Instituto Politécnico Nacional Unidad Procesional ...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

DISEÑO MECÁNICO DE UNA ÓRTESIS DE MIEMBRO INFERIOR CON UN GRADO DE LIBERTAD

INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA MODALIDAD:

“PROYECTO DE INVESTIGACIÓN”

PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO BIOMÉDICO

PRESENTA:

GONZÁLEZ LARA NEFTALI

DIRECTOR INTERNO: DR. JORGE ISAAC CHAIREZ ORIA (UPIBI)

DIRECTOR EXTERNO: M en C. ALEJANDRO GARCÍA GONZÁLEZ (CINVESTAV-DCA)

MÉXICO D.F. JUNIO 2009

Instituto Politécnico Nacional

Unidad Procesional Interdisciplinaria de Biotecnología

2

Tabla de contenido 1 Resumen ........................................................................................................................................... 3

2 Introducción ..................................................................................................................................... 4

2.1 El miembro inferior ................................................................................................................... 4

2.2 Marcha ...................................................................................................................................... 6

2.3 Órtesis ....................................................................................................................................... 7

2.4 Antecedentes de órtesis pasivas y activas ................................................................................ 8

3 Justificación .................................................................................................................................... 11

4 Objetivos ........................................................................................................................................ 12

4.1 General .................................................................................................................................... 12

4.2 Específicos ............................................................................................................................... 12

5 Metodología ................................................................................................................................... 13

5.1 Diagrama de flujo .................................................................................................................... 13

5.2 Instrumentación ...................................................................................................................... 14

5.3 Diseño de la Órtesis ................................................................................................................. 15

5.4 Diseño de una plataforma de simulación de la marcha .......................................................... 17

5.5 Evaluación de la función de los diseños .................................................................................. 20

6. Material ......................................................................................................................................... 20

7 Resultados ...................................................................................................................................... 22

7.1 Instrumentación ...................................................................................................................... 22

7.2 Diseño de la órtesis ................................................................................................................. 27

7.3 diseño de la plataforma .......................................................................................................... 31

7.4 Pruebas del funcionamiento de la órtesis ............................................................................... 42

8 Conclusiones ................................................................................................................................... 46

9 Recomendaciones .......................................................................................................................... 47

10 Bibliografía ................................................................................................................................... 48



3

1 Resumen Diseño mecánico de una órtesis de miembro inferior

González Lara Neftali, Alejandro García González*, Jorge Isaac Chaires Oria

CINVESTAD-DCA, TEL: 5523321023,[email protected]

Palabras clave: Órtesis, miembro inferior, Marcha, goniómetro, plataforma

Introducción. Existen diferentes patologías capaces de generar algún tipo de discapacidad motriz, en un amplio número de casos, éstas pueden ser tratadas por medio de dispositivos ortopédicos, cuya finalidad es la de rehabilitar al usuario o apoyarlo para realizar sus labores diarias. Uno de los problemas más frecuentes, es la debilidad muscular la cual puede llegarse a presentar en alguna etapa de la vida. Significado un problema serio, debido a que ésta evita que se conserve la postura al caminar o mantener una posición erecta, razón por la cual las Órtesis de bloqueo de la rodilla resultan ser de gran ayuda. Metodología. Etapa 1. Instrumentación: Se diseña el circuito eléctrico de goniómetro en base a u transductor resistivo, previamente caracterizado cuya relación voltaje/[ángulo del instrumento completo satisface una relación lineal. Etapa 2. Diseño de la órtesis: Se propone el diseño de un seguro de bloqueo mecánico, para la articulación de la rodilla, una vez realizado se procede a la etapa de manufactura. Se toman las medidas del miembro inferior del sujeto de prueba al cual se le colocara la órtesis. Una vez realizado esto se procede a la etapa de ensamble del dispositivo. Etapa 3: Se realiza el diseño y construcción de una plataforma para la simulación del proceso de marcha, en base a un estudio cuantitativo basado en imagen, modelándose las trayectorias que siguen las articulaciones del miembro inferior mediante ajustes poligonales. Una vez obtenidas las trayectorias se propondrá un sistema tipo 4 barras para emular el proceso de marcha se manufacturara, todas son las de la plataforma son ensambladas y puestas a prueba.. Resultados y discusión. La Fig. 1. Muestra el circuito del electrogoniómetros en base al transductor resistivo (Flexsensor TM).

Fig. 1 diagrama eléctrico del goniómetro

Las siguientes ecuaciones corresponden a la relación

Voltaje/Angulo:

96.41*11.732

33.37*40.501

voAngulo

VoAngulo

Este dispositivo permitirá el monitoreo del ángulo de la rodilla permitiendo utilizar esta información en la supervisión del funcionamiento de la órtesis.en las etapas de la marcha

efectuadas. Órtesis: se realizó el diseño y construcción del seguro (Fig.2a) cuyo montaje en la órtesis se muestra en la figura 2b..

Fig. 2a. Diseño del seguro de la Órtesis, 2b Órtesis manufacturada incluyendo el seguro.

Plataforma: Su diseño se basa en las trayectorias calculadas de la rodilla, el tobillo y la cadera como se muestra en la Fig 3, donde además se presenta el prototipo preliminar.

