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Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Resumen – Este informe tiene como finalidad documentar el proceso de realización de un exoesqueleto destinado a la rehabilitación de una mano humana. Se diseñó un único prototipo con el fin de asistir en la recuperación de pacientes con lesiones o afecciones en la mano, además de contar con ligereza y ergonomía garantizada. A grandes rasgos, se ideó un mecanismo cuya esencia recae en una cremallera accionada por un servomotor de alto torque, con el fin de imitar el movimiento de un actuador lineal eléctrico comercial. Por otro lado, se utilizó una placa Arduino UNO para llevar a cabo la realización de pruebas en cuanto lógica base de programación se refiere. Por último, se almacenaron todos los componentes en una caja compacta especialmente diseñada para garantizar la portabilidad; convirtiendo a Doomfist en un kit de rehabilitación destinado a contribuir en el mercado local de aditamentos para la rehabilitación de extremidades. Palabras claves: Exoesqueleto, rehabilitación, Arduino, sensor electromiográfico, mecanismo, pistón. Abstract – The purpose of this report is to document the process of making an exoskeleton for the rehabilitation of a human hand. A single prototype was designed in order to assist in the recovery of patients with injuries or conditions in the hand, in addition to having lightness and guaranteed ergonomics. Broadly speaking, a mechanism was devised whose essence lies in a rack driven by a high-torque servomotor, in order to imitate the movement of a commercial electric linear actuator. On the other hand, an Arduino UNO board was used to carry out tests as far as base programming logic is concerned. Finally, all the components were stored in a compact box specially designed to ensure portability; turning Doomfist into a rehab kit intended to contribute to the local limb rehab adjunct market. Keywords: Exoskeleton, rehabilitation, electromyographic sensor, Arduino, mechanism, piston. OBJETIVO GENERAL. Desarrollar un prototipo de exoesqueleto para la rehabilitación del área metacarpiana y las falanges de individuos con afecciones como el STC, además de tratar lesiones. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
sabemos que se ha convertido en una realidad. La idea de un dispositivo que permita adaptar un robot manipulador a una extremidad del cuerpo con el fin de realizar procesos terapéuticos, se ha convertido en un gran acierto en todo su esplendor [1]. Fig. 1- Diseño mecánico y primer prototipo de un robot de rehabilitación de mano. [2] Un exoesqueleto robótico destinado a la rehabilitación de extremidades cumple un gran papel en el área de la fisioterapia asistida. La incorporación de exoesqueletos robóticos en la rehabilitación física puede tener múltiples beneficios. Estos dispositivos pueden ayudar a los pacientes a recuperar la fuerza y el rango de movimiento en sus extremidades, mejorar su equilibrio y coordinación, y proporcionar un entorno seguro para realizar ejercicios terapéuticos. Fig. 2- Exoesqueleto Forcetek para brazos [3] Actualmente en Colombia existen pocos centros de rehabilitación física de alta tecnología, que incorporan dispositivos robóticos para la intervención terapéutica de pacientes favoreciendo el arco de movilidad de las articulaciones de los miembros superiores e inferiores, esto contrasta con el gran número de pacientes que requieren rehabilitación asistida para sus tratamientos [4]. Por esa razón hemos decidido llevar a cabo una alternativa de exoesqueleto accequible para el público. Este informe se desarrollará de la siguiente manera:
- Marco teórico. - Apartado de diseño. - Apartado de mecanismo. - Apartado de circuitos. - Apartado de programación. - Apartado del material. - Conclusiones. II. MARCO TEÓRICO. Los objetivos de desarrollo sostenible (ODS), tienen como punto focal poner fin a la pobreza, proteger el planeta y garantizar que para el 2030 todas las personas disfruten de paz y prosperidad. Las 17 ODS reconocen que la acción en un área, afectara los resultados en otras áreas y que el desarrollo debe equilibrar la sostenibilidad social, económica y ambiental, los países se han comprometido a priorizar el progreso de los más rezagados. La creatividad, el conocimiento, la tecnología y los recursos financieros de toda la sociedad son necesarios para alcanzar los ODS en todos los contextos. Salud y Bienestar. La buena salud es esencial para el desarrollo sostenible y la Agenda 2030 refleja la complejidad y la interconexión de ambos. Modalidades de consumo y producción sostenibles.
