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Instituto Politécnico  Nacional SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E I  NVESTIGACIÓN ESCUELA SUPERIOR DE I  NGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA U  NIDAD ZACATENCO DISEÑO MECÁNICO DE UN EXOESQUELETO PARA R EHABILITACIÓN DE MIEMBRO SUPERIOR  TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE  MAESTRO EN CIENCIAS EN I  NGENIERÍA MECÁNICA P R E S E N T A: Ing. Juan Francisco Ayala Lozano Asesores: Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa Dr. Guillermo Manuel Urriolagoitia Calderón MÉXICO, D.F. DICIEMBRE DEL 2012 

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Instituto Politécnico Nacional 

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E I NVESTIGACIÓN 

ESCUELA SUPERIOR DE I NGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 

U NIDAD ZACATENCO 

DISEÑO MECÁNICO DE UN 

EXOESQUELETO PARA R EHABILITACIÓN 

DE MIEMBRO SUPERIOR  

TESIS 

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 

MAESTRO EN CIENCIAS EN I NGENIERÍA 

MECÁNICA 

P R E S E N T A: 

Ing. Juan Francisco Ayala Lozano 

Asesores:Dr. Guillermo Urriolagoitia SosaDr. Guillermo Manuel Urriolagoitia Calderón

MÉXICO, D.F. DICIEMBRE DEL 2012 

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Juan Francisco Ayala Lozano 

Resumen 

Los exoesqueletos se clasifican en diversas categorías, el desarrollo del presente trabajo se basa en 

los enfocados a un segmento del cuerpo (miembro superior) y en la de finalidad que se le va dar  

(rehabilitación). Actualmente existen varios diseños e investigaciones en esta área, pero un número 

importante de estos son para población anglosajona o de países europeos, con los cuales un número mínimo de la población mexicana coincide, esto se debe principalmente a que la población 

mexicana es más baja de estatura por lo cual la longitud de las extremidades disminuye. 

En el presente trabajo se realiza el diseño de un exoesqueleto para rehabilitación de miembro 

superior enfocados a la población mexicana, para ello se realiza un estudio de la historia y evolución 

de los exoesqueletos de rehabilitación hasta llegar a abordar los sistemas más recientes en este 

aspecto. 

Posteriormente se analiza la biomecánica del miembro superior con la finalidad de entender y 

comprender como se realizan los movimientos desde un punto de vista mecánico y así poder realizar  

una analogía para posteriormente plasmarla en un mecanismo capaz de reproducir esos 

movimientos. 

Una vez analizado los movimientos, se procede a realizar el diseño conceptual del dispositivo, 

 basado en la herramienta de diseño Blitz QFD, para ello primero se recopilan todos los parámetros que debe tener el exoesqueleto, se agrupan primero de acuerdo a la función que van a desarrollar y 

luego por la prioridad que tiene cada uno de ellos, terminado eso se procede a realizar una lluvia de 

ideas para cumplir cada una de las funciones que se obtienen de realizar el análisis funcional del 

dispositivo, se aplican los filtros indicados en la metodología obteniendo como resultado un diseño 

que cumple con las características deseadas. 

Posteriormente se analiza el diseño tanto en rangos de funcionalidad como estructurales para que sea 

capaz de soportar el trabajo al cual será sometido, para ello se ocupa la cinemática del manipulador  

y se realizan los análisis mediante un programa de elemento finito. 

Por último, se procede a realizar la manufactura del prototipo del exoesqueleto en el rango útil, es 

decir, desde la sección del antebrazo hasta el movimiento de flexoextensión horizontal. 

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Juan Francisco Ayala Lozano 

Abstract 

The exoskeletons can be divided into different categories, the development of this work is based on 

the classification focusing on a segment of the body (upper limb) and the purpose of that is going to 

give (rehabilitation). Currently there are several designs and researches in this area, but a significant 

number of these are for USA population or European countries, with which a minimum number of  matches Mexican population, this is due primarily that Mexican population is lower height so their  

limb length decreases. 

The present paper is focused in the mechanical design of an upper limb rehabilitation exoskeleton 

for the Mexican population, for it, this start with a study of the history and evolution of the 

exoskeletons of rehabilitation to reach newer systems addresses this aspect. 

Then the biomechanics of the upper limb is analyzed in order to understand and comprehend how 

the movements are performed from a mechanical point of view so we can make an analogy to then 

translate it into a mechanism able to reproduce those movements. 

After analyzing the movements, we proceed to perform the conceptual design of the device based on 

Blitz QFD design tool, for it is first collected all parameters that the exoskeleton must have, are 

grouped first according to the function that will develop and then the priority of each, that will be 

done to make brainstorming to meet each of the functions that are obtained to perform the device functional analysis, the filter applies that the methodology specified and obtaining as result a design 

which meets desired characteristics. 

Subsequently, the design is analyzed both as structural functionality ranges to be capable of  

supporting the work which will be subjected, for it use the kinematics of the manipulator and 

analysis are performed by a finite element software. 

Finally, we proceed to manufacture the exoskeleton prototype in the useful range, from the forearm 

section to the flexion-extension horizontally section. 

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Juan Francisco Ayala Lozano 

Agradecimientos 

A Dios Por haberme permitido llegar a esta etapa de mi vida. 

A mis padres Dulía y Francisco Por haberme ayudado a sobreponer de las dificultades que se me presentaron al inicio de mi 

camino en la vida, por sus consejos y regaños que me han forjado trayéndome hasta este punto, y sobre todo por siempre haberme apoyado en cada decisión que he tomado. 

A mis hermanos Fátima y Gabriel: Por haber ayudado en muchos momentos, por soportar mis enojos, mis desvaríos, mis 

momentos de egocentrismo. Así como un agradecimiento a mis demás familiares que de alguna u otra forma me ayudaron a conseguir esta meta. 

A mis amigos Por estar siempre que los necesite, por sus consejos ya fueran para la escuela o para la vida 

diaria, por los momentos de alegría y también de tristeza o enojo, las desveladas, las fiestas, por todo lo que he vivido con ustedes, a los que llevo conociendo ya hace varios años, así como a los nuevos que conocí en esta etapa. 

A los doctores del área de Biomecánica Gracias a sus enseñanzas, pláticas y consejos, he podido llegar a la meta de graduarme de la 

Maestría ya que de alguna u otra forma han ayudado a moldear este camino que hoy concluye en lo académico, así como a los profesores de las otras áreas con los cuales tuve clases, que me han sido de gran utilidad para poder llevar a buen término esta tesis. 

Al INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL, del cual me he graduado por tercer nivel, pasando  por nivel Técnico, Licenciatura y ahora Maestría, considerándome orgullosamente politécnico por  convicción y no por circunstancia. 

Y CONCAYT por el apoyo económico brindado para la realización de mis estudios de nivel 

Maestría. 

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Índice General 

Resumen 

Abstract 

ndice General 

Índice de Figuras ndice de Tablas 

Objetivo general 

Justificación 

Introducción 

ii 

iv 

ix xiii 

xiv 

xiv 

xv 

Capítulo I.- Estado del Arte 

I.1.- Introducción 

I.2.- Exoesqueletos 

I.2.1.- Antecedentes generales 

I.2.2.- Clasificación 

I.3.- Rehabilitación 

I.3.1.- Definición 

I.3.2.- Antecedentes 

I.3.3.- Rehabilitación en México 

I.4.- Exoesqueletos desarrollados para miembro superior  I.4.1.- Exoesqueleto de 4 GDL de la Universidad de Saga 

I.4.2.- CADEN-7: Exoesqueleto7 GDL 

I.4.3.- Exoesqueleto de 7 GDL “Soft-Actuaded” 

I.4.4.- ARMin Robot 

I.4.5.- MAHI 

I.4.6.- W-EXOS: Wrist Axes Offset (Desplazamiento de ejes de la muñeca) 

I.4.7.- ASSIST: órtesis de soporte activo (Active Support Splint) 

I.4.8.- Exoesqueleto para Movimientos de mano y dedos 

I.4.9.-NEUROexos:ExoesqueletoNeurorobótico(Neurobotics exoskeleton) I.4.10.- Exoesqueleto para asistencia del movimiento del codo 

I.4.11.- Interacción háptica con ambiente virtual utilizando un exoesqueleto del brazo I.4.12.- Exoesqueleto para movimientos de la mano 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior  

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Juan Francisco Ayala Lozano 

I.4.13.- Exoesqueleto mecatrónicos para rehabilitación motora 

I.4.14.- Exoesqueleto para la articulación del hombro 

I.4.15.- IROS: Sistema Inteligente (Intelligent Rehabilitative Orthotic System) I.4.16.- RUPERT: Robot asistente para terapia de rehabilitación de extremidad superior (Robotic assisted upper extremity repetitive therapy) 

I.5.- Planteamiento del problema 

I.6.- Sumario 

I.7.- Referencias. 

Capítulo II.- Marco teórico 

II.1.- Introducción 

II.2.- Procedimientos de rehabilitación. 

II.3.- Mecánica del manipulador  II.3.1.- Grados de libertad y tipos de articulaciones. 

II.3.2.- Cinemática del manipulador  

II.4.-Sistemas de impulsión y actuación. 

II.4.1.-Motores eléctricos 

II.4.1.1- Servomotores 

II.4.2.- Sensores 

II.5.- Metodología de diseño 

II.5.1.-Modelos descriptivos del diseño 

II.5.2.-Modelos prescriptivos 

II.6.-Diseño conceptual 

II.7.- Diseño a detalle 

II.7.1.- Cargas y ciclos de trabajo 

II.7.2.- Validación por Análisis de Elemento Finito 

II.8.- Procesos de manufactura 

II.9.- Sumario II.10.- Referencias 

Capítulo III.- Biomecánica del miembro superior  

III.1.- Introducción 

III.2.- Anatomía del Hombro 

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III.2.1.- Huesos 

III.2.2.- Músculos 

III.3.- Anatomía del Brazo 

III.3.1.- Huesos 

III.3.2.- Músculos III.4.- Anatomía del Codo 

III.5.- Anatomía del Antebrazo 

III.5.1.- Huesos 

III.5.2.- Músculos 

III.6.- Biomecánica del miembro superior  

III.6.1.- Biomecánica del hombro 

III.6.1.1.- Flexoextensión 

III.6.1.2.- Aducción 

III.6.1.3.- La abducción 

III.6.1.4.- Flexoextensión horizontal 

III.6.1.5.- Movimiento de circunducción 

III.6.1.6.- Articulaciones del hombro 

III.6.2.- Biomecánica del codo 

III.6.2.1.- La amplitud de los movimientos del codo 

III.6.2.2.- Las limitaciones de la flexoextensión III.6.3.- Biomecánica del Antebrazo 

