Desarrollo de un prototipo de exoesqueleto neumático de miembro superior enfocado en las articulaciones del codo, muñeca y mano para la ejecución de movimientos en rehabilitación de pacientes con hemiplejía
El presente proyecto propone el desarrollo de un prototipo de exoesqueleto neumático de miembro superior centrado en las articulaciones de codo, muñeca y mano para la rehabilitación de pacientes con hemiplejia. Gracias a su diseño, el especialista clínico podrá llevar a cabo un proceso terapéutico m...
- Autores:
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Vargas Ardila, Silvia Marcela
Martínez Acuña, Juan Felipe
Morales Rueda, Andres Santiago
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/21190
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/21190
- Palabra clave:
- Biomedical engineering
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Medical electronics
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Bioengineering
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Medicine
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Exoskeleton
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Ingeniería biomédica
Ingeniería
Biofísica
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Development of a prototype of an upper limb pneumatic exoskeleton focused on the elbow, wrist and hand joints for the execution of movements in the rehabilitation of patients with hemiplegia |
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Desarrollo de un prototipo de exoesqueleto neumático de miembro superior enfocado en las articulaciones del codo, muñeca y mano para la ejecución de movimientos en rehabilitación de pacientes con hemiplejía Biomedical engineering Engineering Medical electronics Biological physics Bioengineering Medical instruments and apparatus Medicine Biomedical Clinical engineering Exoskeleton Pneumatic actuators Development of prototypes Rehabilitation technology Ingeniería biomédica Ingeniería Biofísica Bioingeniería Medicina Biomédica Desarrollo de prototipos Tecnología de la rehabilitación Ingeniería clínica Electrónica médica Instrumentos y aparatos médicos Hemiplejia Exoesqueleto Actuadores neumáticos |
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El presente proyecto propone el desarrollo de un prototipo de exoesqueleto neumático de miembro superior centrado en las articulaciones de codo, muñeca y mano para la rehabilitación de pacientes con hemiplejia. Gracias a su diseño, el especialista clínico podrá llevar a cabo un proceso terapéutico mediante la ejecución de movimientos articulares voluntarios, como la flexión-extensión sin descuidar los grados de libertad de cada acción. Por este motivo, la estructura del dispositivo está integrada con músculos artificiales para simular las funciones anatómicas de los músculos esqueléticos. Este prototipo pretende ser una herramienta de apoyo en la recuperación de las habilidades motoras de cada paciente, para ser implementado en programas que busquen la activación y estimulación cerebral. Ya que se ha demostrado a través de estudios realizados en los últimos años que los exoesqueletos han aportado grandes beneficios dentro de los procedimientos, ya que tienen la capacidad de realizar los procesos con mayor precisión y eficacia. Como resultado, se obtuvo un prototipo de exoesqueleto neumático, el cual consiste en una estructura que sirve de soporte para el miembro superior, la cual es accionada por un sistema de electroválvulas que permiten la ejecución de movimientos a través de actuadores neumáticos. De esta forma, es posible desarrollar un tratamiento de rehabilitación para las articulaciones del codo, la muñeca y la mano de pacientes con hemiplejia. Finalmente, gracias a las pruebas a las que fue sometido el prototipo, se determinó que se cumplieron los objetivos planteados al inicio de esta investigación, ya que el diseño, construcción y evaluación del exoesqueleto neumático permitió establecer una relación entre los valores angulares y los rangos de presión controlados. Finalmente, gracias a las pruebas a las que fue sometido el prototipo, se determinó que se cumplieron los objetivos planteados al inicio de esta investigación, ya que el diseño, construcción y evaluación del exoesqueleto neumático permitió establecer una relación entre los valores angulares y los rangos de presión controlados. En vista de que, al incrementar los niveles de presión, se generó un mayor ángulo de flexión articular, obteniendo una herramienta potencial para la rehabilitación del miembro superior en pacientes que padecen hemiplejia. |
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Gracias a su diseño, el especialista clínico podrá llevar a cabo un proceso terapéutico mediante la ejecución de movimientos articulares voluntarios, como la flexión-extensión sin descuidar los grados de libertad de cada acción. Por este motivo, la estructura del dispositivo está integrada con músculos artificiales para simular las funciones anatómicas de los músculos esqueléticos. Este prototipo pretende ser una herramienta de apoyo en la recuperación de las habilidades motoras de cada paciente, para ser implementado en programas que busquen la activación y estimulación cerebral. Ya que se ha demostrado a través de estudios realizados en los últimos años que los exoesqueletos han aportado grandes beneficios dentro de los procedimientos, ya que tienen la capacidad de realizar los procesos con mayor precisión y eficacia. Como resultado, se obtuvo un prototipo de exoesqueleto neumático, el cual consiste en una estructura que sirve de soporte para el miembro