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SISTEMA DE REHABILITACIÓN DE CODO BASADO EN UNA
ÓRTESIS ROBÓTICA CONTROLADA POR UNA INTERFAZ
GRÁFICA DESARROLLADA EN PYTHON
ELBOW REHABILITATION SYSTEM BASED ON A ROBOTIC
ORTHOSIS CONTROLLED BY A GRAPHICAL INTERFACE
DEVELOPED IN PYTHON
Eduardo Francisco García Cabezas
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Grupo de investigación de la Facultad de Mecánica (Ecuador).
edugarciac_87@hotmail.com
Jhonny Marcelo Orozco Ramos
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Grupo de investigación de la Facultad de Mecánica (Ecuador).
ingjmorozco@gmail.com
Gloria Elizabeth Miño Cascante
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Grupo de investigación de la Facultad de Mecánica (Ecuador).
gloriamino@yahoo.es
Carlos Oswaldo Serrano Aguiar
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Grupo de investigación de la Facultad de Mecánica (Ecuador).
concar_10@hotmail.com
Ángel Geovanny Guamán Lozano
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Grupo de investigación de la Facultad de Mecánica (Ecuador).
angel_lzn@hotmail.com
Recepción: 11/01/2018. Aceptación: 02/02/2018. Publicación: 29/06/2018
Citación sugerida:
García Cabezas, E. F., et al. (2018). Sistema de rehabilitación de codo basado en una órtesis robótica
controlada por una interfaz gráca desarrollada en Python. 3C TIC: Cuadernos de desarrollo aplicadas a las TIC,
7(2), 104-123. DOI: http://dx.doi.org/10.17993/3ctic.2018.60.104-123/
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3c TIC: Investigación y pensamiento crítico. ISSN: 2254-3376
RESUMEN
El presente trabajo describe la construcción de un equipo asistente para el proceso de rehabilitación
del codo con el n de ayudar a la recuperación de personas que han sufrido algún tipo de
traumatismo asociado o no a una lesión ósea. Suele causar rigidez en la articulación y consta de
una órtesis robótica previamente diseñada en SolidWorks adaptable a la estructura del miembro
superior que facilita la movilización y estiramiento del codo, exo-extensión. El sistema de control
de la órtesis está fundamentado en el uso de un microcontrolador ATmega2560 asociado mediante
comunicación serial a una Raspberry Pi3, la generación de su movimiento está gobernado por un
actuador eléctrico, un servomotor HS-755HB. La rutina de exo-extensión es ajustable por medio
de una interfaz gráca desarrollada en Python visible y manipulable en una pantalla táctil resistiva
de 3.2 pulgadas TFT LCD montada sobre la Raspberry Pi3. Con la implementación del sistema
se tiene como resultado evidente la órtesis compuesta por piezas impresas en 3D en material PLA
seleccionado por ser resistente y de bajo costo, tomando como referencia el punto generado cuando
el brazo se lo ubica a nivel del hombro y a su vez perpendicular al antebrazo, se logran movimientos
máximos en sentido horario de 90° y antihorario de 40° respecto a la referencia que pueden ser
regulados acorde al caso del paciente. En conclusión, se logró consolidar un equipo compacto con
un sistema de control robusto y una interfaz de alto nivel para interactuar con el usuario.
ABSTRACT
The present work describes the construction of an assistant team for the rehabilitation process of the elbow in order
to help the recovery of people who have suered some type of trauma associated or not with a bone injury. Usually
it causes stiness in the joint and consists of a robotic orthosis previously designed in SolidWorks adaptable to the
structure of the upper limb that facilitates mobilization and elbow stretch, exo-extension. The control system of the
orthosis is based on the use of an ATmega2560 microcontroller associated by means of serial communication to a
Raspberry Pi3, the generation of its movement is governed by an electric actuator, a servomotor HS-755HB. The
ex-extension routine is adjustable by means of a graphical interface developed in Python visible and manageable in a
3.2-inch TFT LCD resistive touch screen mounted on the Raspberry Pi3. With the implementation of the system, the
orthosis composed of 3D printed parts in PLA material selected for being resistant and low cost is evident, taking as
reference the point generated when the arm is located at shoulder level and at the same time perpendicular to the forearm,
maximum movements are achieved clockwise of 90° and anti-clockwise of 40° with respect to the reference that can
be regulated according to the case of the patient. In conclusion, it was possible to consolidate a compact team with a
robust control system and a high level interface to interact with the user.
