Modelado, diseño y construcción de un exoesqueleto para rehabilitación de la muñeca

Modelado, diseño y construcción de un exoesqueleto para rehabilitación de la muñeca


Autores/as

  • José Luis Sarmiento Ramos Universidad Manuela Beltrán
  • María Fernanda Anaya Rojas Universidad Manuela Beltrán

DOI:

https://doi.org/10.22517/23447214.24748

Palabras clave:

Robótica de rehabilitación, robótica vestible, articulación radiocarpiana, modelo, Euler-Lagrange, Simulink, control, Arduino, MIT App Inventor

Resumen

Este trabajo presenta el modelado, diseño, construcción y control de un exoesqueleto para rehabilitación de la flexión/extensión y abducción/aducción de la articulación de la muñeca. Los modelos dinámicos de los movimientos de la muñeca se obtienen por medio de la formulación de Euler-Lagrange, y se construyen en Simulink de MATLAB junto con un control PID en lazo cerrado que representa el control natural neuromusculoesquelético del humano. Se realizan simulaciones para estimar el torque requerido en la articulación para producir los movimientos funcionales de la muñeca en un adulto promedio colombiano. El exoesqueleto está diseñado en el software CAD SolidWorks, construido a través de impresión 3D en ácido poliláctico (PLA), accionado por dos servomotores, y controlado por una tarjeta Arduino UNO que establece comunicación con un aplicativo móvil Android desarrollado en MIT App Inventor para el ingreso de los parámetros de la terapia de rehabilitación. El resultado de este trabajo es un exoesqueleto liviano con una masa total de 0.64 [kg] incluyendo servomotores, microcontrolador y baterías, con la capacidad de ser usado para prácticas de telerehabilitación, garantizando el seguimiento del desplazamiento angular con errores por debajo del 10%.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Citas

[1] C. E. Medina-Gonzalez, M. Benet-Rodriguez, and F. Marco-Martínez, “The wrist joint complex: anatomical, physiological and biomechanical aspects, characteristics, classification, and treatment of distal radius fractures,” MediSur, vol. 14, no. 4, pp. 430-446, 2016.
[2] C. A. Oatis, Kinesiology: the mechanics and pathomechanics of human movements, 2nd ed., USA: Lippincott Williams & Wilkin, 2009.
[3] M. A. Chávez-Cardona, F. Rodríguez-Spitia, and A. Baradica-López, “Exoskeletons to enhance human capabilities and support rehabilitation: a state of the art,” Rev. Ing. Biomed., vol. 4, no. 7, pp. 69-80, 2011.
[4] K. Serbest, M. Cilli, and O. Eldogan, “A dynamic virtual hand model for estimating joint torques during the wrist and finger movements,” J. Eng. Sci. Technol., vol. 13, no. 6, pp. 1665-1675, 2018.
[5] G. Mansour, S. Mitsi, and K. D. Bouzakis, “A kinematic and dynamic model of the human upper extremity,” in Proc. 3rd ICMEN, Chalkidiki, Greece, 2008, pp. 885-892.
[6] M. C. Agarana and E. T. Akinlabi, “Mathematical modelling and analysis of human arm as a triple pendulum system using Euler-Lagrangian model,” in IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., vol. 413, 2018.
[7] E. Peña-Pitarch, N. T. Falguera, and J. Yang, “Virtual human hand: model and kinematics,” Comp. Methods Biomech. Biomed. Eng., pp. 1-12, 2012.
[8] L. Mazia, M. Casadio, P. Morasso, G. Sandini, and P. Giannoni, “Adaptive training strategy of distal movements by means of a wrist-robot,” in 2nd ACHI, Cancun, Mexico, 2009.
[9] A. Gupta, M. K. O’Malley, V. Patoglu, and C. Burgar, “Design, control and performance of RiceWrist: a force feedback wrist exoskeleton for rehabilitation and training,” Int. J. Robot. Res, vol. 27, pp. 233-250, 2009.
[10] E. J. Torres-Sarmiento, D. C. Martínez-Peon, B. C. Hernández-Hernández, and C. D. Ramos-Villa, “Diseño y modelado de un exoesqueleto de muñeca y antebrazo para rehabilitación motora en pacientes con enfermedad vascular cerebral,” Memorias del Congreso Nacional de Ingeniería Biomédica, vol. 5, no. 1, pp. 346-349, 2018.
[11] D. Serrano, D. S. Copaci, L. Moreno, and D. Blanco, “SMA based wrist exoskeleton for rehabilitation therapy,” in 2018 IEEE/RSJ Int. Conf. IROS, 2018, pp. 2318-2323.
[12] J. Allington, S. J. Spencer, J. Klein, M. Buell, D. J. Reinkensmeyer, and J. Bobrow, “Supinator extender (SUE): a pneumatically actuated robot for forearm/wrist rehabilitation after stroke,” in 33rd Int. Conf. IEEE EMBS, USA, 2011, pp. 1579-1582.
[13] D. A. Winter, Biomechanics and motor control of human movement, 4th ed., USA: John Wiley & Sons, Inc., 2009.
[14] Y. Li, C. Xu, and X. Guan, “Modeling and simulation study of electromechanically system of the human extremity exoskeleton”, J. Vibroengineering, vol. 18, no. 1, pp. 551-661, 2020.
[15] M, Oluwatsin, “Modelling and control of actuated lower limb exoskeletons: a mathematical application using central pattern generators and nonlinear feedback control techniques”, Ph.D. dissertation, Tshwane University of Technology, 2016.
[16] C. Borrás, J. L. Sarmiento, and J. F. Ortiz, “Dynamic model and control design for a nonlinear hydraulic actuator”, in Proc. ASME 2018 ICMCE, USA, 2018.
[17] R. A. Chaurand, L. R. Prado, and E. L. González, Dimensiones antropométricas de la población latinoamericana, México: Universidad de Guadalajara, 2007.
[18] MG996R High Torque Metal Gear Dual Ball Bearing Servo, Lofty Ambition, Electrónicos Caldas, [Online] Available: https://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG996R_Tower-Pro.pdf
[19] . L. Sarmiento and C. Borrás, “Modelling, design and analysis of three controllers based on LQR formulation for a non-linear hydraulic uniaxial seismic shake table”, E3S Web of Conferences, 95, 2019.
[20] C. Borrás, J. L. Sarmiento, and R. D. Guiza, “Modelling, system identification and position control based on LQR formulation for an electro-hydraulic servo system”, in Proc. ASME 2019 ICMCE, USA, 2019.
[21] J. L. Sarmiento-Ramos, “Aplicaciones de las redes neuronales y el deep learning a la ingeniería biomédica,” Rev. UIS Ing., vol. 19, no. 4, pp. 1-18, 2020.
[22] Z. Taha, A. Abdul, M. Y. Wong, M.A. Hashem, I. M. Kahiruddin, and M. A. Mohd, “Modelling and control of an upper extremity exoskeleton for rehabilitation,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 114, 2016.

Descargas

Publicado

2022-09-30

Cómo citar

Sarmiento Ramos, J. L., & Anaya Rojas, M. F. (2022). Modelado, diseño y construcción de un exoesqueleto para rehabilitación de la muñeca: Modelado, diseño y construcción de un exoesqueleto para rehabilitación de la muñeca. Scientia Et Technica, 3(27). https://doi.org/10.22517/23447214.24748