superior, la cual es accionada por un sistema de electroválvulas que permiten la ejecución de movimientos a través de actuadores neumáticos. De esta forma, es posible desarrollar un tratamiento de rehabilitación para las articulaciones del codo, la muñeca y la mano de pacientes con hemiplejia. Finalmente, gracias a las pruebas a las que fue sometido el prototipo, se determinó que se cumplieron los objetivos planteados al inicio de esta investigación, ya que el diseño, construcción y evaluación del exoesqueleto neumático permitió establecer una relación entre los valores angulares y los rangos de presión controlados. Finalmente, gracias a las pruebas a las que fue sometido el prototipo, se determinó que se cumplieron los objetivos planteados al inicio de esta investigación, ya que el diseño, construcción y evaluación del exoesqueleto neumático permitió establecer una relación entre los valores angulares y los rangos de presión controlados. En vista de que, al incrementar los niveles de presión, se generó un mayor ángulo de flexión articular, obteniendo una herramienta potencial para la rehabilitación del miembro superior en pacientes que padecen hemiplejia.RESUMEN .......................................................................................................................4 ABSTRACT .....................................................................................................................5 CAPÍTULO I .................................................................................................................14 PROBLEMA U OPORTUNIDAD ...............................................................................14 1.1. Introducción ..................................................................................................... 14 1.2. Planteamiento del problema............................................................................. 15 1.3. Pregunta de investigación ................................................................................ 15 1.4. Justificación ..................................................................................................... 16 1.5. Objetivo General .............................................................................................. 16 1.6. Objetivos específicos ....................................................................................... 17 1.7. Limitaciones y delimitaciones ......................................................................... 17 CAPÍTULO II ................................................................................................................19 MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE ...........................................................19 1.8. Marco Teórico .................................................................................................. 19 1.9. Estado del arte .................................................................................................. 26 CAPÍTULO III ..............................................................................................................30 METODOLOGÍA..........................................................................................................30 3.1. Etapa 1: Fase de Diseño y selección del sistema electroneumático y estructural del prototipo. ............................................................................................................... 31 3.1.1. Diseño y selección del boceto para el sistema estructural ........................ 31 3.1.2. Modelamiento 3D del prototipo a partir del boceto seleccionado ............ 33 3.1.3. Evaluación y selección de los componentes estructurales y neumáticos . 33 3.2. Etapa 2: Construcción e implementación de pruebas unitarias para los subsistemas ................................................................................................................. 35 3.2.1. Evaluación y selección de proveedores .................................................... 35 3.2.2. Montaje del mecanismo estructural y pruebas unitarias ........................... 36 3.2.3. Montaje del sistema neumático y pruebas unitarias ................................. 36 3.3. Etapa 3: Evaluación funcional del prototipo mediante pruebas del laboratorio 37 3.3.1. Establecimiento de métricas a evaluar...................................................... 37 3.3.2. Creación de protocolo de evaluación, en base a los parámetros a evaluar 38 3.3.3. Realización de pruebas de laboratorio ...................................................... 38 CAPITULO IV...............................................................................................................40 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS....................................................40 4.1. Etapa 1: Fase de Diseño y selección del sistema electroneumático y estructural del prototipo. ............................................................................................................... 40 4.1.1. Diseño y selección del boceto para el sistema estructural ........................ 40 4.1.2. Modelamiento 3D del prototipo a partir del boceto seleccionado ............ 45 4.1.3. Diseño del sistema electroneumático ....................................................... 46 4.1.4. Evaluación y selección de los componentes estructurales y neumáticos . 55 4.2. Etapa 2: Construcción e implementación de pruebas unitarias para los subsistemas. ................................................................................................................ 57 4.2.1. Evaluación y selección de proveedores .................................................... 