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DOI: http://dx.doi.org/10.17993/3ctic.2018.60.104-123/
PALABRAS CLAVE
Órtesis, Rehabilitación, Raspberry, Python, Codo.
KEY WORDS
Orthosis, Rehabilitation, Raspberry, Python, Elbow.
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1. INTRODUCCIÓN
Aproximadamente, el 15% de la población a nivel mundial sufren a causa de un tipo de discapacidad,
se habla acerca de 1.100 millones de personas, cada una de ellas tiene limitaciones para desarrollar
diferentes actividades con su cuerpo, por tal motivo son discriminados y limitados (Paz, 2017).
Por esta razón, la tecnología y la ciencia están abordando el tema y buscando soluciones. Los
exoesqueletos y órtesis en la actualidad han sido de mucha ayuda para las personas ya que permite
la movilidad humana.
La órtesis de miembros superiores se utiliza con frecuencia en pacientes con problemas neurológicos,
tales como EVC, TEC, parálisis cerebral, lesiones medulares y de nervios periféricos.
Las órtesis son dispositivos biomecánicos que se adaptan externamente, sobre cualquier región
anatómica, para mejorar la funcionalidad del sistema o musculo (G, 2005). Básicamente, los
problemas se generan en el músculo esquelético debido a traumas, deportes, o accidentes. La órtesis
de miembros superiores se utiliza con frecuencia en pacientes con problemas neurológicos, tales
como EVC, TEC, parálisis cerebral, lesiones medulares y de nervios periféricos.
Cuando se investiga la tecnología del exoesqueleto, en un gran porcentaje los inventores se han
centrado en las siguientes áreas: rehabilitación, aplicaciones militares y la manipulación de cargas
pesadas o movimientos repetitivos de diversas industrias (Bluter, 2016).
El exoesqueleto se deriva de (exo) que signica afuera y (esqueletos) esqueleto, en los animales es
una estructura externa que permite sostener órganos internos. En la actualidad, el exoesqueleto
tiene una aplicación médica, los mismos se los diseña mecánicos o robot porque tienen un armazón
externo que permite moverse a su portador y realizar diferentes actividades, lo cual en muchos
casos está programado o tiene sensores que permiten actuar al exoesqueleto en una fracción
de segundo que permite la movilidad a personas que tiene limitación de movimientos (Muñoz,
2017). La evolución del exoesqueleto gira de la mano con la evolución de la batería, motores y
diferentes sistemas de almacenamiento de alta densidad, conjuntamente del diferente desarrollo de
los materiales (Bowdler, 2014).
El primer exoesqueleto aprobado y el más apropiado para el ser humano por su estructura fue el
de ReWalk Robotics, ya que permite que las personas con problemas motrices puedan caminar
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nuevamente sin tener la apariencia de un robot. El sistema del exoesqueleto tiene un sistema con
Windows y envía señales de control (Tecnomag, 2014).
Son varias las actividades que el ser humano realiza en su desempeño cotidiano, laboral y de
entretenimiento, y todas están ligadas al desarrollo de movimientos continuos y síncronos de las
partes que componen su cuerpo. Toda actividad por más simple que ésta sea, relaciona un nivel de
riesgo en su ejecución, puede generarse un accidente que presente un tipo de lesión que puede o no
ser visible instantáneamente, pasajera o permanente.
El codo es la articulación que une el brazo y el antebrazo y está estructurado por tres huesos:
el húmero, el radio y el cubito. Existe una articulación, sus supercies articulares forman tres
articulaciones en una: radio-cubital, radiohumeral y cúbito-humeral. Se presenta diferentes lesiones
que afectan directamente a la articulación de codo, sean propias de la misma articulación o propias
de los huesos que la forman pero muy relacionadas con el movimiento articular (EMO).
Las lesiones que se pueden adquirir son: esguinces y roturas ligamentosas, luxaciones de codo,
fractura de tercio medio inferior de humero y olecranon. Para la rehabilitación de las lesiones se
debe controlar la movilidad del codo, se deben recuperar simultáneamente la amplitud articular y
la fuerza muscular, tanto en exo-extensión como en pronosupinación (Vazquez, 2012).