Con el continuo avance de la tecnología y la investigación, es emocionante pensar en el futuro de los exoesqueletos, donde podrían convertirse en herramientas aún más sofisticadas y accesibles. A medida que la sociedad avanza hacia un enfoque más inclusivo y centrado en el bienestar humano, los exoesqueletos tienen el potencial de desempeñar un papel cada vez más relevante en la promoción de la salud y la superación de limitaciones físicas. III. DISEÑO. El diseño en general es bastante sencillo, la pieza palma está compuesta por rieles en donde las correderas y la cremallera se deslizarán. Fig. 5- Modelo ~ Palma. Por otro lado, el pulgar se mantendrá fijo dando prioridad solo a los cuatro dedos restantes. Además, cuenta con orejeras que servirán para enrollar una tira de velcro con el fin de posicionarse con firmeza. Además, contará con una tapa diseñada especialmente para proteger el mecanismo. Fig. 6- Modelo ~ Tapa. Se postula un diseño de corredera y cremallera incluido el piñón, siendo estos últimos del mismo paso por obvias razones. Fig. 7- Modelo ~ Correderas. Fig. 8- Modelo ~ Cremallera. Fig. 9- Modelo ~ Piñón. Para los dedos, se diseñaron como tal tres de ellos, dos idénticos siendo estos el índice y el anular. También se diseñaron 2dos eslabones generales para completar la extensión del dedo.
Fig. 10- Modelo ~ C. meñique. Fig. 11- Modelo ~ C. anular e índice. Fig. 12- Modelo ~ C. medio. Fig. 13- Modelo ~ 2do eslabón general. Se diseñaron también bases para los dedos en donde se pegará un par de velcros para poder asegurar el dedo. Fig. 14- Modelo ~ Soporte general de dedos. La barra de contención cumple un papel muy importante, ya que además de proteger el mecanismo en caso de fallos mecánicos cumple la función de transmitir el movimiento de la cremallera a las correderas, produciendo el mismo movimiento. Fig. 15- Modelo ~ Barrita de contención. Ensamble final y resultados. [7]
Fig. 18– Circuito propuesto. Funcionamiento del EMG. Fig. 19– Sensor de EMG AT04-001. Un sistema mioeléctrico o electromiográfico (EMG) se basa en el concepto de que cuando un músculo en el cuerpo se contrae o se flexiona, se genera una señal eléctrica como resultado de la interacción química que ocurre en el cuerpo. Estas señales eléctricas se captan y procesan posteriormente para realizar acciones basadas en la información obtenida. Información extraída de la hoja de especificaciones original. “La medición de la activación muscular a través del potencial eléctrico, conocida como electromiografía (EMG), tiene tradicionalmente se ha utilizado para la investigación médica y el diagnóstico de trastornos neuromusculares. Sin embargo, con el advenimiento de microcontroladores y circuitos integrados cada vez más pequeños, pero más potentes, EMG los circuitos y sensores se han abierto camino en prótesis, robótica y otros sistemas de control. 1-^ Limpie a fondo el área prevista con jabón para eliminar la suciedad y el aceite. 2- Coloque los electrodos en los conectores a presión del sensor.
(Nota: si bien puede ajustar el sensor a los electrodos después de colocarlos en el músculo, no recomendamos hacerlo debido a la posibilidad de aplicar una fuerza excesiva y magullar la piel). 3- Coloque el sensor en el músculo deseado. a. Después de determinar qué grupo de músculos desea trabajar (por ejemplo, bíceps, antebrazo, ternero), limpie bien la piel. b. Coloque el sensor de modo que uno de los electrodos conectados quede en el medio del cuerpo muscular. El otro electrodo debe alinearse en la dirección del músculo. c. Despegue la parte posterior de los electrodos para exponer el adhesivo y aplíquelos a la piel. d. Coloque el electrodo de referencia en una parte ósea o muscular no adyacente de su cuerpo cerca del músculo objetivo. 4- Conéctese a una placa de desarrollo (por ejemplo, Arduino, RaspberryPi), microcontrolador o ADC. a. La posición y orientación de los electrodos del sensor muscular tiene un gran efecto en la fuerza de la señal. Los electrodos deben colocarse en el medio del cuerpo del músculo y deben estar alineado con la orientación de las fibras musculares. Si coloca el sensor en otros lugares, reducir la fuerza y la calidad de la señal del sensor debido a una reducción del número de unidades motoras medidas e interferencia atribuida a la diafonía. Ajuste de ganancia. La configuración de ganancia predeterminada debería ser adecuada para la mayoría de las aplicaciones. Para ajustar la ganancia, ubique el potenciómetro de ganancia en la esquina inferior izquierda del sensor (marcado como “GANANCIA”). Con un destornillador Phillips, gire el potenciómetro en sentido contrario a las agujas del reloj para aumentar la ganancia de salida; gire el potenciómetro en el sentido de las agujas