diseño de un exoesqueleto de miembro superior

Diseño de un exoesqueleto demiembro superior

Alfredo José Sanabria Solano

Proyecto de investigación:

Ingeniería Biomédica

Universidad Manuela Beltrán

Facultad de Ingeniería Biomédica

Bogotá, D.C., Colombia

Febrero

2012

Diseño de un exoesqueleto demiembro superior


Proyecto de investigación:

Ingeniería Biomédica

Profesor:

Ingeniero Carlos Montenegro Perez

Universidad Manuela Beltrán

Facultad de Ingeniería Biomédica

Bogotá, D.C., Colombia

Febrero

2012

Autoridades Academicas

Dr. Jaime Luis Gutierrez Giraldo

Rector

Dr. Juan Carlos Tafur

Vicerrector Academico

Ing. Manuel Humberto Jimenez

Vicerrector de investigaciones

Ing. Diana Estefy Gutierrez Galvis

Decana facultad de ingenierías

Directora del programa de Ingeniería Biomédica

Ing. Javier Villamizar Ramirez

Coordinador de investigaciones

Nihil est in intellectu quod prius non fuerit in sensu. Locke

El empirismo puro no es más que el deseo de sentir la felicidad de saber quellegaste por tus propios métodos a un resultado quizá predecible pero no tan emo-cionante. Saber lo que quieres y buscar el camino para conseguirlo es parte de lamayor enseñanza que he podido recibir. Las herramientas que tengo son mi espírituy mi curiosidad impasible. Mi mayor anhelo es nunca dejar de sorprenderme. Y -nalmente mi mayor lección:

Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo. Albert Ein-

stein

Nota de Aceptación

Firma del presidente del jurado

Firma del jurado

Firma del jurado

Firma del jurado

Firma del jurado

Tabla de contenido

1. Descripción del proyecto 10

1.1. Planteamiento de problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2. Pregunta problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3. Justicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5. Delimitaciones del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2. Estado del arte 13

3. Metodología 16

4. Resultado del diseño mecánico 20

4.1. Antropometría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2. Diseño Estructural Cinemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.3. Denición de la tecnología del actuador a emplear . . . . . . . . . . . 234.4. Diagrama de fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.5. Diseño Estático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.6. Diseño Dinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5. Resultados del diseño electrónico de la captura de las señales 40

5.1. Características generales de la onda miográca. . . . . . . . . . . . . 405.2. Diagrama de etapas del equipo de captura de las señales electro-

miográcas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.3. Localización de los electrodos de captura . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6. Resultados del procesamiento digital de las señales electromiográcas 50

6.1. Etapas del procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506.2. Resultados de la implementación del algoritmo . . . . . . . . . . . . . 54

7. Resultados de los Sistemas de movimiento del exoesqueleto 56

7.1. Modelamiento del control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567.2. Implementación y selección de componentes. . . . . . . . . . . . . . . 567.3. Resultados del diseño del control de movimiento . . . . . . . . . . . . 59

5

8. Discusión y Conclusiones 62

9. Comentarios 64

Bibliografía 65

10.Anexos 68

10.1. Planos del exoesqueleto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6810.2. Análisis y resultados por elementos nitos . . . . . . . . . . . . . . . 6910.3. Cálculos y diagramas Filtros Electrónicos . . . . . . . . . . . . . . . . 7110.4. Fotografías y diseños nales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6

Lista de Figuras

3-1. Esquema de evolución de la metodología seguida para alcanzar el nde este proyecto. Cada una de estas etapas se ven diferenciadas entresí por los recuadros de colores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4-1. Escaneo láser del molde del hombro del sujeto. . . . . . . . . . . . . . 224-2. Detalle de la malla generada por el escaneo del molde del hombro del

sujeto.[32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234-3. Tipos de articulaciones del cuerpo humano. [26] . . . . . . . . . . . . 244-4. Categorías de las articulaciones del cuerpo [26] . . . . . . . . . . . . . 254-5. Campo de Acción del exoesqueleto con delimitaciones de los ángulos

de las articulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264-6. Diagrama de Cuerpo Libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274-7. Conjunto de piezas que forman la estructura del antebrazo . . . . . . 284-8. Conjunto de piezas que forman la estructura del brazo . . . . . . . . 294-9. Diagrama de ensamble del Antebrazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304-10.Análisis del antebrazo con una carga de 1000 N y una fuerza del

actuator equivalente a 400 N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324-11.Estructura cinemática del exoesqueleto (ver deniciones de los cuer-

pos en la tabla 4-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334-12.Estructura cinemática del antebrazo (ver deniciones de los cuerpos

en la tabla 4-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344-13.Diagrama de cuerpo libre, geométrico del antebrazo. . . . . . . . . . . 354-14.Representación gráca de la ecuación cinemática del movimiento del

antebrazo.[25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374-15.Representación gráca del ángulo θ versus la longitud L del actuador

[25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384-16.Representación gráca de la variación de la longitud del actuador en

función del tiempo y de la velocidad lineal.[25] . . . . . . . . . . . . . 384-17.Representación gráca de la variación del ángulo θ versus el tiempo

y la velocidad lineal del actuador.[25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394-18.Representación gráca de la velocidad del actuador vs tiempo.[25] . . 39

5-1. Señal Electromiográca del Peroneo [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7

5-2. Diagrama de Bode del ltro rechazabanda de 60Hz. . . . . . . . . . . 445-3. Diagrama de Bode del ltro rechazabanda de 120Hz. . . . . . . . . . 445-4. Diagrama de Bode del ltro Pasabanda de 20 a 500Hz. . . . . . . . . 455-5. Esquema del montaje del ltro pasabanda de 20 a 500 hz. . . . . . . 455-7. Esquemático del circuito de amplicación . . . . . . . . . . . . . . . . 455-6. Circuito impreso de los ltros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465-8. Principales ejes de acción de los musculos del codo durante la exión

y extensión[22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475-9. Posiciones de la articulación del hombro durante la abducción[22] . . 485-10.Localización de los puntos de máxima actividad del Biceps . . . . . . 495-11.Localización de los puntos de máxima actividad del deltoides . . . . . 49

6-1. Diagrama de bloques del procesamiento digital de la señal . . . . . . 516-2. Codigo en labview para la digitalización de la señal de EMG . . . . . 526-3. Código en labview para el procesamiento y activación del pulso de

activación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546-4. Grácas de la contracción obtenidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546-5. Pulso (verde) de activación debido a una contracción (Blanco) en

referencia a un voltaje de comparación (Rojo) . . . . . . . . . . . . . 55

7-1. Diagrama de bloques del sistema neumático . . . . . . . . . . . . . . 567-2. Diseño esquemático del sistema de aislamiento digital y potencia. . . 577-3. Circuito neumático del sistema de movimiento[33] . . . . . . . . . . . 587-4. Músculo de aire extendido [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597-5. Músculo de aire contraido [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597-6. Tabla de relaciones de carga en función del diámetro del músculo de

aire. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607-7. Circuito nal del sistema de aislamiento[5] . . . . . . . . . . . . . . . 61

10-1.Reporte de cálculos para el ltro Notch de 60 Hz[20]. . . . . . . . . . 7110-2.Reporte de cálculos para el ltro Notch de 120 Hz[20]. . . . . . . . . . 7510-3.Reporte de cálculos para el ltro Pasabanda de 20 a 500 Hz[20]. . . . 79

8

Lista de Tablas

4-1. Medidas estándar de un percentil 50 en latinoamérica [6]. . . . . . . . 214-2. Comparación de los diferentes tipos de actuadores [4]. . . . . . . . . . 254-3. Parámetros que el proyecto exige para la selección del material . . . . 294-4. Deniciones para cálculo de ecuaciones cinemáticas . . . . . . . . . . 324-5. Deniciones de los cuerpos implicados en la estructura cinemática del

exoesqueleto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

9

Capítulo 1

Descripción del proyecto

1.1 Planteamiento de problema

Los dispositivos, que buscan incrementar las capacidades físicas de los individuos,hacen parte de los sueños y demás desarrollos que tiene la ciencia de la biomedicina,en combinación con la industria del entretenimiento y la militar. Los socorristas almomento de brindar ayuda a una víctima, requieren desplazar escombros o movi-lizarse. El no tener una capacidad de carga elevada impide que se genere una res-puesta inmediata, impidiendo ofrecer asistencia o adoptar medidas que disminuyanel riesgo de la víctima y de los mismos socorristas. Al momento de evaluar el temaen Latinoamérica, nos topamos con un número limitado de investigaciones en esteárea, más aún en Colombia. Las principales universidades de Estados Unidos y deEuropa cuentan en la actualidad con un número elevado de grupos de investigaciónenfocados en este campo. Cada una de estas investigaciones se caracteriza por lalinea de actuadores que se escoge para realizar el movimiento.

1.2 Pregunta problema

¾Qué dispositivo se puede crear, para incrementar la capacidad de carga de losbrazos de los integrantes del cuerpo de socorro en Colombia?

1.3 Justicación

La probabilidad de supervivencia debido a un trauma ya sea en un accidente au-tomovilístico y/o debido a una catástrofe natural, es directamente proporcional altiempo de respuesta de los organismos de socorro [21]. Llegado el momento en quelos socorristas están en campo y la catástrofe exige que ellos deban atender diferentestareas simultáneamente, el uso de dispositivos que realcen las capacidades físicas de

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ellos, resulta imperativo para aumentar las probabilidades de supervivencia de todaslas víctimas, sin embargo el cuidado y la salud propia de los socorristas es un factorvital para el éxito de la misión. Miles son los casos en los que los cuerpos de socorrodeben dar de baja a sus propios socorristas, ya que estos han sufrido accidentes dondese ven comprometidos sus extremidades y sus capacidades de carga, fuerza etc... [21].

Disminuir estos casos es indispensable para la continuidad del cuerpo y para laeconomía del mismo, ya que cada caso de accidente durante un rescate, resulta igualde costoso que salvar a la misma víctima.

Proponer el diseño de un dispositivo que construido pueda ser considerado comoun elemento que le permita a los socorristas efectuar una respuesta inmediata, quedesarrolle una fuerza superior a la de un brazo no entrenado, resulta una herramien-ta que beneciaría tanto a la víctima como al cuerpo de socorro.

