DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DE APOYO EN TERAPIA PASIVA PARA REHABILITACIÓN MOTORA DE MANO Y MUÑECA

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1 UNIVERSIDAD DEL QUINDÍO - FACULTAD DE INGENIERÍA INFORME FINAL - TRABAJO DE GRADO DISEÑO DE UN DISPOSITIVO DE APOYO EN TERAPIA PASIVA PARA REHABILITACIÓN MOTORA DE MANO Y MUÑECA AUTORES: Rubén Darío Díaz Bautista Angélica Vargas López DIRECTOR: MSc.Alexander López parrado 13 Diciembre

2 RESUMEN En el presente proyecto de grado se realiza el diseño de un dispositivo de apoyo en terapia pasiva para rehabilitación motora de mano y muñeca teniendo en cuenta el funcionamiento de las articulaciones y las fuerzas ejercidas por estas ante diferentes situaciones y patologías. En primer lugar, se obtiene una combinación de componentes que conforman el diseño final del dispositivo utilizando un método formal de diseño; a través de este método se define como unidad de control del dispositivo un microcontrolador ATmega16 con el cual se manipulan los actuadores; estos se posicionan en los diferentes grados de libertad a través de señales de PWM. Todas las ubicaciones y/o grados de libertad de los actuadores están regidas por estudios goniométricos y teniendo en cuenta tanto la patología como las características anatómicas de mano y muñeca del paciente asistido; a quien se le realiza una estimulación de sus articulaciones basándose en las restricciones de la anatomía humana. Por otro lado, la interfaz de usuario se desarrolla en C++Builder; permitiendo una fácil operación del dispositivo, ya que ingresando los datos necesarios se da inicio a la rutina de cada terapia. Finalmente, un conjunto de piezas con diferentes formas, materiales, características y propiedades que funcionan con el sistema de control anteriormente descrito, dan forma a un dispositivo capaz de adaptarse a diferentes tamaños de mano y muñeca. 2

3 ABSTRACT In the this thesis project is presented the design of a passive therapy support device for motor rehabilitation in hands and wrists, bearing in mind how the articulations in the body work and the strengths needed by them in some situations and pathologies. In first place, a combination of components that creates the final design of the device is obtained using a formal designing method; through this method, the control unit is defined as an AtMega 16 microcontroller, used to handle the actuators; these are driven in different positions using PWM signals. All the degrees of freedom of the actuators are ruled by goniometric studies, bearing in mind both pathology and anatomic characteristics of the patient s hands and wrists; the patient receives stimulation at his articulations based on the restrictions of the human anatomy. On other hand, the user interface is developed in C++ Builder; allowing an easy operation of the device because a therapy is initiated only putting the necessary data in. Finally, a set of pieces with different shapes, materials, characteristics and properties that work with the control system previously described, give shape to a device capable of adapting to different hand and wrist sizes 3

4 ÍNDICE GENERAL Contenido 1 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS ALCANCES Y DELIMITACIÓN MARCO DE REFERENCIA ANATOMÍA DE LA MANO (1) SISTEMA ÓSEO ARTICULACIONES SISTEMA MUSCULAR (5) GONIOMETRÍA (5) MOVIMIENTOS DE LA MANO Y MUÑECA (6) MOVIMIENTOS MUÑECA MOVIMIENTOS DE LA MANO PATOLOGÍAS TRAUMÁTICAS MANO Y MUÑECA ARTROSIS PRIMARIA ARTRITIS REUMATOIDE FRACTURAS ENTORNOS DE DESARROLLO SOLIDWORKS PROTEUS AVR Studio EAGLE C++BUILDER Cassy LAB RECOLECCIÓN DE DATOS Y MÉTODOS EXPERIMENTALES ENCUESTA MEDICIONES DE LA MANO Y MUÑECA MEDICIÓN DE FUERZAS DE LA MANO Y MUÑECA DISEÑO DEL EXPERIMENTO

5 5.3.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES PROCESO DE DISEÑO DEL DISPOSITIVO TERAPIA PROGRESIVA PASOS TERAPIA PROGRESIVA PRUEBAS DE RENDIMIENTO Y RECUPERACIÓN MÉTODO FORMAL DE DISEÑO (15) ÁRBOL DE OBJETIVOS ANÁLISIS FUNCIONAL FIJACIÓN DE REQUERIMIENTOS COMPARACIÓN DE ATRIBUTOS POR PARES CASA DE LA CALIDAD TABLA MORFOLÓGICA GENERACIÓN DE ALTERNATIVAS CONCEPTO DE DISEÑO SELECCIÓN DE COMPONENTES DISEÑO FINAL DISEÑO MECÁNICO DISEÑO ELECTRÓNICO DISEÑO DE SOFTWARE REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL DISEÑO FINAL VALIDACIÓN DEL DISEÑO SEGURIDAD VALIDACIÓN MECÁNICA VALIDACIÓN ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA VALIDACIÓN INTERFAZ DE USUARIO PROYECCIONES CONCLUSIONES REFERENCIAS ANEXOS

6 ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 4-1Sistema óseo de la manoimagen Fig. 4-2Articulaciones de la mano Fig. 4-3Estructura goniómetro Fig. 5-1Porcentajes pacientes que requieren terapia física Fig. 5-2Porcentaje parálisis mano y/o muñeca Fig. 5-3Porcentaje uso de ayudas para el desarrollo de terapia pasiva Fig. 5-4Tipo de ayudas utilizadas por los fisioterapeutas Fig. 5-5Porcentaje fisioterapeutas afectados al realizar terapias Fig. 5-6Tipo de dolencia que presentan los fisioterapeutas afectados Fig. 5-7Porcentaje aceptación de un mecanismo de apoyo para terapia pasiva Fig. 5-8Porcentaje de deseabilidad del grado de intervención del dispositivo Fig. 5-9Porcentaje de confiabilidad en dispositivos electrónicos para realizar terapias. 33 Fig. 5-10Montaje datos experimentales Fig Diferencia grados de libertad extensión de la mano Fig. 5-12Diferencia grados de libertad flexión de la mano Fig. 5-13Diferencia grados de libertad articulaciones metacarpofalángicas Fig. 6-1 Flexión-Extensión articulación radiocarpiana Fig. 6-2 Desviación radial Fig. 6-3 Flexión articulación interfalángica proximal Fig. 6-4 Estimulación articulación dedo pulgar Fig. 6-5Árbol de objetivos diseño dispositivo de apoyo en terapia pasiva Fig. 6-6Caja transparente con funciones secundarias del dispositivo Fig. 6-7Casa de la calidad diseño dispositivo de apoyo en terapia pasiva Fig. 6-8Análisis de cuerpo libre para soporte de mano Fig. 6-9Flujo del sistema Fig. 6-10Prototipo fijador antebrazo Fig. 6-11Prototipo sistema para muñeca Fig. 6-12Prototipo sistema dactilar Fig. 6-13Prototipo de rieles Fig. 6-14Espacios para ubicar piezas mecánicas Fig. 6-15Diseño circuito de regulación del sistema Fig. 6-16Diseño circuito acondicionador del dispositivo Fig. 6-17Diseño circuito de interfaz electrónica Fig. 6-18Tarjeta SD Fig. 6-19Cableado del sistema Fig. 6-20Diagramas de flujo desempeño del dispositivo Fig. 6-21Diseño interfaz de usuario del dispositivo Fig Vistas panorámica y superior del dispositivo Fig Vista frontal y trasera del dispositivo Fig. 7-1Grafica de resistencia mecánica para fijador de mano Fig. 7-2 Grafica de resistencia mecánica para fijador de muñeca Fig. 7-3 Grafica de resistencia mecánica para fijador de antebrazo Fig. 7-4 Diagrama de resistencia mecánica para base dispositivo muñeca Fig. 7-5 Diagrama de resistencia mecánica para soporte del sistema dactilar

7 Fig. 7-6 Diagrama de resistencia mecánica para sistema dactilar Fig. 7-7Prueba comunicación con protocolo I2C Fig. 7-8 Prueba circuito regulador de potencia Fig. 7-9Visualización interfaz de usuario del dispositivo Fig. 7-10Porcentajes opinión respecto al diseño Fig. 7-11Porcentaje de especialistas que utilizarían el dispositivo Fig Aceptación de funciones del dispositivo Fig Opinión de confiabilidad y comodidad del dispositivo Fig. 7-14Percepción de dificultad en el manejo del sistema

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Dimensiones manos personas de diez años Tabla 2Dimensiones manos personas con estatura entre 1,60-1,70m Tabla 3Dimensiones manos personas con estatura entre 1,70-1,80m Tabla 4Dimensiones manos personas con esturara entre 1,80-1,90m Tabla 5Dimensiones manos personas con esturara superior a 1,90m Tabla 6Registro dimensiones máximas y mínimas del espacio muestral Tabla 7Registro mayores fuerzas registradas experimentalmente Tabla 8Resultados de prueba terapia progresiva Tabla 9Especificaciones para el diseño del dispositivo Tabla 10Comparación de atributos del dispositivo por pares Tabla 11Generación de alternativas dispositivo de apoyo en terapia pasiva Tabla 12Evaluación controlador del dispositivo Tabla 13Evaluación movilidad piezas automáticas del dispositivo Tabla 14 Evaluación manejo semiautomático del dispositivo Tabla 15Evaluación piezas de transmisión de movimiento Tabla 16 Evaluación dispositivos para seguridad del equipo Tabla 17Fuerzas resultantes aplicadas a piezas del dispositivo Tabla 18 Archivos de cabecera y librerías con sus respectivas funciones Tabla 19Descripción componentes interfaz de usuario

9 1 INTRODUCCIÓN El presente proyecto de diseño está enfocado en la aplicación de la ingeniería a la rehabilitación médica, dicha práctica se conoce como biomédica; la cual se encarga fundamentalmente del diseño y construcción de equipos médicos y dispositivos de terapia; siendo así, se lleva a cabo el diseño de un dispositivo semiautomático de rehabilitación motora; basado en el funcionamiento biomecánico de las articulaciones de la mano y muñeca capaz de realizar terapia pasiva en dichas articulaciones y que a su a vez permita una recuperación progresiva del paciente que lo requiera. Este proyecto surge; en primer lugar de las necesidades diarias de aquellas personas que padecen ciertas patologías que involucran las articulaciones de la mano y la muñeca, en su mayoría se deben a enfermedades comunes tales como la artritis y la artrosis o por accidentes inesperados como en el caso de las fracturas; en segundo lugar se encuentra la posición de los especialistas encargados de intervenir cuando el ser humano ha perdido o está a punto de perder o alterar la cinética o movimiento corporal normal; conocidos como fisioterapeutas quienes en su labor diaria, a medida que transcurre el tiempo se van viendo afectados por el desgaste físico a raíz de las fuerzas aplicadas en cada terapia de rehabilitación. En el ámbito profesional, como ingenieros electrónicos capaces de transformar y diseñar herramientas en múltiples áreas, durante el desarrollo de este proyecto enfocado al mejoramiento de la calidad de vida de las personas por medio de la biomédica, se hace necesario el desarrollo de un método formal de diseño; a través del cual es posible identificar todas las características del dispositivo; teniendo en cuenta cada una de las necesidades de los pacientes según su patología, las de los fisioterapeutas y además de la adaptabilidad con el que este debe contar según el paciente a tratar. Para el presente diseño también se recurrió al desarrollo de métodos experimentales que permitieron extraer información relacionada con las fuerzas ejercidas por articulaciones de mano y muñeca afectadas y a su vez realizar una comparación entre estas y las fuerzas de las articulaciones en una persona sana. En cuanto a métodos estadísticos; se realizó la medición de los diferentes tamaños de mano y muñeca para calcular un promedio de estas teniendo en cuenta las edades de los pacientes a asistir mediante el dispositivo. Por otro lado a través de métodos de consulta con fisioterapeutas y centros de rehabilitación física; se logró identificar la necesidad del diseño de este tipo de dispositivos semiautomáticos. Finalmente, tras el uso de todos los métodos descritos en la parte anterior; se da inicio a la solución de cada requisito y especificación del diseño del producto, y tras la elección de cada componente destinado a cumplir las diferentes funciones en el dispositivo, se hace uso de software para la programación tanto del controlador del dispositivo como de la interfaz de usuario. También se utilizanherramientas CAD (Computer Aided Design) que permiten lograr una representación y análisis del diseño realizado en cuanto a la arquitectura final del dispositivo. 9

10 A continuación, se da inicio al desarrollo del diseño; realizando una descripción detallada de cada una de las articulaciones que se encuentran comprometidas en la mano y muñeca, basada en la teoría de la fisionomía humana. Seguidamente, se lleva a cabo la representación estadística y gráfica de los datos arrojados por encuestas y experimentos; realizados para obtener características propias del diseño. Con el fin de afianzar los requerimientos para el diseño del dispositivo, se desarrolla un método formal de diseño; el cual en su culminación da como resultado un sistema que se ajusta a las características requeridas. Finalmente, se procede a validar el diseño realizado; a través, de diferentes formas; tales como: herramientas CAD, software de simulación y encuestas. 10

11 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar un dispositivo de terapia pasiva que sirva como apoyo en la recuperación de motricidad de muñeca y mano. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Especificar detalladamente un diseño mecánico de un dispositivo de aplicación en el ámbito de la fisioterapia para la realización de terapias pasivas. Diseñar el sistema electrónico necesario para el control del dispositivo. Desarrollar el software requerido para el funcionamiento del dispositivo en terapias pasivas. 3 ALCANCES Y DELIMITACIÓN Durante el desarrollo del proyecto, se logrará un diseño completo, tanto de las partes electrónicas; validadas con diferentes software de simulación; tales como: Proteus. Al igual, se corroborarán las partes mecánicas del dispositivo y su funcionamiento; a través de herramientas CAD como SolidWorks, ArchiCAD, entre otras. En cuanto a la especificación de software, se desarrollará en dos partes: (i) En AVR Studio para la programación del microcontrolador; el cual será utilizado como actuador de la parte mecánica del dispositivo (ii) Otra parte, será la programación de una aplicación de escritorio para PC; basada en el sistema operativo Windows. Se realizará tanto el diseño como la implementación del código necesario para cada una de las partes del dispositivo; de esta forma, se logrará controlar los actuadores del sistema de una manera lógica y se establecerá tanto la comunicación entre el dispositivo de recuperación y un ordenador, como una interfaz que permita un fácil manejo del dispositivo. 11

12 4 MARCO DE REFERENCIA El desarrollo de proyectos multidisciplinarios es cada vez más frecuente, la biomecánica es un resultado general de la fusión de áreas como la electrónica y la medicina; en especial la fisioterapia. El desarrollo de proyectos en biomecánica; se realizan mediante estudios de las características de las partes del cuerpo involucradas y su funcionalidad; además cómo mediante diseños mecánicos y electrónicos se ayuda a recuperar las funciones de estas. 4.1 ANATOMÍA DE LA MANO (1) La mano es uno de los resultados de la evolución del hombre, siendo una de las partes del cuerpo más importantes y complejas, permitiendo interactuar de forma física y de la manera más lógica con el mundo, en dicha evolución se creó un sistema de huesos, ligamentos y articulaciones que hacen de la mano esa parte de gran importancia para el hombre SISTEMA ÓSEO La mano comprende veintisiete huesos; distribuidos en tres grupos: HUESOS DEL CARPO El carpo está constituido por ocho pequeños huesos: escafoides, semilunar, piramidal, pisiforme, trapecio, trapezoide, hueso grande y hueso ganchoso; estos huesos están dispuestos en dos filas transversales: una fila superior que comprende los primeros cuatro la cual es articulada con el antebrazo, y una fila inferior con el resto, articulada con los huesos de la palma. Estos huesos tienen cada uno seis caras, que se designan con los nombre de anterior, posterior, superior, inferior, interna y externa, las dos primeras, corresponden a las partes blandas de la cara palmar y de la cara dorsal; las otras son articulares. HUESOS DEL METACARPO El metacarpo está constituido por cinco huesos, llamados metacarpianos. Se designan con los nombres de 1, 2, 3, 4, y 5 contando de fuera adentro. Los metacarpianos son huesos largos, con un cuerpo y los dos extremos, uno superior o proximal y el otro inferior o distal. El cuerpo es ligeramente curvo en el sentido longitudinal, prismático y triangular, y por consiguiente tiene tres caras y tres bordes. En la extremidad superior o carpiana, los metacarpianos muestran cinco carillas, tres articulares y dos no articulares. La extremidad inferior o digital tiene la forma de una cabeza articular, aplanada en sentido transversal. Se articula con la primera falange de los dedos. 12

