleto.

Diseño del exoesqueleto

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

47

Se presentan un diseño mecánico así como las partes que formaran el exoesqueleto, al momento de

hacer el ensamble de las mismas este simulen adecuadamente las partes del cuerpo que se

involucran en la marcha.

Los miembros corporales involucrados en la parte inferior son cadera, pierna, muslo y pie, al igual

que la simulación de las articulaciones se harán por medio de juntas.

Como en el proceso de marcha también se involucran el torso y los miembros superiores, el alcance

del proyecto restringe solo a la parte de miembros inferiores.

Para el descanso del paciente será apoyado por un polipasto unido al techo del cuarto para terapia y

un respaldo incorporado al exoesqueleto, específicamente a la pieza de la cadera.

También se diseñan los descansos que sostienen el miembro inferior del paciente.

Con base en esto se realiza el diagrama cinemático del diseño propuesto (Fig.3.1), y el diagrama se

muestra en la figura 3.2.

Figura 3.1. Diagrama del diseño propuesto.

Figura 3.2. Diagrama cinemático.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

48

3.1 Grado de libertad en mecanismos planos.

Con esto se deducirán los grados de libertad de nuestro diseño propuesto (Fig. 3.1), ya que este

cálculo es para un mecanismo real y no teórico, por ello se utiliza la ecuación (3.1):

( ) (3.1)

( ) ( )

Nuestro diseño está estipulado que tiene 3 grados de libertad.

3.2 Análisis de estructura

Para el caso del diseño propuesto para el soporte del mecanismo en cadena abierta se planteó el

diseño base como se observa en la (Fig. 3.3), para que sea una estructura precargada.

Se propuso un diseño dividido y la base será un 75% del total de la altura para soportar el

mecanismo y posterior a ello se hace la pieza (Fig. 3.4).

Figura 3.4. Propuesta de diseño de base.

Figura 3.3. Diseño estipulado con 3 grados de libertad.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

49

Figura 3.5. Estructura a 75% diseñada.

Para ver si el diseño de la base soportara la base, se realizar un análisis de vigas.

Este es el diseño principal (Fig. 3.6) y se analiza en cálculos de la viga que es la parte media del

exoesqueleto. Para verificar si el diseño es óptimo para las cargas requeridas.

Figura 3.6. Bosquejo del diseño principal.

En el diagrama se observa la viga que soportará el peso muerto de la estructura interna “ ”, que

considera los 3 eslabones del simulador de marcha. Se hace el análisis de fuerzas y momentos para

ver si el sistema está en equilibrio (Fig. 3.7).

Figura 3.7. Simulación del sistema equilibrado.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

50

Las ecuaciones a considerar son las siguientes:

(3.2)

(3.3)

(3.4)

(3.5)

(3.6)

La aceleración se toma considerando solamente la de gravedad ya que es la fuerza ejerciente.

Son 60°, que es la estructura de un triángulo equilátero, idóneo para el soporte de estructuras

básicas, y el ángulo se obtiene por las propiedades de los ángulos.

( )

Esta fuerza es la correspondiente a la ejercida por la viga, ya que si llega a la ruptura será la fuerza

de corte, fuerza interior.

Fuerza máxima que cargara la estructura

El usuario tendrá un peso máximo de 30Kg, con un índice de masa corporal entre 15 y 18

Datos:

Ahora se procede a hacer la sumatoria de fuerzas para analizar si esta da una resultante cero.

( ( ))

( ) ( )

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

51

Se despeja la fuerza de corte

Posterior a ello realizamos la sumatoria de fuerzas.

( ( ))

( ) ( )

Con esto verificamos que las sumatorias esta equilibradas y compensadas en el sistema de la

estructura, ya que la sumatoria de fuerzas es igual a 0.

Para verificar si la sumatoria de los momentos es igual a cero, se procede a calcular el momento

interno al momento de la fuerza de corte es ejercida.

( )

( ) ( )

Este resultado nos indica la fuerza del momento y será positiva con sentido horario.

Se hace la sumatoria para verificar si el diseño de la viga está en equilibrio con la viga y si las contra

partes hacen las fuerzas involucradas cero.

En el diagrama (Fig. 3.8) se observa que el valor máximo que soporta una pieza es casi igual a la

que soportara y que empieza desde cero y termina en cero.

Figura 3.8. Diagrama de corte.

Con ello se visualiza que el diseño es correcto para la utilidad para el cual está destinado.

A continuación se presenta el cálculo de armadura, por medio del método de nodos, como la

estructura es asimétrica se planteó el diseño por la mita y el resultado obtenido será el mismo para

ambas secciones de la armadura pero en sentido inverso.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

52

Ecuación de calculó de tensiones en puntos de la estructura.

( )

( )

( )( ) ( )

( )

Sustituyendo Dy

( )

( )

Diagrama de cuerpo libre del sistema.

D Ey C

431.88N 294N

A 166.125N B

( )

( )

( )

( )

( )

El resultado no da explícitamente cero ya que la resistencia del material (Aluminio), la cual opone

resistencia y el resultado da negativo ya que el nodo B interactúa con la gravedad y la fuerza

ejercida en la estructura.

3.2 Materiales a utilizar en la fabricación del exoesqueleto.

Aluminio 7075: La primera aleación 7075 fue desarrollada por la compañía japonesa Sumitomo

Metals, en 1936. Es una aleación de aluminio con zinc como principal elemento. Es fuerte, con

buena resistencia a la fatiga frente a otros metales y es fácil de mecanizar, pero no es soldable y

tiene menos resistencia a la corrosión que muchas otras aleaciones. Debido a su costo relativamente

alto su uso es habitual en aplicaciones donde las características técnicas de aleaciones más baratas

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

53

no son admisibles. Normalmente se produce para distintas categorías térmicas 7075-O, 7075-

T6, 7075-T651.

Debido a su dureza, alta densidad, propiedades térmicas y posibilidad de ser pulido el 7075 es

ampliamente usado en la fabricación de moldes. Algunas de las aleaciones de la serie 7000 se

venden bajo nombres comerciales como Alumec 79, Alumec 89, Contal, Certal, Alumould, o

Hokotol.

Acero ASTM A36: Acero estructural de buena soldabilidad, adecuado para la fabricación de vigas

soldadas para edificios, estructuras remachadas, y atornilladas, bases de columnas, piezas para

puentes y depósitos de combustibles.

Plástico ABS: El ABS es el nombre dado a una familia de termoplásticos. El acrónimo deriva de los

tres monómeros utilizados para producirlo: acrilonitrilo, butadieno y estireno.

Las primeras formulaciones se fabricaban a través de la mezcla mecánica de, o los ingredientes

secos, o la mezcla del latex de un caucho basado en butadieno y la resina del copolímero

acrilonitrilo-estireno (SAN).

Tabla 1. Materiales por pieza.

Nombre de la pieza Material

Base Acero ASTM A36

Soportes

Cople Aluminio 7075

Muslo

Pierna

Pie

Respaldo Plástico ABS

Descanso Muslo Acrílico de alto

impacto

El prototipo estará formado por dos partes principales el exoesqueleto y soporte, la primera se

subdivide en los miembros inferiores, que son las siguientes:

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

54

Respaldo (Fig.3.9), en ella descansara solamente la espalda del usuario.

Figura 3.9. Diseño del Respaldo.

Cadera (Fig.3.10), esta es la parte media del exoesqueleto y esta sostendrá el peso del respaldo, y el

diseño del muslo, pierna y pie del exoesqueleto esto más el peso de los miembros inferiores del

usuario.

Figura 3.10. Diseño de la parte de cadera.

Unión de respaldo cadera (Fig.3.11), fijara únicamente el respaldo en la cadera más el peso que ella

misma cargara.

Figura 3.11. Diseño de la unión del respaldo hacia la cadera.

Cople de unión (Fig.3.12), esta pieza unirá los segmentos que simulan los miembros inferiores y

cumplirá la función de articulaciones.

Figura 3.12. Diseño de cople de unión.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

55

Muslo (Fig.3.13), Pierna (Fig.3.14) y Pie (Fig.3.15), solo emula la longitud del miembro

especificado físicamente.

Figura 3.13. Diseño de la estructura del muslo.

Figura 3.14. Diseño de la estructura de la pierna.

Figura 3.15. Diseño de la estructura del pie.

Descansos para los miembros inferiores (Fig.3.16), las piezas solo detendrán el peso de cada

miembro, muslo, pierna y pie del usuario.

Figura 3.16. Descanso para los miembros inferiores.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

56

Los soportes (Fig. 3.17) se diseñaran por el principio de la viga, la cual sostendrá el peso del

exoesqueleto y la mantendrá en pie mientras el exoesqueleto hará la terapia designada para el

usuario.

Figura 3.17. Diseño del soporte.

La pieza (Fig. 3.18) Conforma la parte de unión cople-segmentos-servomotor, el cual estará fijado

en un segmento y al servomotor, logrando de esta manera el movimiento deseado.

Figura 3.18. Diseño de la parte unión cople-segmento-servomotor.

En la tabla 2 se verá el criterio de selección del material para cada pieza a fabricar.

3.3 Materiales para las piezas del exoesqueleto

Se consideraran las propiedades de los materiales investigados y propuestos.

Tabla 2. Materiales investigados y propuestos.

Nombre de la pieza Material Justificación

Base Acero ASTM A36 Acero estructural de buena

soldabilidad, adecuado

para la fabricación de

vigas soldadas para

edificios, estructuras

remachadas, y atornilladas,

bases de columnas, piezas

para puentes y depósitos

de combustibles.

Soportes

Cople Aluminio 7075 El aluminio 7075 es usado

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

57

Muslo frecuentemente en

aplicaciones para el

transporte, náutica, el

automovilismo o la

aviación, debido a su alto

ratio de resistencia-

densidad, en la fabricación

de fuselajes para ala delta,

alta resistencia y ligereza.

Pierna

Pie

Respaldo Plástico ABS Los materiales de ABS

tienen importantes

propiedades en ingeniería,

como buena resistencia

mecánica y al impacto

combinado con facilidad

para el procesado.

Descanso Muslo Acrílico de alto

impacto

Mismas propiedades del

acrílico uso general, con la

ventaja adicional de alta

resistencia al impacto. La

resistencia gardner de este

material es 20 veces más

que la de la lámina acrílica

de uso general, 2 veces

más que otros acrílicos

impacto, y es menor que la

del Policarbonato.

Descanso Pierna

3.4 Análisis de pesos de las piezas del exoesqueleto.

De cada pieza diseñada se le tomaron su masa para calcular el peso (Tabla 3), para realizar las

pruebas correspondientes, al igual a todos los elementos involucrados. Tabla 3. Análisis de peso.

Elemento Peso

Respaldo ⁄

Espalda al recargarse ⁄

Pierna ⁄

Muslo ⁄

Descanso muslo ⁄

Descanso pierna ⁄

Unión ⁄

Pie ⁄

Cople ⁄

Paciente máximo. ⁄

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

58

Paciente muslo ⁄

Paciente pierna ⁄

Paciente pie ⁄

Servomotor ⁄

3.5 Análisis cinemático del exoesqueleto

Para el respaldo se toma la masa de la parte superior de un paciente con una masa máximo de 30kg,

la masa correspondiente de la parte superior es de 20 kg.