Finalmente y no menos importante es la maniobrabilidad y capacidad de trans-porte de los elementos anteriormente mencionados. Se ha observado como, llegadoel momento de emplear fuerzas no humanas durante un rescate, resulta en el uso deretro-excavadoras, cargadores entre otros elementos, de gran tamaño, que principal-mente tienen un movimiento brusco y descontrolado. De igual modo estos equiposno pueden ser transportados fácilmente por el cuerpo de socorro, pero tienen queser llevados al sitio por personas externas y cuyo entrenamiento en el uso de estosno prioriza el rescate de la víctima; pero sí, el movimiento de elementos de granpeso y volumen. Por estas razones, crear un dispositivo que pueda ser transportadoligeramente y que incremente la capacidad de carga de un socorrista, se torna en unreto útil y de gran valor para estos cuerpos.

1.4 Objetivos

1.4.1. Objetivo General

Diseñar un exoesqueleto con un sistema de actuadores, que incrementen la ca-pacidad de fuerza del miembro superior derecho, cuyo movimiento sea controladomediante la captura y procesamiento de señales electromiográcas.

1.4.2. Objetivos Especícos

Diseñar la estructura del exoesqueleto usando herramientas CAD (Solidworks- CosmosWorks)

Diseñar el sistema de control electrónico de movimiento del exoesqueleto.

11

Diseñar los electromiógrafos requeridos para la captura de los impulsos eléc-tricos musculares, necesarios para la activación del sistema de movimiento

Escoger el mejor sistema de actuadores (neumático, hidráulico, eléctricos, elec-trónicos) para un sistema de exoesqueleto Humano.

Escoger los materiales que cumplan con los requerimientos del exoesqueleto

1.5 Delimitaciones del proyecto

El diseño debe ser portátil sin embargo, debe poseer un soporte a tierra paraque la carga a levantar, no recaiga en la espalda del usuario de este prototipo

El diseño contempla únicamente dos (2) Grados de libertad ya que es la primeraface del diseño de un exoesqueleto general de cuerpo completo, desarrollos quese pueden realizar en el transcurso de los siguientes semestres con la ayuda deestudiantes de ingeniería Biomédica de la Universidad.

El presente proyecto es una propuesta documentada base para que otro grupode estudiantes realice su montaje y pruebas físicas.

El presente diseño se limita a incrementar la capacidad de carga de un miembrosuperior derecho, de un hombre de características antropométricas cercanas alpercentil 50, en Colombia.

12

Capítulo 2

Estado del arte

El mito de unir una máquina con el ser humano, no es solo ciencia cción mod-erna, ni mucho menos. Desde los mismos inicios de la medicina, ya se contemplabaintercambiar funciones del cuerpo humano, por máquinas que permitieran suplirlas mismas. Un gran ejemplo de esto es un lugubre pero increible compendio deortesis y protesis funcionales del siglo XVI, Oplomoclion de Hyeronunys Fabriciusd'Acquapendente (Italia) de 1592 [7].

La evolución de la tecnología trajo consigo un salto en los diseños de los exoesquele-tos, llegando a la actualidad donde múltiples universidades y entidades del mundo,están desarrollando investigaciones de gran contenido cientíco y de ingeniería [1].Entre las investigaciones actuales se pueden encontrar:

1. Creador: Instituto de Nanotecnologia para soldados y MIT (Instituto Tec-nológico de Massachussets)Objetivo: Levantar 5 toneladasEstreno: 2018El químico llamado Timothy Awager y el ingeniero Ian Hunter fueron loscreadores de un polímero que puede contraerse como si se tratara de unacordeón, gracias a descargas eléctricas. En las pruebas los actuadores quefueron fabricados con este material, tuvieron fuerza 100 veces mayor a las delos músculos de los seres humanos.

2. Creado: MIT y Raytheon Sarcos (RS)Objetivo: Correr como un atletaEstreno: 2013Hugo Herr, experto en ortopedia del MIT ha podido fabricar tobillos, rodillasy caderas que ayudan a economizar energía. De la misma forma que lo hacemosal caminar; el operador puede balancear sus piernas con total libertad en lugarde generar cada movimiento por separado. RS rediseña los tobillos para quela persona que los use pueda reimpulsarse con el dedo gordo del pie y pueda

13

correr a más de 10 Km./h, como lo hacen en la actualidad.

3. Creador: ISN y Centro de investigación, desarrollo e ingeniería de Natick (Es-tados Unidos)Objetivo: Sanar automáticamenteEstreno: 2018Cuando un soldado fuera herido, unos sensores de su traje tendrían la ca-pacidad de identicar la pérdida de sangre para aplicar, por medio de venasarticiales, agentes coagulantes en las heridas. A través de estos sensores cabela posibilidad de monitorizar su presión sanguínea y el ritmo cardiaco desdeun centro medico remoto.

4. Creador: Raytheon SarcosObjetivo: Intercambio rápido de funcionesEstreno: 2009Con un juego de mandos en el antebrazo se podrían realizar más fácilmente unaserie de acciones especícas. Un boton de desconexión le permitiría al soldadoliberarse en caso de emergencia. Otro botón le daría un impulso energéticoque le permitiría hacer acciones intensas en un corto periodo de tiempo, paraque, por ejemplo,puedan salir de la zona de combate. Los soldados podríantambién congurar el traje para marchas a larga distancia.

5. Creador: J.M. Grosso, Miembro, IEEE , y D. Tibaduiza, Miembro, IEEEObjetivo: Asistir en la rehabilitación del miembro inferior [19]Estreno: 2009Durante el segundo congreso de mecatrónica se presentó este diseño conceptu-al de la Universidad Autónoma de Bucaramanga en la que se destaca el uso deExoesqueleto para suplir la fuerza de pacientes en la realización de ejerciciosde rehabilitación controlada.

El diseño de Exoesqueleto en Colombia, se ha orientado mucho al diseño de ins-trumentos para suplir las necesidades de fuerza y movimiento de los pacientes quesufren de lesiones, que los llevan a rehabilitación. Este tipo de dispositivos de igualmodo llamados exoesqueletos, tienen el objeto de suplir o ayudar a las personas quelos emplean en sus movimientos, sin embargo este tipo de exoesqueleto sigue siendoun tipo de dispositivo anclado a un sistema de laboratorio, lo cual impide que estesea llevado o transportado por su operador. Teniendo en cuenta uno de los objetivosde este proyecto se desea entonces enfocar en la portabilidad del sistema y proyectartodo el montaje a cumplir con este objetivo.

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Cada uno de estos avances tecnológicos e investigaciones tienen enfoques únicos ymuy precisos, sin embargo se cuenta con una amplia gama de investigadores de di-versas especialidades. Con el n de darle un enfoque al presente trabajo, basándonosen cada uno de los avances aquí citados, el exoesqueleto que aquí presentaremos bus-ca realzar de manera portátil la capacidad de carga de un brazo, empleando diseñosnovedosos en el ámbito de la neumática y aplicando especícamente los avances enelectromiografía funcional supercial.

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Capítulo 3

Metodología

Metodológicamente, el presente diseño siguió una estructura cronológica. El es-quema de desarrollo se presenta en la gura 3-1.El proyecto se desarrolla en 4 etapas denidas de la siguiente manera:

1. Etapa de denición del proyecto

2. Etapa de delimitación del proyecto

3. Etapa de desarollo e investigación

4. Etapa de documentación

A su vez, la etapa de desarrollo e investigación está compuesta de cuatro grandeslineas.

Diseño mecánico

Diseño electrónico

Diseño de procesamiento digital de señales

Diseño del movimiento del exoesqueleto

En cada una de estas grandes lineas, el diseño se desarrolló en tres faces. Unaprimera face de recolección de información y teoría, una segunda face de desarrolloy pruebas y nalmente una face de resultados y conclusiones. De igual manera co-mo se desarrolló el proyecto, el lector de este documento podrá encontrar toda lainformación del mismo, desplegada en los diferentes capítulos que lo componen deigual manera como se realizó el proyecto.

Cada linea de investigación estuvo acompañada por el uso de un programa osoftware especíco.A continuación se relacionan los diferentes programas empleadosy las razones por las cuales fueron escogidos como herramientas en el desarrollo delpresente trabajo.

16

Figura 3-1: Esquema de evolución de la metodología seguida para alcanzar el nde este proyecto. Cada una de estas etapas se ven diferenciadas entresí por los recuadros de colores.

Cicloqueserepiteporcadalíneade

investigación(Mecanica,CapturadeseñalesEMG,

ProcesamientodeSeñales,Activacióndel

movimiento).

Estudiodela

problemática

Lluviadeideasy

posibles

soluciones

Propuestade

unaideay

enfoqueenla

misma

Estudiodelos

parámetrosdela

misma

Delimitaciónde

lapropuesta

Búsquedadelos

avancesenla

actualidady

estadodelarte

Propuestade

diseño.

Definicióndelas

líneasde

investigación

Teoría

Y

cálculos

Pruebasy

análisis

Experimentales

Revisiónde

resultados

Unificaciónde

losresultadosde

cadalinea

Entregafinaldel

diseño

Documentación

deldiseño

Aprobacióndelos

Resultados

No

Sí

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1. Linea de diseño mecánico

Solidworks [32] Este Software de la casa matriz Dasault Systems fue se-leccionado como principal programa para el diseño mecánico por su ver-satilidad, facilidad de manejo y especialmente por la base de datos demateriales y toolbox con la que se cuenta. Este aspecto agilíza el diseñode las piezas y minimiza los errores al momento de la fabricación porincompatibilidades con elementos estandarizados.

Cosmosworks [31] Este programa al igual que solidworks, pertenece a lacasa matriz Dasault Systems. Su especial facilidad de manejo, alta pre-cisión en los análisis, reconocidos algoritmos de cálculo y amplio espectrode análisis hacen de este, un programa indispensable para la validaciónde las piezas al momento de proponer un diseño mecánico.

2. Linea de diseño electrónico

Eagle - Cadsoft [5] Este programa fue elegido entre los muchos progra-mas de diseño de circuitos impresos, debido a su compatibilidad con lamáquina de ruteo presente en el Tecnoparque del sena. De igual maneraes importante recalcar la amplia gama de librerías existentes para esteprograma en especial.

Multisim [18] Este programa de la casa matriz National Instrument [17],fue empleado en la comprobación de multiples circuitos de amplicadoresempleados en las fases de pruebas de este proyecto. Su amigable pre-sentación y el respaldo de National hicieron de este programa un granaliado en los diseño de los circuitos, sus pruebas teóricas y vericacióndigital de los mismos.

Filterpro Los cálculos manuales de los ltros activos, son parte de lasenseñanzas que la academia deja en el conocimiento del ingeniero. Sinembargo calcular y revisar estos ltros, hacen de esta tarea algo penosoy largo. El uso de un programa certicado por empresas como Texas in-struments [20] permitió realizar estas pruebas un sin n de veces, hastaobtener un ltro adecuado a las necesidades del sistema, y minimizandoel tiempo invertido en esta tarea.

