Desarrollo de un dispositivo para la rehabilitación de la rodilla basado en un mecanismo paralelo

Abstract

RESUMEN: Este documento presenta el desarrollo de un dispositivo para la rehabilitación de la rodilla basado en un mecanismo de estructura paralela, capaz de reproducir cuatro ejercicios generalmente empleados en la rehabilitación de la rodilla. El dispositivo está compuesto principalmente por una estructura mecánica basada en un mecanismo paralelo de 5 barras, un gabinete de control compuesto por tarjetas PIC-SERVO SC que aplican un control PID (proporcional-integral-derivativo) para posicionar los motores y un software de control que permite comandar el posicionamiento en modo cartesiano y articular, y reproducir los ejercicios de rehabilitación. El dispositivo presenta variedad de ventajas respecto a otros dispositivos de rehabilitación, entre estas, la capacidad de reproducir más de un ejercicio de rehabilitación; incluir en un solo dispositivo la flexoextensión individual de la cadera, la flexoextensión individual de la rodilla y la flexoextensión combinada de las dos articulaciones, y basarse en un mecanismo paralelo, el cual ofrece ventajas respecto a los mecanismos seriales en cuanto a exactitud, velocidad, capacidad de carga y rigidez. El prototipo construido tiene exactitud de posicionamiento de +-0.28mm y una repetibilidad de posicionamiento de +-1.23mm. Respecto a algunas especificaciones técnicas, maneja una velocidad máxima en el efector final de 0.031m/s, tiene una rigidez mecánica de 1147N/m y una capacidad de carga de 3.7 kgf (suficiente para el maniquí de prueba) que puede ser variada empleando motores más grandes. Este proyecto ofrece una alternativa tecnológica con notables ventajas que responde a la necesidad mundial de mejorar los procesos de rehabilitación física, en este caso de la rodilla, una de las articulaciones de mayor importancia en las actividades de desplazamiento y una de las más propensas a lesionarse, contribuye al sector de la salud y al sector de la robótica, y favorece particularmente a la independencia tecnológica del país.

ABSTRACT: This document presents the development of a knee rehabilitation device based on a parallel mechanism, able to reproduce four exercises generally used in knee rehabilitation. The device consists mainly of a mechanical structure based on a five bars mechanism, a control cabinet composed of PIC-SERVO SC cards that implement a PID (proportional-integral-derivative) control to position the motors, and software that commands the position in cartesian and articulate modes, and to reproduce the rehabilitation exercises. The device presents some advantages regarding other rehabilitation devices, among these, the capacity to reproduce more than one rehabilitation exercise; to include the individual flexoextension hip, the individual flexoextension knee and the combined flexoextension of the two articulations; and to be based on a parallel mechanism, which adds other advantages compared to serial mechanisms in terms of accuracy, speed, load capacity and stiffness. The built prototype has a positioning accuracy of 0.28mm and a positioning repeatability of 1.23mm. Regard to some technical specifications, end-effector maximum speed is 0.031m/s, the mechanical stiffness is 1147N/m and it has a load capacity of 3.70kgf (sufficient for the test dummy), which can be varied employing larger motors. This project provides a technological alternative with significant advantages that responds to the global need for improved physical rehabilitation process, in this case the knee, one of the most important joints in displacement activities and one of the most prone to injury contributes to the development of the health sector and the development of robotics, and benefits particularly to technological independence of this country.