del reloj para reducir la ganancia.” VI. CÓDIGO. #include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <Wire.h> #include <Servo.h> Servo servoMotor; //asignamos nombre al servo //int electrodePin = A0; //declaramos el pin análogo del sensor int electrodeValue = 0; //declaramos una variable que leerá la lectura del sensor int servoAngle = 0; //declaramos una variable que tendrá el ángulo del servo //declaramos una variable que guardara el ultimo valor del electrodo para así crear posteriormente el umbral int bucle = 60; //declaramos una variable para el modo automático bool flag = 0; //declaramos una variable para cambiar de modo bool mov = 0; LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // void setup() { //en el void setup declaramos la entrada del servo y del botón Serial.begin(9600); servoMotor.attach(10); pinMode(5, INPUT_PULLUP); lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.print("DOOMFIST"); } void loop() { while (flag==0){ int electrodeValue = analogRead(A0); //lectura del electrodo servoAngle = map(electrodeValue,0, , 0, 60); //mapeo de la lectura del electrodo
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Usando de referencia la gráfica e interpretándola con base en los datos hallamos los Kt
Según MordorIntelligence : ‘El mercado de exoesqueletos se valoró en USD 354,22 millones en 2021 y se espera que alcance los USD 1620,04 millones en 2027, al registrar una CAGR de 12,5 % durante el período de pronóstico (2022- 2027). Los principales factores que impulsan el crecimiento del mercado son la creciente prevalencia de accidentes cerebrovasculares, la creciente adopción del exoesqueleto y la creciente población geriátrica a nivel mundial son algunos de los factores clave que se anticipa que influirán en el crecimiento del mercado durante el período de pronóstico. Con el creciente número de personas discapacitadas y ancianas, ha habido un aumento en la demanda de rehabilitación robótica en todo el mundo. En los últimos años, la demanda de servicios de fisioterapia ha crecido, en parte debido al envejecimiento de la población. El papel de la tecnología en el cuidado de la salud se ha vuelto evidente con la mayor tasa de supervivencia de trastornos médicos, como el accidente cerebrovascular. Por lo tanto, la rehabilitación robótica y las tecnologías de asistencia prometen aliviar el estrés del personal de fisioterapia y controlar los gastos al mismo tiempo que mejoran la calidad de vida de los pacientes.’ [8] Lo anterior deja la puerta abierta, para que propuestas innovadoras dominen el mercado ascendente de los exoesqueletos a nivel mundial. Sin embargo, cabe aclarar que el mercado a grandes rasgos se encuentra segmentado por tipo de tratamiento. Doomfist, deja una buena propuesta de trabajo, siendo una alternativa accequible.
[1] M. A. Chávez Cardona, F. Rodríguez Spitia, y A. Baradica López, “Exoesqueletos para potenciar las capacidades humanas y apoyar la rehabilitación: un estado del arte" Revista Ingeniería Biomédica, 4(7), pp. 69-80. DOI: https://doi.org/10.24050/19099762.n7.2010. [2] López Belloso, J. Á. (2017). Diseño mecánico y primer prototipo de un robot de rehabilitación de mano. [Trabajo de grado inédito]. Universidad de Valladolid. [3] Forcetek XIO™ Virtual Gaming System: exoesqueleto robotizado (para rehabilitación). (s.f.). REHABILITACIÓN Y MEDICINA FÍSICA. Mirando al futuro. http://www.rehabilitacionblog.com/2010/11/forcetek-xio- virtual-gaming-system.html [4] Díaz Suárez, R. A., Moreno Moreno, L. T., Sanjuan Vargas, M. A., Prada García, C. A., & Dalmiro Torres, L. (2021, 9 de noviembre). Desarrollo de un exoesqueleto para la rehabilitación del movimiento flexo-extensor del codo. SciELO Colombia- Scientific Electronic Library Online. http://www.scielo.org.co/scielo.php? script=sci_arttext&pid=S1692-17982021000100046#B [5] "Principales patologías de la mano y cómo tratarlas | Farmalastic". Farmalastic: en constante movimiento | Laboratorios CINFA. https://farmalastic.cinfa.com/blog/patologias-de-la-mano- como-tratarlas (accedido el 30 de mayo de 2023). [6] Hilti Colombia. (s.f.-b). Exoesqueleto sobre cabeza - Exoesqueletos de hombros - Hilti Colombia. Página principal - Hilti Colombia. https://www.hilti.com.co/c/CLS_EXOSKELETON_HUMAN _AUGMENTATION/CLS_UPPERBODY_EXOSKELETON/ CLS_SUB_UPPERBODY_EXOSKELETON/r [7] Barrios, K., Pineda, J., Velandia, J., Gonzalez, G., & Torres, F. (s.f.). Doomfist. Onshape. https://cad.onshape.com/documents/ea7839611111d48702e2b 3a5/w/90dbf32f1d9d3346b2a89a9c/e/ 35ea6f133b8a [8] MordorIntelligence. (s.f.). Exoesqueleto Cuota de mercado y tamaño | Informe de la industria (2022-27). Home | Mordor Intelligence. https://www.mordorintelligence.com/es/industry- reports/exoskeleton-market