3. Linea de diseño del procesamiento digital de las señales

Labview [18] Como ya se ha mencionado, National instruments aportóen numerosas veces, valiosas herramientas para el presente diseño. Uncaso más de estos aportes es el entorno de programación Labview, el cual

18

permitió enlazar los circuitos simulados en Multisim, con sistemas físicoscomo el DAQ [17]. Este aporte fue la principal herramienta digital parala implementación del algoritmo base de este proyecto Vandertz [10].

4. Linea de diseño del movimiento del exoesqueleto

Automation [33] El programa por excelencia en el diseño de los circuitosneumáticos, ha sido siempre Fluidsim, sin embargo en el desarrollo delpresente trabajo, se pudo constatar falencias en la versión gratuita a lacual se puede acceder en calidad de estudiante. Afortunadamente dichasfalencias se pudieron superar con un programa con el que cuenta el SENA.Automation no solo permitió simular el sistema neumático, sino permi-tió observar las grácas de respuesta del mismo, logrando así corregirfalencias como el rizado u oscilación del movimiento.

En cada etapa del proyecto, los nuevos conocimientos fueron evaluados. En cadaetapa nueva e innovadora, se realizó una investigación de los adelantos tecnológicosque otros diseñadores ya habían realizado. De este modo, aunque los desarrollos deotros investigadores hayan evolucionado a otros más avanzados, en miras de dar unpaso más adelante, los materiales que se emplearán son los que más se adaptan almercado colombiano, lo cual, garantiza su viabilidad en nuestro territorio.

19

Capítulo 4

Resultado del diseño mecánico

El presente capítulo busca esclarecer los movimientos que se tiene en cuenta enel presente diseño, aspectos como la antropometría permiten denir los alcancesestructurales, estáticos y dinámicos con los que se lidiarán para la propuesta delexoesqueleto. El estudio presentado en este capítulo busca que al nal del mismo, ellector pueda denir cuales son las partes que necesita, que dimensiones deben tener,y cuáles son los movimientos que tendrá el sistema.

4.1 Antropometría

Las medidas del exoesqueleto están sujetas a las medidas del individuo que lo vaa portar, por lo que la antropometría y la ergonomía del diseño juegan un papelprimordial en la fase de diseño. Para suplir un estándar en las medidas de los in-dividuos se escogió en percentíl 50 como el estándar a seguir. Dicho percentíl estádado por las tablas antropométricas de la organización mundial de la salud [28]. Lasmedidas que se emplearon en este caso se resumen en la tabla 4-1.

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Tabla 4-1: Medidas estándar de un percentil 50 en latinoamérica [6].Hombre Mujer

Edad (Años) 34,5± 11,6 40,3± 12,4Peso (Kg) 69,58± 16,22 63,35± 14,66Talla (m) 168,80± 7, 08 156,08± 5,75Circuenferencia de brazo (cm) 28,87± 3,94 29,12± 4,39Circunferencia de cintura (cm) 85,42± 13,02 82,42± 14,0Pliegue de Triceps (mm) 9,63± 5,92 20,11± 8,13Pliegue de bíceps 5,77± 3,66 10,68± 6,41Pliegue subescapular (mm) 16,68± 8,85 23,39± 8,85Pliegue suprailíaco (mm) 19,95± 9,79 23,62± 9,45

Indice de masa corporal ( kgm2 ) 24,36± 4,96 25,96± 5,63

Porcentaje de masa corporal Total 21,08± 6,65 34,69± 6,09Área muscular del brazo 51,33± 11,29 35,34± 8,77

Habiendo denido las medidas a emplear para estandarizar el diseño del ex-oesqueleto, se realiza un escaneo de precisión de la porción del hombro del individuoque servirá de modelo para el primer prototipo de este proyecto. Para esta actividadse procede a realizar un molde del hombro del individuo (gura 4-1) y posterior-mente éste es digitalizado mediante el uso de un escáner láser de alta precisión1 elcual entrega una malla digital con la que se procede a trabajar en programas deltipo CAM CAD tal y como lo es Solidworks2

La malla que se obtiene genera triángulos de 2,0 ± 0,1mm los cuales permitengarantizar un diseño muy cercano al establecido para este proyecto (ver gura 4-2).

Una vez se han denido todas las medidas necesarias para el diseño se procede adarle forma a las diferentes piezas del proyecto.

4.2 Diseño Estructural Cinemático

En la literatura se pueden encontrar multiples tipos de exoesqueletos entre los quese pueden destacar los diseñados para rehabilitación, para suplir patologías asociadasal movimiento, o aquellos diseñados para interactuar con dispositivos externos.[3] Encada uno de estos casos el exoesqueleto es un elemento externo que le permite a suusuario recuperar una habilidad que ha perdido o que no posee, sin embargo los ex-oesqueletos creados para interactuar o en el caso de este proyecto, para incrementarla capacidad de un individuo pertenecen a una tendencia que busca prevenir lesiones

1NextEngine www.nextengine.com2Programa de diseño tridimensional y análisis de estructuras por medio del cálculo y los elementosnitos. www.solidworks.com

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Figura 4-1: Escaneo láser del molde del hombro del sujeto.

y no solo tratarlas.

El tipo de exoesqueleto que se propone seguir en este proyecto se inspira en lasantiguas armaduras de los señores feudales y busca recrear los sistemas de movilidadque estas tenían ajustándolas a las necesidades del presente proyecto.

En primer lugar se estudia la movilidad del codo, siendo esta una estructura demovimiento sencilla pero que representa un desafío al momento de darle movilidad.Debido a la forma usual de eje central es imposible de ajustar a la anatomía humanaya que no se puede atravesar un solo eje de lado a lado. Por tal motivo se opta pordos ejes alineados de manera que cumplan con su función principal sin obstruir elmovimiento natural del codo mismo. Una manera de ejemplicar este concepto esreferirse a cada articulación del cuerpo humano por su esquematización en términosde movimiento mecánico y la categorización que los ingenieros mecánicos han creadopara estos propósitos.(ver g: 4-4)

El cuerpo humano se compone de diferentes tipos de articulaciones como pode-mos ver en la gura 4-3. Para el actual proyecto se tomaron por delimitaciones delmismo las articulaciones del codo y del hombro como un solo tipo de articulación.El tipo de articulación escogida es la tipo bisagra por su facilidad de realizacióny las ventajas en cuanto al diseño de la misma. la esquematización de la misma sepuede ver en la gura 4-3 y en la gura 4-4 bajo el nombre de articulación del codo.

22

Figura 4-2: Detalle de la malla generada por el escaneo del molde del hombro delsujeto.[32]

El movimiento del codo y del hombro una vez establecido y delimitados por eltipo de articulación nos permiten realizar un estimativo del area de acción del ex-oesqueleto(Ver gura 4-5).

Una de las principales limitantes del campo de acción es la capacidad de extensiónde los actuadores que se emplean en el presente proyecto, ya que éstos están limi-tados por la carrera del mismo. El estudio de la cinemática del exoesqueleto podrádenir en capítulos posteriores el tipo de actuador a emplear, sus dimensiones ycaracterísticas principales.

4.3 Denición de la tecnología del actuador a emplear

En el estudio y desarrollo de la robótica diversos actuadores permiten realizar losmovimientos que se requieren, quizá entonces, denir cual de ellos es el más ade-cuado para este proyecto se convierte en un punto de grán importancia para poderproseguir en este diseño.

Entre las tecnologías que se encuentran en el mercado, se destacan los actuadores

23

Figura 4-3: Tipos de articulaciones del cuerpo humano. [26]

neumáticos, eléctricos e hidráulicos. Sin embargo en la actualidad existen nuevosmateriales que por sus propiedades físicas prometen darle un nuevo giro a estos ac-tuadores.

La comparación de las características de estos tres tipos de actuadores básicospermitirá escoger una linea en la cual se profundizará posteriormente (Tabla 4-2).

El diseño planteado pretende ser portátil, de fácil manejo, con un sistema de depu-ración de bajo nivel, por lo que un sistema del tipo hidráulico no se acomoda a estascaracterísticas. En segundo lugar, se espera del exoesqueleto un sistema de acciónrápida y de alta carga y torque, por lo que un sistema eléctrico no se acomoda a lasnecesidades, por lo que se escoge un sistema neumático.

Las principales características del sistema neumático [30] son su velocidad, ba-ja presión de trabajo, ltros de uido de bajo costo, componentes del sistema detamaño pequeño y liviano.

Denidos los diferentes puntos a tratar de los actuadores y por tanto de sus ran-gos de acción, conviene mencionar el tipo de estructura básica que se empleará para

24

Figura 4-4: Categorías de las articulaciones del cuerpo [26]

Tabla 4-2: Comparación de los diferentes tipos de actuadores [4].ActuadoresNeumáticos

ActuadoresEléctricos

ActuadoresHidráulicos

Fuerza generadoradel movimiento

Presión delaire

Energíaeléctrica

Presiónhidráulica

Elemento Motriz Émbo-lo,Pistón oVeleta

MotorEléctrico

Émbolo,Pistón oVeleta

Transmisión deFuerza o Torque

Eje oCremallera

Reductor Eje

Conversiónmecánica

Yugo oPiñón

No Aplica Yugo oPiñón

Velocidad dedesplazamiento

Alta Media Baja

Precisión demovimiento

Bajo Alto Medio

el diseño del dispositivo. Durante el desarrollo del diseño una de las principalesinvestigaciones se basó en el tipo de actuador que ejecutaría todo el movimiento.En la actualidad diversas empresas como Festo, exploran nuevas alternativas demovimiento, y una de ellas son los músculos de aire (Air-muscle)[29]. Dicho diseñotiene ciertas ventajas sobre el actuador neumático común, tales como, compresibil-idad proporcional al tiempo de ingreso del aire, diseño económico, de manufacturacasera fácilmente realizable, grandes capacidades de fuerza, entre otras [29].

En los posteriores procesos se mostrará en que ámbito funciona el músculo de aire,y cuales son las características del mismo. [12] (ver sección: Air muscle, músculo

de aire)

25

Figura 4-5: Campo de Acción del exoesqueleto con delimitaciones de los ángulosde las articulaciones

4.4 Diagrama de fuerzas

Establecer las fuerzas que interactuan en el sistema de movimiento y como estasafectan y logran recrear el movimiento que se pretende realizar es parte fundamen-tal el la selección del tipo de actuador y la forma de los componentes a realizar. enprimer lugar se describirá hará una breve descripción de las fuerzas que se ejercenen el movimiento y para ello se establece el diagrama de cuerpo libre del exoesqueleto.