III.7.- Cinemática del miembro superior  

III.8.- Cinética del miembro superior  

III.9.- Sumario 

III.10.- Referencias 

Capítulo IV.- Diseño Conceptual 

IV.1.- Diseño conceptual del dispositivo 

IV.1.1.- Parámetros de diseño 

IV.1.2.- Análisis funcional 

IV.1.3.- Generación de conceptos para satisfacer las necesidades 

IV.1.4.- Aplicaciones de filtros 

IV.1.5.- Diseño conceptual final 

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IV.2.- Diseño Mecánico 

IV.2.1.- Sistema del antebrazo 

IV.2.1.1.- Determinación de las fuerzas involucradas en el sistema del antebrazo 

IV.2.2.- Sistema del brazo 

IV.2.2.1.- Determinación de las fuerzas involucradas en el sistema del brazo 

IV.2.3.- Sistema del hombro 

IV.2.4.-Sistema base 

IV.3.-Sumario 

Capitulo V.- Análisis de la estructura bajo condiciones de trabajo 

V.1.- Introducción 

V.2.- Espacio de trabajo V.2.1.- Flexión del antebrazo 

V.2.2.- Flexo-extensión del hombro en el plano sagital 

V.2.3.- Abducción del hombro en el plano coronal (frontal) 

V.2.4.- Flexo-extensión horizontal del hombro respecto al eje vertical 

V.2.5.- Movimientos combinados 

V.3.- Análisis por elemento finito de la estructura 

V.3.1.- Análisis de los ejes 

V.3.2.-Analisis de la sección del antebrazo 

V.3.3.- Análisis de la sección del brazo y antebrazo 

V.3.4.- Análisis de la estructura para la flexo-extensión en el plano sagital 

V.3.5.- Análisis de la estructura de abducción del hombro en el plano coronal (frontal) V.3.6.- Análisis de la sección superior del dispositivo 

V.3.7.- Análisis de la base del dispositivo 

V.4.- Análisis de resultados 

V.5.- Sumario 

Capítulo VI.- Manufactura 

VI.1.- Introducción 

VI.2.- Maquinado 

VI.2.1.- Fresado 

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VI.2.2.- Torneado 

VI.3.-Roscado 

VI.4.- Construcción del prototipo 

VI.5.- Sumario 

VI.6.- Referencias Conclusiones 

Trabajos futuros 

Anexos 

Anexo A.- Servomotores 

Anexo B.- Rodamientos 

Anexo C.- Columna telescópica 

Anexo D.- Normas para tornillería Anexo D.- Publicaciones derivadas 

Planos 

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Índice de Figuras 

Figura I.1.- Clasificación de las órtesis según su funcionamiento [I.2]. a) Pasivas. b) Activas. 

Figura I.2.- Primer exoesqueleto activo creado en 1969 en el Instituto Mihailo Pupin [I.5] 

Figura I.3.- Primer exoesqueleto activo de miembro superior [I.5] 

Figura I.4.- Clasificación de los exosqueletos Figura I.5.- Máquina de Levacher [I.16] 

Figura I.6.- Exoesqueleto de 4 GDL de la Universidad de Saga [I.18] 

Figura I.7.- Usuario probando el exoesqueleto CADEN-7 compuesto por 3 configuraciones 

[I.10] 

Figura I.8.- Exoesqueleto impulsado por músculos neumáticos [I.19]. 

Figura I.9.- Demostración de cómo un terapeuta programa una rutina [I.21] 

Figura I.10.- Usuario operando el nuevo rediseño del exoesqueleto [I.24] 

Figura I.11.- W-EXOS se mueve en los planos X, Y y Z [I.4] 

Figura I.12.- Estructura del ASSIST [I.26] 

Figura I.13.- Mano de un sujeto colocado en el exosqueleto [I.27] 

Figura I.14.- Vista superior del prototipo de la articulación del hombro [I.28] 

Figura I.15.- Prototipo del sistema mecánico del exoesqueleto del brazo [I.29] 

Figura 1.16.- Demostración del funcionamiento del Sarcos Master [I.31] 

Figura I.17.- Usuaria con el dispositivo de rehabilitación motora [I.32] 

Figura I.18.- Modelo 3D del mecanismo propuesto para abducción lateral y frontal [I.33] Figura I.19.- Evolución del exoesqueleto RUPERT. a) Versión I, b) Versión II y c) Versión 

III. 

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13 

Figura II.1.- Diagrama de estudio de la mecánica [II.6] 

Figura II.2.- Articulaciones posible en un robot o mecanismo [II.7] 

Figura II.3.- Parámetros de Denavit-Hartenberg 

Figura II.4.- Encoder incremental [II.7] 

Figura II.5.- Encoder absoluto [II.7] 

Figura II.6.- Modelo de French [II.6] 

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Figura III.1.- Planos anatómicos del cuerpo humano [III.4] 

Figura III.2.- Regiones miembro superior. a) Anatomía superficie. b) músculos. c) huesos 

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[III.7]. 

Figura III.3.- Representación de los 3 GDL del hombro [III.15] 

Figura III.4.- Flexo-extensión y aducción del hombro [III.15] 

Figura III.5.- Movimiento de abducción del hombro [III.15] 

Figura III.6.- Etapas del movimiento flexoextensión horizontal [III.15]. Figura III.7.- Movimiento de circundicción en el hombro [III.15] 

Figura III.8.- La amplitud de los movimientos del codo [III.15] 

Figura III.9.- Flexo-extensión del codo [III.15] 

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Figura IV.1.- Análisis funcional del dispositivo 

Figura IV.2.- Segmento del antebrazo en su longitud mínima 

Figura IV.3.- Segmento del antebrazo en su longitud máxima 

Figura IV.4.- Representación de las reacciones en la estructura del antebrazo 

Figura IV.5.- Diagrama de cuerpo libre de reacciones en la estructura del antebrazo 

Figura IV.6.- Representación de las fuerzas a las que es sometida la estructura 

Figura IV.7.- Diagrama de cuerpo libre del antebrazo 

Figura IV.8.- Estructura del brazo en longitud mínima 

Figura IV.9.- Estructura del brazo en longitud máxima 

Figura IV.10.- Representación de cargas en la estructura del miembro superior  

Figura IV.11.- Diagrama de cuerpo libre de la cargas en la estructura del miembro superior  Figura IV.12.- Articulación para el movimiento de flexo-extensión 

Figura IV.13.- Estructura que permite el movimiento de abducción frontal 

Figura IV.14.- Estructura para soportar el servomotor del movimiento de abducción frontal 

Figura IV.15.- Estructura de unión del exoesqueleto a la base 

Figura IV.16.- Reconfiguración del dispositivo para el movimiento de flexo-extensión 

Figura IV.17.- Sección de la base con sistema de ajuste de altura del hombro 

Figura IV.18.- Sección de la base que permite el ajuste de ancho de espalda 

Figura IV.19.- Dispositivo final. a) Configuración diestra, b) Configuración zurda. 

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Figura V.1.- rea de trabajo del antebrazo 

Figura V.2.- Fase de la flexión del brazo. a) Etapa inicial, b) Etapa final 

Figura V.3.- rea de trabajo en el movimiento de flexo-extensión sagital 

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Figura V.4.- Etapas del movimiento. a) Fase inicial, b) Extensión máxima, c) Flexión 

máxima 

Figura V.5.- rea de trabajo del movimiento de abducción 

Figura V.6.- Etapas del movimiento de abducción del hombro. a) ngulo inicial, b) ngulo 

final Figura V.7.- rea de trabajo de la flexo-extensión en el eje vertical 

Figura V.8.- Exoesqueleto realizando el movimiento de flexo-extensión. a) Posición inicial, 

 b) Flexión máxima, c) Extensión máxima 

Figura V.9.- Modelo cinemático del movimiento de la flexo-extensión en torno al plano 

sagital combinado con flexión en el codo 

Figura V.10.- rea de trabajo del movimiento de la flexo-extensión en torno al plano sagital 

combinado con flexión en el codo 

Figura V.11.- Movimiento de abducción de la articulación del hombro en torno al plano 

frontal junto con flexión del codo 

Figura V.12.- rea de trabajo tridimensional 

Figura V.13.- Modelo cinemático del movimiento de flexo-extensión en el eje vertical del 

hombro y flexión del codo 

Figura V.14.- rea de trabajo de flexiones combinadas del hombro y codo 

Figura V.15.- Esfuerzo de von Mises resultante en el eje de flexión del antebrazo 

Figura V.16.- Deformación total sufrida por el eje de flexión del antebrazo Figura V.17.- Esfuerzo de von Mises resultante en del 2do eje 

Figura V.18.- Deformación total sufrida por el 2do eje 

Figura V.19.- Esfuerzo de von Mises resultante en el eje de flexo-extensión horizontal 

Figura V.20.- Esfuerzo de von Mises resultante en el eje de flexo-extensión horizontal 

Figura V.21.- Esfuerzo de von Mises de la estructura del antebrazo 

Figura V.22.- Deformación total de la estructura del antebrazo 

Figura V.23.- Esfuerzo de von Mises resultante de las 2 primeras secciones 

Figura V.24.- Deformación total sufrida por las 2 primeras secciones 

Figura V.25.- Esfuerzo de von Mises resultante de 3 secciones de la estructura 

Figura V.26.- Deformación total sufrida por 3 secciones de la estructura 

Figura V.27.- Esfuerzo resultante considerando 4 secciones del dispositivo 

Figura V.28.- Deformación total considerando 4 secciones del dispositivo 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior  

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Figura V.29.- Esfuerzo resultante de la sección superior del dispositivo 

Figura V.30.- Deformación total de la sección superior del dispositivo 

Figura V.31.- Esfuerzo resultante en la base del dispositivo 

Figura V.32.- Deformación total sufrida por la base del dispositivo 

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Figura VI.1.- Sección del antebrazo. a) Subsecciones, b) Longitud mínima, c) Longitud 

máxima 

Figura VI.2.- Sección del brazo. a) Subsistemas, b) Longitud mínima, c) Longitud máxima 

Figura VI.3.- Correas de sujeción 

Figura VI.4.- Secciones de la estructura del hombro 

Figura VI.5.- Estructura que contempla todos los GDL del dispositivo 

Figura VI.6.- Estructura completa colocada en un soporte 

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Juan Francisco Ayala Lozano 

Índice de Tablas 

Tabla I.1.- Porcentaje de población por grupos de edad según tipo de discapacidad, año 

2000 [I.15] 

Tabla I.2.- Distribución porcentual de población por tipo de discapacidad según grupos de 

edad en el año 2000 [I.15] 

12 

11 

Tabla II.1.- Parámetros de Denavit-Hartenberg [II.9]  33 

Tabla III.1.- Peso segmentario/relaciones de peso corporal de varios estudios [III.18] 

Tabla III.2.- Medidas estándar de un percentil 50 en Latinoamérica [III.19] 

Tabla III.3.- Longitudes de segmentos de la extremidad superior [III.20] 

Tabla III.4.- Centros de masa/relación de longitud del segmento (en porcentaje) [III.18] 

72 

72 

73 

73 

Tabla IV.1. - Clasificación de los parámetros  78 

Tabla V.1.- Parámetros de Denavit-Hartenberg para el movimiento de la flexo-extensión en 

torno al plano sagital combinado con flexión en el codo 

Tabla V.2.- Parámetros de Denavit-Hartenberg para el movimiento abducción del hombro 

en torno al plano frontal junto con flexión del codo 

Tabla V.3.-Parametros de Denavit-Hartenberg del movimiento de flexo-extensión en el eje vertical del hombro y flexión del codo 

101 

103 

104 

Tabla VI.1.- Brocas para machuelos de cuerda métrica [VI.1]  118 

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Juan Francisco Ayala Lozano 

Objetivo general 

Realizar el diseño mecánico de un sistema para lograr la rehabilitación del miembro superior, 

comprendiendo las regiones desde el hombro hasta el antebrazo, que se ajuste a las dimensiones de 

la población adulta mexicana, particularmente de las ciudades México D.F. y Guadalajara, Jalisco. 