Respaldo ⁄

Descanso de muslo ⁄

Descanso de pierna ⁄

Cople ⁄

Servomotor ⁄

Pie paciente ⁄

Pierna paciente ⁄

Muslo paciente ⁄

A continuación realizaremos los cálculos para saber el peso con el cual haremos las pruebas físicas,

para determinar si los materiales son los correctos.

Miembros inferiores

( ) ( )

( ) (3.7)

Muslo.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

(3.8)

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

59

Pierna. ( ) ( ) ( ) ( ) (3.9)

Pie. ( ) ( ) (3.10)

Unión. (3.11)

Cople. ( ) ( )

( ) (3.12)

Soportes. (3.13)

Base o cadera. (3.14)

La tabla 4 muestra los valores antes obtenidos para aplicar las pruebas en el software Solidworks®.

Tabla 4. Valores obtenidos teóricamente.

Pieza PESO

Descanso muslo 49N

Descanso pierna 39.2N

Muslo 36.95N

Pierna 232.17N

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

60

Pie 24.5N

Unión 549.02N

Cople 149.5N

Soportes 664.82N

Base o cadera 1941.16N

Respaldo 196N

3.6 Ensamble del exoesqueleto.

Existen muchos factores que deben considerarse para crear diseños de buena calidad. No todos ellos

están contenidos dentro de las teorías aplicables. En el diseño también interviene una gran cantidad

de arte basado en la experiencia.

La selección del material apropiado y una buena lubricación son la clave para una larga vida en

cualquier situación, tal como una junta, donde dos materiales se frotan entre sí. La superficie de

contacto rozante se llama cojinete de apoyo. Si se supone que se eligen los materiales apropiados, la

elección del tipo de junta puede tener un efecto significante en la capacidad de proporcionar una

buena y limpia lubricación durante el tiempo de vida de la máquina.

3.6.1 Juntas superiores (semijuntas)

Tales como un pasador redondo en una ranura o una junta de leva y seguidor sufren aún más por los

problemas de lubricación de la corredera, porque por lo general tienen dos superficies curvas

opuestas en contacto lineal, que tienden a expulsar el lubricante de la junta (Fig. 3.19). Este tipo de

junta necesita funcionar en un baño de aceite para una larga duración. Esto requiere que el ensamble

sea alojado en una costosa caja hermética al aceite, con sellos en todos los ejes salientes.

Figura 3.19. Juntas revolutas (pasador).

La junta de pasador o revoluta simple es la opción ideal aquí por varias razones. Es relativamente

fácil y barato diseñar y construir una junta de pasador de buena calidad. En su forma pura, el

llamado cojinete de manguito o muñón, la geometría del pasador en el orificio atrapa una película de

lubricante dentro de su superficie de contacto anular por acción capilar y promueve una condición

llamada lubricación hidrodinámica, en la cual las partes están separadas por una delgada película de

lubricante. En los extremos del orificio es fácil instalar sellos, envueltos alrededor del pasador, para

evitar la pérdida de lubricante. Se puede introducir lubricante de reemplazo a través de orificios

radiales al interior de la superficie de contacto del cojinete, o de manera continua o periódica, sin

desensamble. Como se observa en la figura 3.20.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

61

Figura 3.20. Lubricación Hidrodinámica.

Cojinetes de bolas y rodillos relativamente baratos están disponibles en una gran variedad de

tamaños para juntas revolutas, como se muestra en la figura 3.21. Algunos de estos cojinetes

(principalmente el tipo de bolas) se pueden obtener pre lubricados y con extremos sellados. Sus

elementos rodantes proporcionan operación a baja fricción y un buen control dimensional.

Figura 3.21. Cojinete de bolas.

3.6.2 Selección de Rodamiento.

Para este caso práctico se eligió uno del mercado que cumplía con los requerimientos establecidos.

Marca mootio.

Rodamiento diámetro interior 10.00mm (Fig. 3.22), diámetro exterior 26.00mm, Tipo bolas

Dimensiones en esquema.

Especificaciones

Rodamiento de bolas

Diámetro interior: 10 mm

Diámetro exterior: 26 mm

Altura del rodamiento de 8 mm

Denominación: 6000 ZZ

Figura 3.22. Cojinete de bolas propuesto (marca Mootio).

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

62

3.6.3 Selección de en voladizo o doble en voladizo.

Cualquier junta se debe soportar contra las cargas en la junta. Son posibles dos métodos básicos

como se muestra en la figura 3.23. Una junta en voladizo tiene solo el pasador (muñón) soportado,

como una viga en voladizo. Esto en ocasiones es necesario como en una manivela que debe pasar

sobre el acoplador y no puede tener nada en el otro lado de este. Sin embargo, una viga en voladizo

es inherentemente más débil (con la misma sección transversal y carga) que una viga en doble

voladizo (simplemente apoyada).

Figura 3.23. Montaje en voladizo cortante simple.

La viga en doble voladizo puede evitar la aplicación de un momento de flexión a los eslabones al

mantener las fuerzas en el mismo plano. El pasador sentirá un momento de flexión en ambos casos,

pero el pasador de la viga en voladizo esta en cortante doble, dos secciones transversales comparten

la carga. Un pasador en voladizo esta en cortante simple. Es buena práctica utilizar juntas en doble

voladizo (ya sean revolutas, prismáticas o superiores) siempre que sea posible. Si se debe utilizar un

pasador en voladizo, entonces un tornillo de resalto comercial con vástago endurecido y rectificado.

Para el diseño propuesto se escogió el voladizo simple y con ello se procedió a fabricarlo de una

aleación que soportara dicho esfuerzo, como se mencionó anteriormente se fabricarlo en aluminio

aleación 7075.

Cadera-Muslo (Fig. 3.24).

Figura 3.24. Diseño de piezas Cadera-Muslo.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

63

Muslo-Pierna (Fig.3.25).

Figura 3.25. Diseño de piezas Muslo-Pierna.

Pierna-Pie (Fig. 3.26).

Figura 3.26. Diseño de piezas Pierna-Pie.

Las piezas que estarán unidas bajo este criterio son las articulaciones (cople), que unirán los

segmentos cadera, pierna, muslo y pie.

3.6.4 Consideraciones para el uso del exoesqueleto en el usuario.

En primera instancia, se pensó en sostener el peso directamente en el exoesqueleto, al momento de

diseñarlo se consideró que estará dentro de un área especial para rehabilitación, normalmente en el

área de mecanoterapia hay adecuaciones para usar algunos dispositivos electrónicos y mecánicos,

como caminadoras por ejemplo y sabiendo esto se decidió cargar el peso del usuario por medio de

un polipasto montado en el techo de la habitación y poner la marcha sobre una caminadora de

rodillos locos y no demandar en si muchas cargas al exoesqueleto y al igual espacio para la

rehabilitación.

Por ello se hará un cálculo para escoger el dispositivo correcto, este polipasto se calcula de la

siguiente forma:

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

64

3.6.5 Cálculo de poleas.

Este cálculo se define por el peso que soportara el mismo y como se distribuirá entre el número de

las poleas y la contra carga.

Se procede a calcular el peso del usuario.

(3.15)

Con este resultado se hará la relación de poleas, en este caso se seleccionó 2 poleas, ya que los

polipastos funcionan con un juego de engranajes y el menor juego es el par, que es lo mínimo

requerido.

(3.16)

(3.17)

Con este valor marcamos el mínimo del polipasto y se escogió el siguiente del mercado.

3.7 Comparación del Polipasto manual de cadena modelo con los polipastos

eléctricos rápidos de tipo fijo 220 VOLTS

El polipasto seleccionado sostendrá un arnés de seguridad, el cual ya estará el usuario final.

Capacidades 500 – 20,000 kg

Este arnés lleva un cable en la parte alta de la espalda. Para sostener el peso total del usuario, hay

muchos tipos de cable. Estos dependen del uso que se le dé, tales como arnés contra caídas, arnés de

posicionamiento y línea de vida.

Estos polipastos eléctricos son de trabajo intermitente con ciclos de 10 minutos (20% de 10

minutos), donde por cada 2 minutos de trabajo deberán reposar 8 minutos.

Polipastos Eléctricos Mini bifásicos (220 Volts 60 Hz). Con motores de 1300 a 1800 Watts de

potencia (1 3/4 - 2 3/8 HP). Tienen capacidades de carga de 150kg a 500 kg en configuraciones de

cable sencillo o cable doble. La altura de izaje de estos polipastos eléctricos es de 6 a 12 metros con

velocidades de 10 y 20 metros por minuto.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

65

La principal función del arnés de seguridad es evitar la caída del usuario y mantener la posición del

mismo. Esta es una solución adecuada ya que los miembros inferiores están libres para colocarse

sobre el exoesqueleto.

3.8 Simulación de marcha con el exoesqueleto.

El exoesqueleto tiene la posibilidad de generar una marcha simulada que estimula los músculos para

empezar con el proceso de rehabilitación. Con los servomotores en un movimiento armónico se

lograra dicho propósito.

La marcha no es asimétrica en los miembros involucrados, específicamente en los miembros

inferiores. Cada miembro tal como el muslo, pierna y pie se tomaran en cuenta como un eslabón y

unido por una junta controlada por el servomotor.

Ahora se plantea los tipos de simulación se pueden aplicar:

Tipos de simulaciones.

1.- Simulación Discreta:

Modelación de un sistema por medio de una representación en la cual el estado de las variables

cambia instantáneamente en instante de tiempo separado. (En términos matemáticos el sistema solo

puede cambiar en instante de tiempo contables).

2.- Simulación Continua:

Modelación de un sistema por medio de una representación en la cual las variables de estado

cambian continuamente en el tiempo. Típicamente, los modelos de simulación continua involucran

ecuaciones diferenciales que determinan las relaciones de las tasas de cambios de las variables de

estado en el tiempo.

3.- Simulación Combinada Discreta-Continua:

Modelación de un sistema por medio de una representación en la cual unas variables de estado

cambian continuamente con respecto al tiempo y otras cambian instantáneamente en instante de

tiempo separados.

Es una simulación en la cual interactúan variables de estado discretas y continuas.

Existen tres tipos de interacciones entre las variables de estado de este tipo de simulaciones:

- Un evento discreto puede causar un cambio discreto en el valor de una variable de estado continua.

- Un evento discreto puede causar que la relación que gobierna una variable de estado continua

cambie en un instante de tiempo en particular.

- Una variable de estado continua de punto de partida puede causar que un evento discreto ocurra, o

sea, programado.