Como se puede apreciar en la gura 4-6 se deben establecer las medidas A, B y elángulo de rotación. El uso de la fórmula del coseno aplicada a esta forma, determinala longitud de los actuadores a emplear:

c2 = a2 + b2 − 2abcos(a) (4-1)

Esto permite determinar que si se desea un desplazamiento de 90 grados, teniendoen cuenta que las longitudes de A y B son de 45 y 22 cm respectivamente entoncesel recorrido del actuador debe oscilar entre los 25 y 25 cm. En el mercado las di-mensiones del recorrido varían según las necesidades de la máquina; sin embargo,

26

Figura 4-6: Diagrama de Cuerpo Libre

dichas dimensiones se limitan a las estándares de cada fabricante. Habiendo hechoun recorrido por los diferentes tipos de actuadores y sus respectivas dimensiones, setoma como medida a emplear una carrera de 15 cm.

En cuanto a la fuerza y tamaño del actuador, teniendo en cuenta que las fuerzasa ejercer son del orden de los 40 kg en punta es decir 450 N, el actuador requieretener una capacidad de fuerza de 530 N lo cual, al hacer la conversión a kilogramosde capacidad de carga equivale aproximadamente a 50 Kg. teniendo en cuenta esto,se determina que el actuador debe tener una carrera de 15 cm y una capacidad decarga de 500 N.

4.5 Diseño Estático

El cuerpo del diseño es un conjunto de piezas circulares para el caso del antebrazoy de elipsoides para el caso del brazo, los cuales van unidos por un grupo de barrasde unión tal y como se puede ver en la gura 4-7 y en la gura 4-8.

Como se puede observar la estructura fue diseñada de tal modo que las piezaspuedan ser producidas individualmente por métodos convencionales tales como CNC3

ó Impresión tridimensional. Un ejemplo de diagrama de ensamblaje (ver gura 4-9)se anexa para poder unir las piezas una vez estas hayan sido hechas siguiendo lasespecicaciones de construcción que se detallan en los planos de construcción de

3Control Numérico por computadorahttp://es.wikipedia.org/wiki/Control_numérico_por_computadora

27

Figura 4-7: Conjunto de piezas que forman la estructura del antebrazo

cada pieza.

Las piezas se diseñaron siguiendo parámetros básicos de ergonomía, y pensando ensu manufactura. En cuanto al diseño propio de cada pieza, el acabado supercial y losparámetros de espacio en las zonas de contacto de las mismas se denieron siguiendolos cálculos del manual NPN de construcción de piezas mecánicas y los manuales deconstrucción de maquinaria de la Universidad Técnica Estatal de Moscú en honora Bauman [15].Cada pieza al ser diseñada fue sometida virtualmente a estudios deesfuerzo y deformación basados en la teoría de análisis por elementos nitos. Paratal efecto, en una primera instancia se denieron los materiales más apropiados parala realización de este diseño.

4.5.1. Materiales

La selección de los materiales a emplear en el proyecto está sujeta a las condicionesque este exige que el material cumpla; por lo que es conveniente denir los puntosque el material debe cumplir.

28

Figura 4-8: Conjunto de piezas que forman la estructura del brazo

Tabla 4-3: Parámetros que el proyecto exige para la selección del materialParámetro RangoMódulo elástico ( N

m2 ) 7,1e10 ± 0, 5Radio de Poisson (N

A) 0,3± 0,1

Módulo de corte ( Nm2 ) 2,3e10 ± 0,1

Densidad ( kgm3 ) 2800± 100

Resistencia a la tracción ( Nm2 ) 273e6 ± 10

Fuerza de compresión en los ejes ( Nm2 )

Límite Elástico ( Nm2 ) 225e6 ± 10

Coeciente de expansión térmica ( 1K) 1,9± 0,1

Conductividad térmica ( Wm∗K ) 121± 10

Calor Especíco ( Jkg∗K ) N/A

Mecanisable SíCosto EconómicoBiocompatible SíAccesibilidad Fácil en el mercado Colombiano

29

Figura 4-9: Diagrama de ensamble del Antebrazo

30

La denición de los presentes parámetros para el material se obtienen de analizarlas fuerzas, presiones, compresiones a los cuales serán sometidos. Es importantedestacar que los datos son obtenidos teóricamente de la librería de materiales deCosmosworks [31] y se estipulan como punto de partida en la búsqueda de un ma-terial real que se asemeje a estas características.

El desarrollo de una búsqueda de materiales, arroja como posibles materiales aser empleados, los siguientes:

Materiales plásticos

1. Poliureteno de alta densidad

2. ABS plus

Aleaciones de aluminio

1. con cobre

2. con Silicio

3. con Magnesio

4. con Manganeso

Revisando los distintos materiales posibles y su accesibilidad en el mercado colom-biano, una de las mejores opciones, tanto por cumplir con todas las característicasque se propusieron en la tabla 4-3 como en las características propias del proyecto,se escogió la aleación de aluminio 201.0 T43 [24]. Este material además de ser defácil acceso, es altamente mecanizable y conocido por los técnicos especialistas enmecanizado y trabajo con tornos, fresas y otras máquinas de este tipo.

4.5.2. Análisis de los diseños

Una vez se ha escogido el material, se procede a hacer el análisis de cada piezapara así obtener el mejor diseño y la mejor respuesta a esfuerzos de cada compo-nente. Para tal efecto se procedió a determinar las cargas y posibles puntos de mayoresfuerzo en la estructura. A continuación se mostrará con un ejemplo como se llevóa cabo dicho análisis, ya sea para una pieza individual, o para una conjunto de piezas.

1. Piezas individuales Para este ejemplo se seleccionó la pieza que soporta el pesodel exoesqueleto sobre el hombro. En esta pieza recae todo el peso del sistemamás la carga que se le adiciona.

2. Conjuntos o ensambles de piezas

Método del análisis.4

4Análisis generado por CosmosWorks, empleando el método matemático de los elementos nitos.

31

Figura 4-10: Análisis del antebrazo con una carga de 1000 N y una fuerza delactuator equivalente a 400 N

4.6 Diseño Dinámico

En primera instancia se denen los grados de libertad de la estructura y susrespectivos movimientos. un diagrama de cuerpo libre nos permite determinar lasecuaciones de movimiento.

Para la denición de las ecuaciones cinemáticas del exoesqueleto se deben teneren cuenta los siguientes aspectos, ya que en base a éstos se podrán explicar las ecua-ciones siguientes 4-4.

Tabla 4-4: Deniciones para cálculo de ecuaciones cinemáticasParámetro DeniciónC Cuerpo* Rotación+ Traslación

Es importante denir que el análisis del movimiento se hizo en base a un sistemade actuadores neumáticos, ya que el análisis de un músculo de aire (Air - muscle)[29]posee unas ecuaciones más complejas, sin embargo es acertado realizar el análisisdel movimiento comparando el movimiento de un actuador con el movimiento de unmúsculo de aire. La estructura cinemática del exoesqueleto se puede apreciar en lagura 4-11.Los cuerpos de esta gura se denen de la siguiente manera (ver tabla 4-5):

32

Figura 4-11: Estructura cinemática del exoesqueleto (ver deniciones de los cuer-pos en la tabla 4-5

Tabla 4-5: Deniciones de los cuerpos implicados en la estructura cinemática delexoesqueleto.

Cuerpo DescripciónC0 Cuerpo - Peto soporte principalC1 BrazoC2 AntebrazoC3 Camisa Cilindro 1C4 Vástago Cilindro 1C5 Camisa Cilindro 2C6 Vástago Cilindro 2

La estructura cinemática 4-11 permite denir la movilidad del exoesqueleto, porlo que el conjunto de ecuaciones a la que hace esta mención son:

Cantidad de sólidos

b = 7 (4-2)

Cantidad de articulaciones

n = 8 (4-3)

Números ciclomáticos

N = n− b+ 1 N = 8− 7 + 1 N = 2 (4-4)

Cantidad de ecuaciones cinemáticas

Ec = 6N Ec = 12 (4-5)

33

Figura 4-12: Estructura cinemática del antebrazo (ver deniciones de los cuerposen la tabla 4-5

Cantidad de incógnitas cinemáticas

Ic = 12 (4-6)

Movilidad

m = Ic − Ec m = 0 (4-7)

Como resultado de esto, se puede observar que el sistema depende de una movil-idad interna ya que m = 0

La aparente falta de movilidad obedece a la existencia de diferentes movilidadesinternas no consideradas en este cálculo. Una movilidad 0 indica un sistema estático,por lo que no es aceptable en un mecanismo que requiere movimiento. Se hace nece-sario modicar el sistema para llegar a una movilidad 2 que es lo planteado. Paratal efecto se estudia cada subsitema en su propio plano lo cual aplicando las mismasecuaciones nos lleva a una movilidad igual a 1 lo cual responde a los requerimientodel proyecto.

Siguiendo con este estudio, es necesario plantear las ecuaciones correspondientesdel mismo. Para tal efecto se plantearán las ecuaciones del antebrazo, ya que lasecuaciones del brazo son las mismas, solo cambian las orientaciones de los actu-adores.

La estructura cinemática del antebrazo relacionada con la estructura del ex-oesqueleto se puede observar en la gura 4-12. Esta estructura resulta en un di-agrama de cuerpo libre, con el cual se observan los desplazamientos y variaciones deángulos del antebrazo.

El análisis del diagrama 4-13 permite denir una estracha relación entreX6,5αΘ2,1.El teorema del coseno aplicado a esta relación permite así escribir la principalecuación de movimiento del antebrazo.

34

Figura 4-13: Diagrama de cuerpo libre, geométrico del antebrazo.

AB2 = BC2 + CA2 − 2BC · AC · cos(θ2,1) (4-8)

De esta ecuación se puede considerar que:

AC = K1 (4-9)

CB = K2 (4-10)

AB = L (4-11)

Resultando así en la ecuación:

L = (K1)2 + (K2)

2 − 2K1K2cos(θ2,1) (4-12)

Ya que se trata de un movimiento en el tiempo, L es variable del tiempo por loque Lαt al igual que θαt

lo cual permite entonces denir:

35

d(L2)

dt=

(K1)2 + (K2)

2 − 2K1K2cos(θ2,1)

dt(4-13)

Teniendo en cuenta que d(θ)dt

= ω y dLdt

= V entonces

2V6,5 = 2K1K2sin(θ)ω (4-14)

ω =L · V6,5

K1 ·K2sin(θ2,1)(4-15)

Teniendo en cuenta el diagrama 4-13 se puede escribir también la ecuación:

L2(t)−K21 −K2

2

−2K21 −K2

2

= cos(θ(t)) (4-16)

De lo que se puede despejar en:

K21 +K2

2

2K21K

22

− L2(t)

2K21K

22

= cos(θ(t)) (4-17)

teniendo en cuenta K21+K2

2

2K21K

22= C entonces:

C − L2(t)

2K21K

22

= cos(θ(t)) (4-18)

Ecuación que al ser derivada en función del tiempo resulta de igual modo en elecuación 4-15La representación gráca de la ecuación 4-15 se puede observar en la gura 4-14.