Fig. 3 Plataforma y trayectoria de marcha

Conclusiones y perspectivas. Se logró el diseño y construcción del seguro. y la órtesis, junto con el goniómetro. Un prototipo preliminar de la plataforma fue construido y puesto a prueba. Ajustes en los dispositivos son necesarios para su prueba final con el paciente. Agradecimientos. Agradezco a mis padres, Profesores y colaboradores por el apoyo brindado sobre esta etapa de mi vida. Referencias.1.- Banala S.K., Kulpe A. y Agrawal S. K. . (2007), “A Powered Leg Orthosis for Gait Rehabilitation of Motor-Impaired Patients”,In proceedings: IEEE International Conference on Robotics and Automation. 4140- 4145. 2.-Webster J.G., Encyclopedia of medical Devices and Instrumentation, Second Edition.

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Interdisciplinaria de Biotecnología

4

2 Introducción

La debilidad muscular profunda así como la deficiencia en el control muscular son

factores que afectan a un amplio número de la población por causas tan diversas como

son el daño neurológico y la parálisis parcial debida a traumatismos o eventos cerebro

vasculares [1]. Lo que limita la capacidad de locomoción autónoma de la persona, es en

este sentido que el desarrollo e implementación de órtesis contribuye al mejoramiento de

las condiciones del paciente otorgándolo cierto grado de autonomía [2]. Sin embargo y

como veremos más adelante el diseño y construcción de una órtesis debe de

fundamentarse en el conocimiento biomecánico del miembro en el que se desea su

implementación, lo que implica el desarrollo de modelos que describan de forma dinámica

su movimiento [4], [5], así como el efecto que tiene dicho diseño sobre el cuerpo humano.

En esta introducción se presentan algunos conceptos referentes a la descripción

biomecánica del miembro inferior, su modelo anatómico, descripción durante el proceso

de marcha y la interacción del mismo con una órtesis.

2.1 El miembro inferior

Durante el proceso de marcha normal intervienen tres articulaciones sin las cuales no

sería posible caminar o desplazarse de una forma adecuada, ya que cada una de ellas le

permite al miembro inferior realizar un gran número de posiciones anatómicas en los

diversos planos del espacio.

La primera articulación del miembro inferior es la cadera la cual puede realizar ligeros

movimientos en las tres dimensiones (Fig. 2.1.1), en cada uno de los ejes puede realizar

un desplazamiento angular de 15º. Con lo cual se consigue un ligero contoneo reduciendo

la elevación del centro de gravedad durante la marcha [6].



5

Fig. 2.1.1 plano en los que se

desplaza la cadera

La rodilla es la articulación intermedia del miembro inferior, principalmente es una

articulación de un solo grado de libertad, con el cual se logran realizar los movimientos de

flexión y la extensión. Esto implica que la rodilla sea la articulación que regula la distancia

del cuerpo con respecto al suelo, en realidad un segundo grado de libertad de ésta le

permite una ligera rotación sobre su eje en su punto máximo de flexión. (Fig. 2.1.2.) [6].

Fig.2.1.2 Movilidad de la rodilla

Desde el punto mecánico, la rodilla es una articulación sorprendente, debido a que en

flexión debe adquirir una gran movilidad para realizar los procesos de marcha mientras

que en extensión debe tener gran estabilidad para soportar los esfuerzos generados por

la posición recta del cuerpo [6].



6

Por último tenemos la articulación del tobillo, la cual le permite a la persona caminar,

correr, brincar, saltar y cambiar el peso del cuerpo que se distribuye alrededor del talón. El

tobillo igualmente estabiliza el cuerpo a medida que éste se desplaza a través de un

terreno desigual. Adicionalmente es la articulación que tiene que disipar alrededor de un

80% de la energía generada durante el proceso de marcha. (Fig. 2.1.3) [6].

Fig.2.1.3 El talón es una articulación de un

solo grado de libertad

2.2 Marcha

El proceso de marcha se compone de partes principales, este a su vez se puede evaluar

por el tipo de zancada o paso que se realiza [16].

En este proceso se controla la elevación del centro de gravedad gracias a las

articulaciones de la cadera, de la rodilla y el tobillo. También debe mencionarse que este

proceso puede representarse por medio de sistemas de cadenas abiertas y cerradas

alternantes. En los cuales cada eslavo también se puede localizar el centro de gravedad

haciendo un estudio más riguroso.

En general podemos considerar que la marcha está compuesta por 4 fases (Fig. 2.2.1).

La primera etapa es de reposo en donde se tiene ambas piernas tocado el piso.

La segunda etapa es una etapa de balanceo de alguna de las piernas, mientras la

otra se conserva tocando el suelo.

La tercera etapa es una etapa conocida como “de doble soporte” en la cual los dos

pies vuelven a tener contacto sobre la base, esto prepara la cuarta etapa en

donde, se realiza el cambio de pierna que realiza la fase de balanceo, mientras

que la que se balanceó regresa a la posición fija.



7

Fig. 2.2.1. ciclo de la marcha

2.3 Órtesis

Una órtesis es cualquier dispositivo aplicado externamente sobre el cuerpo humano, que

se utiliza para modificar las características estructurales o funcionales del sistema

neuromusculo-esquelético. Se utiliza con la intención de mantener, mejorar o restaurar la

función [3].

