Diseño y construcción de un dispositivo mecatrónico ortopédico para apoyo a la rehabilitación postoperatoria de rodilla

El propósito de este trabajo consiste en concebir y elaborar un dispositivo de rehabilitación que permita un movimiento activo y se ajuste de manera adaptable a la configuración anatómica y biomecánica de la rodilla humana. El proyecto abarca varios aspectos: Selección de instrumentación, sistema de...

Full description

Autores:
Castro Yaruro, Daniel Mauricio
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2022
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/23017
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/23017
Palabra clave:
Mechatronic
Device
Biomechanics
Rehabilitation
Knee
Active movement
Physical teraphy
Prototype development
Investigation and development
Medical supplies
Simulation methods
Mecatrónica
Desarrollo de prototipos
Investigación y desarrollo
Suministros médicos
Métodos de simulación
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description El propósito de este trabajo consiste en concebir y elaborar un dispositivo de rehabilitación que permita un movimiento activo y se ajuste de manera adaptable a la configuración anatómica y biomecánica de la rodilla humana. El proyecto abarca varios aspectos: Selección de instrumentación, sistema de control para restringir trayectorias de los movimientos esenciales para la rehabilitación adecuada, creación de un prototipo a través de etapas que involucran análisis, diseño CAD y simulaciones, construcción y validación del prototipo por medio de pruebas siguiendo un protocolo de rehabilitación predefinido. Como resultado, se demuestra la viabilidad de crear un dispositivo seguro, práctico y económico, con componentes móviles intercambiables, y a corto o medio plazo, lograr una mejoría en el rango de movilidad.
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spelling Ardila Gómez, Sergio Andrés5dbdbb4d-1540-4bde-9c48-4fc7f6d4b888Solarte David, Víctor Alfonso54590e96-eda3-4b43-9ffa-14bd35ed7d08Castro Yaruro, Daniel Mauricio7a34fa76-1ae1-4c1a-85e6-e18a6f860207Ardila Gómez, Sergio Andrés [0000010754]Solarte David, Víctor Alfonso [1329391]Solarte David, Víctor Alfonso [es&oi=ao]Ardila Gómez, Sergio Andrés [0000-0002-2115-1225]Solarte David, VíctoArdila Gómez, Sergio Andrés [sergio-andres-ardila-gomez]Solarte David, Víctor Alfonso [Victor-Solarte-David]Bucaramanga (Santander, Colombia)UNAB Campus Bucaramanga2023-12-01T18:34:09Z2023-12-01T18:34:09Z2022-12-04http://hdl.handle.net/20.500.12749/23017instname:Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABreponame:Repositorio Institucional UNABrepourl:https://repository.unab.edu.coEl propósito de este trabajo consiste en concebir y elaborar un dispositivo de rehabilitación que permita un movimiento activo y se ajuste de manera adaptable a la configuración anatómica y biomecánica de la rodilla humana. El proyecto abarca varios aspectos: Selección de instrumentación, sistema de control para restringir trayectorias de los movimientos esenciales para la rehabilitación adecuada, creación de un prototipo a través de etapas que involucran análisis, diseño CAD y simulaciones, construcción y validación del prototipo por medio de pruebas siguiendo un protocolo de rehabilitación predefinido. Como resultado, se demuestra la viabilidad de crear un dispositivo seguro, práctico y económico, con componentes móviles intercambiables, y a corto o medio plazo, lograr una mejoría en el rango de movilidad.INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 1 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. 3 1.1 DESCRIPCIÓN BREVE DEL PROBLEMA ........................................................ 3 1.2 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 4 2. OBJETIVO GENERAL ......................................................................................... 5 2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................. 5 3. MARCO DE REFERENCIA ................................................................................. 6 3.1 MARCO GEOGRAFICO .................................................................................... 6 3.2 DIMENSIONES ANTROPOMÉTRICAS ............................................................ 8 3.3 MARCO LEGAL ................................................................................................. 9 3.3.1 Leyes y resoluciones que rigen los dispositivos médicos. ........................... 10 3.4 ESTADO DEL ARTE ....................................................................................... 10 3.4.1 Máquinas y medios comerciales ................................................................. 12 3.4.2 Investigaciones y patentes. ......................................................................... 14 3.4.3 Procesos Rehabilitación Post operatorios ................................................... 16 4. MARCO CONCEPTUAL .................................................................................... 20 4.1 ANATOMIA DE LA RODILLA .......................................................................... 20 4.1.1 Componentes óseos ................................................................................... 20 4.1.2 Componentes articulares de la rodilla. ........................................................ 21 4.1.3 Componentes de tejidos blandos. ............................................................... 22 4.1.4 Componentes musculares ........................................................................... 23 4.2 ENFOQUE FUNCIONAL DE LA RODILLA...................................................... 25 4.3 LESIONES DE LA RODILLA ........................................................................... 25 4.4 ANÁLISIS DE LA MOVILIDAD ARTICULAR ................................................... 27 4.4.1 Cinesiología. ................................................................................................ 27 4.4.2 Mecánica y biomecánica del movimiento. ................................................... 28 4.5 ENFOQUE BIOMÉCANICO DE LA RODILLA ................................................. 34 4.5.1 Estática y Dinámica ..................................................................................... 