5/21/2018 Adquisicion y Procesamiento de Seales Rodilla y Cadera

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Abstract.Este documento presenta una forma de adqui ri rseales de la rodi l la y cadera, las mismas que sern procesadastomando en cuenta diferentes aspectos para adquirir unaseal. L os objeti vos planteados en este tr abajo de investigacin

e impl ementacin es obtener las cur vas caractersticas de larodi ll a y cadera en grados en f uncin del t iempo, para de estamanera estos datos enviarl os a los actuadores (motores) con elfin de emular la caminata humana para el desarrollo del

proyecto final exoesqueleto humano.

Palabras Clave.-Cadera, Daq, Labview, Rodil la.

I. INTRODUCCIN

El diseo de exoesqueletos comprende unreto para la ingeniera, esto se debe a queel sistema debe prestar todas lasseguridades para el usuario y adems deser una estructura resistente, el dispositivodebe brindar todas las seguridades delcaso y ser capaz de emular la caminatahumana.

En el desarrollo de un exoesqueleto paralas extremidades inferiores las partesinvolucradas son la mecnica, la desoftware y la de control o potencia, en eldesarrollo del mismo, dentro del softwarese encuentra la parte de adquisicin de lasseales de los ngulos generados por eltobillo, rodilla y cadera, en este caso eltrabajo se encuentra enfocado en la caderay rodilla, esto debido a que son las partes

del cuerpo que presentan mayor actuacinel momento de desarrollar la marcha.

II. ANTECEDENTES

Con el transcurso de los aos laelaboracin de los exoesqueletos ha venidodesarrollando grandes teologas a nivel

mundial, desde el primer prototipo deexoesqueletos desarrollados como es elconocido Hardiman desarrollado porGeneral Electric en el que se dio un primeravance en la elaboracin de exoesqueletos.[2]

III. SUSTENTO TERICO

3.1 ngulos de Cadera, Rodilla

Ilustracin 1. ngulos en el plano sagital de las articulaciones(Grados) durante un nico ciclo de la marcha de la caderaderecha, la rodilla y el tobillo. IC = Contacto inicial; OT = del

pie sin levantar; HR = elevacin del taln; OI = contacto inicialopuesto; TO = punta del pie apoyada; FA = pies adyacentes;TV = tibia vertical [1].

En la ilustracin 2, que se basa en los datosde Sutherland (1988), muestra elmovimiento plano sagital medio en lasarticulaciones de cadera, rodilla y tobillo

ADQUISICION Y PROCESAMIENTO DESEALES DE RODILLA Y CADERA

Baculima Pintado Marco Santiago, Castro Castro Miguel Francisco, Urgiles Fernando AutoresUniversidad Politcnica Salesiana, escuela de Ingeniera Electrnica

mbaculima@est.ups.edu.ec

mcastro@est.ups.edu.ecfurgiles@ups.edu.ec

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realizadas en 49 nios entre 11 y 13meses. En comparacin a la ilustracin 1,en el que se muestra los mismosparmetros para una mujer adulta normal.[1]

Como se puede ver el patrn de flexin dela cadera y la extensin, difiere de la de losadultos en el grado de extensin, esta sereduce y la cadera no permaneceflexionada durante tanto tiempo al final dela fase de oscilacin. [1]

Ilustracin 2. Seales obtenidas en el plano sagital, ngulos dela rodilla cadera y de tobillo en nios de 1 ao de edad, en elque el ngulo de la cadera se ha extendido 15 grados paraigualar a la del adulto. [1]

En bases a los patrones expuestos losdatos obtenidos se intentaran obtener parade esta manera ser analizados y buscar la

semejanza entre los valores descritos yadquiridos.

IV. DESARROLLO

Para la adquisicin de las seales sedise un prototipo de electro gonimetros,en realidad bastante sencillo, este fuerealizado con potencimetros y reglas de

uso comn, ver figura 1, en las cuales serealizado un mecanizado asemejando auna junta esfrica y as conseguir el libremovimiento circular a casi 360, ya que lospotencimetros no nos brindan esa libertad,ver figura 2.

Las dimensiones para las reglas fueronbasadas en la figura 3 en la cual nosmuestra la distancia ideal de lasextremidades de una persona y en base alas pruebas realizadas podemos decir queestas dimensiones fueron bastantesacertadas, debido a que no tuvimosinconveniente en colocar a un varn omujer de diferentes estaturas.