13 HUESOS DE LOS DEDOS Los dedos son apéndices muy movibles, articulados con los metacarpianos, cuya dirección continúan. En número de cinco, reciben los nombres de 1, 2, 3, 4, y 5 contando de fuera adentro, o bien de pulgar, índice, medio, anular y auricular o meñique. Cada dedo está constituido por tres columnitas óseas, llamadas falanges. Denominados, comenzando a contar desde el metacarpo: 1ª, 2ª y 3ª o proximal, medio y distal (en la antigua nomenclatura falange, falangina y falangeta), por excepción, el pulgar no tiene más que dos falanges. Los falanges proximales se articulan con los respectivos huesos metacarpianos en su epífisis proximal, mientras que en su epífisis distal se articulan con las falanges medias, excepto en el pulgar donde no existe este último hueso. Las falanges distales, solo se articulan en su epífisis proximal con la respectiva falange media o con la respectiva falange proximal, en el caso del pulgar. Fig. 4-1Sistema óseo de la manoimagen Tomada de Instituto de Ciencias Antropológicas. Facultad de Humanidades y Ciencias de la Educación (2) ARTICULACIONES ARTICULACIONES DE LA MUÑECA La articulación de la muñeca o articulación radio carpiana une el antebrazo a la mano, y el radio y el cúbito al conjunto óseo del carpo. Es una articulación condilea. Superficies articulares Por el antebrazo: una especie de cavidad glenoidea, de forma elipsoide; está formada por fuera, por la cara carpiana de la extremidad inferior del radio, por dentro, por la cara inferior del ligamento triangular. 13

14 Por la mano: los tres primeros huesos de la primera fila del carpo, sólidamente unidos entre si y formando por su conjunto una especie de cóndilo, el cóndilo carpiano, el cual se adapta exactamente a la cavidad glenoidea ante braquial. Las dos superficies articulares están unidas por una cápsula fibrosa, reforzada por cuatro ligamentos: anterior, posterior, interno y externo. ARTICULACIONES DE LA MANO (3) El sistema articular de la mano, está compuesto por diferentes articulaciones que se localizan desde la muñeca, distalmente a los dedos de la mano. Forman parte de las articulaciones de la mano la articulación de la muñeca, la articulación del carpo, las articulaciones metacarpo falángicas y las articulaciones de los dedos. Articulaciones del carpo: Articulaciones entre los distintos huesos del carpo. No incluyen la articulación de la muñeca, que consiste de las articulaciones entre el radio, cúbito y huesos del carpo proximales. La articulación del carpo permite un movimiento muy amplio de extensión y flexión. El movimiento ocurre en la articulación antebraquiocarpiana fundamentalmente, que puede girar 90º. Es una articulación troclear en los ungulados y elipsoidea en los carnívoros (permitiendo más movimientos: abducción y aducción). Articulaciones Carpo metacarpianas: Articulaciones entre los huesos del carpo y los huesos del metacarpo. El dedo pulgar presenta una articulación diferente a los otros cuatro dedos. Articulación carpometarcarpianas del pulgar:es una de tipo diartrosis de tipo encaje recíproco, al ser encaje recíproco realiza flexo-extensión, aducción y abducción, y movimiento de circunducción. Las superficies articulares van a ser la base del primer metacarpiano con el trapecio, esa es la articulación. Articulación carpometacarpiana de los otros dedos: estas articulaciones son diartrosis de tipo atrofia, solamente tiene movimiento de deslizamiento y es la articulación que se forma de los huesos de la segunda fila del carpo con los metacarpianos. Ella es así: base del segundo metacarpiano se articula con, trapecio, trapezoide y hueso grande; base del tercer metacarpiano con el hueso grande; base del cuarto con grande y ganchoso; y base del quinto con el ganchoso. Tienen cápsulas articulares y están unidos por ligamentos interóseos que llegan a los huesos del carpo, tienen su membrana sinovial individual. 14

15 Articulaciones de los Dedos: Son las articulaciones entre la cabeza de una falange y la base de la falange distal a la misma, en cada dedo Articulación Metacarpo falángica:es la articulación del metacarpiano con la falange proximal, estas articulaciones son de tipo condilea, realizan dos movimientos flexo-extensión, aducción y abducción, y las superficies articulares son la cabeza del metacarpiano con la cavidad glenoidea de la base de la falange proximal, son cinco articulaciones. Los medios de unión son una capsula articular para cada una de las articulaciones, se tiene ligamentos laterales fuertes y un ligamento especial por la cara palmar que es el ligamento transverso del metacarpo que es el que mantiene unidas las cabezas del segundo al quinto metacarpiano, por la cara dorsal de la mano no hay músculos, solamente se encuentran los tendones del extensor común de los dedos. Hay una membrana sinovial para cada uno acompañando la cápsula articular. Fig. 4-2Articulaciones de la mano Imagen tomada de Aula virtual de anatomía humana (4) SISTEMA MUSCULAR (5) MÚSCULOS MUÑECA Se divide en tres grupos: Anteriores o flexores, Posteriores o extensores y accesorios. Anteriores o Flexores Palmar Mayor: Se encuentra pegado al supinador largo, su origen es en la epitróclea. Desde ahí se abre para con su borde exterior formar un ángulo con el supinador largo y para continuarse con un tendón en el 1/3 inferior del antebrazo. Su función es actuar como el flexor principal de la muñeca, pero con tendencia a la abducción de esta. 15

16 Palmar Menor: Se encuentra situado delante del palmar mayor, su origen es en la epitróclea, y su inserción es en la aponeurosis superficial de la muñeca y ligamento anular anterior del carpo. Su función es actuar como el flexor de la muñeca. Cubital anterior: Se localiza en el borde interno del antebrazo. Es muy voluminoso y visible por detrás. Tiene origen en la epitróclea, en el olecranon y en el borde posterior del cúbito. Su inserción es en el hueso piramidal, pisiforme, ganchos y 5 metacarpiano. Tiene como función actuar realizando flexión con aducción. Posteriores o extensores Primer radial o extensor radial largo: Se encuentra por debajo del supinador largo y por encima del 2 radial. Su origen es en la zona supracondílea del húmero. Tiene dos funciones: sobre el codo como flexor y sobre la muñeca como extensor y abductor. Segundo radial o extensor radial corto: Es un músculo grueso y semipeniforme. Su inserción es en la cara posterior de la base del 3 metacarpiano y su origen es en el epicóndilo. Tiene como función actuar como el extensor de la muñeca. Cubital posterior: Su origen es en el epicóndilo y borde posterior del cúbito. Cruza la cara posterior del antebrazo. Tiene inserción en la cara posterior de la base del 5 metacarpiano. Tiene como función actuar como extensor y aductor sobre la muñeca. Accesorios Flexor largo superficial común de los dedos (FLSCD): Su función es la flexión de la muñeca, metacarpofalángicas e interfalángicas proximal. Flexor largo profundo común de los dedos (FLPCD): Está formado por dos vientres musculares aplanados y es menos potente que el superficial. Se originan en el tercio superior y cara anterior del cúbito. De ahí se forman 2 tendones que se insertan en la cara palmar de las falanges distales de los cuatro dedos trifalángicos caminando detrás del flexor superficial. Su función es la flexión de la muñeca, metacarpofalángicas, interfalángicas proximal e interfalángicas distal. 16

17 Extensor común de los dedos (ECD): Se encuentra situado en la parte media de la superficie dorsal del antebrazo. Se observa por la cara posterior. Su función es la extensión de la interfalángicas proximal y de la muñeca, si se mantiene flexionada la primera falange, extiende la otra. Sin embargo, si se permite la extensión de la primera falange su contracción tiene poco efecto sobre las otras dos. Además es extensor accesorio del codo y extensor metacarpofalángico. Como extensor común de los dedos tiene mejor brazo de palanca sobre la muñeca. La extensión sinérgica de los dedos es imposible si no se impide que la muñeca se hiperextienda al contraerse el músculo. MÚSCULOS MANO Se divide en cinco grupos: Antebraquiales, palmares de la zona media de la mano (Interóseos), de la eminencia hipotenar, de la eminencia tenar y antebraquiales propios del pulgar. Antebraquiales Flexor común superficial de los dedos: Se encuentra situado entre el palmar mayor y el palmar menor, detrás de ambos, en la porción anterior del antebrazo. Su función es actuar como flexor mínimo del codo, de la muñeca y del metacarpofalángico. No es un flexor global de los dedos, debido a la necesidad de asociar flexión de algunas articulaciones con extensión de las más distales. Flexor común profundo de los dedos: Se encuentra situado inmediatamente detrás del flexor superficial y, por tanto, está encerrado en un compartimiento casi inextensible que contribuye a aumentar su tensión. Su función es actuar como flexor de la muñeca, de metacarpofalángica y de las dos interfalángicas (dobla la 3ª falange sobre la 2ª, y participa en la flexión de las otras dos falanges). Extensor propio del dedo índice: Es relativamente profundo y se encuentra delante del extensor común de los dedos (explicado en los músculos de la muñeca). Su función es la extensión de la muñeca y del dedo índice, de este último con cierta tendencia a la abducción, por su posición inclinada, aunque si el dedo pulgar está extendido tiende a bloquear el segundo dedo. 17

18 Extensor propio del dedo meñique: Es el más superficial y posterior, estando detrás del índice, por lo que hay que aportar este último para poder verlo. Su función es actuar como extensor de la primera falange del meñique y de la muñeca. Palmares de la zona media de la mano (Interóseos) Interóseos dorsales: Se encuentra 4 músculos, situados en cada uno de los espacios interóseos. Se nombran del I al IV y de afuera a dentro. Su función es actuar como flexor metacarpofalángico y como extensor interfalángico. Se debe tener en cuenta que si estas acciones se anulan por otros músculos, se convierten en abductores. Interóseos ventrales: Son tres (3) y ocupan los tres (3) últimos espacios interóseos. Su función es actuar como: flexor metacarpofalángico (II, IV), extensor interfalángico (II, IV, V) y aductor de los dedos 2, 4 y 5. De la eminencia hipotenar Abductor del meñique: Se palpa fácilmente en el borde cubital de la mano. Su función es la abducción del meñique y la ligera flexión metacarpofalángicas. Flexor corto del meñique: Se encuentra situado en el lado radial del músculo abductor del meñique. Tiene como función la flexión metacarpofalángicas (flexiona la 1ª falange del meñique). Oponente del meñique: Se encuentra situado entre el abductor del meñique y los lumbricales. Su función en realidad es una articulación en silla de montar. Se trata de un movimiento de circunducción de unos 40 con enfrentamiento del dedo pulgar, produciendo además ligera flexión con oposición del meñique. De la eminencia tenar Aductor del pulgar: Es el más profundo de los músculos de la eminencia tenar y tiene dos porciones. Su función es la aducción e hiperaducción del I metacarpiano del pulgar, también ayuda en la oposición y flexión del pulgar. 18

19 Oponente del pulgar: Su funciones es oponer el pulgar y colaborar en la aducción. Flexor corto del pulgar: Su función es la flexión y aducción (ayuda a la oposición) del pulgar. Separador o abductor corto del pulgar: Es el más superficial de todos. Tiene tres (3) funciones: flexión metacarpofalángica (del I metacarpiano), abducción y oposición carpometacarpiana, y preparación a la oposición facilitando el movimiento de circunducción. Antebraquiales propios del pulgar Flexor largo de pulgar: Su función es la flexión de la 3ª falange del pulgar, su acción continuada lleva a flexión y abducción del metacarpiano y de la muñeca. Es el único flexor largo. Abductor largo del pulgar: Se encuentra situado en el reborde más inferior de la cara radial. Su función es la abducción del pulgar, ampliando la zona útil de la mano, es decir, la superficie de prensión, y si continúa abducción de la muñeca. Extensor largo del pulgar: Para verlo se necesita quitar el primer radial, incluso el segundo radial. Es más profundo. Es equivalente al extensor del índice o del meñique. Su trayectoria curvilínea le hace estar muy tenso y presenta una estructura fusiforme. Tiene como función extender la 3ª falange y, si continúa, extiende las otras 2 articulaciones (interfalángicas y metacarpofalángicas). Extensor corto del pulgar: Se encuentra situado debajo del extensor común en el dorso del antebrazo. Su tendón constituye el límite radial de la tabaquera anatómica. Tiene como función la extensión de la 1ª falange del pulgar. Abduce la muñeca e individualiza las acciones de la 1ª y 3ª falange del dedo pulgar. 4.2 GONIOMETRÍA (5) La goniometría es la disciplina que se encarga de estudiar la medición de los ángulos. El campo de interés en el cual es aplicada esta disciplina, es en las ciencias médicas; la 19

20 cual se utiliza para medir el ángulo de movilidad articular limitado por enfermedades, lesiones o desuso, es decir, en la exploración del aparato locomotor por ser una técnica simple y no invasiva. Uno de los objetivos de la goniometría es: Evaluar la posición de una articulación en el espacio. En este caso, se trata de un procedimiento estático que se utiliza para objetivizar y cuantificar la ausencia de movilidad de una articulación. Instrumentos de medición Goniómetro: El goniómetro, es el principal instrumento que se utiliza para medir los ángulos en el sistema osteoarticular. Los goniómetros poseen un cuerpo y dos brazos o ramas, uno fijo y el otro móvil. El cuerpo del goniómetro es, en realidad, un transportador de 180 o 360. La escala del transportador suele estar expresada en divisiones cada 1, cada 5, o bien, cada 10. El punto central del cuerpo se llama eje o axis. Fig. 4-3Estructura goniómetro. Método del cero neutro: Método para medir el arco de movimiento de una articulación. La posición de medición comienza a partir de la posición 0; también conocida como posición neutra. Se lo considera el método de elección en la actualidad. El método del cero neutro, se basa en la medición de los movimientos que ocurren en cada uno de los tres ejes que cortan perpendicularmente los tres planos del espacio; a partir de la posición neutra o posición 0, en la cual todas las articulaciones se encuentran en extensión. A diferencia de la posición anatómica; en la que la palma de la mano mira hacia delante, en la posición neutra; el pulgar apunta hacia delante, colocando el antebrazo en posición intermedia de pronosupinación. A partir de esta posición, se definen determinadas eminencias óseas palpables, que sirven de reparo para la colocación del goniómetro. El goniómetro, registra el arco de movimiento, que siempre debe iniciarse en la posición 0. Los valores normales; corresponden al promedio del arco de movimiento que se observa en adultos sanos. Sin embargo, la existencia de importantes variaciones individuales, aconseja la comparación con el arco de movimiento de la otra extremidad. La mayor dificultad que presenta esta medición, es la ubicación de los puntos de reparo para la colocación del goniómetro, que debe realizarse por estimación visual. 20

21 Articulaciones y sus movimientos Articulación de la muñeca: Presenta movimientos de flexión-extensión y desviación radial-cubital. Articulación del pulgar: Las articulaciones del pulgar son: trapecio metacarpiana, metacarpofalángica e interfalángica. La articulación trapecio metacarpiana; presenta movimientos de abducción, flexiónextensión y oposición. La flexión-extensión trapecio metacarpiana no se explora de rutina. La articulación metacarpofalángica solo tiene movimiento de flexión, en tanto, que la articulación interfalángica tiene movimientos de flexión-extensión. Articulaciones de los dedos de la mano: Las articulaciones de los dedos de la mano son: la articulación metacarpofalángica y las articulaciones interfalángicas proximal y distal (trocleartrosis). La articulación metacarpofalángica; presenta movimientos de flexión-extensión y abducción-aducción, este último movimiento no se explora de rutina. Las articulaciones interfalángicas proximal y distal únicamente presentan movimientos de flexión. 4.3 MOVIMIENTOS DE LA MANO Y MUÑECA (6) La integración del sistema muscular y las articulaciones permite la generación de los movimientos realizados por el cuerpo humano. Para el caso, se expone la movilidad de las articulaciones comprometidas MOVIMIENTOS MUÑECA Articulación radiocarpiana En la articulación radiocarpiana se producen movimientos de flexión y extensión, aducción y abducción; a los cuales también contribuyen los movimientos entre las filas proximal y distal de los huesos del carpo en la articulación medio carpiana. Movimientos accesorios: Se puede producir un deslizamiento antero posterior de la fila proximal de los huesos del carpo contra el radio y el disco articular si se coge con firmeza el extremo inferior del radio y del cúbito con la otra. La presión anterior y posterior alternante, permite descubrir un movimiento deslizante y palpable en la articulación radio carpiana. Con la misma presión, una fuerza aplicada longitudinalmente sobre la línea del antebrazo separa los huesos del carpo; del radio y el disco articular. 21