Por mucho tiempo estas fueron elaboradas con materiales de cuero y diversos metales,

en la actualidad se emplean los plásticos, los cuales al generar diversos factores de

rigidez o elasticidad, y su gran facilidad de moldearse esto, permite crear órtesis capaces

de tomar forma del cuerpo, por lo cual se adapta mejor, lo que genera resultados más

favorables [3].

Dentro de los pacientes que sufren problemas con la marcha, uno de los principales

factores es el consumo de energía, y las fuerzas generadas sobre las articulaciones

tienden a ser mayor, por lo cual es necesario, que la órtesis tenga el menor peso posible.

Existen diversas causas por la cual un paciente requiere una órtesis:



8

Causas

Las Principales funciones de una órtesis son:

Descarga o disipación de la energía generado durante una actividad especifica

Fijación

Estabilización

Funciones dinámica de Postura

Corrección

2.4 Antecedentes de órtesis pasivas y activas

Durante muchos años, en las órtesis de extremidad inferior, se usaron casi

exclusivamente componentes metálicos prefabricados. En la última década se ha visto un

marcado aumento del uso de plásticos, especialmente para las órtesis de tobillo-pie.

Además, un número de diseños han evolucionado a una combinación de metal y

materiales plásticos.

Los componentes metálicos normalmente son de aluminio, ya que es importante el peso,

pero pueden ser de acero inoxidable, si lo más importante es la duración. Los plásticos

nos dan variedad de posibilidades en resistencia, rigidez, peso y apariencia. Mientras se

hacen un número limitado de órtesis de laminado de plástico termoestable, la mayoría son

de materiales termoplásticos, tales como el polipropileno y varios derivados del polietileno.

Comparadas con las de metal, las órtesis de plástico son, generalmente, más cosméticas,

más ligeras y ofrecen mayor elección en las opciones de diseño, dependiendo de las

Congénitas: parálisis cerebral, espina bífida, malformación de

huesos largos, hemofilia y osteogénesis imperfecta.

Accidentes: Fracturas, lesiones de la columna vertebral, daño

cerebral, desgarres musculares de tendón y cartílago.

Enfermedad: embolias, distrofia muscular, artritis, escoliosis,

poliomielitis, otras.



9

características funcionales y estructurales deseadas. Como los plásticos pueden ser

fácilmente moldeados sobre un molde modificado de la parte del cuerpo, ello permite una

adaptación más perfecta y un control más preciso sobre la distribución de las presiones.

Cuando hay que aplicar unas fuerzas relativamente grandes, está indicado cubrir

extensamente la extremidad por unas cáscaras de plástico, para evitar concentraciones

excesivas de presión. En otros casos, es posible recortar el plástico y reducir mucho el

tamaño de los segmentos plásticos [3].

Fig.2.4.1 Ortesis pasivas

En México no existe un estudio tan minucioso en el diseño de órtesis activas, estas

pueden ser actuadas o sub actuadas.

Las órtesis actuadas tienen actuadores en cada una de las articulaciones sobre las que

tienen efecto, mientras que las sub. Actuadas (Fig. 2.4.2) trasmiten la energía mediante

cuerdas poleas hacia la articulación blanco. Pero la elección de los materiales y el tipo de

actuación dependen en gran medida de problema abordado.



10

Fig.2.4.2 Órtesis activa con sistema neumático



11

3 Justificación

Existen diversas patologías que pueden desencadenar problemas y lesiones a cualquier

individuo, dentro de éstas resaltan por su frecuencia las asociadas a la afectación del

miembro inferior, muchas de ellas incluso pueden estar presentes en una gran parte de la

vida sin reflejar síntomas (Fig.3.1), sin embargo, al agravarse llegan a ser un serio

problema al limitar la movilidad de la persona e incluso a incapacitándola.

Fig. 3.1 Incapacidades mas

comúnmente presentadas

Casi un 80% de la población mundial puede presentar algún problema relacionado con

esta situación debido al estilo de vida, y otras circunstancias como son la debilidad

muscular asociada al daño o muerte del sistema neuro-muscular. Es pos estas razones

que se requiere tomar conciencia de estos problemas y crear sistemas de base

tecnológica que faciliten la rehabilitación y reincorporación del paciente al ámbito social y

laboral. En éste sentido, aún cuando existen opciones en el mercado, si hablamos del

caso particular de México la oferta disponible corresponde en gran medida a aparatos

obsoletos o bien a opciones no adecuadas a nuestra población. Es por ello que impulsar

el desarrollo de propuestas ingenieriles que consideren tecnologías y diseños de

vanguardia es indispensable. El presente trabajo corresponde entonces al inicio de un

esfuerzo en éste sentido.



12

4 Objetivos

4.1 General

Diseñar, construir y evaluar el funcionamiento mecánico de una órtesis de

miembro inferior con un grado de libertad.

4.2 Específicos

• Realizar la descripción biomecánica del miembro inferior, enfocados al análisis de

movimiento durante la marcha en base a modelos dinámicos reportados en la

literatura.

• Determinar que variables pueden ser medidas y construir la instrumentación

necesaria.

• Diseño de la órtesis en base a la construcción de una plataforma para emular el

patrón de marcha.