Una vez desarrollado el prototipo y probadosu flexibilidad y adaptabilidad a la persona,para el anlisis de las seales tomadas, sedise un entorno de visualizacin enLabView en el cual se adquieren lasseales y se procesan para mostrarnos elngulo de movimiento con respecto altiempo tanto de la cadera como de larodilla. El entorno de visualizacin seaprecia en la figura 4.

Figura 1. Prototipo de electro gonimetro para adquirir eldesplazamiento angular de cadera y rodilla.

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Figura 2. Junta esfrica creada por los autores, para el acoplede las reglas con los potencimetros.

Figura 3. Distancias entre las diferentes articulaciones delcuerpo humano del individuo modelo [3]

Figura 4. Interfaz desarrollado en Labview para la adquisicin

y anlisis del movimiento angular de rodilla y cadera.

Figura 5. Diagrama a bloques para la adquisicin y anlisis delmovimiento angular de rodilla y cadera.

Al momento de adquirir las seales porprimera vez vimos que estas nosmostraban componentes positivas ynegativas con una variacin entre sidemasiado rpidas e influan demasiado almomento del anlisis, es por eso que vimos

conveniente elevar la seal original alcuadrado y nuevamente sacar su razcuadrada y de esta manera comoesperbamos obtuvimos sealesnicamente con componentes positivas ycon menos disturbios. El proceso deadquisicin a ms detalle se puede ver enla figura 5.

Con el prototipo de adquisicin y el entornode anlisis desarrollado y probado,

procedimos a realizar la toma de seales,adaptando el sistema a una persona de 20aos, ver figura 6.

Claramente podemos ver la adaptabilidaddel prototipo, as mismo se aprecia en lafigura 7, como se toma la muestra dedesplazamiento angular de la cadera, elcual adems se verifico con un gonimetro

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comn, de la misma manera se ve en lafigura 8, para el anlisis de la rodilla.

Figura 6. Ubicacin del sistema de adquisicin.

Figura 7. Verificacin de la correcta adquisicin deldesplazamiento de la cadera (medicin del Angulo con un

gonimetro)

Figura 8. Verificacin de la correcta adquisicin deldesplazamiento de la rodilla (medicin del Angulo con un

gonimetro

Con el sistema colocado, procedimos arealizar las pruebas de medicin yobtuvimos las curvas que se aprecian en

las figuras 9 y 10, que corresponden a larodilla y cadera respectivamente.

Las muestras adquiridas sin bien es ciertono son las ms optimas pero se acercan demanera notable a las propuestas en lasilustraciones 1 y 2 tanto para rodilla ycadera. Cabe resaltar que las muestrastomadas fueron sobre la pierna izquierda dela persona en anlisis.

Las grficas presentadas fueron adquiridasoriginalmente desde el entorno creado enLabview, pero para el anlisis los datosfueron exportados a Excel, y aqugraficadas las curvas. Las cuales seaprecian con gran calidad de detalle paratrabajos futuros o mejoras del sistema deadquisicin.

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Figura 9. Curva correspondiente al desplazamiento angular dela rodilla con respecto al tiempo.

Figura 10. Curva correspondiente al desplazamiento angular de

la cadera con respecto al tiempo.

V. Conclusiones

El sistema de adquisicin propuesto conpotencimetros y reglas comunes, resultoser un medio bastante aceptable para elprocesamiento de seales de rodilla ycadera, las muestras adquiridas medianteestas se acercan notablemente a lasilustraciones 1 y 2, en la cual se basnuestro diseo, ya que estas curvas son lasms acercadas a la realidad del movimientode la rodilla y cadera.

Las curvas obtenidas no resultaron de altafidelidad debido a una caracterstica

conocida de los potencimetros, ya queestos no brindan una medida exacta, sinembargo los resultados obtenidosapreciados en las figuras 9 y 10, sonbastante aceptables.

A pesar de tener un sistema exacto deadquisicin vemos que nuestro prototipo esaceptable comparado con sistemas deadquisicin altamente costosos y conentornos complicados de utilizar.

VI. Referencias

[1] Whittle M. W. GAIT ANLYSIS ANINTRODUCTION, Editorial Heidi Harrison,

(2007).

[2] Acosta E. O., Quintero V., VelascoToledo N. SELECCIN DE ACTUADORESY SENSORES PARA EL TOBILLO Y LARODILLA DE EMI-UMNG (2013) de:http://www.scielo.org.co/scielo.php?pid=S0124-81702013000100004&script=sci_arttext

[3] Biomecnica de la rodilla y lesiones,disponible en:

http://www.muscleblog.es/2010/09/biomecanica-dela-rodilla-y-lesiones-sentadilla-profunda-vs-sentadilla-horizontal