Rehabilitación del exoesqueleto del hombro: 10 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

El hombro es una de las partes más complicadas de todo el cuerpo humano. Sus articulaciones y la articulación del hombro permiten al hombro una amplia gama de movimientos del brazo y, por lo tanto, son bastante complejos de modelar. En consecuencia, la rehabilitación del hombro es un problema médico clásico. El objetivo de este proyecto es diseñar un robot que ayude a esta rehabilitación.

Este robot tomará la forma de un exoesqueleto con varios sensores que medirán los parámetros relevantes para caracterizar el movimiento del brazo, y luego comparará los resultados obtenidos con una base de datos para brindar retroalimentación inmediata sobre la calidad del movimiento del hombro del paciente.

El dispositivo se puede ver en las imágenes de arriba. Este exoesqueleto se fija en un arnés que lleva el paciente. También hay correas para sujetar el brazo del dispositivo al brazo del paciente.

Somos estudiantes de la Facultad de Ingeniería de Bruselas (Bruface) y tenemos una tarea para el curso Mecatrónica 1: realizar un proyecto a partir de una lista de sugerencias de la que elegimos el robot de rehabilitación de hombro.

Miembros del Grupo 7 de Mecatrónica 1:

Gianluca Carbone

Inés Enriqueta

Pierre Pereira Acuña

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Paso 1: Materiales

- Impresora 3D: plástico PLA

- Máquina de corte por láser

- MDF 3 mm: superficie 2m²

- 2 acelerómetros MMA8452Q

- 2 potenciómetros: PC20BU

- Rodamientos: diámetro interior 10 mm; 26 mm de diámetro exterior

- Carriles guías lineales: ancho 27 mm; longitud mínima 300 mm

- Arnés trasero y correas

- Arduino Uno

- Cables Arduino: 2 bus para Alimentación (3, Acelerómetro 3V y Potientiómetro 5V), 2 bus para medición Acelerómetro, 1 bus para la masa. (tablero):

- Tornillos:

Para el rodamiento: tornillos y tuercas M10, Para la estructura en general: tornillos y tuercas M3 y M4

Paso 2: Idea principal

Para ayudar a la rehabilitación del hombro, este dispositivo tiene como finalidad ayudar a la rehabilitación del hombro siguiendo los movimientos básicos en casa con el prototipo.

Los movimientos en los que hemos decidido centrarnos como ejercicios son: la abducción frontal (izquierda en la imagen) y la rotación externa (derecha).

Nuestro prototipo está equipado con varios sensores: dos acelerómetros y dos potenciómetros. Estos sensores envían a una computadora los valores de los ángulos del brazo y del antebrazo desde la posición vertical. Luego, los diferentes datos se grafican en una base de datos que representa el movimiento óptimo. Esta gráfica se realiza en tiempo real para que el paciente pueda comparar directamente su propio movimiento con el movimiento a obtener, y así pueda corregirse para mantenerse lo más cerca posible del movimiento perfecto. Esta parte se discutirá en el paso de la base de datos.

Los resultados graficados también se pueden enviar a un fisioterapeuta profesional que puede interpretar los datos y dar más consejos al paciente.

Más en el punto de vista práctico, como el hombro es una de las articulaciones más complejas del cuerpo humano, la idea era evitar cierto rango de movimiento para evitar una mala realización del movimiento, de modo que el prototipo solo pueda permitir estos dos movimientos.

Además, el dispositivo no coincidirá perfectamente con la anatomía del paciente. Esto significa que los ejes de rotación del exoesqueleto no coinciden perfectamente con los del hombro del paciente. Esto generará pares que pueden romper el dispositivo. Para compensar eso, se ha implementado un conjunto de rieles. Esto también permite que una gran variedad de pacientes usen el dispositivo.

Paso 3: diferentes partes del dispositivo

En esta parte, puedes encontrar todos los dibujos técnicos de las piezas que utilizamos.

Si desea utilizar el suyo propio, preocúpese por el hecho de que algunas piezas están sujetas a grandes restricciones: los ejes del rodamiento, por ejemplo, están sujetos a deformaciones locales. Si se imprimen en 3D, deben ser de alta densidad y lo suficientemente gruesos para evitar que se rompan.

Paso 4: Montaje - Placa posterior

En este video, puede ver el control deslizante utilizado para corregir uno de los DOF (la guía lineal perpendicular a la placa posterior). Ese control deslizante también podría colocarse en el brazo, pero la solución presentada en el video dio mejores resultados teóricos en el software 3D para probar el movimiento del prototipo.

Paso 5: Montaje - Articulación de abducción

Paso 6: Montaje - Articulación de rotación externa

Paso 7: Montaje final

Paso 8: Diagrama de circo

Ahora que el prototipo ensamblado corrige correctamente la desalineación del hombro y logra seguir el movimiento del paciente junto con las dos direcciones deseadas, es hora de pasar a la parte de seguimiento y especialmente a la parte eléctrica del proyecto.

Entonces, los acelerómetros recibirán información de aceleraciones junto con todas las direcciones del plan, y un código calculará los diferentes ángulos interesantes a partir de los datos medidos. Los diferentes resultados se enviarán a un archivo matlab a través de Arduino. El archivo Matlab luego dibuja los resultados en tiempo real y compara la curva obtenida con una base de datos de los movimientos aceptables.

Cableado de componentes a Arduino:

Esta es la representación esquemática de las diferentes conexiones entre diferentes elementos. El usuario debe tener cuidado de que las conexiones dependan del código utilizado. Por ejemplo, la salida I1 del primer acelerómetro está conectada a tierra mientras que la salida del segundo está conectada a 3.3V. Esta es una de las formas de distinguir los dos acelerómetros desde el punto de vista de Arduino.

Tabla de cableado:

Verde - Alimentación de acelerómetros

Rojo: ingrese A5 del Arduino para recopilar datos de los acelerómetros

Rosa: ingrese A4 del Arduino para recopilar datos de los acelerómetros

Negro - Tierra

Gris: medidas del primer potenciómetro (en la rótula de abducción frontal)

Amarillo - Medidas del segundo potenciómetro (en la rotación externa)

Azul - Alimentación de potenciómetros

Paso 9: base de datos

Ahora que la computadora recibe los ángulos, la computadora los interpretará.

Esta es una foto de una representación de la base de datos elegida. En esta base de datos, las curvas azules representan la zona de movimiento aceptable y la curva roja representa el movimiento perfecto. Cabe destacar que, por supuesto, la base de datos está abierta a modificaciones. Idealmente, los parámetros de la base de datos deberían ser establecidos por un fisioterapeuta profesional para asesorar sobre los parámetros de rehabilitación óptimos reales.

El movimiento óptimo elegido aquí en rojo, se basa en la experiencia y es tal que el brazo alcanza 90 ° en 2.5 segundos, lo que corresponde a una velocidad angular constante de 36 ° / s, (o 0, 6283 rad / s).

La zona aceptable (en azul) se ha diseñado con una función por partes de 3 órdenes en este caso tanto para el límite superior como para el límite inferior. Las funciones de orden superior también podrían considerarse para mejorar la forma de las curvas o incluso la complejidad del ejercicio. En este ejemplo el ejercicio es muy simple: 3 repeticiones de movimiento de 0 a 90 °.

El código va a graficar los resultados de uno de los sensores, el de interés que da el ejercicio de rehabilitación considerado, en esta base de datos. El juego ahora para el paciente es adaptar la velocidad y la posición de su brazo para que su brazo permanezca dentro de la zona azul, el rango aceptable, y lo más cerca posible de la curva roja, el movimiento perfecto.