• Analizar las variables implicadas en el diseño estructural.



13

5 Metodología A continuación se describen los pasos seguidos para la elaboración del proyecto

5.1 Diagrama de flujo

El siguiente diagrama de flujo resume los pasos a seguir en el cumplimiento de los

objetivos planteados, las secciones subsecuentes describen de manera detallada cada

una de las etapas señaladas.

Proyecto

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3

Instrumentación Diseño de una

plataforma para la

simulación de la

marcha

Diseño de la órtesis

Diseño y

construcción del un

electrogoniómetros Caracterización de la

plataforma

Diseño de un seguro

para el bloqueo de la

rodilla

Caracterización del

Instrumento Construcción del

mecanismo de 4

barras

Análisis de la

estructura

Construcción

Conjunción del trabajo en todas las etapas

Pruebas finales y conclusión



14

5.2 Instrumentación

Diseño del Electrogoniómetro

Los goniómetros son instrumentos empleados en la medición de ángulos, de diversos

dispositivos y mecanismos. [4]

Se requiere diseñar un electro goniómetro, con el cual se medirá el ángulo de extensión y

flexión de la rodilla y el tobillo. Cabe mencionar que aunque estas articulaciones poseen

otras posiciones anatómicas, no serán consideradas durante esta etapa del proyecto.

El diseño y construcción del electro goniómetro se propone bajo la secuencia de las

siguientes metas

Meta 1: Diseñar el circuito electrónico para el goniómetro.

Actividad 1. Proponer el diseño del circuito eléctrico que cubra los requisitos para

emplearse como goniómetro, así como realizar su caracterización.

Actividad 2. Probar el desempeño del diseño en base a la paquetería de simulación

eléctrica Multisim.

Meta 2: Construcción del circuito.

Actividad 1 Empleando la paquetería gratuita PCB WIZARD realizar los esquemas para la

impresión de las pistas del circuito.

Actividad 2 Usando alguno de los métodos Serigraficos existentes realizar la impresión del

circuito PCB sobre una placa de cobre, posteriormente se le aplicara el tratamiento de

cloruro férrico.

Actividad 3. Perforar la tablilla obtenida en el paso anterior y soldar los componentes

electrónicos para la obtención del circuito eléctrico.

Meta 3: Caracterización del instrumento.

Actividad 1 Realizar una tabla de valores de ángulo contra el voltaje correspondiente y

obtener 3 mediciones por cada dispositivo.



15

Actividad 2 Por medio de mínimos cuadrados obtener las ecuaciones características, para

un uso posterior.

5.3 Diseño de la Órtesis

Para esta eta se requiere el diseño de un seguro el cual permita el bloqueo y desbloqueo

de la rodilla de forma automática cuando este sea requerido. Dentro del mercado hay una

gran variedad de seguros a la venta, en su mayoría estos seguros son manuales. (Fig

5.3.1)

Fig. 5.3.1 Seguro de rodilla en forma manual

También existen seguros los cuales se desbloquean de forma automática y tienen

funciones más amplias los cuales ya no requieren un desbloque manual. (Fig. 5.3.2)

Fig. 5.3.2 Órtesis con seguro de

bloque activo



16

Meta 1: Para el diseño de nuestro seguro se propone la manufacturación del modelo de la

Fig. 5.3.3 el cual cuenta con un chicote que aprovecha el trabajo mecánico para el

desbloqueo del mismo mientras que para el bloqueo cuenta con un resorte que lo regresa

a la posición original

Actividad 1. Empleando el programa Autocad 2008 realizar las vistas de das diferentes

piezas que componen el seguro de bloque.

Actividad 2. Con las dimensiones adecuadas realizar la manufacturación de las piezas.

Actividad 3. Seleccionar los componentes adicionales así como el resorte y el chicote de

tal forma que se adapten con el diseño del seguro.

Fig. 5.3.3 Seguro de bloqueo de rodilla



17

Meta 2: Lo órtesis además del seguro requiere una parte de sujeción, complementaria,

para su construcción se requiere conocer las medidas necesarias del sujeto de prueba,

(Fig. 5.3.4)

Fig. 5.3.4 dimensiones

anatómicas a tomar en cuenta

para las proporciones de la

órtesis

Actividad 1.- tomar medidas de los diferentes dímetros y longitudes las piernas

Actividad 2.- Realizar una comparación del seguro de bloque contra la rodilla y obtener las

medidas para las barras que se sujetaran de la cadera a la rodilla y de la rodilla al tobillo.

Actividad 3. Manufacturar la parte de sujeción de la órtesis.

5.4 Diseño de una plataforma de simulación de la marcha

El proceso de marcha es complejo por lo cual el miembro inferior presenta diferentes

características en cada una de sus articulaciones, y aunque este se lleva a cabo en tres

dimensiones, la mayor parte del proceso está representado por la extensión y flexión de la

rodilla por lo cual podemos delimitar el problema a solo dos planos. Con esto podemos

ocupar el modelo de la escaladora. El cual es un mecanismo tipo 4 barras, al cual se le

agregaran dos barras para similar una pierna humana durante el proceso de marcha (Fig.