22 Articulación medio carpiana Los movimientos de las articulaciones intercarpianas, excepto en el caso de la articulación medio carpiana, acompañan y favorecen los movimientos de las articulaciones radio carpa y medio carpa, los posibles movimientos de la articulación medio carpiana son flexión y extensión, y abducción y aducción. Se producen en torno al eje transversal y ante posterior que atraviesan la cabeza del hueso grande MOVIMIENTOS DE LA MANO Articulación carpo metacarpiana del pulgar Como el pulgar gira aproximadamente 90 respecto al plano de la mano, la terminología empleada para describir sus movimientos parece en principio confusa. Los términos flexión, extensión, abducción y aducción se emplean como si el pulgar estuviera alineado con los dedos. Que esto no es así, se puede apreciar con claridad cuando uno observa su propia mano; la uña del pulgar se orienta casi lateralmente, mientras que las uñas de los otros dedos se orientan en sentido posterior. Por tanto, los movimientos de flexión y extensión se producen en un plano coronal, de la misma forma que sucede con los movimientos de abducción y aducción de los dedos; la abducción y la aducción se producen en un plano sagital, al igual que la flexión y extensión de los restantes dedos. Dada la naturaleza de las superficies articulares y la laxitud de la capsula, también es posible que se produzca cierto grado de rotación en la articulación. Como los movimientos de la articulación son producto sobre todo de los músculos cuyos tendones se hallan paralelos a los de los metacarpianos, los movimientos siempre se acompañan de cierta compresión sobre las dos superficies de oposición. Por consiguiente, las superficies articulares tienden a rozarse una sobre otra en vez de rodar y deslizarse. Articulación metacarpofalángica La articulación metacarpofalángica del pulgar presenta un diseño parecido al de los dedos; se trata de una articulación condiloidea sinovial entre la cabeza del primer metacarpiano y la base de la falange proximal. Los movimientos de la articulación metacarpo falángica posee de acuerdo con su forma y por ser una articulación condiloidea, dos grados de libertad de movimientos: Flexión y extensión, y abducción y aducción; además existe un tercer movimiento de rotación axial que se produce de forma pasiva debido al pequeño grado de elasticidad de los ligamentos asociados. o Flexión y extensión En la articulación metacarpofalángica este movimiento se produce en torno a un eje fijo y único que pasa en dirección transversal por el metacarpiano, aproximadamente a nueve décimas de su línea media desde la base. Al 22

23 pasar de un estado de flexión a otro de tensión, el área de contacto se desplaza del extremo palmar de la base de la falange a su extremo distal. La flexión cuenta con una amplitud de 45, mientras que la extensión es nula activa y pasivamente en circunstancias normales. Es durante la extensión completa cuando la parte anterior de la cabeza del metacarpiano se articula con el ligamento palmar. Cuando la flexión prosigue, el ligamento palmar pierde contacto de forma gradual con la cabeza del metacarpiano, al tiempo que los recesos sinoviales se van desplegando progresivamente. La flexión en la articulación corre a cargo sobre todo del musculo flexor corto del pulgar, que cuenta con la ayuda del musculo flexor lago del pulgar. De forma parecida, la extensión desde una posición flexionada se debe principalmente al musculo extensor corto del pulgar, que recibe algo de ayuda del musculo extensor largo del pulgar. o Abducción y aducción Estos movimientos están limitados por la anchura de la cabeza del metacarpiano. Los 15 insignificantes de abducción y aducción se producen en torno a un eje anteroposterior a través de la cabeza del metacarpiano. Al igual que las limitaciones óseas a los movimientos, los ligamentos colaterales también se tensan y aumentan el grado de restricción. La abducción se produce mediante la contracción del musculo abductor corto del pulgar; aunque el musculo aductor del pulgar se inserta en la base de la falange proximal, debido a la extrema limitación del movimiento de abducción en la articulación metacarpo falángica, su acción se aprecia sobre todo en la articulación carpo metacarpiana. Es posible apreciar cierto grado de rotación axial en la articulación metacarpo falángica del pulgar, que tiene cierta importancia durante el movimiento de oposición. El movimiento puede producirse de forma activa mediante la concentración de los músculos flexor y abductor cortos del pulgar, o de forma pasiva cuando se ejerce presión con el pulgar sobre el dedo índice. La rotación de origen activo siempre se dirige medialmente, mientras que la rotación pasiva puede dirigirse en cualquier dirección dependiendo de qué lado del pulgar entre en contacto con el dedo. o Movimientos de la articulación durante la oposición Entre ellos se incluye una flexión secundaria de la articulación metacarpo falángica que sigue a la de la articulación carpo metacarpiana durante la oposición. Al mismo tiempo se produce un movimiento de abducción articular que prosigue después de que el metacarpiano haya completado la aducción. El grado de aducción es mayor cuando el contacto se realiza con el pulpejo del dedo meñique. Los movimientos de flexión y abducción de la articulación 23

24 metacarpo falángica provoca, inicialmente, una rotación axial activa de la articulación. Después de establecer contacto, el grado de rotación tal vez aumente de forma pasiva. Articulaciones interfalángicas Como el pulgar solo cuenta con dos falanges, tan solo hay una articulación interfalángicas; que, al igual que en los otros dedos, es una articulación troclear que permite el movimiento en una sola dirección. Los movimientos de esta articulación troclear sostenida por los poderosos ligamentos colaterales, el movimiento solo es posible en un plano. Los movimientos de flexión y extensión se producen en torno a un eje transversal que pasa aproximadamente por el cuello de la falange proximal. La amplitud de flexión es superior a 90, mientras que la extensión no supera por lo general los 10. Sin embargo, es posible que la hiperextensión pasiva sea acusada en algunas personas que aplican grandes fuerzas con el pulgar, por ejemplo, los carniceros y los fisioterapeutas. Movimientos accesorios de las articulaciones del pulgar Articulación carpo metacarpiana: Al coger el trapecio entre el pulgar y el índice de una mano, y la base del primer metacarpiano con la otra, se puede mover la base del metacarpiano tanto en dirección antero posterior como medio lateral. En la misma situación se puede conseguir abrir un espacio y lograr cierta rotación longitudinal. Articulaciones metacarpo falángicas e interfalángicas Si se estabiliza el hueso proximal y se mueve el distal se apreciaran movimientos deslizantes anteros posteriores en las articulaciones metacarpo falángico e interfalángico. Una vez más, los mejores resultados se obtienen cuando se coge cada hueso con firmeza entre el índice y el pulgar. También es posible obtener un buen grado de rotación y un espacio longitudinal en la articulación metacarpofalángica. Articulaciones interfalángicas Como los dedos poseen tres falanges, presentas dos articulaciones interfalángicas; todas las articulaciones son trocleares y solo permiten movimientos de flexión y extensión. Lo movimientos debido a la naturaleza de las superficies articulares son los de flexión y extensión. Los movimientos de flexión y extensión se producen en torno a un eje transversal, que en el caso de los dedos corazón, anular y meñique se acompaña de una oblicuidad en aumento lateral y distal medial y proximal. El eje es aproximadamente perpendicular al surco de la cabeza de la falange, de forma que cuando los dedos mediales se flexionan en las articulaciones interfalángicas, el movimiento no se produce en 24

25 un plano sagital; aunque permite a estos dedos oponerse al pulgar con mayor facilidad. Sin embargo, la flexión del dedo índice si se produce en un plano sagital. La amplitud del movimiento de flexión de la articulación interfalángica proximal es mayor de 90 en todos los dedos y aumenta gradualmente hacia el meñique, de forma que este es capaz de alcanzar 135 de flexión. En la articulación interfalángica distal, la amplitud de flexión es 90 y disminuye de forma gradual hacia el dedo índice. La extensión activa de las articulaciones interfalángicas es mínima; no supera los 5 en las articulaciones distales, y es solo 1 o 2 en las proximales. La extensión pasiva tal vez sea considerablemente mayor. 4.4 PATOLOGÍAS TRAUMÁTICAS MANO Y MUÑECA Siendo las articulaciones de la mano y muñeca una herramienta de presión, de fuerza y trabajo; además de ser la mano un órgano de los sentidos, de la sociabilidad y la gestualidad, siendo de gran importancia para el desempeño de las personas en la vida diaria, frecuentemente se ve sometido a traumatismos y a microtraumatismos que alteran su funcionamiento normal, dando lugar a patologías funcionales. Ante las diferentes molestias que se pueden presentar en las personas, ya sea por enfermedad o accidentes y que involucren la mano y/o muñeca, se requiere en la mayoría de casos la asistencia de un especialista con el que sean realizados y supervisados movimientos pasivos de estas extremidades para su recuperación motora, por tal razón, en la siguiente parte se presentan las enfermedades que afectan en mayor proporción la mano y muñeca al igual que las fracturas más comunes en ambas partes con sus respectivos tratamientos ARTROSIS PRIMARIA Enfermedad que se manifiesta en dolor mecánico, lo que implica su relación directa con la actividad articular; ante esta situación, la limitación y la rigidez articular de la mano va aumentado proporcionalmente a la destrucción articular. Este tipo de enfermedades, se presenta ante dificultades en la realización de las actividades cotidianas del paciente; su tratamiento no farmacológico está basado en la educación del paciente, a través de ejercicios para recuperar el movimiento articular e incrementar la fuerza muscular y la capacidad aeróbica; otra parte del tratamiento consiste en, reducción del peso sobre las articulaciones dolorosas y aplicación de calor y frio para disminuir el dolor. Dentro de la artrosis primaria, es muy frecuente encontrar una artropatía conocida como rizartrosis del pulgar, también se presenta aisladamente como una artrosis secundaria, este tipo de patología aparece por la sobrecarga o por microtraumatismos de repetición, por ejemplo, los anestesistas (al manejar con frecuencia el ambú y el laringoscopio) y los fisioterapeutas dedicados específicamente al masaje, ante este problema también se requiere de una terapia para su recuperación, donde los objetivos de la fisioterapia en la artrosis primaria y secundaria es: aliviar el dolor, mantener la movilidad articular, 25

26 potenciar la fuerza muscular, retardar la evolución de la enfermedad y mantener o aumentar la independencia funcional. Parte del tratamiento de fisioterapia en la mano artrósica, está basado en movilizaciones activas, asistidas y pasivas suaves, tanto de cada articulación (analíticas) como de toda la mano (globales), todo esto con el fin de mantener o aumentar la movilidad articular.(7)(8) ARTRITIS REUMATOIDE La artritis reumatoide (AR), es una enfermedad autoinmune articular crónica, progresiva y con afectación sistemática. Su etiología es desconocida, si bien generalmente existen antecedentes familiares. La AR se estima que afecta principalmente a las manos y muñecas entre un 80-90% de los casos; normalmente las articulaciones pequeñas, como las de los dedos y el carpo, se afectan en mayor medida que aquellas que tienen que llevar a cabo funciones soporte corporal, especialmente en las fases iniciales de la enfermedad. Las articulaciones más afectadas en la AR son las metacarpofalángicas e interfalángicas proximales y las articulaciones de las muñecas. Según el modelo de discapacidad de la OMS aplicado a la artritis reumatoide, se debe realizar como intervención la terapia ocupacional cuando se empieza a presentar discapacidad, es decir, limitaciones en las actividades diarias de la persona. Ante este tipo de patología, los objetivos generales de la fisioterapia se basan en la disminución del dolor y la inflamación, además de reducir el edema. Un adecuado alivio del dolor permitirá al paciente aceptar el programa de fisioterapia y mantener en lo posible una vida normal; para lograr estos objetivos el terapeuta se vale de diferentes estrategias de intervención con tal de maximizar la funcionalidad del paciente. Ante este tipo de enfermedades, existen tratamientos para evitar la rigidez articular; para ello es necesario llevar a cabo movilizaciones pasivas y activo asistidas de flexo extensión y pronosupinación de muñeca y de flexo extensión y abducción-aducción de dedos (insistiendo en la abducción del pulgar). Las movilizaciones pasivas se realizaran analíticamente, articulación por articulación y globalmente en toda la mano. Se contraindican las maniobras bruscas y las tracciones articulares por la situación de inestabilidad y fragilidad capsulo-ligamentosa que suelen presentar estos pacientes. Definitivamente la terapia física es una de las técnicas más recomendadas para el tratamiento que constituye una parte esencial del manejo de pacientes con artritis. (9) FRACTURAS Una de las manifestaciones clínicas de este tipo de lesiones es la atrofia muscular, ante la cual se presenta una pérdida de fuerza en los grupos musculares que no se usan; además, se presentan limitaciones del movimiento articular que se ven afectadas por muchos factores, por ejemplo, los músculos tensos, dolor, espasmo, miedo, obstrucción mecánica o hinchazón. El movimiento también se puede limitar por la debilidad de la 26

27 musculatura, en cuyo caso será posible mover la articulación de forma pasiva en toda su amplitud. Dentro de las fracturas relacionadas con las extremidades superiores, es muy probable encontrarse con fractura de las falanges, su rehabilitación debe ser mecanicista, sensorio motriz y funcional, en cuanto al nivel mecánico, la rehabilitación de las fracturas falángicas comprende tres tipos de intervención, las cuales son: Local: el fisioterapeuta debe analizar de la superficie a la profundidad para movilizar todos los planos de deslizamientos necesarios para la movilidad del dedo: piel, poleas de reflexión, vainas, tendones, ligamentos capsulas articulares, entre otros. Estas técnicas deben permitir la movilización de los tejidos blando en relación con el plano óseo pera también de manera diferenciada entre sí. Transversal: la fisioterapia debe integrar el dedo traumático en la cinética de los dedos adyacentes (el objetivo de la sindactilizacion), para evitar su exclusión durante movimientos globales de la mano y garantizar su autonomía en la motricidad fina, la que requiere independencia de girar para las prensiones de motricidad fina o movimientos elaborados. Longitudinal: la rehabilitación debe recurrir a ejercicios que no se limiten a la mano sino que integren los movimientos de la muñeca, el codo y el hombro. En toda rehabilitación ligada a las patologías de la mano, la fisioterapia debe orientar sus objetivos y técnicas según las necesidades funcionales del paciente; la mano objeto debe ser reemplazada por la mano imagen. (10) 4.5 ENTORNOS DE DESARROLLO El proyecto de diseño desarrollado, requiere de una validación de software y de hardware de éste; para ello se recurre a las diferentes herramientas de simulación según las necesidades del dispositivo diseñado. A continuación, se realiza una descripción de las herramientas utilizadas al momento de corroborar el diseño en los diferentes aspectos. Cabe aclarar que se utilizaron las versiones de prueba de los programas Eagle y Proteus, las cuales tienen restricciones de funcionamiento; aunque dadas las características de las simulaciones a realizar es posible desarrollarlas. En cuanto a la herramienta de simulación CAD SolidWorks, se utilizó una licencia gratuita SolidWorks SDK (Student Design Kit) SOLIDWORKS En cuanto al modelado mecánico se utiliza SolidWorks; herramienta CAD que permite perfeccionar los diseños antes de su producción, ya que admite modelar piezas y conjuntos y extraer de ellos los diferentes planos en 3D como otro tipo de información necesaria para la producción. SolidWorks cuenta con paquetes completos y sofisticados 27