Para poder alcanzar este objetivo, es necesario realizar objetivos particulares que se enlistan a continuación: 

 

 

 

Establecer un estado del arte correspondiente a las investigaciones y desarrollos tecnológicos 

relacionados con sistemas de rehabilitación del miembro superior. 

Conocer la anatomía del miembro superior así como la biomecánica de los movimientos que 

 puede realizar y los rangos de amplitud de los mismos. 

Establecer los rangos de longitud de la extremidad superior en la población adulta mexicana 

de las ciudades de México D.F. y Guadalajara, Jalisco; así como el resto de los datos 

antropométricos necesarios. 

  Elegir la herramienta de diseño adecuada, para lograr realizar en una primera instancia un 

diseño conceptual adecuado, para posteriormente obtener el diseño final apoyado con 

análisis de elemento finito. 

Justificación 

El miembro superior, es una de las regiones más importantes del cuerpo humano, ya que muchas de 

las actividades de la vida cotidiana son realizadas utilizando dicha región; aunque sean realizadas en 

su etapa final por la mano, el resto del miembro es importante para poder ubicarla en la posición 

correcta; sin embargo, al realizar las actividades se pueden presentar traumas y/o enfermedades que 

dañan y limitan físicamente la capacidad de movimiento, siendo los músculos los principales 

afectados por la reducción de movimiento. 

Los traumas y lesiones requieren tratamientos de rehabilitación para que el miembro superior  recupere movilidad, ya que de las principales causas de discapacidad se encuentran las 

enfermedades cerebrovasculares (ECV) que afecta a cerca del once por ciento de la población 

mexicana, derivada principalmente de la hipertensión arterial y de la diabetes Mellitus que son 

enfermedades comunes en nuestra población y que va en aumento su nivel de incidencia; 

aproximadamente una cuarta parte de los pacientes que logran sobrevivir a un evento de este tipo 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   xiv 

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necesitan cuidados especiales en los siguientes tres meses y cerca de una tercera parte de los 

sobrevivientes quedan con una discapacidad grave permanente, que requiere ser atendida. 

Actualmente en la mayoría de los lugares de rehabilitación, las terapias son de forma manual, lo que 

ocasiona fatiga en el terapeuta aunado a que las terapias no tengan una evolución constante, retrasando el tiempo de recuperación del paciente. Sin embargo, contar con un sistema automático, 

que pueda realizar las terapias de forma controlada, permitirá tener un mayor control sobre las 

sesiones de terapia, así como de los parámetros que debe cumplir en cada una, y con la seguridad de 

que cada repetición de la rutina, será la adecuada, eliminando la incertidumbre de que el terapeuta 

 pueda aplicar mayor o menor fuerza así como no cumpla con el rango de movimiento indicado. 

Introducción 

El diseño de exoesqueletos es un tema relativamente nuevo, ya que los primeros diseños son de la 

década de los 1960, siendo investigados principalmente con aplicaciones militares, aunque 

rápidamente se extendió a otras áreas principalmente la médica donde en una primera instancia se 

enfocó al miembro inferior con el fin de apoyar a la marcha, posteriormente se empezaron a diseñar  

dispositivos para apoyar en la rehabilitación de miembro superior. 

La rehabilitación física es un proceso que se debe realizar en etapas, partiendo de los movimientos 

mínimos que puede realizar el paciente hasta llegar a reproducir rangos aproximados a los que se desarrollaban antes de sufrir la discapacidad; estos procesos llegan a ser largos lo que implica 

también un desgaste físico en el terapeuta que realiza la rutina ya que debe realizar el esfuerzo para 

mover el miembro superior del paciente, derivando en que las rutinas sean de poca duración y por lo 

tanto la recuperación sea más lenta; en cambio un sistema robótico no tiene esas limitantes, el 

terapeuta solo supervisara la terapia, ajustando el exoesqueleto a las dimensiones del paciente, y 

estableciendo los parámetros que se debe cumplir por casa sesión y para cada usuario. 

A continuación se aborda el diseño mecánico de un exoesqueleto para rehabilitación de miembro 

superior, iniciando con el estado del arte de los exoesqueletos para miembro superior, siguiendo con 

la teoría general, posteriormente se aborda la biomecánica del miembro superior con al finalidad de 

conocer los parámetros biomecánicos que se ven involucrados en la realización de los principales 

movimientos, al tener establecidos las bases teóricas se procede a desarrollar el diseño conceptual 

 para luego pasar a la evaluación de la estructura y por último se aborda la manufactura. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   xv 

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Capítulo I.- 

Estado del Arte 

Imagen obtenida de la galería de imágenes prediseñadas de Office Word 2007 ® 

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Capítulo I 

I.1.- Introducción 

Juan Francisco Ayala Lozano 

El ser humano realiza muchas de las actividades de la vida diaria utilizando sus miembros 

superiores, que van desde las más simples tales como comer, vestirse, bañarse hasta complejas que 

 puede ser conducir un automóvil o manipular el control de una consola de video juego. Por ello, es 

una de las partes del cuerpo que están más propensas a ser afectadas por enfermedades o traumas;  para lograr su recuperación es necesaria la utilización de aparatos externos y/o de terapias de 

rehabilitación física, lo que ha generado que en épocas recientes se diseñen exoesqueletos enfocados 

a la rehabilitación del miembro superior. 

I.2.- Exoesqueletos 

La órtesis se define como un aparato usado para modificar las características funcionales o 

estructurales del sistema neuronal-muscular-esquelético. Las órtesis se pueden clasificar de modo 

general en 2 grupos, según su principio de funcionamiento (Figura I.1) [I.1]: 

a)   b) 

Figura I.1.- Clasificación de las órtesis según su funcionamiento [I.2]. a) Pasivas. b) Activas. 

a) Pasivas.- Aparatos cuyo diseño contempla únicamente partes mecánicas; la mayoría 

de los diseños existentes no permiten el movimiento en ninguna de las articulaciones 

del cuerpo. 

 b) Activas.- Una aplicación son los exoesqueletos, que consisten en un mecanismo 

estructural externo acoplado a la persona, cuyas junturas y eslabones corresponden a 

las de la parte del cuerpo humano que emula. El contacto entre el usuario y el 

exoesqueleto permite transferir potencia mecánica y señales de información. A 

diferencia de las órtesis pasivas, estos dispositivos son sistemas mecatrónicos que Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   2 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

utilizan actuadores para proveer la fuerza y la movilidad de las articulaciones. 

Generalmente son controlados por una unidad central de procesamiento a la que se 

conectan sensores y actuadores. 

Un exoesqueleto, se define como un sistema biomecatrónico, donde el mecanismo está adaptado a la estructura física del cuerpo humano, con un control que puede provenir de las mismas señales del 

cerebro, con sensores conectados a la piel humana y con actuadores que son analógicos a las 

funciones del cuerpo, todos estos elementos pueden actuar como un solo sistema integrado que 

 puede desarrollar variadas actividades [I.3]. 

I.2.1.- Antecedentes generales 

Los exosqueletos fueron estudiados para propósitos de aplicaciones industriales y médicas desde la 

década de 1960; adicionalmente algunos exoesqueletos fueron desarrollados con el propósito de 

incrementar las capacidades humanas al inicio de la década de 1990 [I.4]. El primer exoesqueleto 

activo (Figura I.2) fue diseñado en 1969, por el profesor Vukobratovic en el Instituto Mihailo Pupin, 

localizado en la actual Serbia, enfocándose en el miembro inferior; impulsado neumáticamente y 

con una programación cinemática mínima, para producir una marcha antropomórfica mínima[I.5]. 

Figura I.2.- Primer exoesqueleto activo creado en 1969 en el Instituto Mihailo Pupin [I.5] 

A inicios de la década de 1970 un grupo de investigadores de la Universidad Cornell y 

 posteriormente de General Electric desarrollaron uno de los primeros sistemas teleoperados 

maestro-esclavo, nombrados Hardiman y Handyman; el Hardiman era un exoesqueleto 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   3 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

antropomórfico colocado dentro de un robot esclavo más grande y era usado para amplificar la 

fuerza humana [I.6]. 

En 1982, se desarrolló con éxito una órtesis activa de miembro superior para rehabilitación de casos 

avanzados de distrofia y enfermedades similares (Figura I.3); era controlado por medio de un oystick [I.5]. 

Figura I.3.- Primer exoesqueleto activo de miembro superior [I.5] 

Se considera que los pioneros son proyectos de la extinta URSS, Japón, Estados Unidos, Canadá, y 

algunos países europeos como Suiza, Italia, Francia y Alemania [I.7]. 

I.2.2.- Clasificación 

Los exoesqueletos se dividen en dos grupos según la aplicación final del exoesqueleto de acuerdo a 

[I.7]: 

a) Los exoesqueletos amplificadores de potencia.- Fueron los primeros en ser desarrollados, 

su finalidad en aumentar la capacidad, principalmente de fuerza y carga, del miembro en el 

que es aplicado. 

 b) Los exoesqueletos como tecnologías de asistencia para individuos con problemas de 

movilidad.- Apenas en desarrollo y no existe aún un dispositivo accesible a la mayoría que 

asista a los discapacitados en su vida cotidiana fuera de los centros terapéuticos. Se espera 

que con el avance de la tecnología, con la miniaturización de los mecanismos y con el 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   4 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

creciente desarrollo de grupos en bioingeniería, se pueda lograr pronto este objetivo con un 

 producto ergonómico. 

Los exoesqueletos de miembros superiores forman parte de un grupo de sistemas robóticos 

denominados robots portátiles (Wearable Robots) [I.8], estos son sistemas robóticos que visten el cuerpo humano para cumplir funciones específicas; estas funciones los catalogan en los siguientes 

subgrupos: 

a) Robots Ortópticos.- Son sistemas cuya función es reemplazar las funciones un miembro 

 perdido. 

 b) Robots Prostéticos.- Su función es la de rehabilitar un miembro que se encuentra atrofiado, 

sea por un accidente o por una deficiencia patológica. 

c) Robots Extensores.- Su función es la de aumentar las habilidades del miembro al que está 

unido, esta habilidad está relacionada con la fuerza. 

Otros autores dividen el estudio de los exoesqueletos en dos partes, en la primera, están los sistemas 

unidos a los brazos, denominados, exoesqueletos de partes superiores, y en la segunda aquellos 

sistemas que están unidos a las piernas, denominados exoesqueletos de partes inferiores [I.9]. Las aplicaciones potenciales de los exoesqueletos de partes superiores están enfocadas en [I.10]: 

a) Recuperaciones terapéuticas.- El paciente usa un exoesqueleto que lleva a cabo la tarea 

 basada en la terapia ocupacional o física de modo activo o pasivo. 

 b) Sistema de asistencia para labores de amplificación de la fuerza humana.- El usuario siente 

las cargas reducidas a escala durante la interacción con los objetos, la mayor parte de la 

carga es soportada por el exoesqueleto. 

c) Dispositivo háptico para simulaciones virtuales.- El sujeto interactúa físicamente con 

objetos virtuales mientras las fuerzas son generadas por retroalimentación kinestésica al 

usuario a través del exoesqueleto y que pueden ser de forma, dureza, textura u otra 

característica del objeto virtual. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   5 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

d) Dispositivo maestro para procesos de Teleoperación.- Se reemplaza el ambiente virtual por  

un robot real, el operador usa el exoesqueleto para control el sistema robótico en el modo 

de Teleoperación (maestro/esclavo), donde el exoesqueleto retroalimenta al usuario las 

fuerzas generadas por la interacción del robot con el ambiente. 

