Órtesis de rehabilitación para flexión y extensión de brazo
Contexto
Las lesiones del plexo braquial representan una problemática médica significativa, dado que afectan la movilidad y la sensibilidad del miembro superior. Estas lesiones suelen ser causadas por accidentes, principalmente de tráfico, y resultan en una disminución considerable de la calidad de vida de los pacientes debido a la incapacidad para realizar tareas cotidianas.
En Colombia, donde el uso de motocicletas y bicicletas es común, la incidencia de estas lesiones es alta. A pesar de la existencia de tratamientos quirúrgicos efectivos, el acceso limitado y los largos tiempos de espera generan complicaciones adicionales, como atrofia muscular y pérdida permanente de movilidad.
El desarrollo de órtesis y exoesqueletos representa una solución prometedora para la rehabilitación de estos pacientes. Este proyecto se enfoca en el diseño y construcción de una órtesis ligera y adaptable que permita la flexión y extensión del codo, mejorando la eficacia de la rehabilitación y la calidad de vida de los usuarios.
Diseño
Diseño conceptual
En la fase inicial, se propusieron cuatro conceptos para la transmisión de potencia:
- Actuadores lineales: Usan pistones para generar movimiento. Aunque ofrecen precisión, su peso y tamaño dificultan la portabilidad.
- Sistemas de poleas: Proporcionan una ventaja mecánica significativa, permitiendo un diseño compacto y eficiente.
- Motores de accionamiento directo: Aunque ofrecen simplicidad, tienen limitaciones en términos de peso y costo.
- Músculos artificiales: Su suavidad y biomimética son prometedoras, pero su alto costo y dificultad de implementación los hacen menos viables.
Diseño conceptual de órtesis actuada por pistones Diseño conceptual de órtesis actuada por uno o varios motores distales haciendo uso de una polea o un polipasto Diseño conceptual de órtesis actuada por un motor posicionado directamente en el centro de rotación de la articulación del paciente Diseño conceptual de órtesis actuada por músculos artificiales accionados neumáticamente
Mediante una matriz de decisión, se seleccionó el sistema de poleas como la opción más equilibrada en funcionalidad, eficiencia y adaptabilidad.
Prototipos
Prototipo de baja resolución
El primer prototipo utilizó un sistema de cuerdas y poleas. Aunque funcional, presentó limitaciones importantes:
- Falta de ventaja mecánica, lo que requería actuadores más potentes.
- Exceso de volumen, dificultando su integración al brazo del usuario.
- Restricciones en el rango de movimiento, debido a interferencias mecánicas.
Prototipo de baja resolución basado en el diseño conceptual
Prototipos de mediana resolución
Inspirados en el sistema LIMS Ambidex, los prototipos de mediana resolución incluyeron un sistema de polipastos para mejorar la ventaja mecánica. Las principales mejoras fueron:
- Implementación de poleas adicionales para guiar las cuerdas.
- Uso de materiales más ligeros y resistentes, como monofilamentos para las cuerdas.
- Incorporación de soportes giratorios para reducir enredos.
Sistema de poleas y su respectiva simplificación para un mayor entendimiento del sistema a utilizar
El diseño fue iterado utilizando tecnologías como impresión 3D, logrando un sistema funcional que servió como base para el prototipo final.
Prototipo de alta resolución
El prototipo final fue fabricado con aluminio y componentes impresos en 3D. Se diseñó una mochila que aloja los componentes electrónicos y un motor distal MyActuator RMD-L-5010-35T controlado mediante protocolo CAN.
Prototipo brazo final de alta resolución
Se implementaron sistemas de depuración visual y una curva de control basada en tangente hiperbólica para asegurar una operación segura y eficiente.
Resultados y conclusiones
El proyecto logró desarrollar una órtesis funcional, aunque con áreas de mejora identificadas.
Análisis de tensión en la cuerda durante el movimiento
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Resultados positivos:
- El diseño mecánico cumplió con los requisitos de ligereza y ergonomía.
- El sistema eléctrico y motriz funcionó según lo esperado, facilitando el movimiento asistido.
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Áreas de mejora:
- El motor seleccionado no logró levantar el peso del brazo bajo ciertas condiciones, requiriéndose un dimensionamiento más robusto.
- La fricción insuficiente entre componentes generó un grado de libertad adicional no deseado.
Velocidad angular del motor durante las pruebas
- Impacto potencial:
- Este proyecto establece una base sólida para el desarrollo de dispositivos de rehabilitación más eficientes, contribuyendo significativamente a la calidad de vida de los pacientes.
Métodos
El diseño se llevó a cabo mediante un enfoque iterativo que incluyó:
- Análisis cinemático y dinámico: Para modelar y optimizar el movimiento de la órtesis.
- Prototipado rápido: Usando impresión 3D y mecanizado CNC para evaluar iterativamente el diseño.
- Simulación dinámica: Captura de datos con software Tracker para validar el rango de movimiento y parámetros del sistema.
Análisis cinemático del movimiento del codo
Estos métodos permitieron desarrollar un prototipo que cumple con los objetivos principales del proyecto y sienta las bases para futuras investigaciones.