4.- Simulación Determinística y/o Estocástica:

Una simulación determinística es aquella que utiliza únicamente datos de entra determinísticos, no

utiliza ningún dato de entrada azaroso. En cambio un modelo de simulación estocástico incorpora

algunos datos de entrada azarosos al utilizar distribuciones de probabilidad.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

66

5.- Simulación estática y dinámica:

La simulación estática es aquella en la cual el tiempo no juega un papel importante, en contraste con

la dinámica en la cual si es muy importante. (Es la utilizada en el proyecto)

6- Simulación con Orientación hacia los eventos:

Modelaje con un enfoque hacia los eventos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de los

eventos que ocurren instante a instante, registrando el estado de todos los eventos, entidades,

atributos y variables del modelo en todo momento.

7.- Simulación con Orientación hacia procesos:

Modelaje con un enfoque de procesos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de los procesos

que deben seguir las entidades. Es cierta forma, es un modelaje basado en un esquema de flujo

grama de procesos, el cual se hace es un seguimiento a la entidad a través de la secuencia de

procesos que debe seguir.

El alcance que le daremos al proyecto se realizó una simulación estática y dinámica.

Para el prototipo se considera un ciclo de marcha, en todo el proceso se debe mantener el equilibrio,

pero estas consideraciones se hacen nulas, ya que, el peso estará soportado por un polipasto para

soportar el peso de un usuario máximo de 30kg. Esta consideración ya está cubierta con el polipasto

antes calculado. Sabiendo esto se hace la estimación de los ángulos en cada segundo.

El proceso de emulación de la marcha sera estipulada en 5 posiciones ya analizadas en el estudio

cinematico. Este ciclo de posiciones al inicio del programa y al final regresara en una posicion de

home que es todos los servos a 0°, como se observa en la figura. Tomando en cuenta que esta

simulación contempla el angulo 0° en la posicion de la figura 3.27 y grados positivos son hacia el

sentido de extension del musculo y grados negativos en la posicion desplante .

Figura 3.27. Exoesqueleto vista isométrica 0°.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

67

CONFIGURACIÓN 1.

En el primer segundo del programa hace la primera configuración de servomotores, como se

observan en la tabla 5. Tabla 5. Configuración 1

En esta configuración se denota una extensión del miembro inferior izquierdo para un avance de

dicho miembro y la acción contraria para el miembro inferior derecho, como se muestra en las

diferentes vistas de la figura 3.28.

Figura 3.28. Vistas de la configuración 1.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

68

CONFIGURACIÓN 2.

Para la siguiente configuración es en el segundo intervalo de tiempo, estos estarán espaciados por un

segundo entre cada uno. Se observa en la tabla 6 más la configuración uno. Tabla 6. Configuración 2.

En la configuración 2 se observa que el miembro izquierdo está ahora en una posición de extensión

media, esto quiere decir que el muslo logra la posición de extendido pero la pierna aún sigue

flexionada y el miembro derecho ejerce la posición de apoyo, como se muestra en la figura 3.29.

Figura 3.29. Vistas de la configuración 2.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

69

CONFIGURACIÓN 3.

En la configuración en el tercer segundo, donde es el punto medio del ciclo de la marcha. Se observa

en la tabla 7, la relación de los servomotores. Tabla 7. Configuración 3.

En esta configuración se logra la emulación de la fase de apoyo donde se mantienen ambos

miembros en una posición de estabilización, como puede observarse en las diferentes vistas de la

figura 3.30.

Figura 3.30. Vistas de la configuración 3.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

70

CONFIGURACIÓN 4.

Para la configuración número 4, se utiliza la siguiente condición en la relación de los motores (Tabla

8). Tabla 8. Configuración 4.

En la cuarta configuración se repite el proceso de la segunda configuración pero con extensión del

miembro izquierdo y una posición de desplante para el miembro inferior derecho, como se observa

en las diferentes vistas de la figura 3.31.

Figura 3.31. Vistas de la configuración 4.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

71

CONFIGURACIÓN 5.

En esta configuración es el desplante final de un ciclo de marcha, este último proceso regresara a

cero grados todos los servomotores al terminar dicha configuración. En la tabla 9 se observa la

configuración del cuarto al quinto segundo. Tabla 9. Configuración 5.

En esta configuración se emula el desplante del miembro inferior derecho y la extensión del

miembro inferior izquierdo, véase en las diferentes vistas de la figura 3.32.

Figura 3.32. Vistas de la configuración 5.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

72

Cadera derecha.

Figura 3.33. Velocidad del motor de la cadera (lado derecho).

Rodilla derecha

Figura 3.34. Velocidad del motor de la Rodilla derecha.

Tobillo derecho.

Figura 3.35. Velocidad del motor del tobillo derecho.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

73

Cadera izquierda.

Figura 3.36. Velocidad del motor de la cadera (lado izquierdo).

Rodilla izquierda

Figura 3.37. Velocidad del motor de la rodilla izquierda.

Tobillo izquierdo

Figura 3.38. Velocidad del motor del tobillo izquierdo.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

74

Las gráficas de las figuras 3.33 – 3.38 demuestran una similitud en la marcha humana convencional,

pero esta es para una rutina de rehabilitación.

Ahora se hará una comparativa en figuras en el desplazamiento de los segmentos involucrados (Fig.

3.39).

Figura 3.39. Comparativa del desplazamiento de marcha.

La simulación del exoesqueleto, emula un ciclo de marcha normal. Con ello podremos lograr un

ejercicio repetitivo y eficaz, se espera dar una rehabilitación más constante y precisa que un

fisioterapeuta no puede otorgar, ya que el factor humano siempre hay un rango de incertidumbre.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

75

3.9 Sistema eléctrico

En esta sección se realiza el diseño de los circuitos electrónicos los cuales llevaran a cabo la función

de dar movilidad al proyecto, se hace referencia a los circuitos electrónicos individuales que

conforman el sistema electrónico, se hablará brevemente de cómo se utiliza cada uno de ellos y

porque son de vital importancia para el proyecto así mismo también se visualizan los cálculos para

el diseño, los circuitos son los siguientes:

Fuente de alimentación del microcontrolador 16F628A.

Circuito de salida de señales del microcontrolador → servomotores.

Circuito de comunicación serial microcontrolador → HMI.

Circuito final de control electrónico a base de una comunicación serial.

Para la fuente de alimentación (Fig. 3.40) del microcontrolador 16F628A se consideran las

características físicas del mismo que se mencionaron en el capítulo anterior en el punto

“microcontrolador 16F628A” y el circuito propuesto para la fuente es el siguiente:

Figura 3.40. Circuito de Fuente de Alimentación.

Se utiliza un transformador de 127vca a 24vca, que trabaje a 1A por lo cual los valores quedan de la

siguiente manera:

Y con estos valores se calcula la relación de espiras que existe en el transformador:

Para calcular la corriente en el primario se usa la relación de espiras:

( )

Después se calcula el valor pico del valor ( )

√

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

76

Para la rectificación de onda completa como se muestra en el circuito propuesto, se visualiza que es

un rectificador de onda completa (Fig. 3.40), donde los dos semiciclos de la señal son

aprovechados.[21]

De esta manera la eficiencia de conversión se aumenta con el puente rectificador de dos a dos por

ello se le resta el voltaje de ambos diodos como muestra la ecuación 3.18:

(3.18)

Donde tiene un valor de 1.4v entonces obtenemos:

Para obtener el valor del condensador tenemos la siguiente ecuación:

(3.19)

Dado que el valor obtenido no es comercial se propone el valor de 5600µF que es el aproximado al

obtenido, tomando en cuenta que la carga sea de 1KΩ se procede a obtener el VCD como en la

ecuación 3.20.

(

)

(3.20)

Se toma en cuenta la frecuencia de salida del puente de diodos ya que es un puente dos a dos la

frecuencia se multiplica por dos como se muestra en la ecuación 3.21:

(3.21)

Ya con los valores necesarios procedemos a calcular el VCD:

(

)

Ya que para obtener el valor del voltaje de rizo es necesario obtener la corriente de salida del puente

de diodos tenemos la siguiente:

(3.22)

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

77

Ya podemos calcular el voltaje de rizo con todos los datos obtenidos con la fórmula que se muestra

a continuación:

(3.23)

Obtenemos el porcentaje con la siguiente fórmula:

( )

(3.24)

Como es una regulación directa y ocuparemos el regulador de voltaje LM7805 para solo obtener

5volts positivos presentamos los parámetros necesarios para que su salida sea de este valor:

Tabla 101. Valores de Vo.

SÍMBOLO PARÁMETRO CONDICIONES MIN MEDIO MAX UNIDADES

Vo Voltaje de

salida

4.80 5.00 5.20 V

4.75 5.00 5.25

Los valores que se muestran en la tabla 10, son los valores que son necesarios para el correcto

funcionamiento de este elemento, en la hoja de datos observamos que cumplimos con todos ellos y

en los rangos necesarios así que la regulación es más que optima, se coloca un diodo de protección

por las corrientes que puedan llegar a regresar esto solo es como protección para el regulador como

se sabe los diodos solo pasan corriente unidireccionalmente y esto evitara que pueda averiarse.[21]

Figura 3.41. Muestra de la aplicación del diodo de protección.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

78

El diodo que se colocó, es un diodo 1n4148 ya que es el que se adapta a los parámetros que se

manejan en cuanto a corriente y voltaje se pueden consultar estos parámetros en la hoja de datos

(verificar anexo 2).

Para finalizar se agrega en el diseño un led indicador el cual encenderá en el momento de hacer

funcionar la fuente como es un circuito simple calculamos la resistencia con la ley de ohm (ecuación

3.25).

(3.25)

Por lo tanto el valor de es el valor de salida del regulador el cual es de 5v y para la corriente se usa

el valor de la corriente de salida el cual es de 15.57mA con estos datos obtenemos el valor de la

resistencia:

No existe una resistencia con este valor, por tanto, se elige la resistencia más próxima a este valor la

cual es de 330Ω, esta es la resistencia que conecta directamente al led indicador, esto para que el

mismo tenga un correcto funcionamiento. [21]

Después de finalizar el diseño y los cálculos de la fuente de alimentación se procede a realizar la

conexión y/o acoplamiento con el microcontrolador 16F628A a los pines adecuados por lo cual el

diseño queda de la siguiente manera:

Figura 3.42. Acoplamiento del microcontrolador 16F628A.

Como se observa en la figura 3.42 simplemente va conectado el pin número 5 del microcontrolador

a la tierra o neutro de la fuente de alimentación y el pin numero 14 al voltaje de 5v que nos

proporciona el regulador de voltaje.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

79

Circuito de salida de señales del microcontrolador → servomotores:

Cuando hablamos del circuito de señales microcontrolador → servomotores se refiere al circuito de

salida que será el encargado de mandar las señales requeridas a cada uno de los servomotores que

serán utilizados en el proyecto el circuito de la figura 3.43.

Figura 3.43. Circuito del microcontrolador hacia los servomotores.

La alimentación de los servomotores es distinta de la alimentación del microcontrolador 16F628A,

para poder alimentarlos correctamente ocuparemos el regulador de voltaje LM7806 ya que el rango

de operaciones de los servomotores es de 6v el mínimo y con el podemos obtener 40kg de torque.