28 que cumplen funciones como el análisis de elementos finitos (FEA) disponibles en el mercado. (11) PROTEUS El software Proteus VSM es una herramienta CAD de alto desempeño, con grandes capacidades gráficas para el diseño y la simulación electrónica. Este programa está dividido por módulos, de los cuales cabe destacar el módulo conocido como ISIS (Intelligent Schematic Input System); el cual permite la captura de esquemas y tiene como objetivo obtener una buena representación gráfica de los elementos del circuito y simularlo para verificar su correcto funcionamiento, por otro lado el módulo conocido como ARES (Advanced Routing and Editing Software); el cual permite enrutar, ubicar y editar componentes, se utiliza en la realización de circuitos impresos AVR Studio El software AVR Studio en complemento con la herramienta WinAVR, fue diseñado para la escritura, compilación y/o ensamblado de programas escritos en lenguaje C o ensamblador; a partir de la integración del compilador AVR-GCC; este es el entorno de programación y depuración de microcontroladores de ATMEL.Este programa es compatible con PROTEUS lo que permite cargar los proyectos en la herramienta nombrada y lograr simular EAGLE EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor), es un programa diseñado por CadSoft para el diseño de circuitos impresos y desarrollo de esquemas electrónicos C++BUILDER Es un entorno que permite la programación visual y facilita la creación de aplicaciones Windows; donde existe un componente importante de interfaz de usuario, en el momento de programar el software ofrece un conjunto de herramientas para hacerlo; estas herramientas o elementos de la aplicación se les conocen como objetos los cuales cuentan con ciertas propiedades, métodos y eventos. (12) Cassy LAB El software CASSY-LAB1 permite interpretar y analizar datos obtenidos a través de la experimentación. Con este programa también es posible realizar el modelamiento matemático de los procesos realizados en tiempo real. Para el diseño del dispositivo de rehabilitación, se llevó a cabo un proceso experimental utilizando la interfaz Pocket- Cassy; se usó como sensor del sistema Cassy (Computer Assysted Science System) un dinamómetro digital con el cual se obtuvieron valores de fuerzas ejercidas por las articulaciones de la mano y muñeca. (13) 28

29 5 RECOLECCIÓN DE DATOS Y MÉTODOS EXPERIMENTALES 5.1 ENCUESTA Con el fin de obtener información directa de los profesionales en fisioterapia; se realizó una encuesta dirigida a los centros de rehabilitación y clínicas que cuentan con áreas de terapia. Con el objetivo de adquirir una buena calidad de la información, con un número reducido de preguntas; la encuesta se realizó mientras se hacía una entrevista a los funcionarios que intervienen directamente en dichas áreas para un total de veintitrés encuestados. La recopilación de datos se realiza agrupando las mismas respuestas a cada pregunta; mostrándolas en un cuadro. Luego se mencionan los datos que se obtienen en la entrevista, teniendo lo siguiente: 1. Para la pregunta En general cuál es la edad mínima de los pacientes que ingresan al área?, se obtuvo 17% 61% 22% Menor a 10 Años Entre 10 y 15 Años Mayor a 15 Años Fig. 5-1Porcentajes pacientes que requieren terapia física. Donde los niños menores de 10 años por lo general asisten por fracturas, en las personas mayores de 15 años se presentan muchos casos de túnel carpiano y casos en diferente grado de artritis o artrosis. 29

30 2. A la pregunta Qué tan frecuentes son las lesiones que impliquen parálisis en cualquier grado en las muñecas y en las manos? 0% 65% 35% Muy Frecuente Frecuente Poco Frecuente Fig. 5-2Porcentaje parálisis mano y/o muñeca. De las cuales más de la mitad de estas lesiones en algún momento de su proceso de rehabilitación implican terapia pasiva. 3. Al momento de realizar TERAPIA PASIVA utiliza alguna ayuda? 43% SI 57% NO Fig. 5-3Porcentaje uso de ayudas para el desarrollo de terapia pasiva. Se observó que en los centros donde cuentan con mecanismos de apoyo; en la mayoría no se siente buena aceptación hacia ellos, ya que piensan que estos son innecesarios o que aumentan el trabajo a realizar y por tanto no hacen uso de estos. Entre los dispositivos se tienen los siguientes: 30

31 Fijadores de mano Ayudas Mecánicas Fig. 5-4Tipo de ayudas utilizadas por los fisioterapeutas. En uno de los centros encuestados presentaban los dos tipos de ayuda, las ayudas mecánicas consisten generalmente en sistemas de resortes o materiales elásticos. 4. Presenta alguna molestia física por la realización de estas terapias? 13% SI NO 87% Cuál? Fig. 5-5Porcentaje fisioterapeutas afectados al realizar terapias Cansancio Traumatismos leves Problemas de túnel carpiano Fig. 5-6Tipo de dolencia que presentan los fisioterapeutas afectados. 31

32 El problema del túnel carpiano es tan grave que causa pérdida del empleo laboral; además, las personas que sufren de cansancio y traumatismos leves, se tratan con auto terapias, medicamentos y remedios caseros. A menudo, entre los mismos funcionarios de las clínicas, se realizan las terapias pasivas; causando sobrecarga laboral que se refleja en afecciones musculares y articulares. 5. Desearía un mecanismo de ayuda para terapias pasivas? 0% SI NO 100% Fig. 5-7Porcentaje aceptación de un mecanismo de apoyo para terapia pasiva. Entre las preferencias de los fisioterapeutas y enfermeros, se busca un dispositivo que reduzca la fuerza a la hora de realizar las terapias; o un dispositivo que memorice los movimientos que se realizan. 6. Qué tanta intervención desearía tener con el dispositivo? 22% 9% 17% ALTA MEDIA BAJA 52% NINGUNA Fig. 5-8Porcentaje de deseabilidad del grado de intervención del dispositivo Las personas que desean más intervención en el dispositivo, son aquellas que están a cargo de los centros y asistentes con menor tiempo de experiencia; quienes quieren poca o ninguna intervención con el dispositivo, son los enfermeros con mayor tiempo de experiencia; estos son los que más traumatismos han sufrido durante su experiencia laboral. 32

33 7. Confía usted en dispositivos electrónicos para la realización de terapias? 48% SI 52% NO Fig. 5-9Porcentaje de confiabilidad en dispositivos electrónicos para realizar terapias Se encuentra con un poco de desconocimiento del tema en algunos de los encuestados; pues consideran que, los elementos electrónicos no disponibles en línea de producción, pueden llegar a ser rústicos y poco confiables. Concluyendo los resultados de la encuesta, se evidencia el interés de las personas del medio por contar con un dispositivo de apoyo; para rehabilitaciones pasivas, que les brinde ventajas, tales como, menor carga de trabajo, reducción de los desgastes físicos; propios de la ocupación. Además, se considera que el dispositivo debe tener interacción con el especialista a cargo y contar con la capacidad de adaptarse a diferentes brazos con distintas patologías. Para la generación de especificaciones y requerimientos del sistema; se deben tener en cuenta variables propias del ámbito de impacto del proyecto; dado que, el dispositivo es un sistema de rehabilitación; el cual requiere adaptarse a diferentes tamaños de manos, haciendo las fuerzas necesarias para mover las articulaciones a tratar; para ello se realizan mediciones experimentales de dos variables que tienen alta importancia en el sistema, las cuales son: Fuerza necesaria para mover una articulación. Medidas de la mano y la muñeca. Estas dos variables, carecen de validación mundial dado que; se han realizado múltiples investigaciones de medidas, pero segmentan sus investigaciones a determinados grupos de personas. Otras variables, como los ángulos de libertad de cada articulación, están suficientemente soportadas en experimentos científicos validados mundialmente. 33

34 5.2 MEDICIONES DE LA MANO Y MUÑECA En cuanto a las mediciones de longitudes, se realizan medidas especificadas en la norma DIN (13) de la mano. Dado que no se cuenta con un calibre; herramienta óptima para este tipo de medidas, se emula uno utilizando una regla con topes hechos de láminas. Para reducir el error de medición, se toman tres datos por medida; los cuales son promediados para obtener un resultado final, repitiendo este proceso para todas las longitudes necesarias a cuatro personas, las cuales hacen parte de cada uno de los intervalos definidos según la edad y/o estatura. Para disminuir la población a una cantidad significativa; se hacen las siguientes afirmaciones apoyados en médicos, fisioterapeutas y en libros: La etapa final de desarrollo y crecimiento de las personas, se da normalmente entre los veinte y veintiuno años de edad. La fisionomía de los hombres, generalmente es más grande que la de las mujeres. El cuerpo humano tiene proporciones, que a pesar de no ser exactas son muy certeras; así, de forma habitual las manos de dos personas de la misma altura, no deben diferir mucho en su tamaño. De la encuesta realizada a fisioterapeutas y centros de fisioterapia; se sabe que, la edad mínima promedio de personas con alguna lesión en sus extremidades superiores, que requiera de tratamiento pasivo son los diez años; la cual se toma como punto de referencia para el tamaño del dispositivo. Medidas niños de 10 años Tabla 1 Dimensiones manos personas de diez años. PROMEDIOS INDIVIDUALES Promedio general Desviación Estándar Largo Dedo Índice 5,1 5,2 4,9 4,8 5 0, Largo Dedo Corazón 5,8 5,7 5,5 5,8 5,7 0, Largo Dedo Anular 5,3 5,1 5 5,4 5,2 0, Largo Dedo Meñique 5,1 5 4,7 4,8 4,9 0, Largo Dedo Pulgar 5 4,6 4,2 3,8 4,4 0, Ancho Máximo Dedo 1,6 1,4 1,3 1,7 1,5 0, Ancho Palma 6,4 6,2 6 6,6 6,3 0, Largo Palma 8,9 8,7 8,6 9 8,8 0, Largo Mano 14,7 14,4 14,2 16,3 14,9 0,

35 Para verificar las proporciones de las manos en personas mayores de veinte años; se divide el espacio muestral en cuatro intervalos según las estaturas, tal como se observa en las siguientes tablas; donde se exponen los resultados de las medidas. Tabla 2Dimensiones manos personas con estatura entre 1,60-1,70m. Intervalo de PROMEDIOS INDIVIDUALES Promedio Desviación estatura 1,60-1, general Estándar Largo Dedo Índice 6,8 6,9 6,7 7,2 6,9 0, Largo Dedo Corazón 8 7,7 7,5 8 7,8 0, Largo Dedo Anular 6,9 7,3 7 7,2 7,1 0, Largo Dedo Meñique 6,3 6,5 6 6,4 6,3 0, Largo Dedo Pulgar 6,1 6,7 6,2 6,6 6,4 0, Ancho Máximo Dedo 2,1 2,3 2 2,4 2,2 0, Ancho Palma 9,7 9,4 9,3 9,6 9,5 0, Largo Palma 11 11, ,5 11,2 0, Largo Mano 18 18,9 18,5 19,4 18,7 0, Tabla 3Dimensiones manos personas con estatura entre 1,70-1,80m. Intervalo de PROMEDIOS INDIVIDUALES Promedio Desviación estatura 1,70-1, general Estándar Largo Dedo Índice 7,1 6,8 7 6,7 6,9 0, Largo Dedo Corazón 8,1 8 7, , Largo Dedo Anular 7,4 7 7,3 7,1 7,2 0, Largo Dedo Meñique 6,5 6,4 6,4 6,7 6,5 0, Largo Dedo Pulgar 6,7 6,5 6,6 6,2 6,5 0, Ancho Máximo Dedo 2,4 2,3 2,2 1,9 2,2 0, Ancho Palma 9,7 9,4 9,5 9,4 9,5 0, Largo Palma 11,7 11,2 11,6 11,1 11,4 0, Largo Mano 19, ,4 18,1 19,1 0,

36 Tabla 4Dimensiones manos personas con esturara entre 1,80-1,90m. Medidas Intervalo PROMEDIOS INDIVIDUALES Promedio Desviación 1,80-1, general Estándar Largo Dedo Índice 7 7 7,5 6,9 7,1 0, Largo Dedo Corazón 8,3 7,9 8,2 8 8,1 0, Largo Dedo Anular 7,8 7,6 7,9 7,5 7,7 0, Largo Dedo Meñique 6,5 6,3 6,7 6,5 6,5 0, Largo Dedo Pulgar 6,6 6,5 6,6 6,7 6,6 0, Ancho Máximo Dedo 2,3 2,2 2,5 2,6 2,4 0, Ancho Palma 9,5 9,4 10 9,5 9,6 0, Largo Palma 12,1 11, ,8 11,9 0, Largo Mano 19,4 19,6 20,3 19,5 19,7 0, Tabla 5Dimensiones manos personas con esturara superior a 1,90m. Medidas Intervalo PROMEDIOS INDIVIDUALES Promedio Desviación Mayor a 1, general Estándar Largo Dedo Índice 8 8,2 7,3 8,1 7,9 0, Largo Dedo Corazón 9 9, ,8 0, Largo Dedo Anular 8,5 8,6 8,2 8,3 8,4 0, Largo Dedo Meñique 7 7,3 6,1 7,2 6,9 0, Largo Dedo Pulgar 7 7,5 5,8 7,3 6,9 0, Ancho Máximo Dedo 2,4 2,3 2,4 2,1 2,3 0, Ancho Palma 10,1 10,2 9,3 10 9,9 0, Largo Palma 12,5 13, ,1 12,5 0, Largo Mano 22,6 22,8 18,3 22,3 21,5 1, Con los datos obtenidos, se comprueba que para las personas de mayor estatura, las medidas de sus manos en promedio son mayores a las de personas de menor estatura. Para el diseño del dispositivo, se debe tener en cuenta la capacidad de este para adaptarse a la mayor población posible; además, de contar con la capacidad de brindar apoyo en terapia pasiva, tanto a personas de mayor estatura como a las de menor. Para el sistema de rehabilitación, el tope mayor será el tomado en las mediciones, y 36

37 para el menor se debe tener en cuenta la información brindada por el fisioterapeuta; ya que las personas en etapa de desarrollo, por lo general no sufren lesiones o enfermedades de mayor gravedad, y de sufrirlas, no suelen ser tratados con terapia pasiva; por el contrario se utilizan técnicas de terapia activa, gracias al desarrollo de sus músculos y articulaciones. A pesar de las situaciones expuestas anteriormente, se fija un límite; para que el dispositivo se adapte a pacientes de diez años en adelante, y a casos inusuales; ya sea por alguna enfermedad o algún trastorno de crecimiento de una persona. Por lo tanto, las medidas límites utilizadas para el diseño, son las que se muestran en la siguiente tabla: Tabla 6Registro dimensiones máximas y mínimas del espacio muestral. Tope mínimo Tope máximo Largo Dedo Índice 5 8,2 Largo Dedo Corazón 5,7 9,2 Largo Dedo Anular 5,2 8,6 Largo Dedo Meñique 4,9 7,3 Largo Dedo Pulgar 4,4 7,5 Ancho Máximo Dedo 1,5 2,3 Ancho Palma 6,3 10,2 Largo Palma 8,8 13,4 Largo Mano 14,9 22,8 5.3 MEDICIÓN DE FUERZAS DE LA MANO Y MUÑECA La fuerza que realiza la mano, no es una variable constante; ya que esta cambia con respecto al ángulo en que se encuentre la articulación; además, varía de acuerdo a la rigidez de cada extremidad, por lo cual se hace más complejo obtener este tipo de medidas. Para efectos del desarrollo del presente trabajo, se lleva a cabo el diseño de un experimento tal como se describe a continuación DISEÑO DEL EXPERIMENTO Debido a que no es una medida pura la que se necesita; sino que es la medida de una fuerza con respecto a un ángulo de movimiento, se diseña un experimento con el fin de obtener un valor lo más cercano posible a la fuerza que debe realizar el dispositivo (este experimento ha sido avalado y supervisado por un fisioterapeuta). A continuación se muestran los pasos que se siguen para llegar a esta medida: En primer lugar, se ubica el antebrazo sobre una base (en este caso una mesa); de tal manera que la articulación radio carpiana quede libre; luego, se fija con una cuerda sujeta a la mano en la región metacarpiana un dinamómetro digital; del cual se suspende un peso o una fuerza con el fin de mover la articulación hasta su máximo 37