5.4.1)



18

Esto tiene el fin de realizar pruebas más exhaustivas y debidas a que muchas veces no se

puede tener el sujeto de pruebas al instante, tener una forma de emular este proceso nos

sirve de mucho, adicionalmente de una maquina no sufre perturbaciones por el

agotamiento físico y a la larga genera mejores resultados.

Fig. 5.4.1 sistema de 4 barras propuesto para la

plataforma de marcha

Para la construcción se empleo la siguiente metodología

Meta 1. Registro y análisis de un ciclo de marcha completa de la persona modelo.

Actividad 1. Videograbación de un ciclo de marcha completo.

Para el registro de un ciclo completo de marcha de la persona modelo se realiza la

videograbación de éste utilizando una cámara digital marca SONY modelo. Previamente

le serán colocados a la persona marcadores en la cadera, la rodilla y el tobillo, la

grabación se realizará de forma lateral para la pierna derecha.

Actividad 2. Tratamiento del video.

El video recabado es segmentado en cuadros individuales de grabación (frames)

mediante el software PowerDVD versión XXRR. El total de los cuadros es almacenado

para su posterior análisis

Meta 2. Determinación de la trayectoria del desplazamiento en el plano lateral para la

rodilla la cadera y el tobillo.



19

Actividad 1. Determinación de las trayectorias laterales de la cadera, la rodilla y el tobillo.

Los cuadros obtenidos del video del ciclo de marcha completo, son escalados en una

relación 1:100 de acuerdo a las medidas del modelo. Una vez escalado se procede a

determinar la posición de los marcadores de la cadera, la rodilla y el tobillo. De esta forma

se obtendrán un conjunto de datos con las coordenadas de cada marcador en cada

tiempo de grabación, estos datos serán procesados para su graficación empleando el

Software MATLAB Ver 7.0.

Actividad 2. Aproximación de las trayectorias mediante expresiones poligonales

empleando los marcadores.

El conjunto de datos recabado sobre la posición de los marcadores es aproximado

mediante polinomios, el orden de los mismos dependerá de la calidad de la aproximación

deseada. De esta forma se tendrá un polinomio para la trayectoria de la cadera, un

polinomio para la trayectoria de la rodilla y no más para la trayectoria del tobillo. Los

ajustes y la graficación se realizarán mediante el software MATLAB.

Meta 3. Determinación de las variaciones del ángulo de la rodilla durante un ciclo

completo.

Actividad 1. Al igual que en el caso de los marcadores, se realizará la medición del

ángulo de la rodilla en cada uno de los cuadros registrados.

Meta 4. Diseño construcción de la plataforma de simulación en base a los datos

recabados.

Actividad 1. En base a los datos obtenidos sobre las trayectorias y los valores de los

ángulos, se propondrá un mecanismo para emular los movimientos de la pierna. Para su

construcción se parte del mecanismo básico de cuatro barras que será modificado de

acuerdo a la información de la trayectoria del tobillo.

Actividad 2. Se incluirá una guía para la trayectoria del la cadera mientras que en el caso

de la rodilla se asegurará que ésta presente el ángulo correspondiente a la evolución del

ciclo de marcha que se registró del modelo.



20

5.5 Evaluación de la función de los diseños

En esta etapa se evaluara el desempeño de la órtesis y plataforma de simulación de la

marcha

Meta 1 Evaluación del funcionamiento de la órtesis

Actividad 1. Se verificara que el funcionamiento del seguro, el cual deberá estar

bloqueado cuando no hay ninguna fuerza sobre el chico y cuando se aplica la fuerza el

seguro se desbloqueara

Meta 2. Pruebas de funcionamiento y correcciones al diseño.

Actividad 1. Se realizarán pruebas de funcionamiento sobre el desempeño de la

plataforma considerando la velocidad del ciclo (dos posiciones) así como el cumplimento

referente a los valores angulares de la articulación de la rodilla, por último se montará la

órtesis desarrollada para su prueba sobre la plataforma.

6. Material

Material empleado por cada etapa del prototipo

Tabla6.1 Goniómetro

Cantidad Elemento

4 Flexsensor

2 TL084

2m Alambre estañado

2m Soldadura

1 Placas para soldar 10x30

1 Cloruro férrico



21

Tabla 6.2 Órtesis

Cantidad Elemento

4m Solera

2 Chicotes de bicicleta

4 Resorte

20 Seguros de presión

20 Tuercas

20 Rondanas

Tabla 6.3 Plataforma para simulación de la marcha

Cantidad Elemento

2 Polines

20 Tornillos

20 Tuercas

20 Rondanas de presión

20 Seguros de presión

1 Motor

10 Ángulos de metal

30 Tornillos de madera

3m Solera

1m barra redonda



22

7 Resultados

7.1 Instrumentación

Se empleó un sensor cuya resistencia eléctrica es proporcional a la magnitud de su

flexión, Flexsensor (Fig. 7.1.1.), cuya variabilidad es de característica lineal.

Fig. 7.1.1 Flexsensor.

Este se conecto a un circuito eléctrico en configuración de divisor de voltaje cuyos rango

de variación es de (+,-) 10 volts (Fig. 7.1.2.)