Para poner en funcionamiento el regulador de voltaje LM7806 el cual nos entrega 6v a la salida

ocuparemos la fuente antes realizada, de ahí tomaremos la alimentación de este regulador de voltaje,

mostraremos los valores requeridos para su correcto funcionamiento y pueda entregarnos el voltaje

necesario para la función correcta de cada servomotor, aquí los rangos de operación necesarios:

Tabla 112. Rangos de operación.

SÍMBOLO PARÁMETRO CONDICIONES MIN MEDIO MAX UNIDADES

Vo Voltaje de

salida

5.75 6.00 6.25 V

5.70 6.00 6.30

Como podemos notar los rangos de operación son óptimos en cuanto a voltaje y corriente al igual

que en el regulador de voltaje anterior, igualmente pondremos un diodo de protección para evitar las

corrientes que puedan dañar el regulador de voltaje como en el caso anterior ocuparemos el diodo

1n4148 el cual se adapta a los rangos de operación que se establecieron con los cálculos de la fuente.

Los servomotores se conectan en paralelo con el regulador de voltaje LM7806 los pines positivos se

conectan al voltaje de salida del regulador y los pines negativos a tierra o neutro.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

80

Haremos notar que cada uno de los servomotores se conectara a un pin distinto del microcontrolador

los cuales se conectaran en el pin de señal del mismo los pines utilizados en el microcontrolador se

enumeran a continuación:

Tabla 12. Relación PIN del microcontrolador-motor.

PIN DEL MICROCONTROLADOR

16F628A

MOTOR

RA0 M1

RA1 M2

RA2 M3

RA3 M4

RA4 M5

RB4 M6

Los servomotores como se mencionó anteriormente van conectados directamente al pin del

microcontrolador, ya que por sus rangos de operación no necesitan de otros elementos para poder

disminuir o aumentar los valores de corriente o voltaje.

La señal alta y baja de los servomotores será proporcionada por los pines del microcontrolador

16F628A a los circuitos internos del servomotor y así realizar el posicionamiento correcto como se

notó en el capítulo anterior en el punto “rangos de operación del servomotor” dependiendo de cómo

se obtengan estos valores será la posición que tome el servomotor en grados.

Figura 3.44. Muestra del rango del servomotor en grados.

El servomotor a utilizar será el servomotor CYS-S8218 (fig. 3.45) ya que por sus características de

operación es el más adecuado para nuestro proyecto en todo sentido, los estándares en cuanto a sus

funciones se refiere son las misma que un servomotor normal, la única diferencia está en el torque,

ya que es muy elevado por sus características físicas del mismo servomotor hace que realice tareas

pesadas, para mayor información podemos consultar las hojas de especificaciones que se muestran

en el anexo 2.

Figura 3.45. Servomotor CYS-S8218.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

81

Circuito de comunicación serial microcontrolador → HMI: Hablaremos de cómo realizar la conexión del microcontrolador 16F628A con un computador por

medio de comunicación serial siguiendo los protocolos RS-232 de comunicación serial a 3 hilos el

cual solo es de escritura y lectura con un hilo a tierra, para tener una mayor distancia de

comunicación utilizaremos el circuito integrado MAX232 el cual será el encargado de aumentar las

señales de transmisión, también se incluirá el botón de reinicio universal de nuestro

microcontrolador:

Figura 3.46. Circuito de comunicación serial.

Como podemos notar volvemos a utilizar el regulador de voltaje LM7805 el cual será el encargado

de dar alimentación eléctrica al microcontrolador 16F628A y al circuito integrado MAX232,

analizaremos parte por parte del circuito que se presentó y comenzaremos por analizar la parte del

oscilador externo la cual será la encargada de que ambos equipos deben estar configurados a la

misma velocidad para que la lectura de los datos sea correcta:

Figura 3.47. Circuito del oscilador externo.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

82

Como se muestra en la figura 3.47 existe un cristal externo de 4MHz, que coloca la frecuencia de

reloj del microcontrolador en la misma frecuencia del computador de acuerdo a las normas de RS-

232.

Cuando usamos un cristal de 4MHz vamos a tener una frecuencia de 4 MHz y el período es de:

(3.26)

El microcontrolador PIC toma la señal de reloj y la divide internamente por 4. Esto conducirá a

cuatro períodos que reciben el nombre de: "Q1, Q2, Q3 y Q4," cada periodo de estos "Qs" será igual

al período del reloj externo, lo que es igual a 250ns [22].

También podemos decir que el reloj de 4 MHz es igual a la frecuencia de 1 MHz:

(3.27)

Para ejecutar una instrucción, el microcontrolador 16F628A tiene que ir a través de Q1, Q2, Q3 y

Q4, por lo que una instrucción necesita para funcionar, estos 4 tiempos:

Vemos entonces que cada instrucción tarda 1µs para funcionar.

La forma más fácil de saber el tiempo que necesita una instrucción para ejecutarse es conseguir la

frecuencia del cristal u oscilador externo, se divide por 4 y calculas su periodo.

(3.28)

(3.29)

Para determinar por qué se utilizó el cristal de 4MHz nosotros tenemos que en la hoja de datos

muestra que el microcontrolador 16F628A internamente trabaja su reloj a 5 MHz y lo que se busca

es que en su totalidad trabaje a 20MHz los cuales obtenemos de la división de dichas frecuencias:

(3.30)

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

83

Con esto calculamos la frecuencia del cristal externo ya que con esto nos dará la máxima frecuencia

de trabajo para llegar a los 9600 bauidos necesarios y trabajar a 1µs por instrucción para corroborar

que estemos bien tenemos la siguiente ecuación:

(3.31)

Como notamos los baudios se pasan por muy poco con estas frecuencias no hay riesgo de error en la

transmisión de los datos.

Ahora bien tenemos la parte del botón de reinicio el cual se conecta al MCLR (Master Clear)

simplemente tendremos que hacer llegar una señal positiva a este pin el cual reiniciara el programa

ya guardado en el microcontrolador.

Figura 3.48. Circuito del botón de reinicio.

Para no dañar el pin en cuestión ya que es un pin de suma importancia para programar el

microcontrolador tenemos que colocar una resistencia adecuada como lo realizamos anteriormente,

calcularemos esta resistencia con la ley de ohm, ya que este cálculo nos da una resistencia de 330Ω

podemos utilizarla, pero para evitar un mayor riesgo se sugiere utilizar una resistencia de 1 KΩ para

mayor seguridad del MCLR.

Para la trasmisión de datos entre el microcontrolador 16F628A y el MAX232 tenemos que es una

simple configuración de recepción y trasmisión en la figura 3.49 podemos notar entre que pines

realizan esta tarea, no olvidemos que ambos están conectados a 5 v de igual manera mencionamos

los pines utilizados del microcontrolador 16F628A.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

84

Figura 3.49. Trasmisión de datos entre el microcontrolador 16F628A y el MAX232.

Los pines utilizados en el microcontrolador son el pin RB0 el cual obtiene los datos de entrada de la

comunicación serial, estando conectado al pin de trasmisión R1OUT del MAX232 y el pin RB1 el

cual manda los datos de la comunicación serial está conectado al T1IN del MAX232 el cual es el

encargado de la recepción de datos del microcontrolador 16F628A.

La importancia de esta configuración es importante ya que el circuito integrado MAX232 se encarga

de incrementar las señales de trasmisión para poder abarcar un poco más de distancia entre el

proyecto y el computador, la distancia puede ser entre 2 metros y 15 metros, para llegar a tales

distancias se realiza una configuración de capacitores las cuales son las encargadas de proporcionar

tal distancia esta configuración es adecuada a la norma y viene estructurada en la hoja de datos del

MAX232.[22]

Figura 3.50. Configuración del circuito integrado MAX232.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

85

Ahora se ve la salida del MAX232 la cual será conectada a un conector Db9 de acuerdo a la norma

RS-232:

Figura 3.51. Salida del MAX232 conectada a un conector DB9.

La comunicación se realizara a través de una comunicación de 3 hilos los cuales mencionaremos en

la tabla 13:

Tabla 133.Comunicación de 3 hilos.

Conector MAX232 Conector Db9

T1OUT(pin14) RXD(pin2)

R1IN(pin13) TXD(pin3)

GND(pin15) GND(pin5)

Estas conexiones son más que suficientes y necesarias para realizar una interacción entre el

microcontrolador y el computador con esto llegamos a la conclusión del diseño del circuito de

control.

Circuito final de control electrónico a base de una comunicación serial:

Para realizar el diseño en PCB y tomando los diseños ya realizados procederemos a juntar todos los

diseños electrónicos antes mencionados, para ello el software encargado de esta tarea será Eagle el

cual nos proporcionara las herramientas necesarias para poder diseñar el PCB adecuado para nuestro

proyecto.

Figura 3.52. Icono del software "eagle"

Primeramente mostraremos el diseño en esquemático el cual es proporcionado por el software de

diseño y el cual es el conjunto de todos los diseños anteriores a su vez mostraremos el diseño final

de PCB que de igual manera es proporcionado por el software en cuestión.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

86

Diagrama esquemático con todos los componentes necesarios para la conexión adecuada y creación

del PCB:

Figura 3.53. Diseño esquemático proporcionado por "eagle".

Diseño final del circuito de control electrónico en PCB dentro del software eagle:

Figura 3.54. Diseño final de la PCB dentro del software "eagle".

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

87

El diseño de impresión para guiarnos y colocar los componentes adecuados es el siguiente lo

podemos encontrar en el anexo del proyecto:

Figura 3.55. Diseño de impresión de PCB con guía para componentes.

El siguiente diseño de impresión lo podemos utilizar para las pistas de cobre al igual que el diseño

anterior lo podemos encontrar en el anexo a medidas reales:

Figura 3.56. Diseño impreso de pistas de cobre.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

88

Conclusión.

Se realizaron todos los cálculos necesarios para la realización de la placa de control y de

comunicación serial de nuestro proyecto, la cual se conformó de varias secciones como se puede

apreciar anteriormente realmente el diseño de dicha placa no es complicado siguiendo cada uno de

los pasos anteriores, así como cada uno de los cálculos necesarios para dicha realización.

El diseño de toda la placa es de montaje normal o mejor conocido como bottom ya que es más

factible encontrar los componentes en una casa de electrónica.

3.8 Programación de interfaz Humano Máquina (HMI).

El diagrama de flujo que se muestra en las siguientes figuras es el procedimiento con el cual el

usuario interactúa con la máquina, la forma en que se realiza la base de datos de todos los pacientes

y se lleva un control de ellos, explicaremos cada uno de estos pasos que realiza dicha aplicación

llegando a la comunicación con la máquina.

Figura 3.57. Diagrama de flujo de la interfaz HMI.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

89

Figura 3.58. Diagrama de flujo de la comunicación serial.

Como podemos notar en la figura 3.57 se encuentra el inicio de nuestra aplicación de ahí partiremos

enumerando cada uno de los pasos y daremos una breve explicación:

Paso 1.- Se inicializa el programa.

Figura 3.59. Inicialización

Paso 2.- Escoger una de las 3 opciones disponibles.

Figura 3.60. Loop de opciones

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

90

Opción 2.1:

Si se selecciona NUEVO deberemos seguir la sección que se muestra a continuación.

