Gabriel Jiménez Ramírez, Universidad Tecnológica de San Miguel de Allende
Juan Luis Ramírez Mata, Universidad Tecnológica de San Miguel de Allende
Norberto de Jesús Basulto Quintana, Universidad Tecnológica de San Miguel de Allende
Resumen
En la actualidad es más común saber de personas con problemas en la zona lumbar debido a diferentes afecciones que se acrecientan con la edad y con la venida de enfermedades como de las que se han padecido recientemente (SARS-CoV-2), en específico el de decúbito prolongado mejor conocido como (Síndrome del Reposo Prolongado). En el presente artículo expone como objetivo el diseñar un mecanismo que se pueda implementar, de tal manera que sea económico y fácil en el apartado constructivo visto desde el enfoque de obtención de componentes de forma local. Es así que, en algún momento se busca ser una alternativa de rehabilitación para las personas en México, tomando como referencia u objeto de estudio al sector de la sociedad que sufren este malestar, quienes principalmente son personas de la 3a edad a los cuales por órdenes hospitalarias pasan muchas horas de reposo en cama, para sustentar este enfoque se llevó a cabo un estudio basado en encuestas realizadas a 100 personas, que como resultado a este estudio se obtuvo que las personas que más padecen este malestar son justamente las de este sector poblacional, es por ello que, la propuesta centra sus alcances y resultados a este sector, para ello se proponen diferentes diseños y análisis matemático y ergonómicos hasta llegar el diseño final que con apoyo de especialistas en rehabilitación se considera como el óptimo .
Palabras clave
Diseño, Decúbito prolongado, Exoesqueleto, mecanismo, Rehabilitación
Introducción
La tecnología actual está vinculada a casi todos los campos de trabajo, como el militar, la salud y el ocio, siendo la medicina uno de los más beneficiados, ya que estas tendencias impulsan el desarrollo de herramientas especializadas para facilitar el trabajo del médico y la recuperación del paciente. Una de las herramientas para mejorar la calidad de vida de las personas son los exoesqueletos. Un exoesqueleto es básicamente una estructura destinada a ser utilizada en el cuerpo humano como una prenda de vestir, como lo describe el término inglés «robot portátil», que sirve como soporte y se utiliza para apoyar los movimientos y / o aumentar las capacidades del cuerpo humano. Pueden ser estructuras pasivas o activas, es decir, contienen o no actuadores de movimiento y por tanto requieren o no un sistema de control asociado al accionamiento de dichos actuadores. La gran mayoría de los exoesqueletos, como los desarrollados para la medicina, se adaptan al cuerpo con la idea de aportar seguridad y soporte en movimientos que con anterioridad para el paciente le eran comunes, pero que debido a accidentes y /o enfermedades que le aquejan por el momento ya no le son posibles de realizar de forma autónoma. Es por ello que, el diseño de estos mecanismos se concibe con la ayuda de diferentes disciplinas como la medicina, la física y la mecánica.
En las últimas décadas, la tecnología de robots de rehabilitación ha avanzado considerablemente en los países del primer mundo, sin embargo, en países en vías de desarrollo este es un campo considerado como emergente en términos de investigación y desarrollo tecnológico. En el presente proyecto el objetivo es modelar un mecanismo que sea ligero y poco invasivo para personas de la 3a edad que se pueda implementar en México con materia prima al alcance del país, de tal manera que la construcción sea asequible y fácil de fabricar, ya que, esto abriría la puerta a que las terapias sean más baratas de implementar y por ende al alcance de todos.
Metodología
Antecedentes
Se han realizado diversos trabajos e investigaciones en torno al área de exoesqueletos y co-simulación, de las cuales en esta sección se nombran las primeras representaciones alrededor del mundo, dando una introducción sobre los temas a tratar.
Tabla 1: Antecedentes
Proyectos en desarrollo
Hoy en día hay muchos exoesqueletos ya en producción en masa, pero sin duda los más importantes son los que están en desarrollo y los que vendrán en el futuro, ya que estos implementarán tecnología más reciente, lo cual abre un mundo de posibilidades tanto para exoesqueletos de fuerza y de rehabilitación.
Tabla 2: Proyectos en desarrollo
Sustento matemático para análisis de esfuerzos y resistencia del presente prototipo.