38 grado de libertad según el estándar AAOS (5), y finalmente se mide su ángulo de movimiento con un transportador centrado en el eje de giro de la articulación. Fig. 5-10Montaje datos experimentales RESULTADOS EXPERIMENTALES Por medio del software CASSY Lab (14), el cual recibe la información del dinamómetro digital y arroja los valores de las fuerzas aplicadas a la articulación; luego, se registran manualmente los datos de los ángulos obtenidos y los pesos aplicados. Una vez realizado este cálculo, se dispone a hacerse una medición similar con una extremidad que sufre alguna patología a tratar mediante terapia pasiva; para esta no se mide la fuerza que la mueve, sino la fuerza que soporta la persona con la articulación afectada. Con las dos mediciones tabuladas, se ingresan los datos a Matlab para graficar fuerza contra ángulo, y así poder hacer un mejor análisis. A continuación se muestra gráficamente, la diferencia entre las capacidades motoras de las articulaciones para una persona sana, y las articulaciones de una persona que presenta pérdida de la cinética en mano y muñeca; debida al postoperatorio de una fractura cubital. Los datos del primer caso están relacionados con la línea roja mientras que para el segundo caso se modela a través de la línea azul. 38

39 Fig Diferencia grados de libertad extensión de la mano. Fig. 5-12Diferencia grados de libertad flexión de la mano. Fig. 5-13Diferencia grados de libertad articulaciones metacarpofalángicas. 39

40 Como se puede ver, todas las articulaciones tienen comportamiento similar con respecto al peso que se les aplica; aunque las sanas son más fuertes que las que presentan alguna patología. Sin embargo, este un comportamiento general de las articulaciones enfermas, ya que algunas patologías causan una gran rigidez, y obstruyen la superación de los límites de fuerza y resistencia naturales de cada articulación. Usando esta información, se tiene en cuenta la persona que registró las medidas de la mano más grande. Relacionando el movimiento de una articulación con el movimiento de una palanca, se deduce que, a mayor distancia mayor es la fuerza aplicada. Se puede concluir que, la persona con el mayor tamaño de la mano será quien ejerza mayor fuerza sobre el sistema. Los resultados de las fuerzas se muestran en la siguiente tabla. Tabla 7Registro mayores fuerzas registradas experimentalmente. Movimiento flexión y extensión Movimiento desviación radial y cubital Articulación metacarpofalángica 14.5kgf 8.3kgf 2.3kgf Las fuerzas expresadas en la Tabla 7, junto con las ejercidas por los servomotores, serán utilizadas como referencias de las fuerzas máximas de entrada que soportará el sistema; datos utilizados para realizar el análisis pertinente, en el momento de llevar a cabo la elección de materiales para el dispositivo. 40

41 6 PROCESO DE DISEÑO DEL DISPOSITIVO El diseño de un nuevo dispositivo, requiere de varias etapas para su progreso; dentro de ellas se encuentra una fase inicial, en la cual se pretende conocer la opinión de quienes serán los clientes y/o usuarios del dispositivo; de tal manera que se conozca estadísticamente la aceptación del diseño a realizar, y a su vez de las necesidades que este deba satisfacer para que se convierta en un modelo de gran utilidad, en este caso, en el área de la fisioterapia y equipos médicos y, en busca de la rehabilitación motora de extremidades superiores. A continuación se lleva a cabo el proceso de diseño, empezando por dar una apreciación del significado de la terapia pasiva; principio de recuperación en el que está basado el dispositivo a diseñar, y a su vez se muestran los diferentes movimientos comúnmente utilizados en la rehabilitación motora de mano y muñeca. Seguidamente, se presentan los resultados obtenidos a través de una encuesta realizada a distintos fisioterapeutas. Finalmente, en continuación al proceso de diseño se realiza el desarrollo de un método formal, y la validación del mismo, culminando la etapa con el diseño final del dispositivo. (15) 6.1 TERAPIA PROGRESIVA A partir del análisis que se necesita llevar a cabo para el diseño del dispositivo, se debe tener en cuenta qué tipo de movimientos se realizarán durante la terapia. Como parte de la investigación, se pudo comprobar que para cada terapia o cada caso, se realizan movimientos diferentes que carecen de un proceso formal para tratar las lesiones. Con el fin que el dispositivo opere lógicamente, se diseña el tipo de terapia que este realizará, para ello, se utilizó información escrita (16), y se contó con el respaldo de especialistas en el área. La terapia progresiva, es una terapia de rehabilitación pasiva, basada en una progresión de recuperación de los músculos y articulaciones comprometidas en cada etapa de la terapia; empezando por los movimientos con mayor grado de independencia involucrados en el área a tratar, y terminando por aquellos que al no ser totalmente independientes, requieren de la recuperación previa de otras articulaciones. Para las áreas comprometidas, se entiende por movimiento primario aquel en el que solo interviene una articulación. Se tienen cuatro movimientos primarios para cada dedo exceptuando el pulgar, y la muñeca cuenta condos movimientos primarios. Todos estos movimientos son independientes, existen movimientos de másque resultan de la combinación de dos o más movimientos primarios PASOS TERAPIA PROGRESIVA La primera fase, consisten en la recuperación de los movimientos de flexión y extensión; realizados por la articulación radiocarpiana en compañía de músculos 41

42 del antebrazo y la parte de la muñeca. Grado máximo de libertad para flexión 80º y extensión 70º. Tiempo de ejecución: Dos semanas con sesiones de 10 a 15 minutos diarias. Fig. 6-1 Flexión-Extensión articulación radiocarpiana. La segunda fase, consta del tratamiento en muñeca para recuperar los movimientos de desviación cubital y radial, con rangos de 20º y 30º respectivamente. Tiempo de ejecución: Dos semanas con sesiones de 5 a 10 minutos. Si la patología y el dolor no son tan fuertes se puede realizar al mismo tiempo que la primera fase. Fig. 6-2 Desviación radial. La combinación de los movimientos tratados en las fases uno y dos; con un margen de 10º menos que los ángulos máximos de libertad, ya que al ser un movimiento combinado tiene menos movilidad que cada movimiento independiente. En la cuarta fase, se tomará el índice como el primero de los dedos a rehabilitar, recuperando primero su movimiento de la articulación metacarpofalángica, que 42

43 se encuentra en lo que se podría denominar la base del dedo, luego; se tratara la articulación interfalángica proximal y por último la interfalángica distal. Fig. 6-3 Flexión articulación interfalángica proximal. La quinta fase consistirá en realizar el mismo procedimiento de la fase anterior. Empezando por el dedo corazón, luego con el meñique y para terminar con el dedo anular. Es importante seguir este orden por restricciones e independencia de movimientos. Como sexta fase, se iniciaran los movimientos de abducción y aducción con cada uno de los dedos. Al mismo tiempo que la fase anterior, se empiezan a tratar las articulaciones del dedo pulgar, estas se harán en el siguiente orden: La articulación trapeciometacarpiana, metacarpofalángica y la interfalángica. Fig. 6-4 Estimulación articulación dedo pulgar. NOTAS: Se recomienda pasar de una fase a otra cuando se esté cerca del 70% de movilidad de cada articulación. Los rangos de los ángulos fueron tomados del estándar americano American Academy of Orthopaedic Surgeons (AAOS) (5) 43

44 Al empezar la terapia en los dedos, es posible que existan parálisis que causen una interferencia del dedo pulgar con los demás, por lo que se deberá empezar con este dedo, y una vez recuperado seguir en el orden planteado en el documento. En la elección del orden de los movimientos, también se analizó la fuerza máxima que puede ejercer una articulación paralizada, por lo que se empieza con la que ejerce mayor fuerza y se termina con la que lo hace con la menor, exceptuando en este orden el dedo pulgar, que genera una excepción por razones anatómicas PRUEBAS DE RENDIMIENTO Y RECUPERACIÓN Una vez dado el visto bueno a la terapia por parte de un fisioterapeuta, se dispuso a verificar su eficiencia y sus niveles de recuperación, la terapia se realizó a un paciente que se recuperaba de una fractura con una pérdida media de movimiento. A continuación se muestran los resultados: Tabla 8Resultados de prueba terapia progresiva Terapia progresiva Enfermera Luisa Fernanda Mora Tiempo de terapia 4 semanas Descripción del paciente: Paciente en terapia de recuperación movilidad causada por fractura de radio, nivel medio de rigidez. Movimientos Rigidez inicial 1 semana 2 semana 3 semana 4 semana Flexión muñeca Extensión muñeca Desviación Radial Desviación Cubital Flexión dedos Extensión dedos Movimientos dedo pulgar Valores dados en porcentaje representando el nivel de parálisis, referenciados con respecto a rangos máximos de movilidad 6.2 MÉTODO FORMAL DE DISEÑO (15) El desarrollo del diseño de un dispositivo de apoyo en terapia pasiva para rehabilitación motora de mano y muñeca al igual que otros diseños; requiere de una serie de procedimientos secuenciales basados en un método formal de diseño, a partir del cual se especifican objetivos tanto generales como secundarios, y a su vez en niveles 44

45 inferiores que de una u otra forma cumplen con la solución general del problema planteado. Por otro lado, en el desarrollo del método de diseño se propone determinar, en primer lugar, los atributos del dispositivo, seguido de una elaboración de especificaciones funcionales, luego se hace necesario determinar los grados de deseabilidad para establecer los atributos que deben aparecer en las características del diseño, ante lo cual, es posible diseñar sistemas de medición, y finalmente se obtiene a través de una evaluación de alternativas un prototipo final del dispositivo diseñado ÁRBOL DE OBJETIVOS Ante la justificación del diseño del dispositivo, se toma esta como el punto inicial para comenzar una clarificación de objetivos del diseño, con el propósito de juntar todos los fines que se desean para el diseño del dispositivo en su última etapa. En esta primera parte del método de diseño, se realiza una lista de los objetivos también llamados requerimientos; basados en las necesidades expuestas por los diferentes fisioterapeutas y centros de rehabilitación física visitados, teniendo en cuenta las exigencias del paciente que requiere de terapia pasiva progresiva; el cual implica una alta disminución del desgaste físico que puede afectar otros factores y que con la operación de un dispositivo semiautomático será posible disminuir ciertos riesgos a los que se enfrenta a diario un profesional del área. Fig. 6-5Árbol de objetivos diseño dispositivo de apoyo en terapia pasiva. Tras plantear el árbol de objetivos, quedan claros los aspectos con los que el diseño final del dispositivo debe cumplir en su mayor parte, de tal forma que satisfaga las exigencias de los profesionales que brindaron asesoría desde el inicio del desarrollo del presente proyecto. 45

46 6.2.2 ANÁLISIS FUNCIONAL Seguido de estudiar la generalidad de los problemas de diseño a través del planteamiento de un árbol de objetivos, se realiza un método de análisis de funciones, las cuales debe cumplir el dispositivo para lograr los objetivos ya trazados. Para el desarrollo de este método, en primer lugar se expresa una función general o global del diseño en términos de la conversión de entradas en salidas. Es importante aclarar que en esta parte del método de diseño, tan solo se especifican las funciones secundarias tras haber descompuesto la función global, mas no se especifican los medios ni formas para lograr dichas funciones. Para el dispositivo tal como se muestra en la figura 6-6, se le tienen asignadas una serie de funciones secundarias que a su vez interactúan entre ellas, y que para su funcionamiento requieren de una entrada o varias entradas y al final del desempeño de todas las funciones se obtiene una salida satisfactoria. Fig. 6-6Caja transparente con funciones secundarias del dispositivo. Reconociendo ya las funciones secundarias del dispositivo, y habiendo dibujado los limites funcionales del dispositivo tal como se muestra en la figura anterior, es posible comenzar a pensar en la forma y el cómo realizarlas; reconociendo los componentes y elementos apropiados para que desempeñen cada labor, pero aún no se tiene claridad total del diseño para elegir los medios físicos finales que puedan cumplir cada función, pues aún quedan muchos componentes alternativos que son capaces de realizar las funciones identificadas FIJACIÓN DE REQUERIMIENTOS Continuando con el proceso de diseño, los objetivos y las funciones son planteamientos de lo que debe lograr o hacer el dispositivo a diseñar, pero aún no se han establecido límites precisos; para ello, se requiere de desarrollar las diferentes especificaciones de rendimiento. Aquí, se comienza a identificar los atributos de rendimiento requeridos para el diseño del dispositivo, sin embargo, aún no se define el producto requerido. 46

47 Como todo dispositivo que tiene un conjunto de atributos, en la siguiente Tabla se plantean los del dispositivo a diseñar, en las especificaciones del rendimiento. Tabla 9Especificaciones para el diseño del dispositivo Especificaciones para: Dispositivo de terapia pasiva para rehabilitación de mano y Página 1 muñeca. Cambios D y d Requerimientos Responsable 1. Dimensiones D D D D Alto: Aprox. 40cms Ancho: Aprox. 30cms Largo: Aprox. 35cms Orientación: Horizontal Carcasa D D D Lado lateral derecho: 30cmsx40cms Lado lateral izquierdo: 30cmsx40cms Lado trasero: 35cmsx40cms d d d d d d D D d D D d d D D D D D D 2. Materiales Aleaciones metálicas Aluminio Láminas acero: Calibre 14 Acrílico: 4mm Titanio 3. Peso Peso neto del dispositivo: Aprox. 15kg 4. Alimentación Alimentación dispositivo: 110V Alimentación circuitos integrados: 5V Alimentación actuadores: 4,8-8V Alimentación circuitos: <12V 5. Pacientes Edades: Niños: años Adolescentes: años Adultos: 21 en adelante Tamaños de la mano: Largo dedos: 5-8,3cms Ancho dedos: 1,3-2,6cms Largo palma: 8,9-12,1cms Largo mano: 14,2-20,3cms 6. Seguridad Botón de parada automática Uso exclusivo de especialistas 47

48 d d D D D D D d d D D D d d D d d D D d D D D d D D D D d d D d d d 7. Comunicación Conexión RS232 Tasa de Tx/Rx: 9600baudios Bus I 2 C Conexión USB 8. Señales PWM Protocolo I2C Protocolo RS Componentes Servomotores: XQ-POWER Finales de carrera Microcontrolador: ATMega16 Tarjeta manejadora de PWM: SD21 Buses de datos Joystick Pulsadores Sistema de piñoneria: Radios 1-2cm Rieles de aluminio Rueda para rieles Tornillos de acero galvanizado Diodos LED Interruptores Fusibles Circuitos reguladores 10. Posiciones actuadores Lineal a todos los dedos de la mano Ángulos de libertad: Mano y muñeca 11. Rangos de movimiento Pieza para adaptar tamaño antebrazo: 0-10cms Deviación cubito radial: ±20 - ±30 Flexión-extensión dedos: Flexión-extensión muñeca: Fuerzas Mano y muñeca Flexión y extensión muñeca: Máx. 14,5kgf Flexión y extensión dedos: Máx. 2,3kgf Servomotor Fuerza rotatoria 13. Actuadores eléctricos Servomotores Referencia 1: XQ-S3003S Torque:3,3kg/cm Velocidad:0,18 s/60 48

49 d d d d d D D d d d D D D Peso: 36g Referencia 2: XQ-S3009M Torque:9,8kg/cm Velocidad: 0,16s/60 Peso: 56g 14. Manejo del dispositivo Desde el computador: Ingreso de rutina Desde el dispositivo: Posiciones iniciales con Joystick Visualización en el dispositivo: Cuatro diodos LED 15. Durabilidad Uso frecuente: Aprox. 2,5hrs diarias Vida útil: Aprox. 3 años~1800hrs Mantenimiento: 3 años (desgaste de piezas) 16. Usos Terapia pasiva progresiva 17. Temperaturas y condiciones externas Según niveles de protección IP para cada componente. Como bien ya se había desarrollado un árbol de objetivos y un análisis de funciones, se hizo posible realizar una lista de atributos de rendimientos, ya que por lo general son similares o se derivan de las actividades anteriormente mencionadas. Teniendo la lista final de los atributos de rendimiento, se distinguió entre los atributos o requerimientos que son demandas (D) y los deseos (d); siendo estos aquellos que deben satisfacerse y los que el cliente o el diseñador desearían satisfacer respectivamente COMPARACIÓN DE ATRIBUTOS POR PARES A través de este procedimiento, es posible identificar los requerimientos del cliente en términos de los atributos del producto e identificar las relaciones entre las características de ingeniería y los atributos del producto; de otra manera, permite detectar la importancia de los atributos evaluados. Tal como se muestra en la Tabla 10, se realiza una comparación entre cada atributo con los restantes y así sucesivamente hasta completar la matriz, cuando en cada relación se debe identificar el atributo que prevalece; si es el de la fila le corresponde un uno al cuadro de lo contrario no sumara nada. Al final, se pretende tener un orden de los principales atributos u objetivos deseados para el dispositivo. 49