Figura 3.61. Secuencia de opción uno

Paso 2.1.1.- Ingresar datos de registro del paciente.

Paso 2.1.2.- Escoger una de las 3 opciones disponibles.

Paso 2.1.3.- Si se selecciona GUARDAR.

Paso 2.1.3.1.- Se guardan los datos en la base de datos.

Paso 2.1.4.- Si se selecciona CANCELAR.

Paso 2.1.4.1.- Regresar a inicio como se muestra en la etiqueta enumerada.

Paso 2.1.5.- Si se selecciona SALIR.

Paso 2.1.5.1.- Se finaliza el programa como se muestra en la etiqueta enumerada.

Opción 2.2:

Si se selecciona EXISTENTES se deberá seguir las instrucciones que se muestran a continuación.

Figura 3.62. Secuencia de opción dos

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

91

Paso 2.2.1.- Ingresar el Número de seguro social del paciente.

Paso 2.2.2.- Consultar base de datos.

Paso 2.2.3.- Si se encuentra al paciente seguir, si no volver al Paso 2.1.1

Paso 2.2.4.- Consultar datos.

Paso 2.2.5.- Ingresar datos nuevos.

Paso 2.2.6.- Escoger una de las 3 opciones disponibles.

Paso 2.2.6.1.- Si se selecciona MODIFICAR.

Paso 2.2.6.1.1.- Modificar los datos de la base de datos ya existentes.

Paso 2.2.6.2.- Si se selecciona CANCELAR.

Paso 2.2.6.2.1.- Regresar a inicio como se muestra en la etiqueta enumerada.

Paso 2.2.6.3.- Si se selecciona SALIR.

Paso 2.2.6.3.1.- Se finaliza el programa como se muestra en la etiqueta enumerada.

Opción 2.3:

Si se selecciona SALIR deberemos seguir la secuencia que se muestra a continuación.

Figura 3.63. Finalizar el programa.

Paso 2.3.1.- Se finaliza el programa.

Escogiendo la opción de salir se finaliza todo el programa, al igual que en algunas partes del mismo

que ya se mencionaron anteriormente, estas partes son integradas en esta instrucción a partir de una

etiqueta que podemos visualizar en esta sección.

Figura 3.64. Etiquetas de dirección para finalizar el programa.

También dentro de esta sección es importante mencionar si se realiza una cancelación la cual nos

llevara al inicio del programa como se mencionó anteriormente en algunas de las instrucciones del

programa. Mostramos las etiquetas que nos llevaran nuevamente al inicio del programa.

Figura 3.65. Redireccionamiento al inicio del programa.

Debemos notar que los pasos hasta ahora mencionados solo son del diagrama de flujo que

mostramos en la figura 3.57, de igual manera hay un punto en donde las opciones se juntan y ahí

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

92

procederemos a la parte de la comunicación serial con el microcontrolador 16F628A que está

marcada con una etiqueta azul que más tarde se conectara con el diagrama de flujo de la figura 3.58;

Pero por ahora explicaremos paso a paso el diagrama de flujo de la figura 3.57.

Como podemos notar el conector del diagrama de flujo a diagrama de flujo es la etiqueta en verde

con el numero representativo 1 como se muestra en la figura 3.66.

Figura 3.66. Conector del diagrama de flujo.

De este punto partiremos para seguir explicando paso a paso el diagrama de flujo de la figura 3.57.

Paso 3.- Seleccionar un puerto de comunicación serial (puerto com), Si selecciono un puerto seguir

si no volver al paso anterior hasta seleccionar uno.

Figura 3.67. Loop de puerto com.

Paso 4.- Asignar valores a la velocidad y a los ángulos correspondientes.

Figura 3.68. Ingreso de datos.

Paso 6.- Escoger una de las 4 opciones disponibles como se muestra en el diagrama.

Figura 3.69. Opciones disponibles.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

93

Paso 6.1.- Si se seleccionó INICIO.

Paso 6.1.1.- Mandar datos al circuito de control y comenzar el siguiente programa

Paso 6.2.- Si se seleccionó DETENER.

Paso 6.2.1.- Mandar la información de detener y esperar nuevamente el inicio o una nueva

asignación de valores.

Paso 6.3.- Si se seleccionó CANCELAR.

Paso 6.3.1.- Regresar a inicio, como muestra la etiqueta enumerada.

Paso 6.4.- Si se seleccionó SALIR.

Paso 6.4.1.- Se finaliza el programa, como muestra la etiqueta enumerada.

Al igual que en los pasos anteriores las etiquetas de salir y de cancelar nos llevan a los procesos

antes mencionados el de salir como dijimos anteriormente nos finaliza el programa en su totalidad y

el de cancelar nos lleva al inicio.

Con estos sencillos pasos podremos registrar a un nuevo paciente o darle terapia a uno ya registrado,

al igual que podemos salir de la aplicación o cancelar un registro o terapia, simplemente tenemos

que seguir los sencillos pasos mencionados, a continuación daremos una breve explicación de cómo

se ejecuta el programa interno del microcontrolador 16F628A a partir de la continuación del

diagrama de flujo presentado por la figura 3.58 la cual podemos identificar con el conector de la

figura 3.70.

Figura 3.70. Conector de diagramas de flujo.

Para la creación del HMI se ocupó el programa “Microsoft Visual Basic 2010” ya que es un sistema

compatible con la comunicación serial y es un sistema adecuado para el sistema operativo más

comercial en México a continuación se muestran algunas figuras de cómo es la HMI de forma

virtual y las pantallas principales que se muestran dentro de ella.

Figura 3.71. Pantalla principal de la HMI.

En la figura 3.71 se muestra el inicio del programa y como se inicializa la comunicación entre el

humano y la maquina como podemos observar se muestran las opciones disponibles que nos

enlazaran al siguiente formulario de la HMI, al igual que una opción la cual finalizara el programa.

En la figura 3.72 podemos notar cómo se mostraran los datos del paciente y cuáles serán los datos

principales de registro médico, el médico de rehabilitación o el operador del proyecto tendrá que

introducir para llevar un control total de los pacientes que toman terapia.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

94

También se observan algunos campos deshabilitados ya que en la figura 3.73 es cuando se

selecciona un nuevo paciente.

Figura 3.72 Tabla de datos del paciente.

Mostramos una ficha de registro en la figura 3.73 y cómo podemos notar hay más campos

deshabilitados ya que en estos caso solo algunos datos serán modificados o se permitirá

modificarlos.

Figura 3.73. Ficha de registro del paciente.

Para finalizar mostraremos el tercer y último formulario de nuestro HMI el cual nos comunicara de

forma serial con el circuito de control, en este formulario nosotros tendremos que asignar el puerto

de comunicación serial, los valores de velocidad y los ángulos de inicio y fin de cada una de las

partes que se mueven en el proyecto.

Figura 3.74. Control de ángulos y velocidad del paciente.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

95

Como podemos notar este es el formulario que más se interrelaciona con la parte de comunicación

serial del circuito del control, de aquí tomaremos cada uno de los valores los cuales serán asignados

a cada uno de los servomotores al igual que su velocidad esto lo realizaremos con el botón de inicio

el cual pondrá en marcha el programa interno del microcontrolador 16F628A.

Programación del microcontrolador 16F628A.

Se realizó el programa del microcontrolador en Microcode Studio- PICBASIC PRO el cual presenta

una programación de alto nivel y puede ser utilizado para nuestro proyecto, ya que en él programa

contienen librerías especiales para poder llevar a cabo una conexión serial con un computador.

El programa que se realizó aparte de contener los datos necesarios para el correcto funcionamiento

del exoesqueleto mecánico para la rehabilitación de miembro inferior, también contiene una serie de

datos los cuales son necesarios para hacer una conexión con el HMI comenzaremos por dar el

diagrama de flujo y de ahí partiremos para explicar cada uno de los pasos del programa continuando

desde el diagrama de flujo anterior como se mencionó anteriormente con los conectores

correspondientes de color azul con el número de etiqueta 4.

Figura 3.75. Diagrama de flujo de HMI.

DISEÑO DEL EXOESQUELETO

96

Partiremos inicialmente desde el punto donde nos quedamos en el diagrama de flujo anterior en la

etiqueta número 4:

Paso 1.- Recepción de los valores de velocidad y ángulos.

Paso 2.- Si se asignaron valore seguir si no volver al paso anterior.

Paso 3.- Si se presionó el botón de detener volver a inicio si no seguir, todos los parámetros se

igualan a 0.

Paso 4.- Se parametrizan los valores de acuerdo a los valores de ancho de pulso.

Paso 5.- Se inicializa la rutina MARCHA y se repetirá el ciclo 2 veces.

Dentro de MARCHA:

Paso 5.1.- Se inicializa la rutina de SERVOS y se repetirá 50 veces

Paso 5.2.- Si se presionó el botón de detener volver a inicio si no seguir, todos los parámetros se

igualan a 0.

Paso 5.3.- Después de cumplir el ciclo 50 veces volver a MARCHA.

Paso 5.4.- Después de cumplir el ciclo de MARCHA 2 veces seguir.

Paso 6.- Se inicializa la rutina DESCANSO y se repetirá el ciclo 2 veces.

Dentro de DESCANSO:

Paso 6.1.- El parámetro de paso se iguala a 0.

Paso 6.2.- Se inicializa la rutina de SERVOS y se repetirá 50 veces

Paso 6.3.- Si se presionó el botón de detener volver a inicio si no seguir, todos los parámetros se

igualan a 0.

Paso 6.4.- Después de cumplir el ciclo 50 veces volver a DESCANSO.

Paso 6.5.- Después de cumplir el ciclo de DESCANSO 2 veces seguir.

Paso 7 se vuelve a MARCHA.

Estos son los pasos que sigue internamente el microcontrolador 16F628A para poder mover los

servomotores de acuerdo a la velocidad y a los ángulos asignados por el HMI en el formulario

número 3.

Es importante hacer notar como la programación del HMI funciona en conjunto con la programación

del microcontrolador 16F628A por ello se han explicado los diagramas de flujo de cada una de estas

dos partes y podemos notar cómo se interrelacionan cada una entre ellas y así poder realizar las

funciones necesarias para el correcto funcionamiento de nuestro proyecto.

En el capítulo 4 hablaremos de cómo la parte mecánica interactúa directamente con el HMI,

haciendo que el usuario se adapte rápidamente al funcionamiento del proyecto.

97

En este Capítulo muestra la

simulación de cada una de las partes

del exoesqueleto para miembros

inferiores junto con sus

especificaciones físicas de cada una

de ellas. Así como también los

resultados obtenidos después de su

simulación.

Simulación y Análisis de

Resultados

98

4.1 Introducción

El capítulo da una explicación de las diferentes pruebas realizadas al proyecto, tales como pruebas

de esfuerzos y rupturas, simulación de circuitos electrónicos y pruebas de funcionamiento del HMI

en conjunto con el sistema electrónico.