Young’s modulus El módulo de Young es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Es uno de los métodos más extendidos para conocer la elasticidad (tracción y compresión) de un material
Fórmula
La forma de calcular el módulo de Young es:
E = σ/ϵE = σ/ϵ
Siendo: E = módulo de Young, en pascal.
σ = tensión uniaxial o fuerza uniaxial por superficie de la unidad, en pascal.
ε = deformación o deformación proporcional (esto quiere decir el cambio de longitud dividido por la longitud original).
Yield strength
También denominado límite elástico aparente, indica la tensión que soporta una probeta del ensayo de tracción en el momento de producirse el fenómeno de la cadencia o fluencia. A menudo, se puede determinar un límite superior de fluencia ReH y un límite inferior de fluencia ReL.
El criterio de von Mises
También llamado criterio de la máxima energía de distorsión, es un criterio de resistencia estática, aplicado a materiales dúctiles, según el cual, el material no fluirá en el punto analizado siempre que la energía de distorsión por unidad de volumen en el punto no supere la energía de distorsión por unidad de volumen que se da en el momento de la fluencia en el ensayo de tracción. El criterio de resistencia se escribe matemáticamente como:
Figura 7: Formula de tensión
donde Sy>0 es el límite de fluencia a tracción. El coeficiente de seguridad en el punto analizado, de acuerdo con el criterio de von Mises se obtiene de:
Figura 8: coeficiente de seguridad
expresión que es válida para cualquier signo de las tensiones principales. En el caso del estado tensional biaxial el criterio de von Mises puede representarse gráficamente en un diagrama σA-σB donde éstas representan las dos tensiones principales no nulas, como se indica en la figura. La zona sombreada representa la zona segura, para la cual el material no fluye de acuerdo con dicho criterio.
Figura 9: estado de tensión biaxial
Materiales y métodos
El enfoque empleado para esta investigación es de tipo cuantitativo, tomando en cuenta que:
El objetivo de la investigación cuantitativa es el de proporcionar una metodología que permita mostrar los resultados, basados en la inducción probabilística del positivismo lógico, es objetiva e infiere más allá de los datos, por eso muestra una realidad estática y se limita a responder (Fernández, 2002).
Derivado que esta investigación se centra en el diseño de un dispositivo mecánico mejor conocido como exoesqueleto con fines de rehabilitación, cuya finalidad lo lleva a la búsqueda de presentar una solución a un problema específico que afecta a la sociedad.
El método empleado es el empírico ya que:
Los métodos empíricos se basan en la experiencia en el contacto con la realidad; es decir, se fundamentan en la experimentación y la lógica que, junto a la observación de fenómenos y su análisis estadístico, son los más utilizados en el campo de las ciencias sociales y en las ciencias naturales (Bernal, 2010).
El método empleado de manera canónica para toda investigación cuantitativa es el método empírico, puesto que formula hipótesis y luego experimenta para llegar a una conclusión.
Las técnicas empleadas fueron: Encuesta y entrevista.
La hipótesis planteada para esta investigación es; Basado en el diseño del exoesqueleto propuesto, a la hora de su construcción de este prototipo ayudará en los procesos de rehabilitación a personas de la tercera edad con problemas de decúbito prolongado.
Desarrollo
Diseño y Planos
El diseño se comenzó observando que zonas debían tener movimiento del diseño, a lo cual se definió 3 zonas de libre movimiento las rodillas, tobillo y la cadera, por lo que el diseño se dividió en 4 partes principales las cuales fueron:
- Asiento
- Cadera-rodilla
- Rodilla-tobillo
- Conector al tobillo.
Trasladando todos los diseños creados a planos de construcción con ayuda del software asistido por computadora Catía, con ello se busca una forma clara de explicar el diseño, además de que podrán servir como base para futuros proyectos.Diseño del asiento
Al ser una zona que debe ser cómoda y ajustable se hicieron varios bocetos eligiendo el mostrado como el que se utilizará en el ensamble, esto basado y con sustento en las observaciones de los fisioterapeutas que en todo momento aportaron mucho en el diseño con sus conocimientos y experiencia respecto al tema.
Eslabón Cadera-rodilla
Como se podrá notar en el eslabón de cadera- rodilla y basado en la experiencia de los especialistas en rehabilitación consultados se vio como pertinente una “guía” por llamarlo de alguna forma, que le da soporte en el proceso de rehabilitación de la zona lumbar.