El sistema de rehabilitación propuesto consta de una órtesis adaptable a la articulación del codo.
Es un dispositivo biomecánico que se adapta externamente, sobre la región anatómica del brazo y
antebrazo para mejorar la funcionalidad del sistema o músculo mediante actividades de repetición
de movimientos (Aguirre, 2015).
Actualmente, se encuentran en el mercado diversos sistemas embebidos que facilitan el desarrollo a
nivel de prototipo de soluciones integrales a problemas que se presentan en el desarrollo de la vida
cotidiana, así como también a nivel industrial. Por ejemplo, tarjetas de la plataforma Arduino, son
placas hardware libre que incorporan un microcontrolador reprogramable y una serie de pines-
hembra que están unidos internamente a las patillas de E/S del microcontrolador. Estas permiten
conectar de forma muy sencilla y cómoda diferentes sensores y actuadores (Llinares, 2013). Otro
de los módulos revolucionarios es la Raspberry PI, una placa computadora de bajo costo, se podría
decir que es un ordenador de tamaño reducido desnudo de todos los accesorios que se pueden
eliminar sin que afecte al funcionamiento básico. Está formada por una placa que soporta varios
componentes necesarios en un ordenador común y es capaz de comportarse como tal (Artero, 2013).
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El impacto que surge de su uso para la generación de soluciones es que al ser de la gama Open
Source son implementaciones de bajo costo poniendo de esta manera el acceso de tecnología a bajo
costo para poblaciones de limitadas de recursos.
2. DISEÑO
2.1. DISEÑO DE LA ÓRTESIS
Se planteó realizar el diseño de una órtesis adaptable al brazo y antebrazo de una persona, secciones
del miembro superior cuyo desplazamiento requiere ser controlado para la ejecución de protocolos
o rutinas de rehabilitación del codo. Como estrategia inicial para el desarrollo del diseño se realizó
la toma de medidas antropométricas de estas fracciones corporales de una muestra de 200 jóvenes
estudiantes de la Carrera de Ingeniería Industrial de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.
Se generó una distribución normal de los datos, considerando de esta manera trabajar en el diseño
con una media de las medidas adquiridas.
Para el modelado de la órtesis de codo se empleó como herramienta para el diseño asistido por
computador el software SolidWorks, donde se planteó el diseño de sus partes manteniendo total
similitud a la estructura ósea del brazo y antebrazo humano, creando la base para un exoesqueleto.
La facilidad que presenta el software para el ensamble general de las piezas permitió generar una
estructura completa y realizar la simulación de sus movimientos para vericar la funcionalidad del
diseño y garantizar que no incomode al paciente, su fácil colocación y una apariencia estéticamente
aceptable.
Gráco 1. Diseño 3D de la órtesis de codo.
Fuente: autores.
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DOI: http://dx.doi.org/10.17993/3ctic.2018.60.104-123/
El diseño de la órtesis de codo se la planteó tomando en cuenta ciertas consideraciones: el modelo
estaría elaborado para un brazo derecho, tendría un grado de libertad que represente la articulación
del codo, sería de fácil colocación y cómodo para el paciente. El gráco 1 muestra el diseño en 3D
de la órtesis.
Para interpretar el movimiento en el espacio en función del tiempo se plantea el análisis matemático
de la cinemática directa de la órtesis, donde según un sistema de coordenadas tomado como
referencia se determina la relación entre la posición y la orientación del efector nal partiendo de
los valores conocidos de la articulación y los parámetros geométricos de los eslabones planteados en
la Tabla 1.
Tabla 1. Medias eslabones órtesis.
Eslabón Medida (cm)
Brazo 18.8
Antebrazo 25
Fuente: autores.
Para el análisis cinemático directo se utiliza el Método sistematizado de Denavit – Hartenberg,
que establece la selección de un sistema de coordenadas para cada eslabón y sintetizar la
obtención de las matrices de cambio de base
i−1
A
i
entre el sistema asociado al eslabón
i − 1
y al
eslabón
i
. ( )
Tabla 2. Matriz D-H.
Eslabón
a
i
a
i
mm
( )
θ
i
d
i
mm
( )
1 90 0
θ
1
0
2 90 188
θ
2
0
3 -90 250
θ
3
0
Fuente: autores.