Los exoesqueletos se clasifican en tres categorías de acuerdo a la sección del cuerpo a la que son 

aplicados [I.10]: 

a) Para extremidades o miembros superiores. 

 b) Para extremidades o miembros inferiores. 

c) Para Rehabilitación. 

Los exoesqueletos activos para miembro superior pueden ser clasificados en [I.4]: 

a) El segmento del miembro superior al que es aplicado (exoesqueleto para mano, 

exoesqueleto para antebrazo, exoesqueleto para brazo o exoesqueleto para segmentos 

combinados). 

 b) El número de grados de libertad (GDL). 

c) El tipo de actuadores utilizados (motores eléctricos, músculos neumáticos, actuadores 

hidráulicos u otro tipo). 

d) Los métodos de transmisión de potencia (engranes, bandas, mecanismos de unión u otro). 

e) La aplicación del robot (robots para Rehabilitación, robot de asistencia, amplificador de las 

capacidades humanas, uso combinado). 

La clasificación de los exoesqueletos para miembro superior basada únicamente en el diseño 

mecánico se limita por los actuadores usados [I.4], por tal motivo se clasifica en 3 tipos que son: Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior6 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

a) Tipo A.- Actuado por motores eléctricos. 

 b) Tipo B.- Actuado por músculos neumáticos. 

c) Tipo C- Actuado por potencia hidráulica. 

También existe una clasificación de acuerdo a donde se sujeta la base del exoesqueleto [I.12]: 

a) No portátiles: las estructuras exoesqueléticas que se encuentran ancladas a una base fija, tal 

como el suelo, la pared o el techo. En general estas interfaces son más pesadas y complejas 

que los exoesqueletos portátiles. Debido a que suelen tener la capacidad de producir fuerzas 

de salida mayores. Además, la seguridad es especialmente importante en su diseño. 

 b) Portátiles: el soporte sobre el que se apoya todo el peso del exoesqueleto es el propio 

usuario o un dispositivo móvil con el usuario, como por ejemplo una silla de ruedas. De 

esta forma los exoesqueletos portátiles ejercen las fuerzas de reacción sobre el usuario en 

los puntos de sujeción. 

Como se observa el resultado de la investigación realizada, hay varias clasificaciones existentes, por  tal motivo, en la Figura I.4 se muestra un cuadro sinóptico de esa información. 

I.3.- Rehabilitación 

El concepto de Rehabilitación aparece por primera vez en Estados Unidos de América hacia finales 

de la primera guerra mundial para hacer frente a la reinserción profesional y al suministro de 

 prótesis a los mutilados por la guerra; lo que originó que se diseñaran ejercicios físicos de 

Rehabilitación en los hospitales militares [I.13]. 

I.3.1.- Definición 

La Rehabilitación es el conjunto de procedimientos dirigidos a ayudar a una persona a alcanzar el 

más completo potencial físico, psicológico, social, vocacional y educacional compatible con su 

deficiencia fisiológica o anatómica y limitaciones medioambientales [I.14]. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   7 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

Amplificadores de potencia. 

Aplicación Final [I.7] 

Robots portátiles (Wearable Robots) [I.8] 

Segmentos del 

Cuerpo [I.9] 

Como tecnologías de asistencia para individuosconproblemasde movilidad. 

Ortópticos. Prostéticos. Extensores. 

Para miembro superior. Para miembro inferior. 

Recuperaciones terapéuticas. 

Sistema de asistencia para labores de 

amplificación de la fuerza humana. Miembro Superior  

[I.10] Dispositivo háptico para simulaciones virtuales. 

Dispositivo maestro para procesos de 

Clasificación de los 

exoesqueletos 

Teleoperación. 

Sección del cuerpo al que son aplicadas 

[I.11] 

Extremidades o miembros superiores. 

Extremidades o miembros inferiores. 

Para Rehabilitación. 

Segmento del miembro superior al que 

Activos para 

miembro 

superior [I.4] 

es aplicado. El número de grados de libertad. 

El tipo de actuadores utilizados. 

Los métodos de transmisión de potencia. 

La aplicación del el robot. 

Actuadores utilizados  para el diseño mecánico 

[I.4] 

Lugar de sujeción de 

la base [I.12] 

Motores Electricos. Musculos Neumaticos. Potencia hidráulica. 

Portátil. 

 No Portátil. 

Figura I.4.- Clasificación de los exosqueletos 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

La Rehabilitación es un proceso de duración limitada y con un objetivo definido, encaminado a 

 permitir que una persona con deficiencia alcance un nivel físico, mental y/o social funcional óptimo, 

 proporcionándole así los medios de modificar su propia vida. Puede comprender medidas 

encaminadas a compensar la pérdida de una función o una limitación funcional (por ejemplo, ayudas 

técnicas) y otras medidas encaminadas a facilitar ajustes o reajustes sociales [I.15]. 

La Rehabilitación física se puede dividir principalmente en dos tipos: 

Activa: El fisioterapeuta es el que origina el movimiento de la extremidad del paciente. 

Pasiva: El paciente es el encargado de mover su extremidad. 

I.3.2.- Antecedentes 

 No se tiene una fecha específica de cuando se puede establecer el inicio de la Rehabilitación ya que 

desde las primeras sociedades se presentan aspectos relacionados a este tema tal como se demuestra 

con un bajorrelieve hallado a la entrada de una tumba egipcia y que se considera la primera 

ilustración de una persona que utiliza un bastón para ayudarse a caminar. En 1764, ya existía un 

corsé similar al conocido actualmente como Milwaukee llamado máquina de Levacher (Figura I.5) 

[I.16]. 

Figura I.5.- Máquina de Levacher [I.16] 

En 1946 se crea el Departamento de Medicina Física y Rehabilitación en el New York City’s 

 Bellevue Medical Center. En 1905 en el Hospital General de México se fundó un Departamento que Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior9 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

incluía los servicios de Hidroterapia, Mecanoterapia y Electroterapia. En 1957 el Dr.Tohen 

 Zamudio, de México publica el libro “Medicina Física y Rehabilitación”, quizás el primero en 

Latinoamérica. En la década de los 1960‟s el  Instituto Mexicano de Rehabilitación, Organismo no 

Gubernamental, inició el primer curso formal de especialistas en Medicina Física y Rehabilitación 

con tres años de duración y las escuelas de terapia física y ocupacional. Este Instituto fue de los  primero en su época, en contar con taller de prótesis y órtesis [I.16]. 

I.3.3.- Rehabilitación en México 

La medicina de Rehabilitación en México registró un mayor impulso a partir de la necesidad de 

atender a los niños afectados por las epidemias de poliomielitis. En 1951 el Hospital Infantil de 

 México inició la capacitación de terapistas físicos y médicos, dando lugar a los primeros trabajos de 

investigación en Rehabilitación, de los que fueron pioneros los doctores Alfonso Tohen y Luis 

Guillermo Ibarra. Posteriormente, en 1952 fue fundado el Centro de Rehabilitación número 5 que 

se transformó en el Centro de Rehabilitación del Sistema Músculo Esquelético. Años más tarde, por  

decreto presidencial fechado en abril de 1976, este Centro de Rehabilitación fue transformado en el 

 Instituto Nacional de Medicina de Rehabilitación [I.15]. 

En el año 2000, existían en México 988 asociaciones de y para personas con discapacidad, de las 

cuales 871 estaban reconocidas oficialmente: 111 se registraron como instituciones de asistencia 

 privada, 637 como asociaciones civiles, 40 como sociedades civiles y otras 83 con otro tipo de registro [I.15]. 

Esta información permite un acercamiento a las necesidades de atención de este grupo de población 

en cada región, entidad, municipio o localidad. En el año 2000, en el Distrito Federal se ubicaron 

166 asociaciones, de y para personas con discapacidad, mientras que en Guerrero sólo se registraron 

seis. A nivel nacional existen 5.5 asociaciones de este tipo por cada 10 mil personas con 

discapacidad; en Baja California Sur esta tasa asciende a 29.3, mientras que en Guerrero es de 1.2 

asociaciones por cada 10 mil personas con discapacidad [I.15]. 

El XII Censo General de Población y Vivienda 2000, consideró cinco tipos de discapacidad: motriz, 

visual, mental, auditiva y del lenguaje, agrupando el resto de los tipos en una categoría denominada 

otro tipo de discapacidad. De acuerdo con esta clasificación el tipo de discapacidad más frecuente 

fue la motriz (45.3%), la cual agrupó las discapacidades músculo-esqueléticas y las neuromotrices. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior10 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

Las primeras se refieren a la dificultad que enfrenta una persona para moverse, caminar, mantener  

algunas posturas, así como las limitaciones en habilidades manipulativas como agarrar o sostener  

objetos. Las neuromotrices son aquellas que dificultan la movilidad de algún segmento corporal a 

consecuencia de un daño neurológico, incluyendo las secuelas de traumatismos y de algunas enfermedades como la poliomielitis, las lesiones medulares y distrofia muscular [I.15]. 

La presencia de los diversos tipos de discapacidad guarda una estrecha relación con la edad, esto se 

 puede observar en la Tabla I.1, donde se muestran los datos obtenidos en el censo realizado por el 

INEGI en el año 2000 [I.15]. 

Tabla I.1.- Porcentaje de población por grupos de edad según tipo de discapacidad, año 2000 [I.15] 

Tipo de discapacidad 

Grupos de Edad 

Total 

Niños 

Jóvenes 

Adultos 

Adultos mayores 

Motriz 

45.3 

35.1 

31.4 

43.2 

55.1 

Auditiva 

15.7 

12 

11.2 

12 

21 

Lenguaje 

4.9 

10.3 

10.1 

4.7 

1.4 

Visual 

26 

15.1 

17.3 

28.7 

30.5 

Mental 

16.1 

33.9 

36.4 

15.7 

3.7 

 Nota: La suma de los tipos de discapacidad puede ser mayor a cien debido a la población con más de una discapacidad; el porcentaje se calculó en relación al total de personas con 

discapacidad en cada grupo de edad. 

Otra forma de analizar la presencia de la discapacidad es conociendo el lugar que ocupa cada 

discapacidad en los distintos grupos de edad; en la Tabla I.2 se observa que mientras las de tipo 

motriz, auditiva y visual tuvieron mayor presencia entre la población de 60 años y más, entre los 

niños de cero a 14 años y los jóvenes de 15 a 29 años las discapacidades con mayor frecuencia 

fueron las de tipo mental y del lenguaje [I.15]. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   11 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

Tabla I.2.- Distribución porcentual de población por tipo de discapacidad según grupos de edad en el año 2000 [I.15] 

Tipo de discapacidad 

Grupos de Edad 

Total 

 Niños 

Jóvenes 

Adultos 

Adultos mayores 

 No especificado 

Motriz 

100 

10.2 

10.2 

28.4 

50.5 

0.7 

Auditiva 

100 

10 

10.5 

22.8 

55.5 

1.2 

Lenguaje 

100 

27.8 

30.3 

28.6 

12.2 

1.1 

Visual 

100 

7.6 

9.8 

33 

48.7 

0.9 

Mental 

100 

27.6 

33.2 

29 

9.4 

0.8 

I.4.- Exoesqueletos desarrollados para miembro superior 

El uso de robots en Rehabilitación tiene dos aplicaciones fundamentales [I.17]: 

a) Durante movimientos activos del paciente, permiten almacenar información de la realización 

del movimiento (posición, velocidad, fuerza, entre otros), ayudando de esta forma a evaluar  

la evolución de la terapia sobre el paciente. 

 b) También pueden provocar movimientos pasivos o resistivos de la extremidad del paciente 

sujetada por el robot, sustituyendo en este caso al fisioterapeuta. 