Fig. 7.1.2 diagrama eléctrico del electro goniómetro



23

La ecuación del voltaje a la salida es:

VpR

R

R

R

RR

RVo

VssVccRR

RVp

FS

4

5

4

51

23

2

1

1

Una vez cubiertos lo anterior se realizó una caracterización obteniéndose la ecuación

representativa en base a un ajuste lineal de los datos mediante el método de mínimos

cuadrados. (Tabla 7.1, Tabla 7.2 Tabla 7.3, Fig. 7.1.3, Fig. 7.1.4 y Fig. 7.1.5)

Tabla 7.1. Relación de voltaje ángulo para la línealizacion de sensor 1

Vp= Voltaje de salida del primer OPAM

Vo= Voltaje de salida

RFS=Resistencia del flexsensor



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Fig. 6.1.3 Ecuación y grafica de línealizacion sensor 1

Tabla 7.2. Relación de voltaje Angulo para la línealizacion de sensor 2

Flexosensor 1

Angulo = 50,402Voltaje + 37,339

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2Voltaje



25


Tabla 7.3. Relación de voltaje Angulo para la línealizacion de sensor 3

Tabla 7.3

Flexosensor 2

Angulo = 73,115(Voltaje= + 41,95

-20

0

20

40

60

80

100

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8

Voltaje



26


En las tablas y figuras anteriores podemos encontrar la relación de cada circuito con el

ángulo mediante un programa que realice la conversión de voltaje a grados.

Fig. 7.1.6 Circuito eléctrico obtenido electro goniómetro terminado

En la Fig. 7.1.6 se puede visualizar el diseño PCB del circuito, además del circuito físico

elaborado, este tiene un tamaño de 4cm X 3cm. Cada tablilla contiene dos

electrogoniómetros, por lo cual para monitorear el proceso de marcha se necesita una

tablilla por pierna.

Flexosensor 3

Angulo = 60,564(Voltaje) + 62,999

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4Voltaje



27

7.2 Diseño de la órtesis

Como primera etapa se realizó el diseño del seguro de la órtesis de acuerdo a las

medidas adecuadas para el sujeto prueba, obteniéndose las siguientes piezas (Fig. 7.2.1)

Fig. 7.2.1 Piezas con las di menciones adecuadas para la manufactura de las piezas. Todas las

piezas tienen un espesor de ¼ de pulgada

Teniendo el tamaño de las piezas se procedió a su manufacturación, esto se realizo por

medio de la fresadora de la cual se obtuvieron las piezas de la Fig. 7.2.2 considerando la

dimensión adecuada para el seguro de bloqueo. Para la parte del sistema de desbloque

se empleo un chicote sujeto a la pieza de bloqueo.



28

Fig. 7.2.2 Piezas con las dimensiones

adecuadas para la manufactura de las piezas.

Todas las piezas tienen un espesor de ¼ de

pulgada

Una vez que se manufacturó el seguro se procedió al ensamble, aunque una parte del

seguro es el resorte que permite bloquear a éste una vez que llega a una posición

determinada, se realizaron pruebas con varios seguros tomando como los idóneos para

este trabajo solo dos de ellos. (Fig. 7.2.3.)



29

Fig. 7.2.3 Resortes empleados y su posición dentro

del seguro de bloque

De los resortes obtenidos se selecciono el resorte circular el cual se alinea junto con la

trayectoria del chicote. Esto le permitía fijarse y mantenerse única y específicamente

sobre esa posición cosa que no pasaba con el resorte en arco, ya que después de

determinado tiempo se deformaba lo cual le impide regresar a su posición y por lo tanto

generar el empuje necesario para bloquear el seguro. Por ello el resorte circular fue la

opción perfecta. Y gracias a que las fuerzas recaían directamente sobre él, el esfuerzo

que se tiene que realizar para desbloquear es menor por lo tanto resulto más adecuado

para este trabajo.

Realizado el paso anterior se procedió al ensamble del seguro paro ello se realizaron

unas perforaciones adicionales sobre las piezas para poder fijarlas, los tornillos fueron

colocados de tal forma que no afectaran el mecanismo del seguro. De igual forma, se



30

engrasaron las piezas para evitar un poco el desgaste que se da entre el roce de pieza y

pieza, una vez realizado esto se armo. (Fig. 7.2.4)

Fig. 7.2.3 Vista del seguro armado

Una vez armado el seguro se procedió a medir la longitud de la pierna de sujeto prueba

con esto se crearon dos ejes los cuales permitirán fijar la órtesis la pierna y se le

adicionaron dos abrazaderas con relleno suave para evitar que este pueda lastimar el

miembro en cuestión (Fig. 7.2.4)

Fig. 7.2.4 Vista de la órtesis



31

7.3 diseño de la plataforma

En base a la metodología planteada se obtuvieron los siguientes resultados. En la Fig.

7.3.1 podemos apreciar al individuo modelo con la colocación de los marcadores

correspondientes a la posición de la cadera, la rodilla y el tobillo, se aprecia además el

ángulo correspondiente a la articulación de la rodilla.

Fig. 7.3.1 Individuo modelo con la posición de los

marcadores.

La secuencia de los cuadros del video corresponde a un total de 28 cuadros de los cuales

se muestran a continuación en la Fig. 7.3.2, sólo se presentan en nueve a manera de

ejemplo:



32

Fig. 7.3.2 Muestra de nueve cuadros de la secuencia de 28 tomados en video, es posible

apreciar la posición de los marcadores de la cadera, la rodilla y el tobillo.

