Diseño y Construcción de un exoesqueleto para Rehabilitación de Codo Utilizando SolidWorks 2018®, Manufactura Aditiva FDM y Materiales de Aplicación Doméstica

Leal Palomares, Rommel Arel

Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem: https://hdl.handle.net/20.500.12104/92026

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Campo DC	Valor	Lengua/Idioma
dc.contributor.author	Leal Palomares, Rommel Arel
dc.date.accessioned	2023-04-18T22:28:55Z	-
dc.date.available	2023-04-18T22:28:55Z	-
dc.date.issued	2020-10-01
dc.identifier.uri	https://wdg.biblio.udg.mx
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/20.500.12104/92026	-
dc.description.abstract	Esta tesis corresponde al área de tecnología robótica con enfoque en pacientes que sufren enfermedades cerebro vasculares y requieren rehabilitación en miembro superior, específicamente en el codo. El concepto de diseño del dispositivo logrado permite asistir al paciente en los ciclos de rehabilitación de flexión-extensión de codo por medio de un suministro de movimiento angular, que generalmente se trata de motores rotatorios, pero en otras ocasiones se agregan juegos de poleas y bandas, engranes, juegos de poleas y cables e incluso actuadores lineales. Los dispositivos más avanzados tienen la capacidad de desplegar en pantallas de computadora diversos parámetros útiles en la rehabilitación como velocidad, fuerza aplicada por el paciente, desplazamiento angular, etc. En este trabajo se realizó el diseño y construcción de un exoesqueleto para rehabilitación de codo con el uso de partes de reúso, partes de bajo costo y materiales fabricados para otras aplicaciones. Se utilizó manufactura aditiva FDM para el diseño de algunos componentes mecánicos vitales, los cuales hubieran sido muy complicado obtenerlos con métodos convencionales de manufactura además del alto costo que esto conlleva. Todo el sistema se modeló en el software de diseño mecánico SolidWorks, realizando análisis de elementos finitos para la pieza de soporte del antebrazo. El resultado de los experimentos es satisfactorio, al tenerse un movimiento de flexoextensión de 5° a 140° de manera adecuada, además de que el movimiento puede ser controlado por un conjunto de botones en modo manual y modo automático. El dispositivo a diferencia de otros del mercado tiene la característica de que es móvil, pues es posible transportarlo y alimentarlo eléctricamente con 127 VCA que es el suministro de los contactos de cualquier residencia, oficina y/o organización. Los resultados de la tesis podrán utilizarse como base para el desarrollo de nuevos dispositivos de rehabilitación, sin necesidad de recurrir a partes de costo alto sin sacrificar la comodidad y seguridad para el paciente
dc.description.tableofcontents	CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 12 1.1 Justificación .................................................................................................................... 13 1.2 Objetivos ......................................................................................................................... 15 1.3 Alcances .......................................................................................................................... 16 1.4 Metodología ................................................................................................................... 16 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE............................................................................................ 18 2.1 Primeros exoesqueletos ................................................................................................. 18 2.2 Exoesqueletos modernos ............................................................................................... 19 CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO ............................................................................................. 27 3.1 Metodologías de diseño de Mott y Norton .................................................................... 27 3.2 Mecánica de materiales.................................................................................................. 28 3.3 Manufactura digital ........................................................................................................ 32 3.4 Movimiento plano de cuerpos rígidos ............................................................................ 32 3.5 Electrónica y control ....................................................................................................... 33 CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA ............................................................................................... 44 4.1 Identificación de los requisitos del cliente ..................................................................... 44 4.2 Definición de las funciones del dispositivo..................................................................... 45 4.3 Indicar los requisitos de diseño ...................................................................................... 45 4.4 Definir los criterios de evaluación .................................................................................. 45 4.5 Propuestas de diseño ..................................................................................................... 47 4.6 Evaluación de cada alternativa propuesta ..................................................................... 48 4.7 Validación de cada alternativa con cada criterio de evaluación .................................... 49 CAPÍTULO 5. DISEÑO MECÁNICO ......................................................................................... 51 5.1 Cálculo de fuerzas que actúan en el codo ...................................................................... 51 5.2 Determinación de dimensiones entre las articulaciones del cuerpo ............................. 53 5.3 Ubicación del centro de gravedad de las partes del cuerpo .......................................... 