I.4.1.- Exoesqueleto de 4 GDL de la Universidad de Saga 

Se trata de un exoesqueleto activo de 4 GDL con centro móvil de rotación de la articulación del 

hombro, ayuda en la flexo-extensión vertical y en la flexo-extensión horizontal del hombro, en la 

flexo-extensión del codo, en los movimientos de propinación-supinación del antebrazo. Se encuentra 

instalado en una silla de ruedas donde personas con debilidades físicas la pueden utilizar, además de 

que el usuario no carga en peso del exoesqueleto (Figura I.6). Un único mecanismo de centro de 

rotación móvil fue propuesto para la articulación del hombro, dicho mecanismo anula los efectos 

dañinos causados por las diferencia de posición entre el centro de rotación móvil del hombro del 

exoesqueleto y el hombro humano; topes mecánicos han sido instalados para cada uno de los 

movimientos para prevenir sobrepasar los rangos de movimientos de seguridad [I.18]. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   12 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura I.6.- Exoesqueleto de 4 GDL de la Universidad de Saga [I.18] 

I.4.2.- CADEN-7: Exoesqueleto7 GDL 

La naturaleza antropomórfica del diseño de las articulaciones combinado con la insignificante 

reacción de las 7 articulaciones reflectantes de fuerza se establece como la característica principal 

del CADEN-7. Utiliza una abertura de fijación hombre-robot tanto para segmentos superior e 

inferior del brazo, genera los movimientos de flexo-extensión, abducción-aducción y rotación 

interna-externa del hombro, flexo-extensión del codo, prono-supinación del antebrazo, flexo- 

extensión y desviación radio-ulnar del antebrazo (Figura I.7). La seguridad es implementada en 3 niveles: diseño mecánico, eléctrico y del programa de control [I.10]. 

Figura I.7.- Usuario probando el exoesqueleto CADEN-7 compuesto por 3 configuraciones [I.10] 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   13 

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Capítulo I 

I.4.3.- Exoesqueleto de 7 GDL “Soft-Actuaded” 

Juan Francisco Ayala Lozano 

El exoesqueleto de 7 GDL “Soft-Actuaded” es capaz de generar movimientos de flexo-extensión, 

abducción-aducción y rotación interna-externa del hombro, flexo-extensión del codo, prono- 

supinación del antebrazo, flexo-extensión y desviación radio-ulnar de la muñeca. La característica 

original es el uso de músculos neumáticos como un par antagonista (Figura 1.8); por lo tanto, el exoesqueleto provee la acción antagonista que es permitido por el control. Posee una masa ligera y 

una excelente proporción fuerza-peso. El musculo neumático al ser un actuador de una solo 

dirección de acción (contracción), 2 elementos opuestos se necesitan para la fuerza y movimiento 

 bidireccional [I.19]. 

Figura I.8.- Exoesqueleto impulsado por músculos neumáticos [I.19]. 

I.4.4.- ARMin Robot  

Hasta el año 2011, se encuentran reportadas 3 versiones. La primera versión es un exoesqueleto 

activo de 6 GDL, 4 activos y 2 pasivos a fin de permitir la flexo-extensión del codo y los 

movimientos espaciales del hombro, que se ocupa para terapias de Rehabilitación en clínicas con la 

finalidad de recuperar la capacidad de realizar las actividades de la vida diaria. Se encuentra fijado 

a una estructura de aluminio colocado en una pared frente a una silla de ruedas donde se sienta el 

 paciente y es sujetado mediante bandas y correas, tiene una dinámica que permite una velocidad de 

1 m/s y así como una aceleración de 10 m/s2, es ajustable en 5 parámetros que son: altura de los 

hombros del paciente sentado de 90-110 cm, longitud del brazo de 27 a 42 cm, longitud del 

antebrazo de 20 a 32 cm, circunferencia de la muñeca de 16 a 24 cm y circunferencia del brazo de 

20 a 40 cm [I.20]. La segunda versión es de 7 GDL siendo dos de ellos acoplados; contiene sensores 

que permiten medir las fuerzas de interacción entre el brazo del paciente y el exoesqueleto, Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior14 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

adicionalmente un sensor de fuerza/torque es colocado en la sección que soporta el antebrazo, 

además para complementar las mediciones, la palanca de la mano fue instrumentada con indicadores 

de esfuerzo, además de una apantalla donde el terapeuta indica la rutina a seguir (Figura I.9) [I.21]. 

La tercera versión cuenta con 6 GDL activos siendo 3 para el hombro, para la flexo-extensión del 

codo, prono-supinación del antebrazo y para flexo-extensión de la muñeca [I.22]. 

Figura I.9.- Demostración de cómo un terapeuta programa una rutina [I.21] 

I.4.5.- MAHI  

 Nombrado así por las siglas en ingles del Laboratorio de Mecatrónica e Interfaces Hápticas 

(Mechatronics and Haptic Interfaces) de la Universidad RICE, es un dispositivo para Rehabilitación 

en ambientes virtuales en modo activa y pasivo [I.23]. Usa manipuladores robóticos que es su 

 principal característica respecto a otros diseños y genera el movimiento de flexo-extensión en el 

codo, prono-supinación del antebrazo, flexo-extensión de la muñeca y desviación radio-ulnar. Está formado por una articulación de revolución en el codo, una articulación de revolución para la 

rotación del antebrazo y 3 articulaciones esférica-prismática-revolución en serie-paralelo para la 

muñeca (Figura I.10) [I.24]. 

Figura I.10.- Usuario operando el nuevo rediseño del exoesqueleto [I.24] 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

I.4.6.- W-EXOS: Wrist Axes Offset (Desplazamiento de ejes de la muñeca) 

Fue desarrollado para ayudar a los movimientos de prono-supinación del antebrazo, flexo-extensión 

de la muñeca y desviación radio-ulnar. Considera ejes de desplazamiento en la articulación de la 

muñeca; la interfaz mano-robot fue diseñada para no perturbar el movimiento de los dedos (Figura 

I.11). El diseño cuenta con dos tipos de seguridad: uno instalado en el diseño mecánico y otro instalado en el programa de control; topes mecánicos son colocados en la estructura mecánica para 

 prevenir que cada movimiento exceda del rango permitido [I.25]. 

Figura I.11.- W-EXOS se mueve en los planos X, Y y Z [I.4] 

I.4.7.- ASSIST: órtesis de soporte activo (Active Support Splint) Es un exoesqueleto de un grado de libertad que es impulsado por actuadores neumáticos suaves, que 

fueron desarrollados bajo el nombre de órtesis de soporte activo (ASSIST por las siglas en inglés). 

Fueron desarrollados dos variantes de este sistema: uno con la finalidad de aumentar el rango de 

movimiento y el segundo con la finalidad de aumentar la resistencia muscular. Físicamente es una 

interfaz de plástico con la palma y el brazo del usuario y 2 tipos de actuadores rotatorios suaves 

 puestos entre ambos lados del dispositivo como se puede apreciar en la Figura I.12. La mayor  

ventaja del dispositivo es la mínima sensación que de restricción cuando el dispositivo no está 

funcionando [I.26]. 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura I.12.- Estructura del ASSIST [I.26] 

I.4.8.- Exoesqueleto para Movimientos de mano y dedos 

Es un asistente para Rehabilitación del movimiento de la mano, cuenta con 18 GDL y un auto- 

control para el movimiento. Que permite que la mano lastimada del usuario sea manejada por la otra 

mano sana. Proporciona la fuerza adecuada de tal forma que la mano afectada pueda recuperar la 

capacidad al nivel de la mano funcional, puesto que fue diseñado para soportar los movimientos de 

flexo-extensión y abducción-aducción de los dedos y el pulgar independientemente así como 

oponerse al pulgar (Figura I.13). Además está diseñado para poderse combinar con un movimiento 

de la muñeca [I.27]. 

Figura I.13.- Mano de un sujeto colocado en el exosqueleto [I.27] 

I.4.9.- NEUROexos: Exoesqueleto Neurorobótico (Neurobotics exoskeleton) 

Un brazo robótico bioinspirado de 3 articulación y 3 uniones fue desarrollado para implementar  

estrategias de control y obtener una unión hombre-brazo robótico, para ser utilizado para evaluar en 

exoesqueletos activos las condiciones de seguridad. El prototipo tiene la capacidad de replicar la Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior17 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

cinemática del hombro humano; está profundamente acoplado al usuario humano y el diseño está 

 basado en un modelo humano en términos de biomecánica (Figura I.14). El hardware y el sistema 

de control están basados en modelos neuro-científicos que sintetizan los conocimientos de control 

motor y percepción así como de esquemas de acción [I.28]. 

Figura I.14.- Vista superior del prototipo de la articulación del hombro [I.28] 

I.4.10.- Exoesqueleto para asistencia del movimiento del codo 

El exoesqueleto es del tipo amplificador de fuerza del sistema muscular humano, con la 

característica de no perder el control natural de los movimientos, es por ello que los típicos controles 

de posición para las máquinas, no se pueden aplicar, pues cuando el humano proporciona el 

comando de referencia de posición se pierde la naturalidad de los movimientos; por lo cual se diseña 

un sistema de control de fuerza y no de posición angular del dispositivo donde el comando de fuerza lo da el operador humano (Figura I.15) [I.29]. 

Hombro 

Codo Celda de carga 

Carga 

Mano 

Figura I.15.- Prototipo del sistema mecánico del exoesqueleto del brazo [I.29] 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

I.4.11.- Interacción háptica con ambiente virtual utilizando un exoesqueleto del brazo 

En el artículo “Haptic interaction with virtual environment using an arm type exoskeleton device” se 

 presenta un exoesqueleto de 7 GDL mediante el cual el usuario humano puede interactuar con un 

ambiente virtual; la articulación del hombro es de tipo esférico lo que le da 3 GDL: aducción- 

abducción, elevación del hombro y el giro de la parte superior del brazo. El codo tiene 2 GDL: Flexo-extensión y giro del antebrazo. La muñeca posee los 2 GDL restantes y que son flexo- 

extensión y la abducción-aducción. El mecanismo de medición del movimiento del hombro y de la 

muñeca es dimensional. La estructura pesa en total 2.3 Kg [I.30]. 

I.4.12.- Exoesqueleto para movimientos de la mano 

En el artículo “Arm movement experiments with joint space force fields using an exoskeleton robot” 

se describe el diseño de exoesqueleto de 7 GDL, de poco peso, minimiza la inercia debido a la 

gravedad y de Coriolis de tal forma que los movimientos del brazo del usuario no son afectados. Las 

 perturbaciones de torque pueden ser aplicadas individualmente a cualquiera o a todos los GDL, lo 

que propicio el desarrollo de un ambiente dinámico nuevo, para que los sujetos se puedan adaptar al 

sistema (Figura I.16). Miden la posición y el torque en cada articulación, a una tasa de muestreo de 

960Hz, y calculan la velocidad y la aceleración a partir de posición [I.31]. 