Los cuadros del video se ajustaron a imágenes con una escala 1:100 con el modelo real,

con este escalamiento se procedió a determinar la posición de la cadera, la rodilla y el

tobillo a lo largo del ciclo de marcha, los datos fueron graficados y su comportamiento

puede verse en la fig. 7.3.3



33

Fig. 7.3.3 Posiciones de los marcadores de la cadera, la rodilla y el tobillo durante el ciclo de marcha a

partir de la información recabada de los cuadros del video. Se presenta con las dimensiones reales.

A partir de estos datos es posible apreciar las trayectorias que siguen los marcadores

como se observa en la Fig. 7.3.4



34

Fig. 7.3.4 De arriba hacia abajo se resaltan las trayectoria de la cadera, la rodilla y del tobillo.

La trayectoria del desplazamiento del tobillo se emplea como base para el diseño

mecánico, por ello se realizó su aproximación polinomial de sexto orden:

𝑦𝑡 = 𝑎6𝑥𝑡6 + 𝑎5𝑥𝑡

5 + 𝑎4𝑥𝑡4 + 𝑎3𝑥𝑡

3 + 𝑎2𝑥𝑡2 + 𝑎1𝑥𝑡

1 + 𝑎0

Donde yt representa la posición del tobillo en el eje de las ordenadas y xt representa la

posición del tobillo en el eje de las abscisas. Los valores de los coeficientes calculados

mediante MATLAB se presentan a continuación:

Tabla 7.4 Valores de los coeficientes del polinomio de aproximación de la trayectoria del

tobillo

a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0

-1.3170 7.2432 -15.8456 17.2458 -9.4667 2.1906 0.0275

La Fig. 7.3.5 muestra la trayectoria generada por el polinomio y los datos empleados para

realizar el ajuste tomados de la posición de los marcadores.



35

Fig. 7.3.5 Aproximación polinomial de la trayectoria del tobillo.

Nos interesa además conocer cuento se desplaza el tobillo por cada uno de los

segmentos recorridos sobre la trayectoria, para ello se hace uso de los datos obtenidos

del polinomio y la siguiente fórmula para calcular longitud de arco entre dos puntos a y b

si se conoce la función que lo genera así como su derivada:

𝑎𝑟𝑐𝑎𝑏 = 1 +𝑑𝑓

𝑑𝑥

2𝑏

𝑎

En base a esta fórmula se calculan 27 segmentos de arco sobre la trayectoria generada

por el polinomio, considerando las coordenadas en x dadas por los marcadores, el

programa se realizó en la plataforma MATLAB/Simulan.



36

Tabla 7.5. Longitudes de arco recorridas sobre la trayectoria del tobillo durante cada uno

de los cuadros

Intervalo Longitud de arco recorrida Longitud de arco que debera recorrerse

en la plataforma

1-2 0.02088 0.0101268

2-3 0 0

3-4 0 0

4-5 0.01945 0.00943325

5-6 0.009224 0.00447364

6-7 0.008909 0.00432087

7-8 0.008609 0.00417537

8-9 0.01637 0.00793945

9-10 0.02264 0.0109804

10-11 0.03353 0.01626205

11-12 0.0461 0.0223585

12-13 0.04136 0.0200596

13-14 0.08045 0.03901825

14-15 0.08278 0.0401483

15-16 0.07865 0.03814525

16-17 0.1396 0.067706

17-18 0.1163 0.0564055

18-19 0.08529 0.04136565

19-20 0.1051 0.0509735

20-21 0.09514 0.0461429

21-22 0.06516 0.0316026

22-23 0.02508 0.0121638

23-24 0.02007 0.00973395

24-25 0 0

25-26 0 0

26-27 0.01004 0.0048694

27-28 0.0104 0.005044

Para la elaboración de este mecanismo se manufacturan las piezas de la Fig. 7.3.5. Las

cuales fueron hechas con solera al espesor adecuado. Los ejes fueron realizados

mediante el torno dejando una parte con un diámetro mayor el cual le proporciona

estabilidad al sistema evitando las vibraciones que se pueden generar por el juego que

causa el ensamble de pieza a pieza.



37

Fig. 7.3.6 Manufacturado de las piezas de la plataforma y estrutura de madera empleada

para sostener el sistema

Con estos datos se procede a construir un sistema mecánico basado en el mecanismo

clásico de cuatro barras y que se muestra en la (Fig. 7.3.7). Se utiliza un motor de HP

colocado en la barra a. A través de este mecanismo se obtiene la trayectoria del pun A,

como se muestra a continuación.



38

Fig. 7.3.7 Sistema de 4 barras.

Puede observarse que la trayectoria cerrada A, es equivalente a cerrar la trayectoria

generada por el polinomio, esta es la idea principal del diseño, lo que sigue a continuación

es determinar los valores de los ángulos de la rodilla, para montar dos segmentos

metálicos articulados que simulen la pierna, al determinarse estos ángulos e ir variando la

posición y la trayectoria del tobillo se determina la trayectoria que simula la de la cadera.