Como se puede apreciar en esta gráca hacia el nal del recorrido del actuador seaprecia una disminución de la velocidad angular, lo que se puede apreciar en la re-alidad ya que en este punto se ha superado la zona crítica de movimiento, la cualcorresponde a los 45 grados. Se pueden apreciar de igual modo grácas relacionandolos diferentes aspectos del presente diseño, los cuales permiten apreciar con mayor

36

Figura 4-14: Representación gráca de la ecuación cinemática del movimiento delantebrazo.[25]

detalle lo que anteriormente se ha manifestado.(4-18, 4-16, 4-15, 4-17 [25])

37

Figura 4-15: Representación gráca del ángulo θ versus la longitud L del actuador[25]

Figura 4-16: Representación gráca de la variación de la longitud del actuador enfunción del tiempo y de la velocidad lineal.[25]

38

Figura 4-17: Representación gráca de la variación del ángulo θ versus el tiempoy la velocidad lineal del actuador.[25]

Figura 4-18: Representación gráca de la velocidad del actuador vs tiempo.[25]

39

Capítulo 5

Resultados del diseño electrónico de

la captura de las señales

5.1 Características generales de la onda miográca.

Etimológicamente, el término electromiografía (EMG) se reere al registro de laactividad eléctrica generada por el músculo estriado. Sin embargo, en la práctica seutiliza para designar genéricamente las diferentes técnicas utilizadas en el estudiofuncional del sistema nervioso periférico (SNP), de la placa motriz y del músculoesquelético, tanto en condiciones normales como patológicas.[27]

Figura 5-1: Señal Electromiográca del Peroneo [14].

La EMG es una disciplina especializada que se ocupa de la evaluación clínica yneurosiológica de la patología neuromuscular y de ciertos aspectos de la patologíadel Sistema nervioso central (SNC). La EMG es una extensión y profundizacióndel diagnóstico clínico neurológico y utiliza los mismos principios de localización

40

topográca. Como es más sensible, permite descubrir alteraciones subclínicas o in-sospechadas; al ser cuantitativa permite determinar el tipo y grado de lesión neu-rológica.

El empleo aislado o secuencial de las diferentes técnicas que se realizan en el lab-oratorio de EMG permite:

1. Distinguir entre lesiones del SNC y del SNP. A su vez, la utilización com-binada de la EMG, los Potenciales Evocados superciales (PES), la Electroencefalografía (EEG) cuantitativa son de gran ayuda en la evaluación funcionaly topográca en la patología del SNC (EMG central)

2. En patología neuromuscular, localizar y cuanticar diferentes tipos de lesionescon gran exactitud y precisión. Especícamente:

Lesiones de la neurona motora del asta anterior o del tronco (neuronopatíasmotoras) y de las neuronas del ganglio raquídeo posterior (neuronopatíassensitivas).

Lesiones de las raíces motoras o sensitivas (radiculopatías), de los plexos(plexopatías) y de los troncos nerviosos (lesiones tronculares).

Alteraciones de la transmisión neuromuscular y, dentro de ellas, distinciónentre trastornos presinápticos y postsinápticos

Trastornos primarios del músculo esquelético (miopatías)

5.2 Diagrama de etapas del equipo de captura de las señales

electromiográcas.

1. Circuito de adquisición y ganancia de la señal electromiográca: Amplicadorde instrumentación AD620 con Ganancia de 1000.

2. Circuito de protección al paciente, Amplicadores operacionales en congu-ración de seguidor.

3. Circuito de ltrado pasa banda de 20 a 500 Hz.

4. Circuito de ltrado Notch de 60 Hz y 120 Hz.

41

5.2.1. Cálculos realizados para el diseño de los ltros.

Rechazabanda

1. Formulas generales para el cálculo de un ltro de Banda ancha

Q =Fr

B(5-1)

B =0,1591

R.C(5-2)

Rr =R

2Q2 − 1(5-3)

2. Cálculos Matemáticos para frecuencia de 60Hz:

Denimos los valores de: C = 0,1µf B = 6 Hz

Q = 60Hz6

Q = 10

Partiendo del ancho del anda denimos el valor de Fl y Fh

Fl = 57Hz y Fh = 63Hz

Despejamos R en la ecuación

R = 0,1591B.C

R = 0,15916x0,1µf

R = 265KΩ

La Resistencia Rr la obtenemos con:

Rr =265KΩ2(10)2−1

Rr = 1,33KΩLa resistencia 2R la obtenemos:

42

2R = 265KΩx2

2R = 530KΩ

3. Cálculos Matemáticos para frecuencia de 120Hz:

Denimos los valores de: C = 0,1µfB = 120

Q = 120Hz12

Q = 10

Partiendo del ancho del anda denimos el valor de Fl y Fh

Fl = 114HzFh = 126Hz

Despejamos R en la ecuación

R = 0,1591B.C

R = 0,159112x0,1µf

R = 132,5KΩ

Los valores de Rr

Rr =132,5KΩ2(10)2−1

Rr = 665,8Ω

2R = 132,5KΩx2

2R = 265KΩ

Valores para el inversor

R = 10KΩ

El diagrama de Bode de los ltros rechazabanda se puede apreciar en las guras(5-2, 5-3)

Pasabanda

Los cálculos y resultados de este ltro están disponible en los anexos, El diagramade Bode del ltro PasaBanda se puede apreciar en la gura 5-4. [20]

43

Figura 5-2: Diagrama de Bode del ltro rechazabanda de 60Hz.

Figura 5-3: Diagrama de Bode del ltro rechazabanda de 120Hz.

El esquema que se empleó para realizar este ltro se puede apreciar en la gura5-5.

Con ayuda del programa Eagle [5] los circuitos obtenidos son transferidos a undiseño de circuito integrado y con ayuda del Tecnoparque del Sena y su ruteadorade circuitos, estos diseños fueron llevados a la realidad. El diseño nal del circuitose puede apreciar en la gura 5-6

De igual modo es apreciable en los documentos anexos 10-3, 10-1, 10-2, los re-portes de cálculos, diagramas y grácas correspondientes para cada uno de los ltrosaquí mencionados.

Circuito de amplicación

El EMG se constituye igualmente de un módulo de amplicación el cual se obtu-vo del datasheet del amplicador de instrumentación empleado en el circuito. Estediseño se puede apreciar en la gura 5-7.

En esta gura se aprecia una resistencia de carga la cual se calculó con la ecuación:

RG =49,4KΩ

G− 1(5-4)

Donde G es la ganancia estimada.

44

Figura 5-4: Diagrama de Bode del ltro Pasabanda de 20 a 500Hz.

Figura 5-5: Esquema del montaje del ltro pasabanda de 20 a 500 hz.

En el presente caso se empleó una resistencia de RG = 44,9Ω para una gananciade 1000 veces.

Figura 5-7: Esquemático del circuito de amplicación

5.3 Localización de los electrodos de captura

El sistema electrónico para realizar la captura de las señales electromiográcas yaestá diseñado, sin embargo ¾Dónde se debe capturar dicha señal? La anatomía delcuerpo humano ha sido vastamente analizada, y en nuestra época ya podemos contarcon compendios de siología humana que nos aclaran este tipo de inquietudes de

45

Figura 5-6: Circuito impreso de los ltros.

manera clara y concisa. Con el n de dar una puntual respuesta a esto es necesarioretornar a los alcances básicos de este trabajo. En primer lugar es necesario deter-minar cuales son los grados de libertad que se están atacando en este. El primerode ellos es el movimiento exo extensor del codo 5-8. Este movimiento lo realizanlas articulaciones humerocubital y la articulación humerorradial [22]. Los músculosmotores de la exión son esencialmente tres:

1. Músculo braquial

2. Músculo braquiorradial

3. Músculo biceps braquial

46

Figura 5-8: Principales ejes de acción de los musculos del codo durante la exióny extensión[22]

El segundo de los movimiento es la abducción del hombro. Este movimiento alejael miembro superior del tronco y se realiza en el plano frontal [22]. El complejoarticular del hombro tiene cinco articulaciones. La articulación glenohumeral, sub-deltoidea, escapulotorácica, acromioclavicular y esternoclavicular.5-9 Los músculoimplicados en este movimiento son:

1. Músculos coaptadores transversales

Supraespinoso

Infraespinoso

Redondo menor

2. Músculos coaptadores longitudinales

Deltoides

Porción larga del músculo triceps braquial

47

Figura 5-9: Posiciones de la articulación del hombro durante la abducción[22]

La acción de cada uno de estos músculos es la de exionar el codo, los puntosde innervación de cada uno de ellos permiten identicar los puntos donde la señalelectromiográca tiene la mayor amplitud. Determinar estos puntos es un tema muysubjetivo, ya que no solo depende de la pericia del sioterapeuta al saber anatómi-camente donde se encuentran dichos puntos, pero además la siología de cada ser esdistinta y por mucho que existan similitudes, la localización de estos puntos puedevariar entre un individuo y otro entre milímetros y centímetros en el peor de losescenarios. Con el n de minimizar los tiempos de búsqueda de los mismo se empleoun electroestimulador miográco de supercie, el cual arrojó las posiciones exactasde los puntos de innervación más activos de los músculos implicados en la exióndel codo y del hombro. Se escogieron los músculos biceps para determinar la acti-vación de la exión del codo y el deltoides para la abducción del hombro, por serlos músculos más grandes, por lo tanto fácilmente localizables por una persona cono sin experiencia en la ubicación anatómica de los mismos.

48

Figura 5-10: Localización de los puntos de máxima actividad del Biceps

Figura 5-11: Localización de los puntos de máxima actividad del deltoides

49

Capítulo 6

Resultados del procesamiento digital

de las señales electromiográcas

6.1 Etapas del procesamiento

Capturar la señales electromiográcas de los diferentes músculos, como ya se pudoobservar en los capítulos anteriores, no corresponde un reto de alto nivel de comple-jidad electrónico, sin embargo los procesos a seguir con el n de lograr hacer moverel exoesqueleto si requieren que esta señal capturada sea de una gran limpieza1 yposea información relevante para este n. De tal modo que en los párrafos a venirse tratarán de manera puntual los procesos digitales que se hacen para así obtenerun pulso activador correspondiente a los requerimientos del sistema de movimiento(Neumático) del exoesqueleto. El diseño de este algoritmo tiene como fuente el al-goritmo de Van Der Fits [10], el cual determina que una contracción isotónica, tieneuna duración mínima de 10 ms y una amplitud mínima del 70% de la amplitudmáxima en una contracción del individuo que manipula la pieza.

