SÍNTESIS EVOLUTIVA DE MECANISMOS APLICADA AL DISEÑO DE UN EXOESQUELETO PARA LA REHABILITACIÓN DE LOS DEDOS DE LA MANO

Transcripción

1 SÍNTESIS EVOLUTIVA DE MECANISMOS APLICADA AL DISEÑO DE UN EXOESQUELETO PARA LA REHABILITACIÓN DE LOS DEDOS DE LA MANO Alex Bataller, Juan A. Cabrera, Juan Jesús Castillo, Fernando Nadal Área de Ingeniería Mecánica 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de 2017

2 Índice 1. Introducción 2. Cadena cinemática de un dedo, variables de diseño y datos 3. Algoritmo evolutivo MUMSA 4. Planteamiento del problema de síntesis 5. Aplicación a un caso real 6. Diseño del exoesqueleto 7. Conclusiones y líneas futuras 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

3 Introducción Exoesqueletos activos para la rehabilitación de la mano: - Con sensores para ayudar al movimiento - Hasta 20 grados de libertad para los dedos - Caros, pesados, con control complejo - Para rehabilitación activa tras accidente cerebrovascular o lesión medular 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

4 Introducción Propuesta: Exoesqueleto pasivo - Diseño de un exoesqueleto específicamente para para la rehabilitación con CPM. - Estructura rígida que permite ser utilizado como férula de inmovilización postquirúrgica. - Diseñado a medida para cada paciente. - Configurable para un solo dedo o para varios dedos según requerimiento. - Económico, fácil de fabricar y con un control sencillo. 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

5 Cadena cinemática, variables de diseño y datos Tabla 1: Variables de diseño Variable Descripción θ0 Posición angular del eslabón 1 r1 r2 r3 r4 θac rd θbd r5 r6 rdf θef θeg r7 r8 θhi Longitud del eslabón 1 (O2O4) Longitud del eslabón 2 (O2A) Longitud del eslabón 3 (AB) Longitud del eslabón 4 (O4B) Ángulo AO 2 C Longitud del segmento O4D Ángulo BO 4 D Longitud del eslabón 5 (DE) Longitud del eslabón 6 (CE) Longitud del segmento DF Ángulo EDF Ángulo ECG Longitud del eslabón 7 (FH) Longitud del eslabón 8 (GH) Ángulo HGI Tabla 2: Datos de entrada Variable Descripción θph1 θph2 θph3 L1 Posición angular de la falange proximal Posición angular de la falange media Posición angular de la falange distal Longitud de la falange proximal L2 Longitud de la eslabón 2 L3 Longitud del eslabón 3 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

6 Algoritmo evolutivo MUMSA Parámetros del algoritmo: NP - Número de individuos de la población inicial F - Factor de perturbación del mejor individuo: V = χ best + F χ r1 χ r2 CP - Factor del operador de cruce MP - Factor de probabilidad de la mutación Range - Rango de la mutación de los genes x in : [x in - range, x in + range] Itermax - Máximo número de poblaciones Minerror - Mínimo error 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

7 Planteamiento del problema de síntesis Planteamiento del problema de síntesis: min M f χ χ = θ 0, r 1, r 2, r 3, r 4, θ AC, r D, θ BD, r 5, χ, r 6, r DF, θ EF, θ EG, r 7, r 8, θ HI Función objetivo: f χ = N i θ PH2 i θ PH2g 2 + i θph3 i θ PH3g 2 i=1 Límites de las variables y restricciones del problema: li i x i ls i x i χ 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

8 Aplicación: dedo índice Parámetros de entrada Tabla 3: Ángulos medidos para las falanges proximal, media y distal del dedo índice del paciente respecto a la horizontal. Posición PH1 [ ] PH2 [ ] PH3 [ ] Tabla 4: Longitudes de las falanges del dedo del paciente Falange Li [mm] 1 (Proximal) 50 2 (Media) 28 3 (Distal) 26 Variables de diseño χ = θ 0, r 1, r 2, r 3, r 4, θ AC, r D, θ BD, r 5,, r 6, r DF, θ EF, θ EG, r 7, r 8, θ HI Límites de las variables r 1, r 2, r 3, r 4 10, 40 r D, r 5, r 6, r DF, r 7, r 8 10, 70 θ AC, θ BD, θ EF, θ EG, θ HI 0, 2π θ 0 π/4, π/2 Restricciones del problema r 1, r 2, r 3, r 4 10, 40 θ 0 π/6, π/2 Parámetros del algoritmo NP=100, F=0.4, CP=0.6, MP=0.1, range= 1, itermax= º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

9 Aplicación: dedo índice Mecanismo obtenido: Posición angular Función objetivo 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

10 Aplicación: dedos medio, anular y meñique Parámetros de entrada Tabla 3: Ángulos medidos para las falanges proximal, media y distal del dedo índice del paciente respecto a la horizontal. Posición PH1 [ ] PH2 [ ] PH3 [ ] Dedo medio: L 1 = 54 mm, L 2 = 32 mm, L 3 = 27 mm Dedo anular: L 1 = 46 mm, L 2 = 27 mm, L 3 = 25 mm Dedo meñique: L 1 = 35 mm, L 2 = 22 mm, L 3 = 22 mm Límites de las variables Tabla 7. Límites de las variables de diseño para los dedos medio, anular y meñique. Límite Variable Inferior Superior li i ls i r1 [mm] r2 [mm] r3 [mm] r4 [mm] θ0 [mm] θac [ ] rd [mm] θbd [ ] r5 [mm] r6 [mm] rdf [ ] θff [ ] θeg [ ] r7 [mm] r8 [mm] θhi [ ] Variables de diseño χ = θ 0, r 1, r 2, r 3, r 4, θ AC, r D, θ BD, r 5,, r 6, r DF, θ EF, θ EG, r 7, r 8, θ HI Restricciones del problema r 1, r 2, r 3, r 4 10, 40 θ 0 π/6, π/2 Parámetros del algoritmo NP=100, F=0.4, CP=0.6, MP=0.1, range= 1, itermax= º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

11 Aplicación: dedos medio, anular y meñique Mecanismo medio Mecanismo anular Mecanismo meñique Posición angular de las falanges 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

12 Diseño del exoesqueleto - La mano se imprime en 3D en una única pieza - Un Motor lineal Actuonix independiente para cada dedo - Cada dedo puede moverse con diferente amplitud y velocidad - El control se realiza con una placa Arduino ONE - Se ha desarrollado una aplicación para su control con un Smartphone 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de

13 Conclusiones y líneas futuras Nuevo enfoque para el diseño de dispositivos para la rehabilitación de los dedos de la mano tras sufrir una lesión o una operación de los tendones flectores con movimiento continua pasivo (CPM): - Adaptado al movimiento de los dedos del paciente - Precisión de la síntesis de mecanismos con algoritmos evolutivos - Suficiente con 1 grado de libertad por dedo o para la mano completa - Configurable entre 1 y 4 dedos - Impresión 3D de la mano en una pieza - Falta la síntesis del dedo pulgar 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica CIBEM XIII 23 a 26 de Octubre de