34 4.5.2 Cinética y Cinemática .................................................................................. 36 4.6 MECANISMO MECATRONICO ....................................................................... 39 4.6.1 Determinantes de diseño............................................................................. 40 4.6.2 Materiales .................................................................................................... 40 5. METODOLOGÍA ................................................................................................ 43 6. RESULTADOS .................................................................................................. 45 6.1 SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN Y ACTUADORES ............................. 45 6.1.1 Sensores de posición angular. .................................................................... 47 6.1.2 Sensores de velocidad angular ................................................................... 48 6.1.3 Ajuste de la velocidad. ................................................................................ 49 6.1.4 Regulación de la fuerza ............................................................................... 50 6.1.5 Elementos para sostenimiento en rodillas ................................................... 51 6.1.6 Suministro de energía. ................................................................................ 52 6.1.7 Sistema de administración de energía. ....................................................... 52 6.1.8 Dispositivos de control. ............................................................................... 53 6.2. DESARROLLO DEL PROTOTIPO .................................................................. 54 6.2.1. FASE 1: Desarrollo Preliminar del Prototipo ................................................ 54 6.2.2 FASE 2. Ajustes realizados al planteamiento del prototipo. ........................ 60 6.2.2.1 Diseño CAD órtesis de rehabilitación ........................................................ 62 6.2.3 FASE 3. Ajustes y definiciones referentes al desarrollo del Prototipo ......... 63 6.2.4 FASE 4. Ajustes finales correspondientes al desarrollo del Prototipo ......... 69 6.3 DISEÑO CAD Y SIMULACIONES ................................................................... 75 6.4. CONSTRUCCIÓN DISPOSITIVO PROTOTIPO ............................................. 77 6.4.1 Dispositivo Preliminar. ................................................................................. 77 6.4.2 Dispositivo Final. ......................................................................................... 79 6.5 DESARROLLO DEL SISTEMA EN SIMULINK ................................................ 87 6.6 VALIDACIÓN ................................................................................................... 90 6.6.1 Funcionamiento. .......................................................................................... 90 6.6.2 Protocolo de Rehabilitación ......................................................................... 91 6.6.3 Uso .............................................................................................................. 93 6.6.4 Operación. ................................................................................................... 93 6.7 PRESUPUESTO ............................................................................................. 99 7. CONCLUSIONES ............................................................................................ 100 8. RECOMENDACIONES .................................................................................... 102 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................... 103 ANEXOS .............................................................................................................. 111PregradoThe purpose of this work is to conceive and develop a rehabilitation device that allows active movement and adapts to the anatomical and biomechanical configuration of the human knee. The project covers several aspects: selection of instrumentation, control system to restrict the trajectories of essential movements for proper rehabilitation, creation of a prototype through stages involving analysis, CAD design, and simulations, construction, and validation of the prototype through tests following a predefined rehabilitation protocol. As a result, the feasibility of creating a safe, practical, and economical device with interchangeable moving components is demonstrated, and in the short or medium term, an improvement in the range of mobility is achieved.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_abf2Diseño y construcción de un dispositivo mecatrónico ortopédico para apoyo a la rehabilitación postoperatoria de rodillaDesign and Construction of an Orthopedic Mechatronic Device for Post-surgical Knee Rehabilitation SupportIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicDeviceBiomechanicsRehabilitationKneeActive movementPhysical teraphyPrototype developmentInvestigation and developmentMedical suppliesSimulation methodsMecatrónicaDesarrollo de prototiposInvestigación y desarrolloSuministros médicosMétodos de simulaciónDispositivoBiomecánicaRodillaRehabilitaciónMovimiento activoTerapia físicaAVITIA JUAREZ Carmen Biomecánica marcha humana. Cap. 3 [En línea]. - 2020. - 26 de agosto de 2020. - Disponible en: https://www.academia.edu/13063357/CAP%C3%8DTULO_TRES_BIOMEC%C3% 81NICA_DE_LA_MARCHA_HUMANA.AYALA Encarnación Sindrome Rotuliano [Journal]. - [s.l.] : Revista Elsevier. - 5 (septiembre-octubre 2009). p. 38-41 : Vol. 23.BREG Support at every step, Kneep braces [En línea]. - 2021. - 15 de 06 de 2021. - Disponible en: https://www.breg.com/wp-content/uploads/woocommerce-storecatalog-pdf-download/Breg,-Inc.-Store-Catalog-1675091583.pdf; https://www.breg.com/products/knee-bracing/functional-oa/compact-x2kcounterforce-knee-brace/.CANCHOLA [Informe]. - Op. cit. p. 31,32,37.CANCHOLA HERNANDEZ Carlos Jaime Diseño de una órtesis de rodilla compensatoria para el desgaste de cartilago desde un enfoque biomecatronico. [Informe]. - 241p. : Tesis maestria en Ingenieria. 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