50 Multifuncional Multiusuario Bajo consumo de pote. Semiautomático Fácil operación Económico Reparable Bajo riesgo eléctrico Resistente Eficiente Cómodo Preciso Eficaz Confiable Tolerante a fallos Parada de emergencia Total atributo Ponderado Orden Tabla 10Comparación de atributos del dispositivo por pares OBJETIVOS Multifuncional * Multiusuario 1 * Bajo consumo de potencia 0 0 * Semiautomático * Fácil operación * % 6 Económico * Reparable * Bajo riesgo eléctrico * Resistente * Eficiente * Cómodo * % 4 Preciso * Eficaz * Confiable * Tolerante a fallos * Parada de emergencia * 8 Con la tabla de comparación por pares desarrollada, se puede observar que según los atributos evaluados, los que tienen mayor ponderado son: eficaz, tolerante a fallos y semiautomático. De aquí se puede intuir que estos tres aspectos cumplen con los requerimientos del cliente, en este caso, los pacientes quienes se someten a un tratamiento de rehabilitación pasiva de mano y muñeca, solicitan un dispositivo que permita recuperar la movilidad de sus extremidades, y que a su vez sea seguro. Por otro lado, los fisioterapeutas hoy en día requieren de dispositivos semiautomáticos para disminuir el desgaste físico irreversible que sufren a través del tiempo con la realización de las terapias requeridas por los pacientes con movimientos restringidos en las articulaciones de la mano y muñeca % 3.33 % 1.66 % % 0.83 % 1.66 % 4.16 % 6.66 % 8.33 % 8.33 % % 8.33 % % 6.66 % 100 %

51 6.2.5 CASA DE LA CALIDAD Con el fin de establecer las metas que deben alcanzarse en las características de ingeniería del dispositivo a diseñar; de tal forma que se satisfagan los requerimientos del cliente, se procede a realizar la casa de la calidad incluida en el método formal de diseño a través de la cual, se identifican los requerimientos del cliente en términos de los atributos del producto; luego, determinar la importancia relativa de los atributos, los cuales se plantean en una matriz con las características de ingeniería que se puedan expresar en unidades, y finalmente se indica la fuerza de las relaciones entre estos dos aspectos a través de símbolos. Fig. 6-7Casa de la calidad diseño dispositivo de apoyo en terapia pasiva Teniendo la relación entre los atributos del cliente y las características de ingeniería a través de símbolos; donde la relación más fuerte se representa mediante un circulo, la relación medianamente fuerte se muestra con un triángulo y el menor grado de relación entre las característica, se especifica con un circulo. De los resultados obtenidos en el método de diseño, se observa que aparece otro nivel de importancia, con el cual se muestra las principales características de diseño con sus objetivos dados en valores numéricos y las unidades respectivas. 51

52 6.2.6 TABLA MORFOLÓGICA Siendo el diseño del dispositivo final la incorporación de una gran cantidad de componentes, nace la necesidad durante el proceso de diseño de crear las diferentes alternativas de los dispositivos que pueden cumplir cierta función específica o que deben hacer parte del diseño para su buen funcionamiento. Este proceso además de permitir observar la cantidad de posibilidades que se tienen para dar solución a las diferentes funciones, ayuda a la innovación del producto a crear a través de la identificación de elementos o componentes que al terminar el diseño hace que se tenga una mayor satisfacción del consumidor final. De este modo, a continuación se muestra un diagrama morfológico a través del cual es posible generar alternativas que permitan la mejor elección de los componentes para el diseño final. Tabla 11Generación de alternativas dispositivo de apoyo en terapia pasiva. MEDIO CARACTERÍSTICAS Y/O FUNCIONES Controlador Microcontrolador ATMEL PICmicro Movilidad piezas automáticas Motores DC Servomotores Manejo semiautomático Pulsadores Joystick Teclado Interfaz de usuario PC Pantalla LCD 52

53 Piezas transmisión de movimiento Cadenas de transmisión Rieles DIN Correas de transmisión Seguridad y tolerancia a fallos Sensores de contacto Sensores inductivos Encoders Para el desarrollo de la tabla morfológica, se utilizan las funciones o características más relevantes del dispositivo en un alto grado de generalización, y que requieren de un medio para satisfacerlas. Siendo así, en la tabla anterior se muestran los posibles medios secundarios para realizar cada una de las funciones o para cumplir con cierta característica del diseño final. A través de esta tabla, es posible observar que se pueden realizar múltiples soluciones que nacen de las diferentes combinaciones de los medios para llegar a un diseño final; ahora, el objetivo es identificar las combinaciones factibles de soluciones secundarias, teniendo en cuenta las diferentes restricciones o criterios de los medios y por ende del dispositivo final. El paso a seguir tras la elaboración del diagrama morfológico, es generar alternativas; para el caso se tienen más de cincuenta posibles alternativas de las cuales no todas son factibles o presentan incompatibilidad entre las diferentes soluciones secundarias; luego, se procede a generar alternativas GENERACIÓN DE ALTERNATIVAS Con el fin tanto de obtener una gama completa de soluciones alternativas de diseño para el dispositivo de apoyo en terapia pasiva para rehabilitación de mano y muñeca, como para ampliar la búsqueda de nuevas soluciones potenciales, se realiza a continuación el proceso de evaluación de alternativas que se lleva a cabo considerando los objetivos que debe alcanzar el diseño; teniendo en cuenta que la evaluación determina el valor o utilidad global de una propuesta de diseño particular con relación a los objetivos de diseño. A continuación, se utiliza el método de objetivos ponderados a través del cual se evalúan y comparan los diseños alternativos, utilizando objetivos diferencialmente ponderados, en este método se hace necesario asignar pesos numéricos a los objetivos y calificaciones numéricas a los rendimientos de los diseños alternativos medidos contra los objetivos correspondientes. 53

54 Tabla 12Evaluación controlador del dispositivo OBJETIVOS PESOS RELATIVOS Seguro 0.3 Eficaz 0.27 Semiautomático 0.23 Multiusuario 0.2 PARÁMETRO Microcontrolador ATMEL PICmicro MAGNITUD CALIFICACIÓN VALOR MAGNITUD CALIFICACIÓN VALOR Voltajes de operación (V) Módulos I/O (N ) Interrupciones (N ) Módulos PWM (N ) TOTAL 4.4 TOTAL 1.6 Para el control de todo el sistema, según los resultados obtenidos en la tabla anterior se tiene que un microcontrolador ATMEL es el dispositivo adecuado para dicha función, tanto por sus características como el soporte para desarrollo en leguaje C; además, a diferencia de los PIC, su cantidad de registros (32) y su conjunto de instrucciones lo hace particular respecto al resto de microcontroladores de 8bits. Tabla 13Evaluación movilidad piezas automáticas del dispositivo OBJETIVOS PESOS RELATIVOS Seguro 0.3 Eficaz 0.25 PARÁMETRO Motores DC Servomotores MAGNITUD CALIFICACIÓN VALOR MAGNITUD CALIFICACIÓN VALOR Torque (kg/cm) , Voltaje de consumo (V) , Semiautomático 0.18 Manejo con Si Si PWM Cómodo 0.17 Variación de velocidad Si Si Multiusuario 0.1 Cantidad (N ) TOTAL 3.4 TOTAL 5 El dispositivo final cuenta con nueve servomotores ubicados estratégicamente para que se logre un buen desempeño del dispositivo; estos componentes se caracterizan por su torque a pesar de ser tan pequeños y además por su precisión ya que estos actuadores se ubican en cualquier posición dentro de su rango de operación, lo que significa que tienen una alta resolución; además, presentan un alto grado de estabilidad en la posición que les sea indique. Por estas razones, estos serán los actuadores que harán parte del diseño final. 54

55 OBJETIVOS PESOS RELATIVOS Tabla 14 Evaluación manejo semiautomático del dispositivo PARÁMETRO Pulsadores Joystick Teclado MAGNI CALI VALOR MAGNI CALI VALOR MAGNI CALI VALOR Seguro 0.3 Resolución 0 y y Eficaz 0.25 Tiempo de respuesta Lento Rápido Normal Semiautomático 0.18 Cantidad de salidas (N ) Cómodo 0.17 Fuerzas de accionamien to (N) Multiusuario 0.1 Cantidad de entradas (N ) TOTAL 1 TOTAL 3.84 TOTAL 3.46 Según la comparación entre las posibles soluciones para el manejo de las operaciones automáticas con la que contará el dispositivo; se obtiene como resultado el uso de un joystick, siendo este dispositivo electrónico pequeño y además sensible, lo que permite una fácil manipulación; además de ser suficientes sus salidas que alcanzan a responder a las funciones para las que será destinado, y a su vez a algunas de las funciones generales del dispositivo. La evaluación interfaz de usuario del dispositivo, va dirigida principalmente al fisioterapeuta, por ello, se decide no utilizar la generación de alternativas ya que en ellas la mayoría de objetivos evaluados respecto a la magnitud de los diferentes parámetros del computador y el LCD no van relacionados con el paciente; sin embargo, más adelante se presentará la justificación del dispositivo a utilizar para dicho fin. Tabla 15Evaluación piezas de transmisión de movimiento OBJETIVOS PESOS RELATIVOS PARÁMETRO Cadenas de transmisión Rieles DIN Correas de trasmisión MAGNI CALI VALOR MAGNI CALI VALOR MAGNI CALI VALOR Seguro 0.3 Soporta altas fuerzas Si Si No Cantidad de Eficaz posiciones Pocas Muchas Pocas Semiautomático 0.18 Responde a comandos Si Si Si Preciso en Cómodo toda Si Si No posición 0.1 Ajusta a Multiusuario medidas Si Si Si TOTAL 4.5 TOTAL 5 TOTAL 2.62 Siendo los rieles DIN la mejor opción, se puede decir que estos brindan incluso estabilidad a todo el dispositivo; además de generar confianza en el momento de realizar las terapias por su precisión y dureza. 55

56 Tabla 16 Evaluación dispositivos para seguridad del equipo OBJETIVOS PESOS RELATIVOS PARÁMETRO Sensores de contacto Sensores inductivos Encoders MAGNI CALI VALOR MAGNI CALI VALOR MAGNI CALI VALOR Seguro 0.4 Eficaz 0.25 Semiautomático 0.18 Alcance de detección (mm) Resistencia al ruido Precisión (µm) Cómodo 0.17 Tamaño Muy pequeño Pequeño Pequeño TOTAL 4.64 TOTAL 2.14 TOTAL 4.16 Con la anterior tabla, se determina que para el dispositivo será mejor utilizar como sistema de seguridad los sensores de contacto; también conocidos como finales de carrera debido a su precisión y tamaño, de esta manera se satisface un requerimiento más del cliente en cuanto a seguridad se refiere. 6.3 CONCEPTO DE DISEÑO Tras desarrollar todo un proceso formal de diseño, es posible obtener una decisión en cuanto al conjunto de componentes que harán parte del dispositivo, de tal manera que este opere cumpliendo los requerimientos del cliente y los objetivos planteados desde el inicio del método de diseño. Ya teniendo una clarificación de los componentes, se lleva a cabo una selección de estos aún más detallada tal como se muestra en la siguiente parte del informe SELECCIÓN DE COMPONENTES En un principio, se fijan los tamaños del material que dará forma a la carcasa exterior del dispositivo, dado que la mano más grande tiene un largo de 22.8cm se fija un largo de 35cm; distancia suficiente para que la mano de mayor extensión según los datos estadísticos pueda ser tratada. Para el ancho se deben tomar las máximas medidas que se puede proyectar horizontalmente, las cuales corresponden al largo más extenso de la mano proyectado con un ángulo de 40º el cual representa la máxima desviación radial; calculando con relaciones trigonométricas se obtiene una máxima proyección de 14.65cm, debido a que este cálculo se presenta tanto para la mano ubicada en posición prona como supina, basta con multiplicarla por dos y de este modo se proyectan ambos lados con un ancho equivalente a 30cm. Para determinar la altura, se tiene dos veces el largo de la mano; de tal manera que esta no presente ninguna interferencia al momento de realizar los movimientos de flexión y extensión de la articulación radio carpiana. Considerando que la carcasa del dispositivo no soportara mayor fuerza, será apropiado utilizar para su construcción acrílico de 4mm de grosor que es estable y consistente, 56

57 dando buena forma y estética al dispositivo y permitiendo que tanto el paciente como el fisioterapeuta visualicen el funcionamiento del dispositivo. Se necesita para los movimientos de flexión y extensión de la articulación radio carpiana una fuerza máxima de 14.5kgf; para aplicar esta fuerza se hace uso de dos servomotores, buscando simetría en la fuerza que se realice. Para ello, se elegirán dos servomotores y la suma aritmética del torque entregada por cada uno es la fuerza total entregada. Fuerza de cada servomotor = 14.5 kgf 2 = 7.25 kgf Para este diseño, se elige el servomotor de referencia XQ-S3009M marca XQ-POWER que tiene un torque de 9.8kg/cm (según especificaciones del fabricante) con una alimentación de 7V; esto no genera ningún problema, ya que la tarjeta manejadora de PWM soporta una alimentación hasta de 12V. La suma aritmética de la fuerza aportada por cada servomotor, da una transmisión aproximada de 19.6 kgf; una pieza fijada a los dos servomotores anteriormente nombrados, permite ubicar un nuevo servomotor que realizará los movimientos de desviación radial y cubital, el cual tiene las mismas características de los dos especificados anteriormente para la flexión y la extensión de la muñeca. Este último servo, sujeta la pieza que sostendrá y fijará la palma de la mano para las terapias, como la pieza está directamente pegada al servomotor no presenta perdida de torque por distancia. 9,8kgf Fuerza servomotor > 8,3kgf (Mayor fuerza de la articulación) Para la parte del dispositivo involucrada con el movimiento de los dedos, se tiene que la fuerza máxima aplicada por un solo dedo es de 2.3kgf; para dicha tarea se eligen servomotores XQ-S3003S de la marca XQ-POWER que tiene un torque de 3kg/cm, transmitido y convertido a una fuerza lineal a través de un piñón (para transmitir su mayor fuerza el piñón tiene 1cm de radio) que se encarga de desplazar el riel industrial de aluminio. Una vez seleccionados los servomotores, y dadas las fuerzas máximas tanto de ellos y de las articulaciones de la mano y muñeca, se debe calcular la fuerza máxima a la que es sometido cada sistema del dispositivo; para ello, se hace el análisis de cuerpo libre en las piezas que lo requieren, dicho estudio se realiza a través del software de simulación SolidWorks. En estas simulaciones se tiene como entrada al sistema las fuerzas aplicadas al dispositivo, tanto por los servomotores como por la extremidad a tratar, para las piezas que no tiene contacto directo con las entradas directas primarias del sistema se hace un análisis de fuerzas internas del dispositivo con el cual se identifican las fuerzas sobre esas piezas. 57

58 Fig. 6-8Análisis de cuerpo libre para soporte de mano. Al realizar la simulación, se obtienen las fuerzas máximas a las que es sometida la pieza; de acuerdo con esta información, se elige el material con la resistencia necesaria para soportar estas fuerzas sin sufrir alteraciones en su forma. Luego del análisis para las piezas que están sometidas a diferentes fuerzas durante el funcionamiento del dispositivo, se obtienen los siguientes datos. Tabla 17Fuerzas resultantes aplicadas a piezas del dispositivo. Pieza Fuerzas máximas de entrada (kgf) Soporte mano 26.4 Soporte muñeca 21.3 Base del sistema para muñeca 10.3 Sistema dactilar 8.2 Soporte sistema dactilar 20.4 Soporte antebrazo 19.6 Para realizar el movimiento que desplace el sistema dactilar de un dedo a otro; se utilizará dos servomotores truncados, capaces de soportar el peso de la parte del dispositivo que realiza la terapia en los dedos (aproximadamente 1kgf) y la fuerza de reacción al mover el dedo; que en el caso de ser máxima es de 2.3kgf, y dado que las dos fuerzas descritas anteriormente están en el plano vertical, la resultante es de 3.3kgf por lo que también se utilizan los servos XQ-S3003S. Estos (dichos) servomotores, tienen adheridos un sistema con una rueda que hace que se muevan sobre un riel de 30cm de longitud (ancho total del dispositivo), con un peso de 560gr y sumado a la fuerza vertical se obtiene una fuerza total de 3.86kgf; siendo esta la fuerza a soportar por las piezas verticales del sistema que da movimiento a los dedos. Por último, para que el sistema tenga la libertad de acceder a todos los dedos, se fija un nuevo riel de aluminio de 23cm de largo sobre el que a través de un servomotor se trasladara el sistema anteriormente descrito al que se le debe hacer una fuerza aproximadamente igual a 4.5kgf por lo que se utilizara un nuevo servomotor. Dadas las fuerzas máximas con el fin de dar homogeneidad al dispositivo las piezas que darán la forma serán de titanio que es un metal con una buena resistencia, liviano y el contacto humano con este metal es completamente seguro, es comúnmente utilizado en aplicaciones médicas como prótesis. Se usaran tornillos de acero galvanizados que tiene una resistencia de 38.66kg, la cual es mucho mayor que cualquiera de las fuerzas resultantes en el diseño mecánico; 58