Figura 1.16.- Demostración del funcionamiento del Sarcos Master [I.31] 

I.4.13.- Exoesqueleto mecatrónicos para rehabilitación motora 

A través de un análisis biomecánico de la extremidad superior, se estableció que la estructura a 

diseñar debía contar con tres grados de libertad: rotación interna-externa del húmero, flexión- 

extensión del codo y pronación-supinación de la muñeca; para este prototipo se realizó un análisis 

 biomecánico donde se identificó cinco grados de libertad, del miembro superior; estos grados de Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior19 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

libertad son abducción y aducción del hombro, flexión y extensión del hombro, rotación interna y 

externa del húmero, flexión y extensión del codo, pronación y supinación de la mano (Figura I.17). 

Realizaron diferentes simulaciones del comportamiento mecánico del brazo con el fin de obtener los 

torques máximas necesarias para mover cada articulación. Para la selección de los motores que 

mueven el exoesqueleto, analizaron la resistencia que puede ejercer el paciente al movimiento y el  peso propio del prototipo. Determinaron que la velocidad máxima para el giro de cada articulación 

debía ser de 25º/s [I.32]. 

Figura I.17.- Usuaria con el dispositivo de rehabilitación motora [I.32] 

I.4.14.- Exoesqueleto para la articulación del hombro 

Es un exoesqueleto de 2 GDL, para aducción frontal y lateral, tiene como objetivo seguir los 

movimientos humanos de la escápula y en particular el movimiento el húmero respecto a la escápula. Los resultados obtenidos de la cinemática, mostraron que durante el movimiento de 

abducción lateral existente dos diferentes tipos de centro de rotación (CR), lo que se tradujo en un 

diseño que permite la rotación lateral del brazo de 0 a 180° y al mismo tiempo traslada el CR a la 

nueva posición para la segunda fase de la abducción (50 a 180°); esos requerimientos son logrados 

mediante el mecanismo Geneva (Cruz de Malta) en conjunto con un mecanismo de 4 barras mueven 

el CR del húmero cerca de 3mm hacia arriba de la fosa glenoidal como se puede observar en el 

 prototipo mostrado en la Figura I.18 [I.33]. 

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Capítulo I 

Soporte Humeral 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Polea de tiempo 

Mecanismo 

Génova 

Rueda 

Figura I.18.- Modelo 3D del mecanismo propuesto para abducción lateral y frontal [I.33] 

I.4.15.- IROS: Sistema Inteligente (Intelligent Rehabilitative Orthotic System) 

Es un exoesqueleto que contiene 5 GDL, un sistema gráfico en tiempo real, un sistema de 

inteligencia. Cada GDL es manejado por un motor, 3 GDL son para el brazo y 2 para el antebrazo: 

orientación lateral del hombro, elevación del hombro, rotación interna-externa del húmero, flexo- 

extensión del codo, prono-supinación de la muñeca. Los sensores que ocupan son medidores de 

ángulo, velocidad, fuerza, torque y señales electromiografías. Maneja 4 modos de control: modo  pasivo, de asistencia, de observación y de prueba [I.34]. 

I.4.16.- RUPERT: Robot asistente para terapia de rehabilitación de extremidad superior 

(Robotic assisted upper extremity repetitive therapy) 

Es un exoesqueleto de 4 GDL, impulsado por músculos neumáticos, lo que le da la característica de 

ser ligero, fácil de usar, de bajo costo. Se han desarrollado 4 versiones hasta el año 2010, se puede 

observar las tres primeras versiones en la Figura I.19. La primera versión incluía 4 músculos 

neumáticos: elevación del hombro, extensión y supinación del codo y extensión de la muñeca 

después de considerar las condiciones funcionales de los pacientes; la estructura estaba restringida 

en la abducción del hombro a un solo plano (15° de forma lateral) y la máxima elevación estaba 

limitada a 45° además posee una plataforma que estabiliza la escápula. La segunda versión el centro 

de rotación y la longitud de cada segmento eran ajustables para acoplarse a las diferentes longitudes 

y constitución de cada paciente, sin embargo esta característica genera el inconveniente de aumentar  Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior21 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

el peso total y aumentar la demanda de energía, la articulación del hombro y del codo tienen 

mecanismos que incrementan la fuerza de momento de los músculos neumáticos como incrementos 

de elevación y extensión. La tercera versión fue desarrollada a partir de evaluaciones de las 

versiones anteriores (I y II) en el Centro Médico Regional “Banner Good Samaritan”; una 

estructura hecha de un compósito de fibra de carbón fue desarrollada para hacer más ligero el robot  pero conservando su rigidez; el mecanismo permite la flexión en el hombro de 15 a 85°, la flexión 

del codo de 0 a 125°, 45° en supinación a 45° en propinación, 60° en flexión a 30° extensión en la 

muñeca, así como torques de 15 NM para la articulación del hombro, 15 NM para el codo, 3 NM 

supinación y 15 NM para la muñeca [I.35]. La cuarta versión ya es de 5 GDL, aumentado la 

rotación humeral a los GDL anteriores, además de poseer un sistema control adaptativo en lazo 

cerrado para ayudar a los usuarios a realizar sus tareas tranquilamente en un ambiente 3D [I.36]. 

a)   b)  c) 

Figura I.19.- Evolución del exoesqueleto RUPERT. a) Versión I, b) Versión II y c) Versión III. 

I.5.- Planteamiento del problema 

En la revisión realizada para la elaboración del presente capítulo, se observa que el desarrollo de 

exosqueletos para Rehabilitación a nivel nacional es nulo y la difusión de los realizados no es la 

correcta, ya que no se encontró referencias donde se mencionan proyectos realizados en México. 

También es cierto que existen varios centros de Rehabilitación tanto gubernamentales como de la 

iniciativa privada, donde la Rehabilitación física es realizada en su mayoría por fisioterapeutas 

humanos que no siempre están en óptimas condiciones para proporcionar la terapia por diversos 

factores, principalmente agotamiento físico, lo que ocasiona que el avance del paciente no siempre 

sea el planeado. Como muestran los datos obtenidos del INEGI, la discapacidad motriz es la de 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

mayor presencia en el país, siendo aproximadamente un tercio generada por enfermedades, tal es el 

que caso de la enfermedad cerebrovascular. 

Por tal motivo, se propone realizar el diseño de la estructura mecánica de un exoesqueleto capaz de 

reproducir los movimientos realizados por el fisioterapeuta en las terapias de rehabilitación física, cuyas longitudes de los segmentos del miembro superior se ajuste a pacientes mexicanos. 

I.6.- Sumario 

En el presente capítulo se muestra una visión general de los temas que componen éste trabajo. Se 

inicia con la definición de los exoesqueletos, sus antecedentes generales y clasificación. 

Posteriormente, se aborda el tema de la Rehabilitación, para finalmente presentar un recuento de los 

exoesqueletos utilizados para la Rehabilitación de miembro superior. Dentro de la revisión de los 

dispositivos realizados con la finalidad de lograr una mejor Rehabilitación del miembro o 

extremidad superior de los seres humanos, mediante el diseño y desarrollo de exoesqueletos, se 

 puede observar que muchos prototipos y sobre todos los desarrollados en fechas más recientes 

cuentan con 7 GDL para la región comprendida desde el hombro hasta la muñeca, esto mediante 

asignar 3 GDL al hombro y 2 a la muñeca, sin embargo en el codo algunos asignan 1 o 2 GDL al 

codo, quedando entonces que algunos no permiten movimiento originado por el antebrazo ya que lo 

asignan al codo; sin embargo también se observa que el desarrollo se ha llevado en etapas para ir  

añadiendo más GDL, o se ha trabajado por separado en diseños para cada parte del miembro superior y al final unirlas en un solo exoesqueleto. Además pocos artículos mencionan haber  

trabajado en conjunto con especialistas en Rehabilitación para obtener el diseño final de su 

exoesqueleto. 

I.7.- Referencias. 

1.- Tibaduiza, N., Chio, N. y Grosso, J. M., Simulación cinemática de un exoesqueleto de brazo, 2do 

Congreso Internacional de Ingeniería Mecatrónica - UNAB, pp 1-8, 2009. 

2.-  Arce,  C.,  rtesis  de   Miembros  Superiores:  Clasificación –  Funciones –  Prototipos –  

Características – Indicaciones, pp 1-2, 2005. 

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2008. 

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Capítulo I  Juan Francisco Ayala Lozano 

4.- Gopura R. A. R. C. y Kiguchi K., Mechanical Designs of Active Upper-Limb Exoskeleton 

Robots State-of-the-Art and Design Difficulties, 2009 IEEE 11th International Conference on 

 Rehabilitation Robotics, pp 178-187, 2009. 

5.- Vukobratović, M., Humanoid Robotics – Past, Present State, Future – , SISY 2006 • 4th Serbian- 

 Hungarian Joint Symposium on Intelligent Systems, pp 16-19, 2006. 6.- Mosher, R. S., From Handyman to Hardiman, SAE International, Vol. 76, pp. 588 – 597, 1967. 

7.- Guizzo, E. y Goldstein, H., The rise of the Body Bots, IEEE Spectrum, Vol. 42, No. 10, pp 50- 

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8.- Veslin, E., Slama J. G., Dutra, S. M. y Lengerke O., Análisis Cinemático de un Exoesqueleto de 

Partes Superiores de 7 GDL, 2do Congreso Internacional de Ingeniería Mecatrónica – UNAB, pp 

1-8, 2009. 

9.- Kazerooni, H., The Berkeley lower extremity exoskeleton project, Experimental Robotics IX, 

Springer Tracts in Advanced Robotics, Vol. 21, pp. 291-301, 2006. 

10.- Perry J. C., Rosen, J. y Burns, S., Upper limb powered exoskeleton design, IEEE/ASME  

Transactions on Mechatronics, Vol. 12, No. 4, pp 408-417, 2007. 

11.- Chávez-Cardona, M. A., Rodríguez-Spitia, F., Baradica-López, A., Exoesqueletos para 

 potenciar las capacidades humanas y apoyar la rehabilitación, Revista Ingeniería Biomédica, 

Vol. 4, No. 7, pp. 63-73, 2010. 

12.- Ruíz-Olaya, A. F., Sistema Robótico Multimodal para Análisis y Estudios en Biomecánica, 

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13.- Juárez-Acosta, F., Holguín- vila, E. J. y Salamanca-Sanabria, A., Aceptación o rechazo: 

Perspectiva histórica sobre la discapacidad, la rehabilitación y la psicología de la rehabilitación, 

 Psicología y Salud, Vol. 16, No. 2, pp 187-197, 2006. 

14.- Alvarado-Rocha, N.J. y Caceres-Quimbaya, F.M., Fortalecimiento de los Lazos Familiares de 

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 Rehabilitación en la Clínica Fray Bartolomé de las Casas, B Sc Tesis, 

Universitaria Minuto de Dios, pp 26-30 , 2010. 

15.- Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática, Las personas con discapacidad en 

 México: una visión censal, pp 1-30, 2004. 