57 4.2.2. Montaje del mecanismo estructural y pruebas unitarias ........................... 59 4.2.3. Montaje del sistema electroneumático y pruebas unitarias ...................... 59 4.3. Etapa 3: Evaluación funcional del prototipo mediante pruebas del laboratorio 64 4.3.1. Establecimiento de métricas a evaluar...................................................... 64 4.3.2. Protocolo de evaluación, en base a los parámetros a evaluar ................... 64 4.3.3. Realización de pruebas de laboratorio ...................................................... 66 4.4. Análisis de resultados ...................................................................................... 74 4.4.1. Etapa 1: Fase de Diseño y selección del sistema electroneumático y estructural del prototipo. ......................................................................................... 74 4.4.2. Etapa 2: Construcción e implementación de pruebas unitarias para los subsistemas. ............................................................................................................. 75 4.4.3. Etapa 3: Evaluación funcional del prototipo mediante pruebas del laboratorio ............................................................................................................... 79 CAPÍTULO V ................................................................................................................83 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..........................................................83 5.1. Conclusiones .................................................................................................... 83 5.2. Recomendaciones ............................................................................................ 84 Referencias .....................................................................................................................86 Anexos.............................................................................................................................91 Anexo 1. Planteamiento del modelo cinemático. ....................................................... 91 Anexo 2. Modelo cinemático directo. ......................................................................... 92 Anexo 3. Modelo cinemático inverso ......................................................................... 93 Anexo 4. Planos del sistema estructural. .................................................................... 94 Anexo 5. Diagrama de flujo ........................................................................................ 99PregradoThe present project proposes the development of a pneumatic upper limb exoskeleton prototype focused on the elbow, wrist and hand joints for the rehabilitation of patients with hemiplegia. Thanks to its design, the clinical specialist will be able to carry out a therapeutic process through the execution of voluntary joint movements, such as flexion-extension without neglecting the degrees of freedom of each action. For this reason, the structure of the device is integrated with artificial muscles in order to simulate the anatomical functions of skeletal muscles. This prototype is intended to be a support tool in the recovery of motor skills of each patient, to be implemented in programs that seek activation and brain stimulation. Since it has been demonstrated through studies conducted in recent years that exoskeletons have provided great benefits within the procedures, as they have the ability to perform the processes more accurately and effectively. As a result, a pneumatic exoskeleton prototype was obtained, consisting of a structure that serves as a support for the upper limb, which is driven by a system of electrovalves that allow the execution of movements through pneumatic actuators. In this way, it is possible to develop a rehabilitation treatment for the elbow, wrist and hand joints of patients with hemiplegia. Finally, thanks to the tests to which the prototype was subjected, it was determined that the objectives set at the beginning of this research were met, since the design, construction and evaluation of the pneumatic exoskeleton allowed establishing a relationship between the angular values and controlled pressure ranges. In view of the fact that, by increasing the pressure levels, a greater joint flexion angle was generated, obtaining a potential tool for the rehabilitation of the upper limb in patients suffering from hemiplegia.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Desarrollo de un prototipo de exoesqueleto neumático de miembro superior enfocado en las articulaciones del codo, muñeca y mano para la ejecución de movimientos en rehabilitación de pacientes con hemiplejíaDevelopment of a prototype of an upper limb pneumatic exoskeleton focused on the elbow, wrist and hand joints for the execution of movements in the rehabilitation of patients with hemiplegiaIngeniero BiomédicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Biomédicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPBiomedical engineeringEngineeringMedical electronicsBiological physicsBioengineeringMedical instruments and apparatusMedicineBiomedicalClinical engineeringExoskeletonPneumatic actuatorsDevelopment of prototypesRehabilitation technologyIngeniería biomédicaIngenieríaBiofísicaBioingenieríaMedicinaBiomédicaDesarrollo de prototiposTecnología de la rehabilitaciónIngeniería clínicaElectrónica médicaInstrumentos y aparatos médicosHemiplejiaExoesqueletoActuadores neumáticosArenas Duque, A., & Lucumí, D. 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