Este es el concepto final ya con la correa autoajustable.
Despiece
Para el diseño final total del exoesqueleto se dibujaron pieza a pieza cada una de sus partes seccionándolas como principales y complementarias, aunado las secciones que con antelación separamos para su mejor interpretación, en la siguiente figura es posible apreciar todas las piezas utilizadas para el exoesqueleto.
Resultados
1.- Desde el punto de vista práctico y de aceptación de un exoesqueleto para terapia de rehabilitación, basado en la encuesta a 100 personas de forma aleatoria, se obtuvo un panorama local de la necesidad del dispositivo, así como las enfermedades relacionadas a la dificultad de movimiento, focalizada a la de decúbito prolongado.
2.- Basada en las entrevistas hecha a fisioterapeutas con base en problemas que ocasionan el padecimiento de decúbito prolongado y la terapia de rehabilitación necesaria para tratar el padecimiento, se genera un diseño ergonómico del exoesqueleto acorde y en específico para apoyo en la rehabilitación de este problema, una vez obtenido el modelo final se vuelve a solicitar el apoyo a los especialistas rehabilitación.
3.- Se realizan análisis de esfuerzos y fatiga en diferentes materiales planteados como lo fueron (Aluminio, Acero, Fibra de Carbono) para la construcción del exoesqueleto, así como en zonas específicas, siendo el más adecuado el acero, basado en un análisis de accesibilidad del material en México en general, costo, resistencia.
Reporte de análisis del exoesqueleto Es posible observar del reporte que genero Catia enfocado en el análisis estructural y enfatizando por supuesto en lo referente a las deformaciones de las piezas.
Tabla 4: Deformaciones
Fig. 18: Análisis de esfuerzos
El resultado de la deformación en el estudio es más pequeña que el límite elástico (yield strength), por lo cual se puede concluir que dicha deformación no será permanente, no está en una región crítica, mucho menos se tendrá el caso de que se tenga una falla, como la fractura en el material, durante su uso.
Aunado a ello el análisis del exoesqueleto arroja resultados en temas de deformaciones, de singularidad, cantidad de componentes contemplados, etc.
Tabla 5: MESH: ELEMENT TYPE:
Discusión
El decúbito prolongado es un problema que día a día se hace más común en la población y aqueja a muchas personas a lo largo del país, que conjunto con los efectos que presenta se vuelve un problema de gran interés para todas las personas no solo familiarizadas con el sector salud.
Durante la recolección de los datos usados como antecedentes y referencia en el presente trabajo fue posible encontrar que no solo en México existen muchas personas que desconocen que sufren del malestar antes explicado, además que en el país en el año 2020 un 66.87% de la población sufre de alguna limitación y un 29.66% de la población sufre de alguna discapacidad, lo cual demuestra la importancia que se le debe de dar a este malestar que cada día es más común observar.
Conclusiones
Con relación a lo antes expuesto es posible sacar como conclusión que el avance mostrado cumple con las pautas iniciales buscadas en una primera etapa, basada en los objetivos planteados ya que, se realizaron los análisis para comprobar las deformaciones del dispositivo con ello se comprobó que sería improbable tener una deformación del prototipo con el peso promedio de un ser humano de la 3era edad, en la cual se focalizó el estudio que aquí se presenta con ello es posible asegurar la resistencia del mismo a los esfuerzos sometidos en su uso cotidiano, tomando en cuenta que la finalidad de que al momento de su construcción y servicio sea un aparato que ayude a la rehabilitación de muchos pacientes que estén dentro del grupo de estudio..
Uno de los desafíos que se tienen contemplados es la comodidad real que tendrá el dispositivo mecánico y su ergonomía, esto debido a que en esta primera etapa solo es el diseño, análisis y modelado en 3D del exoesqueleto y aunque se consideraron varios exoesqueletos como referencia y las recomendaciones ergonómicas propuestas por los especialistas que se entrevistaron y muy amablemente contribuyeron en muchos aspectos durante todo el proceso de diseño. Es por ello que una vez que se construya el prototipo, se podrá constatar la ergonomía, comodidad y facilidad de uso, lo anterior para evaluarlo y proponer mejoras al diseño.
Referencias
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