1Limpia se reere a una señal excenta de ruido Gausiano y/o ruido blanco [13]

50

6.1.1. Diagrama de bloques del algoritmo de procesamiento

Figura 6-1: Diagrama de bloques del procesamiento digital de la señal

6.1.2. Algoritmo implementado en Labview

1. Conversión análoga digital

El proceso de digitalización de la señal mioelectrica se realiza mediante el sis-tema de adquisición de señales DAQ 6008 de Nacional Instruments [17], estese comunica con el código de labview mediante el bloque NI-DAQmix Task.Este bloque permite capturar mediante el DAQ 6008 la señal análoga con unatasa de transferencia de 100 datos con un velocidad de 1kHz.6-2

2. Filtrado de la señal de entrada

Después de capturado los datos se deben ltrar de manera que las señalesrestantes del ltrado análogo, sean nalmente eliminadas y poder solo traba-jar con los datos denitivos. Para cumplir con esto Labview permite modicarel tipo de ltro, el orden y su topología. El ltro correspondiente se dene dela misma manera que se hizo con los cálculos del ltro pasabanda, es decir, loslímites inferior y superior son 20 y 500 Hz. 6-2. En el caso del ltro digital, elorden del mismo se puede elevar hasta cantidades más elevadas que un ltroanálogo no podría alcanzar de manera sencilla. Para este caso se escogió elorden 9, ya que un orden superior solo trae un retraso en la señal que puederepresentar un retraso en la activación del sistema neumático.

51

3. Conversión matemática de la señal a valores absolutos

Una vez se ha ltrado la señal el procesamiento de la señal mioeléctrica sefacilita al convertirla en una señal únicamente positiva. Para esto, se pasa laseñal por un ltro recticador usualmente, y he aquí otra razón por la cual eluso de Labview durante el presente trabajo fue tan importante, ya que en elsistema este programa permite con tan solo un bloque convertir toda la señalen una señal enteramente positiva.

4. Envolvente de la señal

Extraer la gráca envolvente de la señal mioeléctrica, permite obtener unagráca con la que se puede trabajar, con un volúmen de puntos bajo, de igualmodo la envolvente por su conguración [9] permite ser comparada y analizadade manera más sencilla que la señal original.6-2.

Figura 6-2: Codigo en labview para la digitalización de la señal de EMG

5. Comparador de voltaje y de tiempo.

Cada persona tiene un potencial eléctrico único [8], y entre su singularidad elnivel que alcanza cada señal una vez esta ha sido ltrada es particular. Debidoa esto, es indispensable que cada persona que usa el dispositivo sea analiza-do y por lo tanto su nivel de referencia denido de igual modo. Para esto seemplea un control análogo, con el que se puede llevar una comparación másestricta de la señal envolvente obtenida. Como se puede observar en la gura

52

6-3 el control de referencia permite denir en que momento se debe consider-ar activar el sistema neumático. De igual modo, este punto de referencia, dainicio a un contador con el que se determina la duración de la contracción. Eltiempo de contracción para una del tipo isotónica es diferente de la isométrica[8],[11]. De manera a denir la diferencia entre estos dos tipos de contracción,el tiempo de contracción es un determinante, por lo que es imperativo ponerde igual modo que se hizo con el comparador de amplitud, un comparador detiempo. 6-3. Este comparador activa la respuesta en tiempo del pulso.

6. Activación del pulso de disparo

Una vez se tiene el pulso de activación, este dura tanto como es requerido porel usuario del exoesqueleto. Sin embargo no siempre se debe obtener un pulsoy eso es debido a los dos ltros anteriormente mencionados; el comparador devoltaje y el de tiempo. Tal y como se puede observar en la gura 6-5 el pul-so de activación solo es disparado cuando la contracción es lo sucientementefuerte y prolongada. El pulso de Activación en este caso es de 5.0 vdc. estocon el n de activar el sistema de movimiento neumático.

7. Conversión digital análoga

Digitalmente el pulso de activación ya tiene los valores de amplitud y duracióncorrespondientes. Extraer esos datos de manera análoga se realiza mediante eluso de la herramienta DAQ [17], con la cual a una velocidad de 12 bits/s, cadadato de activación es transmitido a la salida análoga correspondiente. Estaes transmitida en forma de pulso electrico de 5 vdc fuera del DAQ. 6-3.Lacorriente máxima que el DAQ puede transmitir es de tan solo 200 mA a lomáximo, por ello, es necesario que la activación posterior se haga a través desistema de potencia aislados del sistema digital, para protegerlo de daños queeste no pueda soportar.

53

Figura 6-3: Código en labview para el procesamiento y activación del pulso deactivación

6.2 Resultados de la implementación del algoritmo

6.2.1. Grácas del procesamiento

Figura 6-4: Grácas de la contracción obtenidas

6.2.2. Grácas de los pulsos de activación electrónica

54

Figura 6-5: Pulso (verde) de activación debido a una contracción (Blanco) en refe-rencia a un voltaje de comparación (Rojo)

55

Capítulo 7

Resultados de los Sistemas de

movimiento del exoesqueleto

7.1 Modelamiento del control

El sistema de control de movimiento del exoesqueleto está basado en un sistemaneumático. Este sistema como su nombre lo indica es un sistema a base de aire[34].La neumática tiene como ventajas su velocidad y sistemas de baja presión que per-miten un acceso a sus componentes más fácilmente.Los diferentes aspectos a trataren el diseño neumático tanto en su fase de control, como en su fase de potencia, seresumen en el diagrama de bloques de la gura 7-1. Cada aspecto de este diagramase explicará en las secciones a continuación.

7.1.1. Diagrama de bloques del sistema de movimiento

Figura 7-1: Diagrama de bloques del sistema neumático

7.2 Implementación y selección de componentes.

El sistema neumático es activado mediante el uso del DAQ [17] sin embargo, loscomponentes del sistema consumen corrientes de valor superior al que el DAQ es

56

capaz de suministrar. La electroválvula es un componente de 2.4 W de potencia conun voltaje de 24 v dc, lo cual indica que consume aproximadamente 0.5 A lo cualsupera en 5 veces la cantidad máxima que el DAQ es capaz de proveer, por estarazón, es necesario generar un sistema de alimentación paralelo que sea capaz degenerar dichas corrientes, sin que dependa del sistema del DAQ. El sistema de ais-lamiento se puede apreciar en la gura 7-2. Aprovechar el principio de comnutaciónde estado de un transistor al ser sometido a una diferencia de potencial permite sep-arar las señales digitales, de las señales de potencia que requiere la electroválvula.Sin embargo debido a que los transistores pueden tener desperfectos que resulten encortos entre la base emisor y colector, es usa el principio de los relés. Los relés tienenla propiedad de cerrar circuitos de igual modo que lo harían switches normales, sinembargo estos aislan dos circuitos de manera mecánica. Por esta razón, estos fueronelegidos como el segundo sistema de aislamiento.

Figura 7-2: Diseño esquemático del sistema de aislamiento digital y potencia.

El sistema de potencia opera a 24vdc. Esto tiene por objeto que a futuro puedaser considerado para ser un sistema de potencia portable, como pilas de gran mil-iamperaje hora como las nuevas tecnologías de níquel e hidruro metálico (Ni-Mh).Este sistema, aunque no se hizo efectivo en el presente trabajo, se deja como unapropuesta de mejora para diseños futuros.

Una vez se obtiene un pulso de 24 v dc, el sistema neumático a implementar constade los siguientes componentes:

1. Compresor

57

2. Valvula anti-retorno

3. Conector en T

4. Regulador de presión

5. Electro-valvula

El montaje esquemático de este sistema se puede observar en la gura 7-3. Estesistema ha de replicarse en los dos sistemas de movimiento con el n de permitir elmovimiento del hombro al igual que el del codo. En el sistema se aprecia el uso deun sistema de actuador sencillo con el cual se simula el movimiento que realizaríael músculo de aire que realmente se emplea en el exoesqueleto. Sin embargo es im-portante decir que el músculo de aire tiene un comportamiento diferente y se puedeapreciar en el siguiente apartado.

Figura 7-3: Circuito neumático del sistema de movimiento[33]

7.2.1. Air muscle, Músculo de aire

Los músculos de aire son sistemas desarrollados cerca de los años 1950, bajo elnombre de McKibben Articial Muscles. El principio de funcionamiento de los mis-mos se asemeja burdamente al principio de los músculos biológicos.[23] El ingreso de

58

aire en el músculo expande la manguera la cual al estar rodeada por una malla quesolo puede contraerse, disminuye su longitud y nalmente realiza una contracciónsimilar a la esperada en un músculo biológico. [29]

Figura 7-4: Músculo de aire extendido [2]

Figura 7-5: Músculo de aire contraido [2]

La selección del músculo se basa en el tamaño y capacidad de carga, relacionadaa las cargas expresadas en capítulos anteriores. La carga que cada músculo de airepuede levantar esta relacionada en la tabla de la gura 7-6. El músculo que cumplecon las relaciones de carga que se escogieron para este proyecto es el músculo de 3cm de diámetro con una presión de 4 bar.

7.3 Resultados del diseño del control de movimiento

El diseño nal del sistema de aislamiento terminó en un diseño electrónico comose muestra en la gura 7-7. Este se construyó con el n de obtener señales que ac-

59

Figura 7-6: Tabla de relaciones de carga en función del diámetro del músculo deaire. [2]

tivasen la electro-valvula y poder probar con sistemas de menor calibre un músculode aire.

En colombia diseños tan inusuales como lo es el del músculo de aire se tornancomplicados, aun cuando las partes en sí no sean partes de gran complejidad. Comorecomendación para los constructores de este proyecto, adquirir la malla de nylondel diámetro adecuado, es indispensable para el éxito del movimiento, así que antesde adquirir la manguera se debe contar con la malla. [29], [12]

Una consideración importante es la unión de carga del músculo, ya que en estepunto se realiza toda la carga que se le ejerce al sistema, por tal motivo se considerabuena opción grafar la manguera a la malla con el n de obtener una distribuciónde carga uniforme y adecuada para el músculo.[23]

Un aspecto que es indispensable mencionar es el tipo de acumulador empleado enel sistema. El acumulador propuesto originalmente es una botella de gaseosa (Co-cacola) ya que es largamente estudiado las propiedades de presión de estas[16], sinembargo uno de los desafíos a tratar es la presión y el sello de la unión de la botella

60

Figura 7-7: Circuito nal del sistema de aislamiento[5]

con el sistema. Por esta razón se cambió por un sistema de viejo cilindro de extintorde carro, con el cual se obtiene una muy buena presión y una acumulación de gasde mayor volumen.