16.- Sotelano, F., Historia de la rehabilitación en Latinoamérica, American Journal of Physical  

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Corporación 

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18.- Kiguchi, K., Active exoskeletons for upper-limb motion assist, International Journal Humanoid  

 Robotics, Vol. 4, No. 3, pp. 607-624, 2007. 19.- Tsagarakis N. G. y Caldwell D. G., Development and control of a „soft-actuated‟ exoskeleton 

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20.- Nef, T., Mihelj, M., Colombo, G., y Riener R., ARMin-Robot for rehabilitation of the upper  

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22.- Brokaw, E. B., Nichols, D., Holley, R. J., Murray, T. M., Nef, T., y Lum, P. S., Time 

independent functional task training: a case study on the effect of inter-joint coordination driven 

haptic guidance in stroke therapy, 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation 

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23.- Sledd, A. y O'Malley, M. K., Performance enhancement of a haptic arm exoskeleton, 2006 14th 

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Kyriakopoulos, K. J., Description, characterization and assessment of a bioinspired shoulder  Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior25 

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Herring, D. E., Wanberg, J., Balasubramanian, S., Swenson, P. y Ward, J. A, Design and control of RUPERT: a device for robotic upper extremity repetitive therapy, IEEE Transactions 

on Neural Systems And Rehabilitation Engineering, Vol. 15, No. 3, pp 336-346, 2007. 

36.- Chen, J. y Liao W., A leg exoskeleton utilizing a magnetorheological actuator, IEEE  

 International Conference on Robotics and Biomimetics, pp 824-829, 2006. 

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Capítulo II.- 

Marco teórico 

Imagen obtenida de la galería de imágenes prediseñadas de Office Word 2007 ® 

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Capítulo II 

II.1.- Introducción 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Uno de los aspectos primordiales de los robots de rehabilitación es que el ser humano en el ciclo 

sólo es el paciente y a diferencia de lo sistemas quirúrgicos y radiológicos, tales como Da Vinci y 

CyberKnife, donde un paciente está siendo “operado” por el robot, sin embargo, un médico dirige al 

robot; con un robot de rehabilitación se pueden introducir criterios de seguridad adicionales por  encima de los utilizados robots de aplicaciones médicas más utilizados [II.1]. 

II.2.- Procedimientos de rehabilitación. 

Las enfermedades cerebrovasculares (ECV) constituye un problema de salud mundial con tendencia 

creciente. Según datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS), la EVC es una importante 

causa de discapacidad y afectación de calidad de vida, su espectro de afectaciones es muy amplio. 

Además de las limitaciones físicas, se asocia a problemas en la esfera emocional con alta frecuencia 

de depresión (> 50%); y/o deterioro cognitivo de diverso grado (35%), siendo la segunda causa más 

frecuente de demencia [II.2]. 

Las secuelas por ECV pueden ser sensitivas o motoras, siendo estas últimas sin lugar a dudas las que 

mayor grado de invalidez representan; entre los pacientes mexicanos que presentan secuelas motoras 

se encontró que el 81% de los hemipléjicos sufren alguna complicación, entre las más frecuentes se 

encuentran depresión, hombro doloroso, epilepsia y contracturas osteoarticulares, de éstas las más 

relacionadas con la lesión topográfica son la epilepsia, encontrada en pacientes con lesión en el hemisferio cerebral izquierdo y la depresión, relacionada con lesiones en el hemisferio cerebral 

derecho [II.3]. 

La Rehabilitación del paciente adulto con Enfermedad Vascular Cerebral es un proceso limitado en 

el tiempo y orientado por objetivos, dirigido a lograr un nivel funcional, físico y social óptimo para 

facilitar su independencia y la reintegración al entorno familiar, social y laboral [II.4]. 

La enfermedad vascular cerebral puede afectar a diferentes áreas funcionales que limitan la 

actividad y la participación de quien lo ha padecido [II.4]. 

De acuerdo a [II.2] las terapias de rehabilitación deben cumplir con los siguientes parámetros: 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

En los pacientes con secuelas de EVC la dosis óptima de ejercicio terapéutico se 

tiene que valorar individualmente según las necesidades y las limitaciones. 

Se recomienda una frecuencia de ejercicio de 3 a 7 días por semana, con una 

duración de 20-60 min/día de ejercicio continuo o acumulado (turnos de = ≥10 min) según la condición física. 

Otros especialistas indican que los ejercicios se tiene que realizas en sesiones de 3 series con 10 

repeticiones por cada una. 

II.3.- Mecánica del manipulador 

La mecánica es la rama ocupada del estudio de los movimientos, tiempo y fuerzas, dividida en 

estática y dinámica (Figura II.1), esta última referida al comportamiento de los sistemas con 

respecto al tiempo [II.5]. 

Mecánica 

Estática  Dinámica 

Cinética  Cinemática 

Figura II.1.- Diagrama de estudio de la mecánica [II.6] 

II.3.1.- Grados de libertad y tipos de articulaciones. 

Los grados de libertad (GDL) se refieren a los movimientos independientes que puede tener un 

cuerpo, siendo 6 el número máximo considerando que se encuentra en el espacio sin ningún tipo de 

restricción y contacto, siendo 3 de rotación y 3 de traslación. 

Mecánicamente un robot o manipulador está formado por eslabones unidos mediante articulaciones 

que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos; el movimiento de las 

articulaciones puede ser de desplazamiento, de giro o una combinación de ambos, existiendo así seis 

 posibles tipos de articulaciones que se muestran en la Figura II.2 [II.7] 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

Esférica o rótula 

(3 GDL) 

Planar  

(2 GDL) 

Tornillo 

(1 GDL) 

Prismática 

(1 GDL) 

Rotación 

(1 GDL) 

Cilíndrica 

(2 GDL) 

Figura II.2.- Articulaciones posible en un robot o mecanismo [II.7] 

Los GDL del manipulador está dado por la suma de los grados de libertad de las articulaciones que 

lo componen, normalmente el número de eslabones es igual a número de GDL, aunque existen 

excepciones [II.7]. 

II.3.2.- Cinemática del manipulador 

La cinemática del robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un sistema de referencia. 

Así, la cinemática se interesa por la descripción analítica del movimiento espacial del robot como 

una función del tiempo, y en particular por las relaciones entre la posición y la orientación del 

extremo final del robot con los valore que toman sus coordenadas articulares [II.7]. 

Existen dos problemas fundamentales para resolver la cinemática del robot [II.7]: 

Problema cinemático directo.- Consiste en determinar cuál es la posición y 

orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas 

que se toma como referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los 

 parámetros geométricos de los elementos del robot. 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

Problema cinemático inverso.- Resuelve la configuración que debe adoptar el robot 

 para una posición y orientación del extremo conocido. 

Por otra parte, la dinámica trata con la formulación de las ecuaciones de movimiento; las ecuaciones 

dinámicas para un manipulador son un conjunto de expresiones matemáticas que describen su conducta y tales ecuaciones son útiles para la simulación del sistema [II.6]. 

Un eslabón puede ser considerado como un cuerpo rígido, el cual puede ser descrito por dos 

 parámetros, la longitud del eslabón y el giro del eslabón. Estos parámetros definen la localización 

relativa de los ejes de articulaciones vecinas en el espacio [II.8]. 

Asimismo, las articulaciones pueden ser descritas también por dos parámetros, el descentramiento 

del eslabón, que es la distancia de un eslabón a otro próximo, a lo largo del eje de la articulación; y 

el ángulo de la articulación, que es la rotación de un eslabón con respecto al próximo, alrededor del 

eje de la articulación [II.8]. 

A cada eslabón se le asocia un sistema de referencia solidario a él y, utilizando las transformaciones 

homogéneas, es posible representar las rotaciones y traslaciones relativas entre los distintos 

eslabones que componen el robot. Normalmente, la matriz de transformación homogénea que 

representa la posición y orientación relativa entre los sistemas asociados a dos eslabones consecutivos del robot se suele denominar matriz 

del producto de matrices  i-1 

i-1 Ai. Denominado 0Ak a las matrices resultantes 

Ai con i desde 1 hasta k, se puede representar de forma total o parcial la 

cadena cinemática que forma el robot. (II.7) 

La representación de Denavit-Hartenberg de un cuerpo rígido depende entonces, de cuatro 

 parámetros geométricos asociados a cada elemento, estos describen completamente la relación 

espacial entre sistemas de coordenadas. Estos parámetros pueden resumirse como (Figura II.3): 

Longitud del eslabón ai: distancia desde el origen del sistema de coordenadas i hasta 

la intersección de los ejes xi y zi−1, a lo largo del eje xi. 

Giro del eslabón αi : ángulo formado entre el eje zi−1 al eje zi alrededor del eje xi. 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

Descentramiento del eslabón di: distancia desde el origen del sistema de coordenadas i 

−1 hasta la intersección de los ejes x i y zi−1, a lo largo del eje zi−1. 

Ángulo de la articulación θi

: ángulo de la articulación del eje xi−1

al eje xi

respecto al eje zi−1. 

De esta forma, para una articulación de revolución, di, ai y αi son los parámetros de la articulación y 

 permanecen constantes, mientras que θi es la variable de la articulación. Para una articulación 

 prismática, la variable será di. 

Zi-1 

α1 

Xi 

Zi  Xi-1 

Yi 

ai Xi 

di  Zi 

Zi-1 

Θi 

Xi 

Zi-1 

Yi-1 

Xi-1 

Figura II.3.- Parámetros de Denavit-Hartenberg  

Los cuatro parámetros de transformación anteriores se multiplican mediante producto de matrices 

como se muestra en la Ecuación II.1. 

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Capítulo II 

(  )  (  ) (  ) (  ) 

Juan Francisco Ayala Lozano 

II.1 

Siendo la representación en matrices la Ecuación II.2. 

[  ][  ][  ][  ] II.2 

El producto matricial da por resultado una matriz 4x4 (Ecuación II.3) que da la orientación y 

 posición del eslabón siguiente respecto al anterior, llegando a obtener los parámetros del último 

eslabón respecto al primero. 

[  ]  II.3 

Donde: 

C es la función trigonométrica coseno del ángulo. 

S es la función trigonométrica seno del ángulo. θi, αi, di, ai, son los parámetros del eslabón i. 

De este modo, basta con identificar los parámetros θi, αi, di, ai, para obtener matrices A y relacionar  

así todos y cada uno de los eslabones del robot. Como se ha indicado, para que la matriz, relacione 

los sistemas (Si) y (Si-1), es necesario que los sistemas se hayan escogido de acuerdo a unas 

determinadas normas. Estas, junto con la definición de los 4 parámetros de Denavit-Hartenberg, 

conforman el siguiente algoritmo para la resolución del problema cinemático directo [Tabla II.1]: 

DH1 Tabla II.1.- Parámetros de Denavit-Hartenberg [II.9] 

 Numerar los eslabones comenzando con 1 (primer eslabón móvil de la cadena) y 

acabando con n (último eslabón móvil). Se numerara como eslabón 0 a la base fija 

del robot. 

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Capítulo II 

DH2 

Juan Francisco Ayala Lozano 

 Numerar cada articulación comenzando por 1 (la correspondiente al primer grado de 

libertad y acabando en n). 

DH3  Localizar el eje de cada articulación. Si esta es rotativa, el eje será su propio eje de 

giro. Si es prismática, será el eje a lo largo del cual se produce el desplazamiento. 