54 5.4 Fuerzas de reacción articular .......................................................................................... 55 5.5 Momento para velocidad angular de rehabilitación ...................................................... 57 5.6 Diseño de estría .............................................................................................................. 61 6 5.7 Selección de motor ......................................................................................................... 64 5.8 Diseño de la flecha .......................................................................................................... 67 CAPÍTULO 6. ANÁLISIS POR ELEMENTO FINITO .................................................................... 71 6.1 Esfuerzos máximos y mínimos ........................................................................................ 71 6.2 Deformaciones máximas y mínimas ............................................................................... 74 6.3 Desplazamientos máximos y mínimos ........................................................................... 76 6.4 Factores de seguridad máximos y mínimos ................................................................... 77 CAPÍTULO 7. CONTROL DEL EXOESQUELETO ....................................................................... 78 7.1 Rutina de operación ....................................................................................................... 78 7.2 Programa de control ....................................................................................................... 78 7.3 Diagrama de conexionado electrónico ........................................................................... 81 7.4 Pruebas al circuito .......................................................................................................... 82 CAPÍTULO 8. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO.................................................................... 85 8.1 Impresión 3D .................................................................................................................. 85 8.2 Soporte para motor de Metacrilato ............................................................................... 91 8.3 Soportes para transmisión y concha de aluminio .......................................................... 93 8.4 Ejes de Acero AISI 1045 .................................................................................................. 94 8.5 Base de Polietileno para prototipo ................................................................................. 95 8.6 Placas de refuerzo de acetal para base de prototipo ..................................................... 96 8.7 Transmisión de banda GT2 ............................................................................................. 97 8.8 Plantilla EVA para brazo y antebrazo ............................................................................. 99 8.9 Cople para motor de PLA .............................................................................................. 100 8.10 Circuito electrónico y caja de conexiones .................................................................. 101 CAPÍTULO 9. PRUEBAS AL PROTOTIPO ............................................................................... 106 9.1 Pruebas mecánicas ....................................................................................................... 106 9.2 Pruebas eléctricas ......................................................................................................... 108 CAPÍTULO 10. CONCLUSIONES ........................................................................................... 110 10.1 Trabajos futuros.......................................................................................................... 111 REFERENCIAS ...................................................................................................................... 112 ANEXOS ............................................................................................................................... 115 7 FIGURAS Figura 1. Metodología implementada con descripción en cada paso realizado. ................. 17 Figura 2. Bosquejo del exoesqueleto de Nicholas Yagn. ...................................................... 18 Figura 3. Proyecto Hardiman ................................................................................................ 19 Figura 4. Exoesqueleto de dos grados de libertad para asistir la pierna derecha. .............. 20 Figura 5. Prototipo del exoesqueleto para rehabilitación de miembro superior ................ 20 Figura 6. La arquitectura del sistema y el robot de rehabilitación para miembro superior.21 Figura 7. Prototipo virtual del exoesqueleto en SolidWorks................................................ 22 Figura 8. Diseño conceptual de exoesqueleto mecánico para extremidades inferiores. .... 22 Figura 9. Vista en perspectiva del exoesqueleto para miembro superior. .......................... 23 Figura 10. Exoesqueleto vestible para rehabilitación médica con actuadores SMA. .......... 24 Figura 11. Preparación del experimento (funcionamiento del exoesqueleto). ................... 25 Figura 12. Pasos del proceso de diseño de Robert Mott ..................................................... 27 Figura 13. Pasos del proceso de diseño de Robert Norton. ................................................. 28 Figura 14. Barra sometida a carga axial de tensión.............................................................. 29 Figura 15. Diagrama de esfuerzo-deformación para un acero típico sometido a tensión. . 30 Figura 16. Ejemplo de miembro sujeto a carga de torsión. ................................................. 30 Figura 17. Distribución de esfuerzos en un eje macizo. ....................................................... 31 Figura 18. Relación par-velocidad y par corriente. .............................................................. 34 Figura 19. Relación par-velocidad para diferentes voltajes. ................................................ 