59 poseen un galvanizado que los hace inmunes al oxido durante un largo periodo de tiempo, aumentando la durabilidad al producto. Los rieles de aluminio compacto, tienen una resistencia a la deformación de más de 50 kilos, manteniendo su funcionamiento en cuanto a desplazamientos de forma suave y con poco rozamiento. Los elementos electrónicos a utilizar, una vez especificado el sistema mecánico son: microcontrolador ATmega16 para control lógico del sistema, tarjeta manejadora de PWM SD21 que controla los servomotores, reguladores de potencia para obtener 5 y 7 voltios, resistencias, un joystick para el control del dispositivo al momento de adaptar este a cualquier mano en cualquier posición, regletas para conexiones eléctricas, conectores, diodos LED, buses de datos y en la parte eléctrica se necesita cable de cobre e interruptores. El sistema de control y comunicación con el dispositivo esta soportado por un computador y una tarjeta de conversión de protocolo RS232 a USB. 6.4 DISEÑO FINAL Una vez elegidas las diferentes piezas que conforman el diseño con sus formas respectivas y materiales, se hace necesario hacer una recopilación de las partes del diseño para hacer explícitas las interacciones entre ellas y verificar que el diseño es válido. El flujo del sistema de una manera global se muestra en la siguiente figura: Fig. 6-9Flujo del sistema Como se puede ver en el diagrama anterior, distintas partes de cada subsistema interactúan entre sí para el buen funcionamiento del sistema. Las interacciones que se presentan en el sistema son: 59

60 Desde la programación del microcontrolador, se define la lógica con la que este configurara sus diferentes dispositivos de entrada y salida (E/S), y se controlan las diferentes señales que estos emitirán en el caso de los dispositivos que controlaran las comunicaciones con el PC (Usart) y con el controlador de servomotores (I2C); también se configura y controla el ADC para recibir señales desde el control del dispositivo (Joystick y pulsores). El sistema electrónico se clasifica en dos: (i) una autónoma que controla la entrada de energía la regula y hace una distribución necesaria para la alimentación de cada parte del dispositivo como lo son: Controlador de servomotores, circuitos lógicos (microcontroladores), sistemas de interruptores y control del dispositivo (ii) una lógica que garantiza un buen funcionamiento del microcontrolador y las comunicaciones que este realiza. El sistema mecánico, que está compuesto por las diferentes piezas que dan forma al dispositivo, es controlado a través de los diferentes servomotores, quienes reciben las señales PWM que provienen de los circuitos electrónicos. Otra parte de funcionamiento mecánico, son un conjunto de interruptores que definen los límites de libertad de cada pieza mecánica. El modo de operación del dispositivo, se asemeja a la forma como se controlan artefactos similares que cuentan con interfaz de usuario y requieren intervención directa con el dispositivo, la cual consta de dos etapas en las que se interactúan con el sistema. Para el dispositivo de rehabilitación a diseñar, la intervención directa con el sistema basado en microcontrolador; se hace para la adaptación de la posición inicial de la extremidad a tratar y cuenta con un botón para interrumpir la terapia, los modos de uso por medio de la interfaz de usuario tienen como fin el envío de parámetros propios como el movimiento a realizar y el grado de libertad en el que se efectuara DISEÑO MECÁNICO En cuanto a la parte mecánica del dispositivo, la cual se encarga de realizar los movimientos que darán lugar a la terapia pasiva, cumple con las siguientes funciones: fijar la extremidad del paciente para que no se produzcan movimientos involuntarios y hacer los movimientos específicos de cada parte a tratar. Siendo así, se puede dividir el dispositivo en varias secciones, las cuales serán descritas a continuación. FIJADOR DE ANTEBRAZO Esta pieza de diez centímetros de largo y veinte centímetros de ancho, necesaria para fijar la extremidad en diferentes puntos en los casos que se requiera, tiene una curvatura en la parte central que hace que la pieza se adapte a la forma del antebrazo y no sea traumático para el paciente la ubicación de la extremidad superior en cualquier punto. La fijación se hace con un mecanismo manual, que se ajusta a la base mediante un sistema de correas utilizadas para fijar el antebrazo en dos puntos. La pieza estará compuesta por una lámina de aluminio 60

61 calibre 14, recubierta con espuma de polietileno en las caras que harán contacto con el cuerpo del paciente. Esta pieza estará ubicada a diez centímetros sobre el mismo eje del dispositivo que asegura y brinda los movimientos a la muñeca y se encuentra sobre el extremo de una cara lateral de la carcasa del dispositivo. Fig. 6-10Prototipo fijador antebrazo SISTEMA PARA LA MUÑECA Está compuesto por dos partes, una que fija la muñeca y otra que asegura la mano a la altura de la palma. Mientras el dispositivo hace los movimientos necesarios para su rehabilitación, estas piezas poseen una base rígida cubierta por una capa de polietileno para hacerlas más agradables y cómodas al paciente. La pieza que fija la muñeca tiene un ancho de veinte centímetros por dos centímetros de largo, y una curvatura en la parte central de la pieza que tiene como función adaptarse a la curvatura natural de la muñeca; dicha curvatura está definida para que se apoye una parte de la muñeca y no la muñeca entera para lo que utiliza una correa capaz de adaptarse a cualquier medida fijando la muñeca completamente. En cuanto al fijador para la palma, este está compuesto por una pieza plana de catorce centímetros de ancho por dos centímetros de largo y una correa para adaptar la palma de la mano sin importar el tamaño ni la posición inicial de la extremidad. El fijador de muñeca, está asegurado a una base de aluminio de forma rectangular, cuyas dimensiones son veinte centímetros de ancho por cuatro centímetros de largo y una altura de veinte centímetros; con el fin de garantizar que el brazo quede en una posición fija y recta sobre el mismo plano. Esta parte del dispositivo, mecánicamente cuenta con tres servomotores, dos para el movimiento de flexión y extensión de la articulación radio carpiana, y uno más para los movimientos de desviación radial y desviación cubital. Las dimensiones de estos servos son (4x38x20) mm, dos de los cuales se fijan a ambos extremos de la base para el sistema de la muñeca; a ellos se une una pieza que sostiene el tercer servomotor; esta pieza también sirve como base para la parte del sistema que sostendrá la muñeca, de esta forma con la combinación de movimientos causados por los tres servomotores, se generan los 61

62 grados de libertad máximos de la personas para todos los movimientos naturales de la muñeca. Fig. 6-11Prototipo sistema para muñeca SISTEMA DACTILAR Sistema compuesto por dos partes simétricas físicamente, que cumplen la función de llegar a cada uno de los dedos y aplicar una fuerza necesaria para moverlos. La primera parte, consta de dos servomotores cuyas dimensiones son (4x38x20) mm; uno funciona para cambiar de posición y así desplazarse hacia el dedo que requiera la terapia, el otro servomotor funciona para actuar directamente sobre el dedo, moviéndolo hacia arriba o abajo. La segunda parte difiere de la primera en un servomotor que realiza un desfase entre los dos sistemas y de esta forma se logra estimular cada articulación de los dedos. Tendrá soporte para tres formas de funcionamiento: (i) estimulación de articulaciones metacarpofalángicas; donde las partes del sistema se encuentran desfasadas, el movimiento de los sistemas no es mayor a 2cm de distancia necesaria para mover la articulación teniendo como punto de apoyo una de las dos partes del sistema mientras la otra aplica la fuerza para mover la articulación (ii) estimulación del movimiento de extensión a los dedos; para este caso, las dos partes están en fase y uno hace el movimiento de extensión mientras el otro espera para devolver el dedo a su posición inicial (iii) estimulación de los movimientos de aducción y abducción, en los que las dos partes se sincronizan tanto en fase como en el movimiento, pues ambas partes fijan el dedo y lo llevan a los diferentes grados de movilidad. 62

63 Fig. 6-12Prototipo sistema dactilar RIELES El sistema de rieles tipo DIN, es utilizado para llevar los sistemas dactilares superior e inferior hasta el punto que sea necesario. Se utilizan dos tipos de rieles, uno completo en el caso de necesitar mover todo el sistema apoyado sobre el riel manteniendo el actuador fijo, el otro tipo de riel es uno modificado haciéndole un corte a la mitad que se utiliza cuando el actuador sirve como base del sistema moviéndose sobre el riel. Fig. 6-13Prototipo de rieles Cada una de las partes mecánicas del dispositivo, van acopladas a otras partes mecánicas o a un servomotor que se encargara de su función; de esta forma se realizaran dichos acoples: Los acoples entre dos piezas, se dan en partes no dinámicas, en las que solo se da forma al dispositivo pero que no tienen movilidad alguna. Esta unión se realiza con pegamento industrial acompañado de un tornillo que fije las dos partes. El otro tipo de acople es el que se realiza para las piezas dinámicas, que se realiza entre la pieza y los diferentes servomotores; este acople se realiza con tornillería, 63

64 dependiendo de la función a cumplir de la pieza se acopla en uno de los dos espacios de los servomotores. Fig. 6-14Espacios para ubicar piezas mecánicas En el espacio 1 se fijan las piezas que necesitan moverse; las que dan los diferentes grados de movilidad al dispositivo, y en el espacio 2 se fijan las piezas que servirán como soporte para los sistemas DISEÑO ELECTRÓNICO La parte electrónica del sistema, se encarga del transporte de señales externas e internas del dispositivo, haciendo que todos los elementos del sistema global interactúen entre sí dando forma y lógica a todos los mecanismos. Los circuitos electrónicos, se hacen específicamente para el diseño propuesto por lo tanto las baquelas de los circuitos utilizados también son diseñadas. ETAPA DE REGULACIÓN Etapa encargada de recibir la entrada principal de energía proveniente de la red eléctrica domiciliaria; a través de dos reguladores de potencia se obtiene la alimentación necesaria para cada componente del sistema. Las salidas de este circuito son dos: (i) Una de cinco voltios, los cuales alimentan el microcontrolador y todos los sistemas que interactúan con él; tales como, la tarjeta SD21, los interruptores y voltajes de referencia para el ADC (ii) Una salida de ocho voltios que se utiliza para la alimentación de los servomotores. Teniendo en cuenta que el voltaje mínimo que garantiza el funcionamiento de los servomotores con su máximo valor de torque en caso de necesitarlo es de 7.2V según especificaciones de los servos, se realiza la alimentación a 8V para evitar pérdidas de torque por caídas de voltaje. Este circuito se compone de una bobina que disminuye el voltaje AC de entrada al circuito; luego, se pasa la señal AC por un puente de diodos encargado de rectificar la señal, entrando a un circuito acondicionador; el cual consta de un regulador lineal negativo que reduce la señal al voltaje deseado garantizando el 64

65 voltaje, y un transistor que asegura una corriente alta; la cual es necesaria para los momentos en los cuales los servomotores deban (puedan) realizar su mayor fuerza. A la salida de este circuito, se conecta la alimentación de los servomotores y un nuevo regulador para obtener el voltaje de 5V al que irán conectados el resto de dispositivos del sistema. (17) Fig. 6-15Diseño circuito de regulación del sistema. CIRCUITO DEL SISTEMA BASADO EN MICROCONTROLADOR Circuito que cumple la función de controlar el dispositivo de terapia pasiva; de tal forma que realice todas las funciones para las que ha sido diseñado. Tiene como entradas el voltaje proveniente de la etapa de regulación y la tierra del sistema. Como salidas cuenta con LED S para indicar estados; además, a partir de estas son posibles las conexiones para las comunicaciones, tanto con el manejador de PWM a través de los pines del Two Wire Interface como con el PC a través de los pines destinados para la USART. Igualmente, entre las entradas al microcontrolador se conecta un circuito combinatorio; compuesto por dos encapsulados de compuertas OR, a los que se conectan diez interruptores cada uno con su resistencia externa que indican si el dispositivo llego a fallar en cuanto a los grados máximos de libertad de la mano. La salida de este circuito combinatorio, está conectada a la interrupción 3; este circuito tiene las entradas para las señales análogas provenientes del joystick y las interrupciones 0 y 1 del microcontrolador, que provienen de la tarjeta de interfaz de usuario. 65

66 Fig Diseño circuito acondicionador del dispositivo. CIRCUITO DE CONTROL MANUAL Este circuito se encarga de manejar los comandos de entrada del usuario mediante un joystick y un botón de parada de emergencia; tiene como entradas un voltaje, una tierra y cuatro señales para encender los diodos LED indicadores que provienen de la tarjeta principal, y tiene como salidas dos señales de voltajes análogos, un pulso del joystick y otro de un botón de parada que se conectan a las interrupciones del microcontrolador. Fig Diseño circuito de interfaz electrónica. Otras partes que conforman el dispositivo pero que no fueron diseñados directamente, se utilizan para hacer un procesamiento de señales entre partes del sistema. TARJETA SD21 Circuito impreso desarrollado para controlar múltiple señales PWM, para su funcionamiento requiere utilizar un protocolo de comunicación I2C, con el que se comunican y se escriben datos en sus registros de control, estos registros 66

67 guardan posiciones y velocidades independientes para cada salida PWM permitiendo un múltiple manejo de actuadores al tiempo. Fig. 6-18Tarjeta SD21. CONVERSOR RS232-USB Circuito integrado que tiene la capacidad de pasar una comunicación de datos desde un protocolo al otro en cualquier sentido. Dado que el microcontrolador ATmega16 no soporta el protocolo USB, pero si tiene el protocolo RS-232, se hace necesario un circuito conversor para una comunicación fiable y sencilla con el PC. Este conversor funciona mediante la implementación de un puerto virtual, que emula un puerto COM del PC y por medio de un driver de software libre que se instala en el computador se pueden utilizar diferentes aplicaciones accediendo de una forma sencilla a dicho puerto, y para el caso específico una comunicación fiable y simple. CABLEADO Y POSICIÓN DE COMPONENTES Una vez definidos todos los componentes y mecanismos que hacen parte del sistema, se deben ubicar de tal forma que su interconexión sea sencilla y no interfieran entre si cuando el dispositivo este funcionando. 67

68 Fig. 6-19Cableado del sistema En la figura anterior se visualiza la distribución elegida para la ubicación de los distintos circuitos, las rutas de los diferentes cableados, perfectamente acoplados a toda la distribución de las piezas mecánicas del dispositivo. OTROS La transmisión tanto de voltajes como comunicación entre tarjetas, se llevara a cabo por medio de buses de datos hechos manualmente; de esta forma se tienen tanto buses de datos con especificaciones adecuadas para su uso, como numero de cables que componen el bus y el tamaño del mismo. Los interruptores que mandan las señales al circuito combinatorio son finales de carrera mecánicos. Estos sistemas electrónicos se ubican dentro del dispositivo (ver Fig.6-18), están ubicados de tal manera que las conexiones entre ellos sean cortas para reducir los posibles errores de comunicación y además para que no intervengan en el desplazamiento de los actuadores del sistema. Las conexiones entre estos sistemas se realizan mediante buses de datos. Dos baquelas, la de regulación y la del circuito del microcontrolador, se fijan a la base o piso del dispositivo, y la baquela de control en la que se encuentra el joystick y los interruptores de control se ubican en la cara externa de la cara frontal del dispositivo DISEÑO DE SOFTWARE El software constituye una parte vital de cualquier dispositivo, pues hace que se comporte lógicamente al recibir las señales de circuitos electrónicos y entradas al sistema tanto externas como internas, manejando los actuadores del sistema y creando nuevas señales de control para el dispositivo. 68