39

Tabla 7.6. Angulo de la rodilla de acuerdo a la toma usada para describir el proceso de

marcha

Posición Angulo de

la Rodilla Theta r

Grados

1 176

2 175.5

3 172.5

4 172.5

5 172.5

6 170

7 165.5

8 161

9 158

10 148

11 137

12 127

13 124.5

14 124

15 125

16 124.5

17 137.5

18 146.5

19 153

20 167

21 177.5

22 180

23 178

24 178

25 175

26 175

27 174

28 175.5



40

Tabla 7.7 Angulo respecto a la horizontal de las tomas empleadas para la

descripción del proceso de marcha

Posición Angulo respecto de la horizontal

1 89

2 86

3 83.5

4 80.5

5 79

6 76

7 72

8 68

9 63

10 55

11 47

12 41

13 38

14 42

15 47.5

16 51.5

17 63

18 51.5

19 79

20 90

21 98.5

22 100

23 98.5

24 97

25 93

26 89.5

27 88.5

28 88



41

Tabla 7.8. Coordenadas del tobillo de acuerdo a la elevación alcanzada

Posición Coordenada en x para el tobillo

1 0.0150

2 0.0250

3 0.0250

4 0.0250

5 0.0350

6 0.0400

7 0.0450

8 0.0500

9 0.0600

10 0.0750

11 0.1000

12 0.1400

13 0.1800

14 0.2600

15 0.3400

16 0.4150

17 0.5500

18 0.6650

19 0.7500

20 0.8550

21 0.9500

22 1.0150

23 1.0400

24 1.0600

25 1.0600

26 1.0600

27 1.0700

28 1.0800



42

7.4 Pruebas del funcionamiento de la órtesis

El seguro fue probado manualmente con lo que se verifico que este se bloqueara y

desbloquear de acuerdo a la posición del chicote. Para mantener el seguro bloqueado el

chicote debe de estar relajado como se muestra en la Fig. 7.4.1

Fig. 7.4.1 Órtesis con el seguro bloqueado

Para desbloquearlo el chicote debe de ser tensado hasta vencer la componente del

resorte Fig. 7.4.2

Fig. 7.4.2 Órtesis con el seguro desbloqueado



43

Con esto se comprobó la funcionalidad del sistema de bloque. Este mismo efecto tendrá

sobre el miembro inferior (Fig. 7.4.3)

Fig. 7.4.3 Ortesis montada en el miembro inferior



44

En la plataforma se realizo una prueba de video realizando un estudio de tomas para

verificar, que esta emula el proceso de marcha. (Fig. 7.4.4)

Fig. 7.4.5 Secuencia de la plataforma para emular el proceso de marcha

Como se puede ver en la imagen anterior la secuencia de ángulos generada por las

barras que emulan la pierna, es muy parecida a la que se da durante el proceso de

marcha. Esto se debe a que la parte de la cadera no debe ir fija, sino que también debe

tener un mecanismo que realice una trayectoria especifica. (Fig. 7.4.6)



45

Fig. 7.4.6 Plataforma con trayectoria que sigue durante su funcionamiento



46

8 Conclusiones

La marcha es un proceso complejo del cual no existe todavía un dispositivo que pueda

emular todas las condiciones y por lo que continua siendo un problema de estudio en todo

el mundo. Esta es la causa principal por la que el trabajo se enfocó al estudió sólo de los

desplazamientos en el plano lateral XY. Así se obtuvo un diseño preliminar de la

plataforma de prueba, que servirá en la prueba y continua mejora de la órtesis diseñada

permitiéndonos realizar pruebas de su desempeño sin la necesidad de que el paciente

este presente.

Se logró el diseño y construcción del prototipo de la órtesis propuesta para el problema de

debilidad muscular.

Tanto la órtesis como la plataforma de prueba representan un primer pero importante

avance en la investigación en el campo de la biomecánica que se pretende continuar

dentro del grupo de investigación.



47

9 Recomendaciones

De acuerdo a las etapas se proponen las siguientes recomendaciones:

Sobre la Instrumentación.

Es necesario implementar adicionalmente a los electrogoniómetros, sensores de posición

con la finalidad de registrar tanto los ángulos, como la posición, y velocidad con la que se

desplaza nuestro sujeto de pruebas. Con ello se obtendrán datos más confiables que los

obtenidos por el método de tomas video graficas.

Sobre la órtesis

Es posible proponer un amplio número de mejoras, por ejemplo: la parte de sujeción

inferior puede manufacturarse, de tal forma que sea solo una pieza con la parte inferior de

seguro lo cual evitara el uso excesivo de tornillos, a su vez se otorgará un grado de

resistencia mayor. De igual forma la pieza superior del seguro puede fusionarse con parte

superior reduciendo los costos y cantidad de piezas contenidas en la órtesis.

Plataforma de simulación del proceso de marcha.

En esta plataforma se dejo fijo el punto de la cadera ya que este describe un movimiento

que debe de ser actuado en su totalidad, ya que la gravedad es un factor que actúa en

contra si solo se traza un guía, la trayectoria real corresponde a un “8” deformado, por lo

cual en un trabajo futuro se propone realizar el seguimiento del Angulo de la cadera por

medio de un robot X, Y el cual realizara el seguimiento de la trayectoria generando una

estructura que emule en una forma más cercana a la real del proceso de marcha



48

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