34 Figura 20. Interfaz de Fritzing. ............................................................................................. 35 Figura 21. Sistema de control en lazo abierto. ..................................................................... 35 Figura 22. Sistema de control en lazo cerrado. .................................................................... 36 Figura 23. Los tres planos primarios de una persona de pie [27]. ....................................... 38 Figura 24. Representaciones de ingeniería de las junta sinovial del codo. .......................... 39 Figura 25. Diagrama que muestra la pérdida dramática de zona de alcance con las contracturas de flexión del codo mayores de 30°. ............................................................... 40 Figura 26. Dimensiones de la localización del centro instantáneo de rotación. .................. 41 Figura 27. Diagrama de cuerpo libre de la articulación de codo. (a) muestra la fuerza de reacción en flexión y en los tendones de los bíceps y fuerzas en los músculos braquiales, y (b) el tendón del músculo extensor (triceps). ..................................................................... 42 Figura 28. Actuador serie-elástico SEAS. .............................................................................. 47 Figura 29. Disposición de los motores del ETS-MARSE ........................................................ 48 Figura 30. Palanca de tercer orden (González Maestre, 2007). ........................................... 51 Figura 31. Representación de las dimensiones articulares (González Maestre, 2007)........ 54 Figura 32. Localización del centro de gravedad a partir de las cadenas articulares del cuerpo humano (González Maestre, 2007). ......................................................................... 55 Figura 33. Diagrama de cuerpo libre para la flexión de codo (Hall, 2005). .......................... 56 Figura 34. Diagrama de cuerpo libre para la flexión de codo con dimensiones y magnitudes de fuerzas. ............................................................................................................................ 56 8 Figura 35. Desplazamiento vertical y ángulo formado por el antebrazo en su punto muerto superior ................................................................................................................................. 59 Figura 36. Perfil de la estría para los ejes. ............................................................................ 64 Figura 37. Gráfica de velocidad vs voltaje e intensidad de corriente para el motor de CD a un torque de 7.05 N.m. ........................................................................................................ 66 Figura 38. Motor elevador de ventana trasera derecha Jeep. ............................................. 66 Figura 39. Plano de corte en vista anterior del eje estriado. ............................................... 69 Figura 40. Resultado de esfuerzo estático tridimensional para materiales dúctiles por medio de la teoría de von Mises. ......................................................................................... 73 Figura 41. Resultado del esfuerzo estático tridimensional para materiales dúctiles por medio de la teoría de von Mises en la cavidad para el eje de 4 estrías SAE. ....................... 73 Figura 42. Resultado de deformación unitaria normal bajo análisis estático. ..................... 75 Figura 43. Resultado de desplazamiento en dirección Y (eje vertical) bajo análisis estático. .............................................................................................................................................. 76 Figura 44. Resultado del análisis estático para factor de seguridad bajo el criterio de von Mises. .................................................................................................................................... 77 Figura 45. Sistema de control de lazo cerrado para la posición del antebrazo. .................. 79 Figura 46. Programa en ejecución en el IDE de Arduino. ..................................................... 80 Figura 47. Utilización del software Fritzing para el diseño del circuito de pruebas en Protoboard............................................................................................................................ 82 Figura 48. Circuito electrónico implementado en protoboard. ........................................... 83 Figura 49. Parámetros de impresión generales para concha del antebrazo en software Cura. ...................................................................................................................................... 86 Figura 50. Parámetros de impresión para disco encoder, tensores de banda y cople motor en software Cura. ................................................................................................................. 87 Figura 51. Visualización de capas para impresión 3D del lado derecho de la concha para antebrazo en Cura. ............................................................................................................... 88 Figura 52. Visualización de corte para impresión 3D del lado izquierdo de la concha para antebrazo en Cura. ............................................................................................................... 88 Figura 53. Visualización de corte para impresión 3D del cople para motor eleva vidrios en Cura. ...................................................................................................................................... 89 Figura 54. Visualización de capas para impresión 3D de un tensor para banda GT2 en Cura. .............................................................................................................................................. 90 Figura 55. Visualización de capas para impresión 3D del disco encoder en software Cura. 90 Figura 56. Disco encoder comercial de 22 mm de diámetro. .............................................. 