69 MICROCONTROLADOR El software del microcontrolador debe ser desarrollado teniendo en cuenta el flujo lógico de las señales en el dispositivo, y observando la secuencia lógica que lleva al sistema a tener el comportamiento deseado. Para el dispositivo se tiene el siguiente flujo de programación: Fig. 6-20Diagramas de flujo desempeño del dispositivo. Donde las interrupciones indican en qué momento de funcionamiento se encuentra el dispositivo. La interrupción 0 (INT0), es controlada por el interruptor de joystick y es usada para indicar el final de la etapa de acondicionamiento del dispositivo al tamaño necesario. La interrupción 1(INT1), controla la parada de la terapia que se esté realizando; esta interrupción es manejada por un pulsor que se encuentra en el mando del dispositivo y está al alcance tanto del profesional como del usuario. La interrupción 2 (INT2), es la destinada a generar una parada porque el dispositivo llego a sus límites físicos, que de ser sobrepasados pueden 69

70 llegar a ocasionar lesiones a los pacientes; esta interrupción es controlada por un sistema de interruptores ubicados en diferentes partes del dispositivo. Para este dispositivo se utiliza un microcontrolador ATmega16, que con características como puertos multipropósito, dispositivos de entrada y salida para comunicaciones con diferentes protocolos, conversor análogo digital (ADC), entre otras, hacen que sea una buena herramienta para utilizar en esta aplicación. Se realizan funciones para la configuración y uso de los dispositivos de entrada y salida del microcontrolador; se hacen librerías con sus respectivos archivos de cabecera para el uso del conversor análogo digital (ADC), del Two Wire Interface (TWI para comunicación I2C) y de la USART (para comunicación RS232); además de un archivo de cabecera donde se crean macros que se utilizan en el archivo principal. Descripción del programa: Se hace la descripción final del programa principal en el entorno de programación, que quedo en el siguiente orden: Se incluyen las librerías necesarias para las diferentes configuraciones. Declaración de puertos de entrada y salida. Configuración inicial de módulos Usart y TWI. Inicialización de variables. Ciclo infinito: o Lectura de ADC, proveniente del joystick para adaptación a las posiciones iniciales de la extremidad. o Evaluación de variables leídas para saber en qué sentido se debe girar tanto vertical como horizontalmente. o Actualización de variables que representan los grados a girar. o Evaluación de grados a girar para que no pasen los valores permitidos. o Separación de las variables que representan los grados en parte alta y baja. o Escritura de variables en tarjeta SD21 a través de comunicación I2C. o Se envía por Usart condición al PC para que este sepa que ya está listo para la terapia. o Lectura de parámetros provenientes del PC a través de Usart, primero llega la fase y después llega el ángulo de movimiento. o Según la fase se escribe en los registros de la tarjeta SD21 para que esta empiece movimientos particulares de cada una de ellas. o Si es la fase 4, se realiza una nueva etapa de adaptación para que el mecanismo dactilar quede en la posición deseada; esta etapa de adaptación está dividida en dos: (i) la primera para llevar el dispositivo dactilar en el plano horizontal y (ii) una vez realizada la primera, se hace el respectivo acondicionamiento en el plano vertical. o Se envía dato de estado a través de la Usart, confirmando que la terapia se encuentra en proceso. o Sigue en este estado hasta que una interrupción (que puede provenir de botón de pánico y parada del fisioterapeuta o de los mecanismos de 70

71 seguridad para que no se pase de los ángulos permitidos) indique el final de la terapia. o Envío de dato de estado vía Usart indicando que la terapia terminó. Tabla 18 Archivos de cabecera y librerías con sus respectivas funciones. NOMBRE ADC Definiciones I2C USART TIPO DE ARCHIVO Librería y archivo de cabecera Archivo de cabecera Librería y archivo de cabecera Librería y archivo de cabecera FUNCIÓN Se utiliza para configurar el conversor análogo digital En él se encuentran todas los macros necesarios para que el programa principal funcione y sea más fácil de entender Configura el TWI y permite la comunicación por protocolo I2C del microcontrolador Librería de configuración para comunicación a través de protocolo RS232 Rehabilitador Archivo *.c En este archivo se encuentra el main principal del programa, en el de desarrolla la lógica de funcionamiento. CONTENIDO adc_read() Macros de valores para las direcciones de los servos y algunos ángulos TWI_init() I2c_transmit() I2cRead Archivo de cabecera con macros para configurar la Usart y las siguientes funciones: configuracion_timer() parar_timer() reset_timer() Se invocan las librerías y los archivo de cabecera anteriormente nombrados, además de librerías de control de interrupciones y de dispositivos de entrada y salida SOFTWARE PARA COMPUTADOR El software del PC es el principal en cuanto al usuario final, pues debe tratarse de una interfaz clara, fácil de manejar y contar con opciones para cambiar parámetros que intervienen directamente en el funcionamiento del dispositivo. El software final funciona como aplicación de escritorio y se comunica mediante el puerto USB al microcontrolador, tiene opciones de cambio de parámetros fáciles de usar y asesoría acerca del funcionamiento del dispositivo. El entorno de desarrollo para esta aplicación lo conforman dos partes, estas se llevan a cabo como procesos independientes; la primera parte es la interfaz de usuario, la cual permite elegir los componentes de la aplicación y el orden en que se encontrarán en la pantalla a la hora de ser operado por un usuario, la segunda etapa es la de programación, en la cual se define la lógica de funcionamiento de cada uno de 71

72 los componentes de la interfaz, interactuando entre ellos mismos o haciéndolo con el exterior. Interfaz de usuario: Para la aplicación de escritorio, se buscó una interfaz clara, sencilla y fácil de usar con la información necesaria. En la búsqueda de no saturar al usuario de información irrelevante, se eligen herramientas de texto para visualizar estados de la terapia, una herramienta de imagen que muestre una demostración del movimiento, una lista para seleccionar la etapa de la terapia en la que se encuentra y un botón que inicia la transmisión con el sistema basado en microcontrolador. Fig. 6-21Diseño interfaz de usuario del dispositivo. Etapa de programación: Se programa cada uno de los elementos que componen la interfaz de usuario de acuerdo a sus características. Todos los elementos y funciones son propias del entorno de desarrollo por lo que el mismo programa utiliza las librerías necesarias sin necesidad de incluirlas. Se realizara una comunicación con el dispositivo; esta comunicación esta soportada en una tarjeta que convierte RS232-USB, y se controla desde el PC a través de la implementación de un puerto virtual (COM); esta tarjeta viene diseñada con los controladores y soportes para esta comunicación a través de las funciones nombradas anteriormente. A continuación, se relaciona cada elemento de la interfaz de usuario con su función en la programación y la interacción con otros dispositivos. 72

73 Tabla 19Descripción componentes interfaz de usuario Componente de la interfaz General Cuadros de información Ingreso de datos Imagen Características de Movimiento Botones Tiempo Función Es la programación que siempre se realiza, aquí se introduce la librería para controlar el puerto USB y desde aquí están las funciones de leer y escribir en dicho puerto. Son cuadros de texto inhabilitados de tal forma que solo el programa pueda escribir sobre ellos.utilizados con fines estéticos, están implementados en el programa para orientar al usuario. La información se muestra cada que ocurre un evento como una lectura nueva del puerto o un comando a través de los botones de la interfaz Son dos las herramientas desde las cuales se puede cambiar los parámetros que el usuario ingresa al sistema, uno es un cuadro de texto habilitado para ingresar el ángulo de cada movimiento, y una lista en la que se enumeran cada una de las fases de la terapia progresiva. Espacio para que cada especialista verifique que tipo de movimientos realiza la etapa seleccionada Label utilizado para mostrar datos específicos de la etapa de la terapia, ejemplo grados de libertad Utilizados para recibir información directa desde el microcontrolador y/o para empezar la transmisión con este y por tanto empezar la terapia Bloque utilizado cuando el funcionamiento del programa implica intervalos de tiempo, sirve como contador general 73

74 6.5 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL DISEÑO FINAL Como culminación del proceso de diseño, se realiza la unión de todos los componentes y sistemas del dispositivo. Fig Vistas panorámica y superior del dispositivo Fig Vista frontal y trasera del dispositivo 74

75 7 VALIDACIÓN DEL DISEÑO Como parte de un proceso formal de diseño, es de suma importancia realizar una etapa de validación de los diferentes sistemas que componen el dispositivo, de esta forma se verifican que todas las partes cumplan las funciones deseadas, se encuentran errores o falencias de diseño, y por último permite mejorar el diseño minimizando el nivel de incertidumbre al momento de la implementación del dispositivo. Un diseño validado es un diseño que tendrá pocos inconvenientes para su concepción final. Para la validación del dispositivo rehabilitador, se validaran las partes diseñadas tanto en su parte de software como la de hardware, además de hacerse un análisis de la seguridad del dispositivo. 7.1 SEGURIDAD De acuerdo con normas reguladas por organismos de control como INVIMA, en su resolución 434 (19), y la seguridad utilizada por dispositivos médicos similares, se tienen en cuenta las siguientes características que hacen que el dispositivo sea seguro para realizar las terapias para las cuales está diseñado. Este dispositivo deberá pasar por un proceso de evaluación de tal forma que sean otorgados los respectivos permisos para que pueda ser utilizado en el sector de la salud. El dispositivo no es autónomo, dado que debe ser controlado con un alto nivel de intervención por un especialista, capacitado y con conocimientos apropiados para el buen uso de este. El dispositivo debe tener paradas de emergencia para hacer uso de ellas en el momento que se necesiten; estas paradas pueden ser orden tanto del especialista como del paciente de tal manera que el dispositivo detenga su funcionamiento de manera inmediata. El dispositivo de rehabilitación posee un interruptor de parada inmediata, se encuentra en un lugar visible y de fácil acceso tanto para el especialista como para el paciente. Ningún dispositivo debe llevar cualquier función humana más allá de sus límites físicos. El dispositivo cuenta con interruptores mecánicos en los niveles máximos de cada movimiento, diseñados de tal forma que cuando el dispositivo llegue a alguno de estos límites se detenga de forma inmediata. Tanto los circuitos reguladores de voltaje como la tarjeta controladora de servomotores, no permiten cambios bruscos de corriente, evitando que el dispositivo a través de sus actuadores genere movimientos involuntarios. El dispositivo solo está capacitado para realizar movimientos primarios de cada articulación (movimientos que solo se realizan en un plano), movimientos que al realizarse en una terapia normalmente no causan una pérdida de movilidad de la extremidad tratada. 75

76 7.2 VALIDACIÓN MECÁNICA Para el diseño mecánico, se deben validar los movimientos de cada parte simulando las fuerzas aplicadas al dispositivo en el momento de hacer la terapia; verificando que estos no presenten interferencias con desplazamientos de otras partes y que las fuerzas generadas por el sistema sean suficientes para realizar los movimientos esperados. Se desarrolla el análisis a cada pieza por el método de los elementos finitos; verificando que tienen la resistencia necesaria para cumplir su determinada función, este análisis se realiza en SolidWorks; con las herramientas propias de diseño del programa y se fabrica una versión digital de cada una de las piezas que intervienen en el sistema. Además, se emula cada pieza con su respectiva forma y tamaño, y se realiza su ensamblaje correspondiente con las demás piezas del dispositivo. Para la visualización de resultados, SolidWorks hace el análisis de la pieza y las fuerzas que resiste; luego, muestra una imagen de la pieza donde se ven los esfuerzos a los que es sometida, permitiendo visualizar los puntos críticos de la pieza a través de los diferentes tonos de colores. La escala de la gráfica resultante esta en Newtons, la relación entre los kilogramos fuerza y los newtons es de 9,8Newton = 1kgf. Fig. 7-1Grafica de resistencia mecánica para fijador de mano La imagen representa el momento en el cual la pieza se somete a la mayor fuerza durante los movimientos de funcionamiento. También se observa que las fuerzas incidentes en la pieza son insuficientes para deformarla o dañarla, y que esta presenta una buena distribución de la fuerza que recibe. Con el fin de obtener resultados provenientes de todas las piezas del dispositivo que soportaran las fuerzas más relevantes durante el funcionamiento del sistema, se lleva a cabo el proceso descrito anteriormente, obteniendo los siguientes resultados: 76

77 Fig. 7-2 Grafica de resistencia mecánica para fijador de muñeca Para la pieza mostrada en la Fig.7-2, se tiene que la mayor fuerza incidente se encuentra sobre la curvatura de la misma; siendo esta la superficie más propensa a deformaciones; sin embargo, los resultados muestran su capacidad para soportar fuerzas mayores a 712,117N equivalentes a 72,66kgf. Fig. 7-3 Grafica de resistencia mecánica para fijador de antebrazo De la Fig.7-3, se infiere que el soporte para el antebrazo tiene la capacidad de soportar las fuerzas para las cuales está diseñado; además, se visualiza un margen de error muy bajo con respecto a sus capacidades máximas, sin embargo, al tratarse de una pieza estática, no representa mayor inconveniencia para el buen funcionamiento del dispositivo, debido a que una pieza estática sufre un menor grado de desgaste a diferencia de una pieza dinámica. 77

78 Fig. 7-4 Diagrama de resistencia mecánica para base dispositivo muñeca Como se puede observar en la Fig.7-4, la pieza de soporte está trabajando sobre sus límites físicos. Al ser esta una pieza que soporta uno de los sistemas más importantes para el correcto funcionamiento del dispositivo, no es recomendable implementar el dispositivo con esta pieza, ya que reduce su tiempo útil considerablemente; se recomienda usar una pieza de acero inoxidable con sus mismas características, garantizando una mayor resistencia tanto a la deformación como al desgaste por agotamiento de la pieza. Fig. 7-5 Diagrama de resistencia mecánica para soporte del sistema dactilar En la Fig.7-5, se visualiza la resistencia del material a utilizarse para el soporte del sistema dactilar, el cual es capaz de soportar su propio peso y las fuerzas aplicadas por el propio sistema. 78

79 Fig. 7-6 Diagrama de resistencia mecánica para sistema dactilar Según la simulación hecha para el sistema dactilar, se considera que a este no pueden ser aplicadas fuerzas superiores a 8.38kgf, y se logra comprobar que las fuerzas resultantes son considerablemente menores a sus límites, de tal forma que se garantiza la resistencia mecánica del sistema y a la vez su buen funcionamiento a la hora de utilizarse como apoyo en la terapia pasiva. 7.3 VALIDACIÓN ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA La validación de los sistemas electrónicos se lleva a cabo en el programa de simulación Proteus, en el cual se verificara cada uno de los componentes independientemente y a su vez la validación del software del microcontrolador. Esta simulación se realizará principalmente porque no se puede simular la tarjeta SD21, dado que es un circuito comercial está garantizado, y solo se debe comprobar que se está estableciendo la comunicación escribiendo al dispositivo deseado a través de su dirección. Para la simulación de la comunicación entre el microcontrolador y el controlador de servomotores; se comprobara que las funciones destinadas a configurar el TWI para la comunicación con el protocolo I2C, lo hacen acorde a los parámetros requeridos; además, se verifica que la comunicación se hace al dispositivo deseado con el dato correcto. Se utilizan dos microcontroladores programados con las rutinas de TWI para comunicación I2C, se configura uno como maestro y el otro como esclavo para iniciar la transmisión. Para la visualización, se lee por un puerto del microcontrolador maestro, se almacena el dato y se transmite vía TWI al microcontrolador esclavo, que toma el dato y lo escribe en un puerto de salida. 79

80 Fig. 7-7Prueba comunicación con protocolo I2C El sistema de regulación de potencia es clave en el diseño, pues si este presenta falencias en su funcionamiento, generara un mal funcionamiento de todo el sistema. Si el voltaje no es lo suficientemente estable, se presentarían errores como falta de fuerza en los servos, lecturas erróneas del ADC del microcontrolador o un mal funcionamiento del microcontrolador. La simulación del circuito regulador de potencia se realiza emulando la entrada de red pública como una fuente AC, pasando por las etapas de transformación, rectificación y regulación para finalmente tener el voltaje deseado. Fig. 7-8 Prueba circuito regulador de potencia. 7.4 VALIDACIÓN INTERFAZ DE USUARIO Para verificar el funcionamiento de la aplicación de escritorio se compila el programa, y se verifican las interacciones entre los elementos de la aplicación. 80