61

Capítulo 8

Discusión y Conclusiones

El desarrollo de un exoesqueleto en una cultura de investigación como la colom-biana, es un reto más que nada, ya que las herramientas para investigar y las inves-tigaciones en sí, a nivel nacional no son muy difundidas. Sin embargo institucionescomo la Universidad Manuela Beltrán u otros ambientes como el Tecnoparque delSena, permiten que estas investigaciones lleguen a tener éxito. Gracias a la ayudade estas instituciones la principal conclusión y la más importante es que es posiblellegar a productos que alcanzan niveles de investigación y desarrollo similares a losque se observan a nivel internacional.

El diseño asistido por computador (CAD), el análisis de estructuras, hicieron dela selección de materiales y geometrías una tarea más fácil y sin re-procesos ago-tadores que terminarían sofocando el diseño del presente exoesqueleto. Inspirar amuchos otros jóvenes investigadores a emplear herramientas tipo CAD fue parte deléxito de este trabajo. Es importante recalcar que este proyecto nació como una ideapara estudiar estas herramientas, y se convirtió en un proyecto hecho realidad gra-cias a las mismas. No sólo se emplearon herramientas de diseño tridimensional y deanálisis de elementos nitos[32], sino que se emplearon simuladores neumáticos[33],electrónicos[5], físicos, entre otros, con el n de llegar a un diseño que cumpliera conlos requerimientos establecidos inicialmente.

El trabajo aquí reejado fue un desarrollo inter-disciplinario, que conjugó ramasde la electrónica, física, biomedicina, mecánica y sistemas, entre otras. Es impor-tante reejar la importancia de conocer diversos aspectos de la realidad tecnológicade Colombia, sus avances y los detalles de cada rama, para así, aplicarlos a los as-pectos del diseño que se desea alcanzar.

El presente trabajo ha demostrado mediante simulaciones y análisis que ayu-dar a incrementar la fuerza de una persona del cuerpo de socorro de Colombia,es factible. Cada análisis de esfuerzos demostró, teóricamente, que la estructurapropuesta cumple con el objetivo y permite abrir la puerta para que un grupo de

62

individuos lo ponga a prueba construyéndolo y llevándolo a termino nal.

63

Capítulo 9

Comentarios

Cada una de las etapas del presente proyecto fue diseñada de mano de los conocimien-tos adquiridos durante toda la academia, llegando así, gracias a todos los docentesy otros asesores a un resultado que resume detalladamente los conocimientos y laestructura de este proyecto.

Las multiples dicultades con las que se tuvo que lidiar durante el desarrollo delpresente trabajo hicieron de este, un gran reto el cual fue superado con creces y nosdeja al nal del mismo, con un gran sabor de victoria.

Limitaciones como las económicas y/o de tiempo fueron lentamente superadashasta alcanzar un nivel de desarrollo más allá de lo planteado inicialmente.

La organización y los cronogramas planteados fueron nalmente alcanzados, hastallevar al día de hoy , a un proyecto que cuenta no sólo con una investigación teóricasino también con sus primeros pasos en un desarrollo físico y funcional.

64

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66

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[33] Famic Technologies. Automation studio 5.0. Technical report.

[34] Parker Training. Tecnología neumática industrial. Technical report, 2003.

67

Capítulo 10

Anexos

10.1 Planos del exoesqueleto

68

ROMPER ARISTAS

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DIBUJ.

VERIF.

APROB.

FABR.

CALID. ExoesqueletoPESO:

C

A4

HOJA 1 DE 5

ANGULAR:

ACABADO:

LINEAL:TOLERANCIAS:

VIVAS

NOMBRE FIRMA FECHA

MATERIAL:

NO CAMBIE LA ESCALA REVISIÓN

TÍTULO:

N.º DE DIBUJO

ESCALA:1:5

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:

REBARBAR Y

Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán

DETAIL F SCALE 1 : 1

4.50

0

SECTION E-E SCALE 1 : 2

F

100

Cantidad10

4015

10

25

4.50

0

10 CantidadM2.500x0.45

A

A

SECTION A-A SCALE 1 : 2

G

60°

15

150°

4

R3

8

15

E

E

DETAIL G SCALE 1 : 1

R1

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DIBUJ.

VERIF.

APROB.

FABR.

CALID.

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:

ACABADO: REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

NOMBRE FIRMA FECHA

MATERIAL:


TÍTULO:

N.º DE DIBUJO

ESCALA:1:5 HOJA 2 DE 5

A4

C

PESO:

Exoesqueleto


15

H

HSECTION H-H SCALE 1 : 2

100

10

57.5

00

8

15

1.524

10

ExoesqueletoPESO:

A3

HOJA 1 DE 1ESCALA:1:5

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA

MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:

CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ. Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán

K

SECTION J-J SCALE 1 : 2

100

10

57.5

00

10

100

R40

R20

20

15

R1

R1

J

J

I I

SECTION I-I SCALE 1 : 2

R0.500

50

5

860

50

R0.500

1.19

1

R0.500

R2

R0.500

DETAIL K SCALE 1 : 1

8

15

1.52410

20

ExoesqueletoPESO:

A3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ.


SECTION L-L SCALE 1 : 1

57.5

00

15

8

30

0.50

0

24

20

9 28

80°

1

7

R50L

L

62.0

04

14

R0.300

10

ExoesqueletoPESO:

A3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ.


20

28.500

40.50020.500

5.300 5.800

160

8

268

(1:2)

DETAIL C SCALE 1 : 1

4

20

10

9

15

118°

C

SECTION A-A

120

40R50

20

20

10

55 55

R0.500

20

110

20

R30

R25

10

R0.500

M5x

0.8

6.990

6.075

R0.500

A

A

Brazo ExoesqueletoPESO:

A3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ. Proyecto de investigaciónUniverisdad Manuela BeltránAlfredo José Sanabria Solano

SECTIO

N E-E

SCA

LE 1 : 1

9

20

10

23

R1

7

19

118°

M8x1.0

16

9

9

9

M5x0.8

M5x0.8

Brazo ExoesqueletoPESO

:

A3

HOJA

1 DE 1

ESCA

LA:1:2

N.º D

E DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓ

NN

O C

AM

BIE LA ESC

ALA

MA

TERIAL:

FECHA

FIRMA

NO

MBRE

REBARBA

R Y RO

MPER A

RISTAS

VIV

AS

AC

ABA

DO

:SI N

O SE IN

DIC

A LO

CO

NTRA

RIO:

LAS C

OTA

S SE EXPRESAN

EN M

MA

CA

BAD

O SUPERFIC

IAL:

TOLERA

NC

IAS:

LINEA

L: A

NG

ULAR:

CA

LID.

FABR.

APRO

B.

VERIF.

DIBUJ.

Proyecto de investiga

ciónUniverisd

ad

Ma

nuela Beltrá

nA

lfredo José Sa

nabria

Solano

SECTIO

N D

-D

SCA

LE 1 : 1

20

R1

10

E E

DD

R0.5

00

F F


A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.


SECTION F-F

R30

10

R0.500

M5x

0.8

6.020

G

G

SECTION G-G15

0

100

20

9

15

5

R50

7.500

60

15

60°120°

20

R30

20

10

27 R5

R2


A3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.


R2 R2

H H


40

20

20

10

10

SECTION H-H SCALE 1 : 1

M5x

0.8

I

I

R2

2

R5

SECTION O-O

M20x1.5

M8x

1.0


A3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.


SECTION N-N

40

25

50

10

3040

40

15

R20

30

45

40

15

R6

R6

R2

NN

O

O


A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.



R75

3

20°

R510

10

16

5

77

45

L L

SECTION M-M SCALE 1 : 1

10

16

5


A4


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.


45

10R8.764

17.527

8.764

M M

10

62.5

27


A2


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.


16.9

0417

.904

0.70

20.

702

ROMPER ARISTAS

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DIBUJ.

VERIF.

APROB.

FABR.

CALID. ExoesqueletoPESO:

C

A4

HOJA 1 DE 5

ANGULAR:

ACABADO:

LINEAL:TOLERANCIAS:

VIVAS

NOMBRE FIRMA FECHA

MATERIAL:


TÍTULO:

N.º DE DIBUJO

ESCALA:1:5

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:

REBARBAR Y


SECTION A-A SCALE 1 : 2

G

60°

15

150°

4

R3

SECTION E-E SCALE 1 : 2

F

100

Cantidad10

4015

10

25

4.50

0

10 Cantidad

8

15

E

E

M2.500x0.45

A

A

DETAIL F SCALE 1 : 1

4.50

0

DETAIL G SCALE 1 : 1

R1

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

DIBUJ.

VERIF.

APROB.

FABR.

CALID.

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:

ACABADO: REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

NOMBRE FIRMA FECHA

MATERIAL:


TÍTULO:

N.º DE DIBUJO

ESCALA:1:5 HOJA 2 DE 5

A4

C

PESO:

Exoesqueleto


SECTION H-H SCALE 1 : 2

100

10

57.5

00

8

15

1.524

10

15

H

H

ExoesqueletoPESO:

A3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ. Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán

1.19

1

R0.500

R2

R0.500

15

R1

R1

I I

J

J

K

SECTION J-J SCALE 1 : 2

100

10

57.5

00

10

100

R40

R20

20


R0.500

50

5

860

50

R0.500

DETAIL K SCALE 1 : 1

8

15

1.52410

20

ExoesqueletoPESO:

A3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ.


10

80°

1

7R50

L

L


57.5

00

15

8

30

0.50

0

24

20

9 28

62.0

04

14

R0.300

ExoesqueletoPESO:

A3


N.º DE DIBUJO

TÍTULO:


MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE



CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ.