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Esta relación entre dos eslabones rígidos consecutivos unidos por una articulación a través de una
matriz
i−1
A
i
está dada en función de 4 parámetros, como se denota en la Tabla 2
∞, a,
θ
, d
( )
asociados a 4 movimientos consecutivos, rotación y traslación en z, seguidos de la traslación y
rotación en x (De Lima, 2016).
Generando las matrices de los eslabones de acuerdo a la aplicación del método adoptado para el
análisis se obtiene:
A
1
=
a
1
0 −b
1
b
1
0 a
1
0 −1 0
0
0
0
0 0 0 1
⎡
⎣
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎤
⎦
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
(1)
A
2
=
a
2
0 −b
2
b
2
0 a
2
0 −1 0
1.88.a
2
1.88b
2
0
0 0 0 1
⎡
⎣
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎤
⎦
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
(2)
A
3
=
a
3
0 −b
3
b
3
0 a
3
0 −1 0
2.5a
3
2.5b
3
0
0 0 0 1
⎡
⎣
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎤
⎦
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
(3)
Multiplicando las matrices generadas se obtiene la matriz base
T
n
entre los eslabones asociados
desde la base al extremo de la órtesis. La matriz base para el dedo índice se plantea (De Lima, 2016):
T = A
1
*A
2
*A
3
*A
4
*A
5
*A
6
(4)
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Inicialmente, se plantea la solución genérica de la matriz global de transformación se obtiene de la
siguiente manera (De Lima, 2016):
T =
R
11
R
12
R
13
R
21
R
22
R
23
R
31
R
32
R
33
E
x
E
y
E
z
0 0 0 1
⎡
⎣
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎤
⎦
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
(5)
Donde la matriz T contiene la matriz rotacional y el vector de posición escalado.
2.2. PLANTEAMIENTO DE PRESTACIONES DEL SISTEMA
El sistema completo relaciona una parte mecánica y una de control eléctrico/electrónico. Se trazan
requisitos especícos a cumplirse para el óptimo funcionamiento del sistema.
a. Parte Mecánica
• La estructura debe permitir la exo – extensión del codo. Tomando como punto de
referencia la posición inicial del brazo a la altura del hombro y colocado el antebrazo
perpendicular del mismo. El desplazamiento a cumplirse en exión será de 40° y la
extensión de 90°.
• Modelo cómodo y ligero.
b. Parte de Control
• Ejecución de acciones pre programadas sobre el actuador de la órtesis.
• Disponer de una interfaz gráca que permita el seteo de parámetros de conguración.
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2.3. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
A. Ensamble de la Órtesis robótica
Gráco 2. Elementos reciclados utilizados en la construcción de la órtesis.
Fuente: autores.
En este punto cabe resaltar que para la implementación de la órtesis se consideró el uso de varias
partes obtenidas del reciclaje como son láminas de aluminio, un juego de engranajes y un motor
tomados de una impresora y un disco duro obsoletos. Se los muestra en el Gráco 2.
Gráco 3. Partes de la órtesis en láminas de Aluminio & Ensamble.
Fuente: autores.
Para la construcción de la órtesis robótica, se parte de la solidicación del diseño realizado en
SolidWorks, donde las piezas fueron trabajadas en láminas de aluminio. Se seleccionó este tipo de
material por su facilidad de manipulación y tratamiento al momento de realizar el corte y ensamble
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de las piezas, generando una apariencia estéticamente buena y un alto grado de comodidad en el
usuario de la órtesis. En el gráco 3 se muestra las piezas cortadas y el ensamble de las mismas.
El movimiento de la órtesis por diseño se lo presentó mediante el uso de un actuador eléctrico. En
este caso, un servomoto de la marca HITEC, modelo HS-755HB que para su funcionamiento hace
uso de la modulación por ancho de pulso (PWM) en un rango manipulable de 500 a 2400 µs; con
una alimentación de 4.8 voltios este actuador generan un torque de hasta 11 Kg-cm.
El gráco 4 indica la posición del servo para la inducción del movimiento en la articulación del
codo, que facilitará el movimiento del mismo para la ejecución de los protocolos de rehabilitación
que se asignen, dentro de la exo – extensión del codo.
Gráco 4. Ubicación Actuador Eléctrico.
Fuente: autores.