91 Figura 57. Corte de metacrilato con herramienta rotativa. ................................................. 92 Figura 58. Soporte de metacrilato para motor eleva vidrios. ............................................. 92 Figura 59. Soporte para chumacera y eje del motor fabricado de placa de aluminio. ........ 93 Figura 60. Soporte para chumacera y eje que conecta con la concha del antebrazo fabricada de placa de aluminio. ........................................................................................... 93 Figura 61. Plástico “laina” para aumentar la altura de los soportes. ................................... 94 Figura 62. Eje para transmisión de potencia instalado en chumaceras de 8 mm................ 95 Figura 63. Eje de transmisión izquierdo conectado a la concha de antebrazo. ................... 95 Figura 64. Base para prototipo de Polietileno. ..................................................................... 96 9 Figura 65. Fabricación de barrenos para placas de soporte de acetal. ................................ 97 Figura 66. Placa de conexión de acetal superior para ofrecer soporte entre 2 placas de polietileno. ............................................................................................................................ 97 Figura 67. Primera reducción de la transmisión por bandas GT2 con tensores de PLA. ..... 98 Figura 68. Segunda reducción de la transmisión por bandas GT2 con tensores PLA. ......... 98 Figura 69. Vista superior de la transmisión de doble reducción por bandas GT2. .............. 99 Figura 70. Plantilla de EVA para soporte de brazo en estructura de alumnio. .................. 100 Figura 71. Plantilla de EVA para soporte de antebrazo en concha de PLA. ....................... 100 Figura 72. Cople de impresión 3D en PLA. ......................................................................... 101 Figura 73. Ensamble de engrane-cople-eje de motor. ....................................................... 101 Figura 74. Insumos de conexión de cableado: terminal de ojo para calibre 22, ferrul para calibre 22, Termofit, conector hembra y macho. ............................................................... 102 Figura 75. Conexiones del circuito de control del robot. ................................................... 103 Figura 76. Ventilador para caja electrónica. ....................................................................... 103 Figura 77. Tapa con botones de operación para caja electrónica...................................... 104 Figura 78. Switch de encendido/apagado para caja electrónica. ...................................... 104 Figura 79. Conector Glándula PG7 para posicionar el cable de alimentación a la caja electrónica. ......................................................................................................................... 105 Figura 80. Ensamble del robot para rehabilitación de codo. ............................................. 106 Figura 81. Unión epoxy entre piezas de la estructura de aluminio.................................... 107 Figura 82. Cinturón de Velcro ajustable. ............................................................................ 107 Figura 83. Sensor de efecto Hall ACS 712 de 20 A para medición de corriente de alimentación en motor. ...................................................................................................... 108 Figura 84. Diseño en SolidWorks del exoesqueleto para rehabilitación de codo. ............. 109 Figura 85. Renderizado del exoesqueleto para rehabilitación de codo. ............................ 109 10 TABLAS Tabla 1. Definición de criterios de evaluación por el cliente. .............................................. 46 Tabla 2. Matriz de decisión ................................................................................................... 49 Tabla 3. Porcentaje del peso contribuido de todo el cuerpo por las partes individuales. ... 51 Tabla 4. Masa de cada una de las partes del cuerpo calculadas con base al porcentaje correspondiente. .................................................................................................................. 52 Tabla 5. Distancias articulares de la población internacional (González Maestre, 2007). ... 53 Tabla 6. Ubicaciones de los centros de gravedad. ............................................................... 55 Tabla 7. Fórmulas de SAE para estrías rectas (Mott, 2006). ................................................ 62 Tabla 8. Capacidad de par torsional por pulgada de longitud, para estrías rectas (Mott, 2006). .................................................................................................................................... 62 Tabla 9. Tabla de datos de torque. velocidad y potencia tomados de experimentación. ... 65 Tabla 10. Dirección de las fuerzas estáticas aplicadas a la concha de antebrazo. ............... 72 Tabla 11. Resultados de esfuerzo de von Mises del soporte para antebrazo ...................... 72 Tabla 12. Resultados de deformación unitaria equivalente ESTRN de la concha para antebrazo. ............................................................................................................................. 74
dc.format	application/PDF
dc.language.iso	spa
dc.publisher	Biblioteca Digital wdg.biblio
dc.publisher	Universidad de Guadalajara
dc.rights.uri	https://www.riudg.udg.mx/info/politicas.jsp
dc.title	Diseño y Construcción de un exoesqueleto para Rehabilitación de Codo Utilizando SolidWorks 2018®, Manufactura Aditiva FDM y Materiales de Aplicación Doméstica
dc.type	Tesis de Maestría
dc.rights.holder	Universidad de Guadalajara
dc.rights.holder	Leal Palomares, Rommel Arel
dc.coverage	AMECA, JALISCO
dc.type.conacyt	masterThesis
dc.degree.name	MAESTRIA EN INGENIERIA MECATRONICA
dc.degree.department	CUVALLES
dc.degree.grantor	Universidad de Guadalajara
dc.rights.access	openAccess
dc.degree.creator	MAESTRIA EN INGENIERO EN MECATRONICA
dc.contributor.director	Antelis Ortíz, Javier Mauricio
Aparece en las colecciones:	CUVALLES

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