(1:2)20

28.500

40.50020.500

5.300 5.800

160

8

268

10.2 Análisis y resultados por elementos nitos

69


Description

Summarize the FEM analysis on Aro_antebrazo

Model Information

Document Name Configuration Document Path Date Modified

Aro_antebrazo Union Codo C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing

Biomedica\Prototipo del

diseño\Prototipo\Aro_antebrazo.SLDPRT

Fri Nov 18

21:28:33 2011

Study Properties

Study name 243

Analysis type Static

Mesh Type: Solid Mesh

Solver type FFEPlus

Inplane Effect: Off

Soft Spring: Off

Inertial Relief: Off

Thermal Effect: Input Temperature

Zero strain temperature 298.000000

Units Kelvin

Include fluid pressure effects from SolidWorks

Flow Simulation

Off

Friction: Off

Ignore clearance for surface contact Off

Use Adaptive Method: Off

Units

Unit system: SI

Length/Displacement mm

Temperature Kelvin

Angular velocity rad/s

Stress/Pressure N/m^2

Material Properties

No. Body Name Material Mass Volume

1 SolidBody

1(Redondeo2)

201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.638861 kg 0.000228165

m^3

Material name: 201.0-T43 Insulated Mold Casting (SS)

Description:

Material Source:

Material Model Type: Linear Elastic Isotropic

Default Failure Criterion: Max von Mises Stress

Application Data:

Property Name Value Units Value Type

Elastic modulus 7.1e+010 N/m^2 Constant

Poisson's ratio 0.33 NA Constant

Shear modulus 2.3e+010 N/m^2 Constant

Mass density 2800 kg/m^3 Constant

Tensile strength 2.73e+008 N/m^2 Constant

Yield strength 2.25e+008 N/m^2 Constant

Thermal expansion

coefficient

1.9e-005 /Kelvin Constant

Thermal conductivity 121 W/(m.K) Constant

Specific heat 963 J/(kg.K) Constant

Hardening factor (0.0-

1.0; 0.0=isotropic;

1.0=kinematic)

0.85 NA Constant

Loads and Restraints

Fixture

Restraint name Selection set Description

Fixed-1 <Aro_antebrazo> on 2 Face(s) fixed.

Load

Load name Selection set Loading type Description

Force-1

<Aro_antebrazo>

on 10 Face(s) apply

force -1000 N along

plane Dir 2 with

respect to selected

reference Alzado

using uniform

distribution

Sequential Loading

Mesh Information


Mesher Used: Standard mesh

Automatic Transition: Off

Smooth Surface: On

Jacobian Check: 4 Points

Element Size: 6.1123 mm

Tolerance: 0.30562 mm

Quality: High

Number of elements: 18125

Number of nodes: 30161

Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:11

Computer name: PCCITO

Reaction Forces

Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant

Entire Body N -0.00171757 1000.22 0.331472 1000.22

Study Results

Default Results

Name Type Min Location Max Location

Stress1 VON: von

Mises Stress

21116.3

N/m^2

Node: 2882

(15.6144 mm,

28.534 mm,

-63.0898 mm)

3.82212e+007

N/m^2

Node: 21740

(90.0044 mm,

-20.0008 mm,

-56.71 mm)

Displacement1 URES:

Resultant

Displacement

0 mm

Node: 57

(100 mm,

0 mm,

50 mm)

0.0557256

mm

Node: 17214

(0.0351628

mm,

-65.0264 mm,

-1.47962 mm)

Strain1 ESTRN:

Equivalent

Strain

3.18179e-007

Element:

3023

(18.1122 mm,

46.8778 mm,

22.5323 mm)

0.000310445

Element:

2798

(83.3134 mm,

8.38289 mm,

-51.4871 mm)

Aro_antebrazo-243-Stress-Stress1

Aro_antebrazo-243-Displacement-Displacement1

Aro_antebrazo-243-Strain-Strain1


Description

Summarize the FEM analysis on Prototipo_Antebrazo

Model Information

Document Name Configuration Document Path Date

Modified

Prototipo_Antebrazo Default C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing


diseño\Prototipo\Prototipo_Antebrazo.SLDASM

Fri Jan 27

07:27:05

2012

Aro_antebrazo-1 Union Codo C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing



Fri Jan 27

07:18:52

2012

Aro_antebrazo-2 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing



Fri Jan 27

07:18:52

2012




Fri Jan 27

07:18:52

2012




Fri Jan 27

07:18:52

2012

barras union-1 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing

Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras

union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011



union.SLDPRT

Fri Nov 18

21:31:21

2011

union carga muñeca-

2

Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing

Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\union

carga muñeca.SLDPRT

Fri Nov 18

21:32:26

2011

union_actuador-1 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing


diseño\Prototipo\union_actuador.SLDPRT

Fri Nov 18

21:33:28

2011

Study Properties

Study name Study 1

Analysis type Static


Solver type FFEPlus

Inplane Effect: Off

Soft Spring: Off

Inertial Relief: Off

Thermal Effect: Input Temperature

Zero strain temperature 298.000000

Units Kelvin

Include fluid pressure effects from SolidWorks Flow

Simulation

Off

Friction: Off

Ignore clearance for surface contact Off

Use Adaptive Method: Off

Units

Unit system: SI

Length/Displacement mm

Temperature Kelvin

Angular velocity rad/s

Stress/Pressure N/m^2

Material Properties

No. Body Name Material Mass Volume

1 SolidBody

1(Redondeo2)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

0.638861 kg 0.000228165 m^3

Casting (SS)

2 SolidBody

1(CirPattern1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.137504 kg 4.91087e-005 m^3

3 SolidBody

1(CirPattern1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.137504 kg 4.91087e-005 m^3

4 SolidBody

1(CirPattern1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.137504 kg 4.91087e-005 m^3

5 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

6 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

7 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

8 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

9 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

10 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

11 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

12 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

13 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

14 SolidBody

1(Extrude1)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3

15 SolidBody

1(Fillet2)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.503628 kg 0.000179867 m^3

16 SolidBody

1(Fillet3)

[SW]201.0-T43

Insulated Mold

Casting (SS)

0.328439 kg 0.0001173 m^3

Material name: [SW]201.0-T43 Insulated Mold Casting (SS)

Description:

Material Source:

Material Model Type: Linear Elastic Isotropic

Default Failure Criterion: Unknown

Application Data:

Property Name Value Units Value Type

Elastic modulus 7.1e+010 N/m^2 Constant

Poisson's ratio 0.33 NA Constant

Shear modulus 2.3e+010 N/m^2 Constant

Mass density 2800 kg/m^3 Constant

Tensile strength 2.73e+008 N/m^2 Constant

Yield strength 2.25e+008 N/m^2 Constant

Thermal expansion

coefficient

1.9e-005 /Kelvin Constant

Thermal conductivity 121 W/(m.K) Constant

Specific heat 963 J/(kg.K) Constant

Hardening factor (0.0-

1.0; 0.0=isotropic;

0.85 NA Constant

1.0=kinematic)

Loads and Restraints

Fixture

Restraint name Selection set Description

Fixed-1 <Aro_antebrazo-1> on 2 Face(s) fixed.

Load

Load name Selection set Loading type Description

Force-1

<union_actuador-1>

on 2 Face(s) apply

force 400 N normal to

reference plane with

respect to selected

reference Edge< 1 >

using uniform

distribution

Sequential Loading

Force-2 <union carga

muñeca-2>

on 2 Face(s) apply

force -1000 N normal to

reference plane with

respect to selected

reference Top Plane

using uniform

distribution

Sequential Loading

Connector Definitions

No Connectors were defined

Contact

Contact state: Touching faces - Free

Global Contact Contact component: Bonded on

Prototipo_Antebrazo

Description:

Mesh Information


Mesher Used: Standard mesh

Automatic Transition: Off

Smooth Surface: On

Jacobian Check: 4 Points

Element Size: 6.2879 mm

Tolerance: 0.31439 mm

Quality: High

Number of elements: 79194

Number of nodes: 124693

Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:01:07

Computer name: PCCITO

Study Results

Default Results

Name Type Min Location Max Location

Stress1 VON: von

Mises Stress

21033 N/m^2

Node: 116252

(-56.124 mm,

71.7093 mm,

-44.9867 mm)

9.97293e+007

N/m^2

Node: 19561

(90.0112 mm,

-20.0015 mm,

56.708 mm)

Displacement1 URES:

Resultant

Displacement

0 mm

Node: 492

(100 mm,

0 mm,

50 mm)

0.527585 mm

Node: 111838

(-178.027 mm,

14.7976 mm,

63.1537 mm)

Strain1 ESTRN:

Equivalent

Strain

5.82483e-007

Element: 75090

(-58.074 mm,

86.4426 mm,

-9.64875 mm)

0.000812745

Element: 14379

(83.3313 mm,

8.19862 mm,

51.4225 mm)

Prototipo_Antebrazo-Study 1-Stress-Stress1

Prototipo_Antebrazo-Study 1-Displacement-Displacement1

Prototipo_Antebrazo-Study 1-Strain-Strain1

10.3 Cálculos y diagramas Filtros Electrónicos

10.3.1. Filtro Notch 60 Hz

Design Name: Bandstop, Sallen Key, Chebyshev 1 dB Part: Ideal Opamp Order: 2 Stages: 1

Gain: 1.333 V/V ( 2.49660298827718 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 60 Hz

Corner Frequency Attenuation: 2.497 dB Passband Bandwidth: 80 Hz

FilterPro Design ReportSchematic

-1-sábado, 29 de octubre de 2011 05:30:30 p.m.

FilterPro

Figura 10-1: Reporte de cálculos para el ltro Notch de 60 Hz[20].

71




FilterPro Design ReportFrequency and Phase Responses


FilterPro

72




FilterPro Design ReportBill of Materials


FilterPro

Element ID Quantity Part Number Value Tolerance Description ManufacturerR1 (Stage 1) 1 Standard 2.7K E24: 5% Resistor

R2 (Stage 1) 1 Standard 2.7K E24: 5% Resistor


R4 (Stage 1) 1 Standard 2K E24: 5% Resistor

R5 (Stage 1) 1 Standard 680 E24: 5% Resistor

C1 (Stage 1) 1 Standard 1uF E96: 1% Capacitor



OpAmp (Stage 1) 1 Standard Ideal OpAmp

73

10.3.2. Filtro Notch 120 Hz






FilterPro

Figura 10-2: Reporte de cálculos para el ltro Notch de 120 Hz[20].

75






FilterPro

76






FilterPro

Element ID Quantity Part Number Value Tolerance Description ManufacturerR1 (Stage 1) 1 Standard 13K E24: 5% Resistor





C1 (Stage 1) 1 Standard 100nF E96: 1% Capacitor




77

10.3.3. Filtro Pasabanda 20 a 500 Hz

Design Name: Bandpass, Sallen Key, Butterworth Part: Ideal Opamp Order: 4 Stages: 2

Gain: 1 V/V ( 0 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 260 Hz

Corner Frequency Attenuation: -3 dB Passband Bandwidth: 480 Hz



FilterPro

Figura 10-3: Reporte de cálculos para el ltro Pasabanda de 20 a 500 Hz[20].

79






FilterPro

80






FilterPro

Element ID Quantity Part Number Value Tolerance Description ManufacturerR1 (Stage 1) 1 Standard 2.7K E24: 5% Resistor
















81

10.4 Fotografías y diseños nales

82

diseño de un exoesqueleto de miembro superior

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