Tomando los resultados obtenidos de dichas de pruebas, se realizan las conclusiones para presente

proyecto

4.2 Caso de estudio El paciente debe tener ciertas características para que sea candidato para el uso del exoesqueleto

para rehabilitación.

En primera instancia el paciente debe tener parálisis cerebral infantil (PCI) pero de tipo hemiplejia,

paraplejia, diplejía, triplejia y quadriplejia.

Ya que este tipo de PCI son las afectaciones en algún miembro inferior. Al igual este tipo de

pacientes son de bajo peso por la falta de movilidad en el miembro inferior, por ello este diseño para

pacientes con bajo peso y cierta estatura.

El peso mínimo no será postulado ya que no es significativo para el exoesqueleto, la mayoría de los

pacientes son de bajo peso, dependiendo de su afectación muscular.

Una manera de medir esta relación muscular con las características físicas del usuario es por medio

del índice de masa corporal (IMC) que está dada por la siguiente ecuación.

(4.1)

Tabla 14. Tabla de clasificación de índice de masa corporal.

Índice de Masa

Corporal (IMC) Clasificación

Menor a 18 Peso bajo. Necesario valorar signos de desnutrición

18 a 24.9 Normal

25 a 26.9 Sobrepeso

Mayor a 27 Obesidad

27 a 29.9 Obesidad grado I. Riesgo relativo alto para desarrollar enfermedades

cardiovasculares

30 a 39.9 Obesidad grado II. Riesgo relativo muy alto para el desarrollo de

enfermedades cardiovasculares

Mayor a 40 Obesidad grado III Extrema o Mórbida. Riesgo relativo extremadamente

alto para el desarrollo de enfermedades cardiovasculares

Un IMC por debajo de 18,5 indica desnutrición o algún problema de salud y lo normal sería un IMC

de 20.

Con estos criterios, se puede decir si el paciente es candidato o no, esto se observa en la tabla 14.

99

Tabla 15. Tabla de selección de paciente.

Características del paciente UNIDADES

Masa minima -

Masa máxima 30kg

Longitud mínima del

miembro inferior

33cm

Longitud máxima del

miembro inferior

53cm

IMC Por debajo de 18.5

Factor de seguridad en diseño mecánico.

El coeficiente de seguridad (también conocido como factor de seguridad) es el cociente entre el

valor calculado de la capacidad máxima de un sistema y el valor del requerimiento esperado real a

que se verá sometido. Por este motivo es un número mayor que uno, que indica la capacidad en

exceso que tiene el sistema por sobre sus requerimientos.

En este sentido, en ingeniería, arquitectura y otras ciencias aplicadas, es común, y en algunos casos

imprescindible, que los cálculos de dimensionado de elementos o componentes de maquinaria,

estructuras constructivas, instalaciones o dispositivos en general, incluyan un coeficiente de

seguridad que garantice que bajo desviaciones aleatorias de los requerimientos previstos, exista un

margen extra de prestaciones por encima de las mínimas estrictamente necesarias.

Los coeficientes de seguridad se aplican en todos los campos de la ingeniería, tanto eléctrica,

como mecánica o civil, etc.

En los cálculos de resistencia mecánica, el factor de seguridad se aplica principalmente de dos

maneras:

1. Multiplicando el valor de las solicitaciones o fuerzas que actúan sobre un elemento resistente

por un coeficiente mayor a uno (coeficiente de mayoración). En este caso se calcula como si

el sistema fuera solicitado en mayor medida de lo que se espera que lo sea en la realidad.

2. Dividiendo las propiedades favorables del material que determinan el diseño por un número

mayor que uno (coeficiente de minoración). En este caso se modela el material como si

fuera peor de lo que se espera que sea.

En ambos casos el resultado es el mismo: un sobredimensionamiento del componente.

Este sobredimensionamiento se justifica por variadas causas, como por ejemplo: previsiones de

desgaste o corrosión, posibles errores o desviaciones en las propiedades previstas de los materiales

que se manejan, diferencias entre las propiedades tabuladas y las obtenibles en la realidad,

tolerancias de fabricación o montaje, tolerancias por incertidumbre en las solicitaciones a que se

someterá el elemento, la propia incertidumbre del método de cálculo, etc.

Los valores usados como factores de seguridad, por lo general, provienen de la experiencia empírica

o práctica, por lo cual están tabulados y contemplados en las normas o la literatura, o bien se aplican

según la experiencia personal del diseñador. En general, para el mismo tipo de elemento dependerán

del tipo de uso o servicio que se le piense dar y de la posibilidad de riesgo derivada para usuarios y

terceras personas.

100

4.3 Prueba de esfuerzos y resistencia.

Figura 4.1 Simulación de soportes.

La pieza se diseñó de acero estructural, con lo cual tendrá una respuesta optima en rupturas, este tipo

de acero el atsm a36, tiene una gran flexibilidad referente a las cargas soportadas o ejercidas.

Tabla 164. Diseño de estructura

101

102

Tabla 17. Información de malla.

103

Tabla 185. Resultados del estudio.

104

105

Conclusión

Los materiales escogidos son los más factibles para la fabricación del proyecto, ya que incorpora

ligereza y resistencia en cada uno de los elementos involucrados, desde el respaldo y los descansos

que son de origen plástico hasta los de origen de minerales ferrosos, tales como el aluminio y el

acero que son la composición de las piezas del exoesqueleto.

4.4 Sistema de adaptación para el movimiento de la junta, segmento y

servomotor.

Utilizando el cople diseñado y la adaptación se hizo la siguiente configuración para el ensamble.

Figura 4.2. Acoplamiento del servomotor

Se muestra la unión de los componentes con el sistema de unión para el exoesqueleto, el cual hace la

traslación de movimiento.

Figura 4.3 Funcionamiento del servomotor con acoplamiento

106

Conclusión:

La pieza diseñada es efectiva en la traslación del movimiento en el eje del servomotor y el material

se eligió de acero aleación a36 indicado en el capítulo 3 por sus propiedades físicas.

4.5 Sistema electrónico.

Para la simulación de los circuitos electrónicos se utilizó el programa Isis se realizaron pruebas de

cada uno de los circuitos comprobando su funcionabilidad, ya que el diseño de los circuitos fue

probado individualmente se trató de realizar una prueba en conjunto con todos ellos.

Ya que el programa Isis no te proporciona el poder simular con una comunicación serial con el HMI

en tiempo real no se pudo corroborar el funcionamiento del sistema electrónico por ello fue que las

pruebas se realizaron individualmente con cada uno de los circuitos.

En este caso los circuitos fueron analizados individualmente, se puede concluir que si se realiza el

trabajo en conjunto de todo el sistema electrónico tiene una mayor posibilidad de funcionamiento ya

que se siguió la teoría y cálculos del capítulo 3.

En todas las simulaciones presentadas se utilizaron los valores críticos ya que con estos valores se

puede dar un promedio de utilización, ya que se utilizan los valores máximos en cada una de ella,

por ejemplo en la simulación de solidworks se utilizan los criterios de mayor fuerza para así saber

que fuerza afecta a los materiales y les causa ruptura o deformaciones, en la simulación electrónica

se dan los valores especificados para una marcha humana ya que estos valores serán los valores

máximos para los servomotores de ahí se realizó una pequeña prueba modificando estos valores a

una posición media.

Conclusión general

Con respecto al presente proyecto se concluye que el estudio cinemático es la base para el principio

del movimiento del exoesqueleto, el proyecto está delimitado en la secuencias de movimiento de un

ciclo de marcha normal, para la mejora del proyecto se debe de complementar con un estudio

cinético el cual nos ayudara a realizar un simulación más certera ya que incluiría las fuerzas que

interactúan en el entorno físico del exoesqueleto.

El diseño es robusto para el caso de estudio, ya que se tomaron en cuenta los casos dentro de los

rangos mínimos y máximos para la realización de las pruebas de resistencia cumple con el objetivo

principal de emular un ciclo de marcha , posterior a ello se diseñara un proyecto con mejores

características estéticas, versátil y ligero.

Al igual que se debe de realizar mejoras en cuanto al diseño electrónico, poner algunos sensores o

realizar una metodología del control diferente en cuanto al circuito electrónico, este sistema

electrónico se diseñó simplemente para realizar las funciones necesarias del proyecto, realiza la

conectividad de comunicación serial con el hmi y realiza el control de los servomotores mediante

programación.

La HMI ayuda a realizar un control total en cuanto a los pacientes se refiere ya que se puede realizar

un estudio con los datos obtenidos mediante la base de datos, la misma interfaz interactúa de manera

107

sencilla con el usuario el programa puede ser mejorado en muchos sentidos pero la interfaz

realmente es una herramienta para poder llevar a cabo la rehabilitación del paciente.

4.6 Análisis Financiero

Tabla 19. Análisis financiero.

ANALISIS FINANCIERO

MANO DE OBRA 45,000

MATERIAL ELECTRONICO 30,000

MATERIAL MECANICO 37,500

SOFTWARE 37,500

TOTAL $ 150,000

Tabla 20. Estudio mano de obra. .

MANO DE OBRA

PARTE ELECTRÓNICA

9,000

PARTE MECÁNICA 22,500

PARTE DE PROGRAMACIÓN

6,750

PARTE DE DISEÑO

6,750

TOTAL $ 45,000

108

Tabla 21. Estudio de material electrónico.

MATERIAL ELECTRÓNICO

PROGRAMACIÓN DE PIC

15,000

COMPONENTES

ELECTRÓNICOS

9,000

ELEMENTOS PARA

INTERFAZ (CABLE DE

INTERFAZ, CONECTORES Y

CONVERTIDORES

6,000

TOTAL $ 30,000

Tabla 22. Estudio de material mecánico..

MATERIAL MECÁNICO

ESTRUCTURA DE ALUMINIO

18,750

DESBASTE DE PIEZAS MECÁNICAS

15,000

TORNILLERÍA

3,750

TOTAL $ 37,500

109

Tabla 23. Estudio de costos de software.

SOFTWARE

PROGRAMAS PARA EL

DISEÑO DE PARTES

MECÁNICAS Y ESTRUCTURA

9,375

PROGRAMAS PARA

PROGRAMACIÓN DE PIC

9,375

PROGRAMAS PARA

INTERFAZ HMI

9,375

PROGRAMAS PARA EL

DISEÑO DE PARTES

MECÁNICAS Y ESTRUCTURA

9,375

TOTAL $ 37,500

Para realizar la cotización estimada de fabricación del prototipo se investigó los proveedores en el

mercado mexicano. Tomando en cuenta el tipo de maquinado o material a trabajar.

Para las piezas base plástico y acrílico la empresa MIDSA, en la cual es una empresa con mayor

gama de materiales plásticos en el país.

En la actualidad, MIDSA se ha consolidado como líder nacional en la venta de plásticos de

Ingeniería. Además de la distribución y fabricación de Plásticos de Ingeniería, atendemos proyectos

especiales con asesoría técnica profesional. Apoyamos en la remodelación de plantas químicas,

tratadoras de aguas, parques eólicos, construcción de tolvas y cribas en minería, líneas de

embotellado, fabricación de láminas de Acero e incluso Líneas de producción en empacadoras y

rastros TIF. Todo con nuestros materiales plásticos, en cualquier parte del País.

MIDSA es representante directo de las más importantes fábricas de plástico de Ingeniería de Estados

Unidos, México y Alemania. Y se atiende todo el territorio nacional, además de exportar piezas

fabricadas a Estados Unidos y plásticos especiales a clientes clave de Centroamérica.

Se cuenta con taller mecánico en sitio, para hacer modelos de prueba y prototipos. Se fabrican piezas

maquinadas sobre planos y/o muestras. Y cortes con nuestras sierras especiales de alta producción.

Referente a la fabricación de piezas metálicas la empresa Hilex ofrece una gama de servicios

adecuados para el proyecto.

Hilex nace en 2002, centrando su actividad en el diseño, desarrollo y fabricación de elementos de

exposición (PLV, mobiliario para la Gran Distribución, etc.) Sin embargo, a lo largo de los

años Hilex ha diversificado su trabajo y ha potenciado nuevas vías de desarrollo y producción.

Actualmente, gracias a una continua inversión en medios e instalaciones, Hilex es capaz de diseñar,

desarrollar y fabricar multitud de piezas metálicas destinadas a diversos sectores y aplicaciones.

110

Se describe los posibles proyectos a

futuro y mejoras tanto de

programas, materiales y el tipo de

interfaz esto con el afán de darle un

mejor servicio tanto al usuario y la

comodidad del usuario.

Trabajos Futuros

TRABAJOS FUTUROS

111

El proyecto se delimito en realizar las funciones básicas para dar una rehabilitación al emular un

ciclo de marcha, sin tener una arquitectura control adaptable, solo se realizan movimientos definidos

con los servomotores con los ángulos definidos en la marcha humana.

Posterior a ello se realizara un sistema de control adaptable, para obtener una rehabilitación en

función de cada paciente, esto ayudara a la personalización de la terapia.

Los materiales utilizados pueden ser sustituidos por otros, los cuales sean adecuados para cada uso

particular. Al igual implementar un diseño más ergonómico, que sea funcional y sutil.

Implementar un exoesqueleto sin soportes, que además de brindar una terapia ayude a la marcha del

paciente, como los existentes en el mercado.

En los diseños del sistema electrónico se pueden colocar sensores para poder definir la velocidad en

cuanto a los ángulos de los motores así como se mencionó anteriormente, este sistema sirve para

realizar un control adaptable.

También se utilizara un protocolo de comunicación diferente al usado, puede ser en USB o en una

red inalámbrica dependiendo de las necesidades que se tengan; También podría mejorarse la HMI la

cual solo es un prototipo la cual realiza un registro de pacientes de ella podría obtenerse una gráfica

de eficiencia de la terapia así mismo podría obtenerse un grafica de evolución del paciente, puede

ser propuesto un sistema en el cual se pueda visualizar la marcha humana mediante un grafica en

tiempo real dando cuenta de cómo se realiza cada paso y que debe corregirse en el ciclo de marcha

del paciente.

En alguna instancia se puede agregar una pantalla en la cual muestre además de los datos del

paciente a rehabilitar, una simulación de su marcha en tiempo real para que el fisioterapeuta pueda

monitorear la terapia del paciente.

Figura 5.1. Vistas del proyecto.

REFERENCIAS

112

Referencias

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Esoesqueletos: se vienen los superhumanos, 2014. [Online].

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_robots_rg.

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caminar, tiene que caminar!,” 2009. [Online]. Available:

http://www.neurorehabilitacion.com/inicionovedadescinta.htm.

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del arte orientado al control,” Articul. rodilla.

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Infantil,” 2012. [Online]. Available: www.cce.IAP.com.mx.

[5] R. L. R. Lopez, J. Torres, S. Salasar, “Desarrollo de un exoesqueleto

para rehabilitación de tobillo y rodilla.,” Rev. Mex. Ing. biomédica,

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[7] C. G. Escorihuela, “Exoesqueletos, la revolución de la ciencia y

nuestra vida cotidiana.” [Online]. Available:

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ciencia-y-de-nuestra-vida-cotidiana.

[8] J. Dote and J. P. Rodríguez Vicentini, “Lo nuevo en rehabilitación:

prótesis en 3D y exoesqueletos,” 2014. .

[9] D. de Yucatán, “Crean exoesqueleto ingenieros de la UNAM,” 2014.

[10] Crónica.com.mx, “Egresados del IPN desarrollan exoesqueleto de

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[11] R. Quo, “Mexicanos diseñan exoesqueleto,” México, Sep-2013.

REFERENCIAS

113

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[19] R. I. Norton., Diseño de maquinaría., Cuarta. pp. 4–36.

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[21] C. J. S. Jr., M. S. Roden, and G. Carpenter, “savant-disec3b1os-

electronicos-circuitos-de-sistema.pdf.” .

[22] C. A. Reyes, Microcontroladores PIC Programación en Basic,

Tercera Ed. 2008.

114

ANEXOS

ANEXOS

115

Anexo 1.

Planos del mecanismo.

ANEXOS

116

ANEXOS

117

ANEXOS

118

ANEXOS

119

ANEXOS

120

ANEXOS

121

ANEXOS

122

ANEXOS

123

ANEXOS

124

ANEXOS

125

ANEXOS

126

Anexo 2.

Hojas de especificaciones del equipo electrónico.

2.1. Hoja de especificaciones diodo 1N4148

.

Para mayor información:

http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/HitachiSemiconductor/mXwuyxq.pdf

ANEXOS

127

2.2. Hoja de especificaciones de servomotores.

ANEXOS

128

2.3. Hoja de especificaciones del regulador LM7806.

Para mayor información:

http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheet/fairchildsemiconductor/LM7806.pdf

ANEXOS

129

2.4. Hoja de especificaciones de MAX232

ANEXOS

130

2.5. Hoja de especificaciones de PIC16F628A.

ANEXOS

131

Anexo 3.

Diseño de PCB.

ANEXOS

132

Anexo 4.

PROGRAMA HMI.

Primer formulario: Public Class Form1 Private Sub Button1_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button1.Click Me.Hide() Form2.Show() Form2.Button1.Enabled = False Form2.Button2.Enabled = True Form2.Button4.Enabled = False Form2.NOMBRETextBox.Clear() Form2.No_DE_SEGURO_SOCIALTextBox.Clear() Form2.FECHA_DE_REGISTROTextBox.Clear() Form2.DIRECCIONTextBox.Clear() Form2.TELEFONOTextBox.Clear() Form2.MOVILTextBox.Clear() Form2.EMAILTextBox.Clear() Form2.CITATextBox.Clear() Form2.MEDICO_REHABILITACIONTextBox.Clear() Form2.MEDICO_FAMILIARTextBox.Clear() Form2.CEDULA_MRTextBox.Clear() Form2.CEDULA_MFTextBox.Clear() Form2.DESCRIPCIONTextBox.Clear() Form2.CLINICA_FAMILIARTextBox.Clear() Form2.No_DE_SESIONTextBox.Text = 1 Form2.NOMBRETextBox.ReadOnly = False Form2.FECHA_DE_REGISTROTextBox.ReadOnly = False Form2.MEDICO_FAMILIARTextBox.ReadOnly = False Form2.CEDULA_MFTextBox.ReadOnly = False Form2.MEDICO_REHABILITACIONTextBox.ReadOnly = False Form2.CEDULA_MRTextBox.ReadOnly = False Form2.CLINICA_FAMILIARTextBox.ReadOnly = False End Sub Private Sub Button3_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button3.Click Me.Hide() Form2.Show() Form2.Button2.Enabled = False Form2.Button1.Enabled = True Form2.Button4.Enabled = True Form2.NOMBRETextBox.ReadOnly = True Form2.FECHA_DE_REGISTROTextBox.ReadOnly = True Form2.MEDICO_FAMILIARTextBox.ReadOnly = True Form2.CEDULA_MFTextBox.ReadOnly = True Form2.MEDICO_REHABILITACIONTextBox.ReadOnly = True Form2.CEDULA_MRTextBox.ReadOnly = True Form2.CLINICA_FAMILIARTextBox.ReadOnly = True Form2.NOMBRETextBox.Clear() Form2.No_DE_SEGURO_SOCIALTextBox.Clear() Form2.FECHA_DE_REGISTROTextBox.Clear() Form2.DIRECCIONTextBox.Clear() Form2.TELEFONOTextBox.Clear() Form2.MOVILTextBox.Clear() Form2.EMAILTextBox.Clear() Form2.CITATextBox.Clear() Form2.MEDICO_REHABILITACIONTextBox.Clear()

ANEXOS

133

Form2.MEDICO_FAMILIARTextBox.Clear() Form2.CEDULA_MRTextBox.Clear() Form2.CEDULA_MFTextBox.Clear() Form2.DESCRIPCIONTextBox.Clear() Form2.CLINICA_FAMILIARTextBox.Clear() Form2.No_DE_SESIONTextBox.Clear() End Sub Private Sub Button2_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button2.Click End End Sub End Class

Segundo formulario: Public Class Form2 Private Sub DatosBindingNavigatorSaveItem_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Me.Validate() Me.DatosBindingSource.EndEdit() Me.TableAdapterManager.UpdateAll(Me.EXOESQUELETODataSet) End Sub Private Sub Form2_Load(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles MyBase.Load 'TODO: esta línea de código carga datos en la tabla 'EXOESQUELETODataSet.datos' Puede moverla o quitarla según sea necesario. Me.DatosTableAdapter.Fill(Me.EXOESQUELETODataSet.datos) End Sub Private Sub Button2_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button2.Click Me.DatosTableAdapter.guardar(FECHA_DE_REGISTROTextBox.Text, No_DE_SEGURO_SOCIALTextBox.Text, NOMBRETextBox.Text, DIRECCIONTextBox.Text, TELEFONOTextBox.Text, MOVILTextBox.Text, EMAILTextBox.Text, CITATextBox.Text, MEDICO_FAMILIARTextBox.Text, CEDULA_MFTextBox.Text, MEDICO_REHABILITACIONTextBox.Text, CEDULA_MRTextBox.Text, CLINICA_FAMILIARTextBox.Text, DESCRIPCIONTextBox.Text, No_DE_SESIONTextBox.Text) Me.DatosTableAdapter.Fill(Me.EXOESQUELETODataSet.datos) Me.Hide() MsgBox("Guardado", vbInformation, "Correcto") Form3.Show() End Sub Private Sub Button4_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button4.Click Me.DatosTableAdapter.modificar(FECHA_DE_REGISTROTextBox.Text, No_DE_SEGURO_SOCIALTextBox.Text, NOMBRETextBox.Text, DIRECCIONTextBox.Text, TELEFONOTextBox.Text, MOVILTextBox.Text, EMAILTextBox.Text, CITATextBox.Text, MEDICO_FAMILIARTextBox.Text, CEDULA_MFTextBox.Text, MEDICO_REHABILITACIONTextBox.Text, CEDULA_MRTextBox.Text, CLINICA_FAMILIARTextBox.Text, DESCRIPCIONTextBox.Text, No_DE_SESIONTextBox.Text, No_DE_SEGURO_SOCIALTextBox.Text) Me.DatosTableAdapter.Fill(Me.EXOESQUELETODataSet.datos) Me.Hide() MsgBox("Modificado", vbInformation, "Correcto") Form3.Show() End Sub

ANEXOS

134

Private Sub Button1_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button1.Click Me.DatosTableAdapter.buscar(Me.EXOESQUELETODataSet.datos, No_DE_SEGURO_SOCIALTextBox.Text) If No_DE_SEGURO_SOCIALTextBox.Text = "" Then MsgBox("No existe guarde un nuevo registro", vbCritical, "Incorrecto") Button1.Enabled = False Button2.Enabled = True Button4.Enabled = False NOMBRETextBox.Clear() No_DE_SEGURO_SOCIALTextBox.Clear() FECHA_DE_REGISTROTextBox.Clear() DIRECCIONTextBox.Clear() TELEFONOTextBox.Clear() MOVILTextBox.Clear() EMAILTextBox.Clear() CITATextBox.Clear() MEDICO_REHABILITACIONTextBox.Clear() MEDICO_FAMILIARTextBox.Clear() CEDULA_MRTextBox.Clear() CEDULA_MFTextBox.Clear() DESCRIPCIONTextBox.Clear() CLINICA_FAMILIARTextBox.Clear() No_DE_SESIONTextBox.Text = 1 NOMBRETextBox.ReadOnly = False FECHA_DE_REGISTROTextBox.ReadOnly = False MEDICO_FAMILIARTextBox.ReadOnly = False CEDULA_MFTextBox.ReadOnly = False MEDICO_REHABILITACIONTextBox.ReadOnly = False CEDULA_MRTextBox.ReadOnly = False CLINICA_FAMILIARTextBox.ReadOnly = False Else MsgBox("Paciente encontrado", vbInformation, "Correcto") End If End Sub Private Sub Button5_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button5.Click End End Sub Private Sub Button3_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button3.Click Me.Hide() Form1.Show() End Sub End Class

Tercer formulario: Imports System.IO.Ports Public Class Form3 Private mySerialPort As New SerialPort Dim DETENER As String Private Sub CommPortSetup() With mySerialPort .PortName = "COM1" .BaudRate = 9600 .DataBits = 8 .Parity = Parity.None

ANEXOS

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.StopBits = StopBits.One .Handshake = Handshake.None End With End Sub Private Sub TrackBar1_Scroll(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles TrackBar1.Scroll Label5.Text = TrackBar1.Value * 10 End Sub Private Sub Form3_Load(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles MyBase.Load Me.ComboBox1.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox2.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox3.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox4.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox5.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox6.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox7.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox8.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox9.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox10.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox11.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox12.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList Me.ComboBox13.DropDownStyle = ComboBoxStyle.DropDownList GroupBox1.Enabled = False GroupBox5.Enabled = False TrackBar1.Enabled = False MsgBox("Asignar puerto com", vbInformation, "Conexión") End Sub Private Sub Button3_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button3.Click End End Sub Private Sub Button4_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button4.Click Me.Hide() Form1.Show()

mySerialPort.Close() End Sub Private Sub Button1_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button1.Click mySerialPort.PortName = ComboBox13.Text Try mySerialPort.Open() Catch ex As Exception MessageBox.Show(ex.Message) End Try mySerialPort.Encoding = System.Text.Encoding.GetEncoding(1252) Dim velocidad As String Dim angulo1 As String Dim angulo2 As String Dim angulo3 As String Dim angulo4 As String Dim angulo5 As String Dim angulo6 As String Dim angulo7 As String Dim angulo8 As String

ANEXOS

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Dim angulo9 As String Dim angulo10 As String Dim angulo11 As String Dim angulo12 As String velocidad = Label5.Text angulo1 = ComboBox1.Text angulo2 = ComboBox2.Text angulo3 = ComboBox3.Text angulo4 = ComboBox4.Text angulo5 = ComboBox5.Text angulo6 = ComboBox6.Text angulo7 = ComboBox7.Text angulo8 = ComboBox8.Text angulo9 = ComboBox9.Text angulo10 = ComboBox10.Text angulo11 = ComboBox11.Text angulo12 = ComboBox12.Text mySerialPort.Write(Chr(velocidad)) mySerialPort.Write(Chr(angulo1)) mySerialPort.Write(Chr(angulo2)) mySerialPort.Write(Chr(angulo3)) mySerialPort.Write(Chr(angulo4)) mySerialPort.Write(Chr(angulo5)) mySerialPort.Write(Chr(angulo6)) mySerialPort.Write(Chr(angulo7)) mySerialPort.Write(Chr(angulo8)) mySerialPort.Write(Chr(angulo9)) mySerialPort.Write(Chr(angulo10)) mySerialPort.Write(Chr(angulo11)) mySerialPort.Write(Chr(angulo12)) mySerialPort.Write(DETENER) End Sub Private Sub Button2_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles Button2.Click DETENER = Button2.Enabled End Sub Private Sub ComboBox13_SelectedIndexChanged(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles ComboBox13.SelectedIndexChanged If ComboBox13.Text = "" Then GroupBox1.Enabled = False GroupBox5.Enabled = False TrackBar1.Enabled = False Else GroupBox1.Enabled = True GroupBox5.Enabled = True TrackBar1.Enabled = True End If End Sub End Class

PROGRAMA INTERNO DEL MICROCONTROLADOR 16F628A. '**************************************************************** '* Name : CASTILLO CASTILLO RODRIGO IVAN * '* Name : CHAVEZ MARTINEZ NISIN * '* Name : LEON GABRIEL JOSE EDUARDO * '* Author : [select VIEW...EDITOR OPTIONS] * '* Notice : Copyright (c) 2010 [select VIEW...EDITOR OPTIONS] *

ANEXOS

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'* : All Rights Reserved * '* Date : 10/06/2015 * '* Version : 1.0 * '* Notes : * '* : * '**************************************************************** '******************************************************************************* @device pic16F628A, INTOSC_OSC_NOCLKOUT, wdt_off, mclr_on, lvp_off, protect_off '3f30 palabra de configuracion '******************************************************************************* INCLUDE "modedefs.bas" @ device XT_OSC PASOS VAR BYTE POS0 VAR word : POS1 VAR word : POS2 VAR word POS3 VAR word : POS4 vaR word : POS5 var word POS6 var word : POS7 var word : POS8 var word POS9 var word : POS10 var word: POS11 var word POSS0 VAR word : POSS1 VAR word : POSS2 VAR word POSS3 VAR word : POSS4 vaR word : POSS5 var word POSS6 var word : POSS7 var word : POSS8 var word POSS9 var word : POSS10 var word: POSS11 var word CD1 VAR BYTE : CD2 VAR BYTE : RD1 VAR BYTE RD2 VAR BYTE : TD1 VAR BYTE : TD2 VAR BYTE CI1 VAR BYTE : CI2 VAR BYTE : RI1 VAR BYTE RI2 VAR BYTE : TI1 VAR BYTE : TI2 VAR BYTE velocidad var word VELOCIDADD VAR WORD X var byte Y VAR BYTE trisb=0 : cmcon=7 : portb=0 : porta=0 VELOCIDAD = 0 *********************PROGRAMA PRINCIPAL************************* INICIO: SERIN2 portb.0,N9600[0,DEC 4],serial = VELOCIDADD SERIN2 portb.0,N9600[1,DEC 4],serial = CD1 SERIN2 portb.0,N9600[2,DEC 4],serial = CD2 SERIN2 portb.0,N9600[3,DEC 4],serial = RD1 SERIN2 portb.0,N9600[4,DEC 4],serial = RD2 SERIN2 portb.0,N9600[5,DEC 4],serial = TD1 SERIN2 portb.0,N9600[6,DEC 4],serial = TD2 SERIN2 portb.0,N9600[7,DEC 4],serial = CI1 SERIN2 portb.0,N9600[8,DEC 4],serial = CI2 SERIN2 portb.0,N9600[9,DEC 4],serial = RI1 SERIN2 portb.0,N9600[10,DEC 4],serial = RI2 SERIN2 portb.0,N9600[11,DEC 4],serial = TI1 SERIN2 portb.0,N9600[12,DEC 4],serial = TI2 GOSUB PARAMETROS SERIN2 portb.0,N9600[13],serial = DETENER IF portb.0,N9600[13],serial = DETENER THEN INICIO goto inicio '***************************************************************** '************************subrutinas******************************* PARAMETROS: POS0= (((CD1)(2000)/180)+700) POS1= (((CD2)(2000)/180)+700) POS2= (((RD1)(2000)/180)+700) POS3= (((RD2)(2000)/180)+700) POS4= (((TD1)(2000)/180)+700) POS5= (((TD2)(2000)/180)+700) POS6= (((CI1)(2000)/180)+700) POS7= (((CI2)(2000)/180)+700)

ANEXOS

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POS8= (((RI1)(2000)/180)+700) POS9= (((RI2)(2000)/180)+700) POS10= (((TI1)(2000)/180)+700) POS11= (((TI2)(2000)/180)+700) velocidad=(VELOCIDADD/10) GOSUB MARCHA MARCHA: for X = 0 to 2 POSS0 = POS0 : POSS2 = POS1 : POSS4 = POS4 POSS7 = POS7 : POSS9 = POS9 : POSS11 = POS11 gosub servos POSS1 = POS1 : POSS3 = POS3 : POSS5 = POS5 POSS6 = POS6 : POSS8 = POS8 : POSS10 = POS10 gosub servos next X GOSUB DESCANSO IF portb.0,N9600[13],serial = DETENER THEN INICIO DESCANSO: FOR Y = 0 2 POSS0 = 1500 : POSS1 = 1500 : POSS2 = 1500 POSS3 = 1500 : POSS4 = 1500 : POSS5 = 1500 POSS6 = 1500 : POSS7 = 1500 : POSS8 = 1500 POSS9 = 1500 : POSS10 = 1500 : POSS11 = 1500 GOSUB SERVOS NEXT Y GOSUB MARCHA IF portb.0,N9600[13],serial = DETENER THEN INICIO SERVOS: FOR PASOS = 0 TO 50 HIGH 0 PAUSEUS POSS0 LOW 0 HIGH 1 PAUSEUS POsS1 LOW 1 HIGH 2 PAUSEUS POSS2 LOW 2 HIGH 3 PAUSEUS POSS3 LOW 3 HIGH 4 PAUSEUS POSS4 LOW 4 HIGH 5 PAUSEUS POSS5 LOW 5 HIGH 6 PAUSEUS POSS6 LOW 6 HIGH 7 PAUSEUS POSS7 LOW 7 HIGH 8 PAUSEUS POSS8 LOW 8 HIGH 9 PAUSEUS POSS9 LOW 9 HIGH 10 PAUSEUS POSS10

ANEXOS

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LOW 10 HIGH 11 PAUSEUS POSS11 LOW 11 pause velocidad NEXT PASOS RETURN