DH4 DH5 

Para i de 0 a n-1, situar el eje Zi, sobre el eje de la articulación i+1. Situar el origen del sistema de la base (S0) en cualquier punto del eje Z0. Los ejes 

0 e Y0 se situaran dé modo que formen un sistema dextrógiro con Z0. 

DH6  Para i de 1 a n-1, situar el sistema (Si) (solidario al eslabón i) en la intersección del 

eje Zi con la línea normal común a Zi-1 y Zi. Si ambos ejes se cortasen se situaría 

(Si) en el punto de corte. Si fuesen paralelos (Si) se situaría en la articulación i+1. 

DH7 

DH8 

DH9 

Situar Xi en la línea normal común a Zi-1 y Zi. 

Situar Yi de modo que forme un sistema dextrógiro con Xi y Zi. 

Situar el sistema (Sn) en el extremo del robot de modo que Zn coincida con la 

dirección de Zn-1 y Xn sea normal a Zn-1 y Zn. 

Obtener θi como el ángulo que hay que girar en torno a Zi-1 para que Xi-1 y Xi 

queden paralelos. 

DH10 

DH11  Obtener di como la distancia, medida a lo largo de Zi-1, que habría que desplazar  

(Si-1) para que Xi y Xi-1 quedasen alineados. 

DH12  Obtener ai como la distancia medida a lo largo de Xi (que ahora coincidiría con Xi- 

1) que habría que desplazar el nuevo (Si-1) para que su origen coincidiese con (Si). 

Obtener αi como el ángulo que habría que girar en torno a Xi (que ahora coincidiría 

con Xi-1), para que el nuevo (Si-1) coincidiese totalmente con (Si). 

DH13 

DH14 

DH15 

Obtener las matrices de transformación i-1Ai. 

Obtener la matriz de transformación que relaciona el sistema de la base con el del 

extremo del robot T = 0Ai, 1A2... n-1An. 

DH16  La matriz T define la orientación (submatriz de rotación) y posición (submatriz de 

traslación) del extremo referido a la base en función de las n coordenadas articulares. 

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Capítulo II 

II.4.-Sistemas de impulsión y actuación. 

Juan Francisco Ayala Lozano 

La velocidad de los movimientos humanos no es muy elevada. Por ejemplo, los movimientos 

voluntarios presentan una frecuencia que difícilmente supera los 7 Hz mientras que en los 

movimientos patológicos como el temblor podemos encontrar frecuencias de hasta 20 Hz. En el golf  

 profesional, la frecuencia del swing está entre los 3 y 4 Hz, estos movimientos se traducen en velocidades lineales entre 10 y 15 m/s [II.10]. 

Los sistemas de actuación más comunes se clasifican en 3 categorías: eléctrico, neumático e 

hidráulico. Sin embargo existen nuevas tecnologías que están en desarrollo como: aleaciones con 

memoria de forma, actuadores piezoeléctricos, fluidos electromagnetoreológicos y polímeros 

electroactivos [II.11]. 

II.4.1.-Motores eléctricos 

Los actuadores eléctricos, en específico los motores Corriente Directa (CD), son los que más se han 

utilizado en el diseño y construcción por su fácil instalación, su tecnología de control es muy 

conocida por lo que permite un control fino de velocidad de par y velocidad. 

Los motores de CD dominan el campo de la robótica, tanto estacionaria como móvil, debido tan a 

que la gran mayoría de los robots tienen varios subsistemas que son alimentados con CD; así como 

la capacidad que tienen y el sencillo sistema control eléctrico-electrónico para paro, arranque e inversión de giro [II.12]. 

El motor eléctrico es un dispositivo electromotriz, esto quiere decir que convierte la energía eléctrica 

en energía motriz. Todos los motores disponen de un eje de salida para acoplar un engranaje, polea o 

mecanismo capaz de transmitir el movimiento generado por el motor. El funcionamiento de un 

motor se basa en la acción de campos magnéticos opuestos que hacen girar el rotor (eje interno) en 

dirección opuesta al estator (imán externo o bobina), con lo que si sujetamos por medio de soportes 

o bridas la carcasa del motor el rotor con el eje de salida será lo único que gire [II.13]. 

II.4.1.1- Servomotores 

El servomotor es un pequeño pero potente dispositivo que dispone en su interior de un pequeño 

motor con un reductor de velocidad y multiplicador de fuerza, también dispone de un pequeño 

circuito que gobierna el sistema. El recorrido del eje de salida es de 180º en la mayoría de ellos, pero Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior35 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

 puede ser fácilmente modificado para tener un recorrido libre de 360º y actuar así como un motor  

[II.13]. 

El control de posición lo efectúa el servomotor internamente mediante un potenciómetro que va 

conectado mecánicamente al eje de salida y controla un PWM (modulador de anchura de pulsos) interno para así compararlo con la entrada PWM externa del servo, mediante un sistema diferencial, 

y así modificar la posición del eje de salida hasta que los valores se igualen y el servo pare en la 

 posición indicada, en esta posición el motor del servo deja de consumir corriente y tan solo circula 

una pequeña corriente hasta el circuito interno, si forzamos el servomotor (moviendo el eje de salida 

con la mano) en este momento el control diferencial interno lo detecta y envía la corriente necesaria 

al motor para corregir la posición [II.14] 

Para controlar un servo tendremos que aplicar un pulso de duración y frecuencia específicas. Todos 

los servos disponen de tres cables dos para alimentación (voltaje y neutro) y otro cable para aplicar  

el tren de pulsos de control que harán que el circuito de control diferencial interno ponga el servo en 

la posición indicada por la anchura del pulso [II.13]. 

II.4.2.- Sensores 

Un sensor es un dispositivo que genera una señal de una determina forma física convertible en otra 

señal de una forma física diferente. El elemento que realiza dicha conversión se suele denominar  transductor. También se considera al dispositivo o elemento que convierte una variable física no 

eléctrica en otra eléctrica, que en algunos de sus parámetros (Frecuencia, nivel de tensión, nivel de 

corriente) contiene información correspondiente a la primera [II.15]. 

La tecnológica sensorial para la captación del movimiento humano más adecuada para redes de 

sensores es la utilizada por los sensores inerciales. Un sensor inercial está compuesto generalmente 

 por un sistema de acelerómetros lineales. Existen versiones más completas en las que se incluyen 

además de los acelerómetros, giroscopios y otro sensor para brindar una referencia en el plano 

transversal [II.10], así como sensores de posición angular que son los enconders y resolver. 

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Capítulo II 

 Encoders 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Un encoder es un sensor electro-opto-mecánico que unido a un eje proporciona información de la 

 posición angular. Su fin es actuar como un dispositivo de realimentación en sistemas de control 

integrado, existen dos tipos de encoder, los incrementales y los absolutos [II.7]: 

  Encoder incremental.- Este tipo de encoder se caracteriza porque determina su 

 posición, contando el número de impulsos que se generan cuando un rayo de luz es 

atravesado por marcas opacas en la superficie de un disco unido al eje (Figura II.4). 

Fotoreceptores 

Salida 

digital 

LED 

emisor  

Marca 

de cero Eje de giro 

Figura II.4.- Encoder incremental [II.7] 

Encoder absoluto.- En el encoder absoluto, el disco contiene varias bandas dispuestas 

en forma de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido 

radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y transparentes 

codificadas en código Gray. 

El estator tiene un fotorreceptor por cada bit representado en el disco, el valor binario obtenido de los fotorreceptores es único para cada posición del rotor y representa su 

 posición absoluta. Se utiliza el código Gray en lugar de un binario clásico porque en 

cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas, evitando errores 

 por falta de alineación de los captadores (Figura II.5). 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

Para un encoder con n bandas en el disco, el rotor permite 2^n combinaciones, por lo 

cual la resolución será 360° dividido entre los 2^n sectores; Por ejemplo para encoders 

de 12 y 16 bits se obtiene una resolución angular de 0.0879° y 0.00549° 

respectivamente, por lo que la resolución angular = 360°/2^n. Generalmente, los 

encoders incrementales proporcionan mayor resolución a un costo más bajo que los encoders absolutos. Además, su electrónica es más simple ya que tienen menos líneas 

de salida. 

LED 

Emisor  Fotorreceptores 

Lente  de  Lentes 

cilíndricos colimación 

Disco 

codificado 

Figura II.5.- Encoder absoluto [II.7] 

Disco codificado de 8 bits 

II.5.- Metodología de diseño 

La ciencia como actividad pertenece a la vida social cuando es aplicada para mejorar el medio natural y artificial en el que se desenvuelve el hombre, dando origen a la invención y manufactura 

de bienes materiales y culturales, que por lo general, la ciencia transforma en tecnología. Lo anterior  

se simplifica en un sistema de ideas establecidas provisionalmente como conocimiento científico, y 

como actividad productora de nuevas ideas llamado investigación científica, dando origen a la 

metodología de diseño [II.6]. 

 Nigel Cross define metodología de diseño como “el estudio de los principios, prácticas y 

 procedimientos de diseño en un sentido amplio. Su objetivo central está relacionado con el cómo 

diseñar, e incluye el estudio de cómo los diseñadores trabajan y piensan; el establecimiento de 

estructuras apropiadas para el proceso de diseño; el desarrollo y aplicación de nuevos métodos, 

técnicas y procedimientos de diseño; y la reflexión sobre la naturaleza y extensión del conocimiento 

del diseño y su aplicación a problemas de diseño” [II.16]. 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

Método hace referencia a la manera cómo una persona (un ingeniero de diseño, en este caso), realiza 

su tarea (diseñar); las técnicas son las herramientas que utiliza tal persona para aplicar su método; el 

modelo es la forma de representar el método, con el fin de estudiarlo y comprenderlo; la 

metodología es el estudio formal del método. De esta manera, mientras que las técnicas son 

herramientas para el método, el modelo lo es para la metodología [II.16]. 

Cross [II.17] clasifica los modelos de diseño en dos grupos: descriptivos y prescriptivos. Los 

modelos descriptivos muestran la secuencia de actividades que ocurren en diseño, dentro de los 

cuales se puede mencionar el modelo básico y el modelo de French. Los prescriptivos, como su 

nombre lo indica, prescriben un patrón de actividades de diseño, como lo intentan Archer, Pahl y 

 Beitz, el modelo alemán VDI 2221, el de March y el de Pugh entre otros [II.16]. 

Mientras que Takeda citando a Finger y Dixon adiciona dos más: cognitivos y computacionales 

donde los cognitivos, explican el comportamiento del diseñador y los computacionales, expresan la 

forma en que un ordenador podría desarrollar la tarea de diseño [II.16]. 

II.5.1.-Modelos descriptivos del diseño 

El modelo lineal del proceso de diseño, aunque resulta muy básico, permite identificar las fases del 

diseño que son comúnmente aceptadas por la mayoría de investigadores [II.16]: 

En la primera fase se buscan conceptos o principios de solución al problema, para la 

cual se analiza el problema identificado, se sintetiza una o varias posibles soluciones 

y se evalúan con respecto a restricciones (especificaciones) impuestas. Algunos la 

denominan fase de “síntesis” del diseño. En esta fase se generan principios de 

solución, pero no se obtienen estructuras de solución lo suficientemente válidas (o 

acabadas) como para materializar la respuesta al problema. 

En la fase de diseño preliminar se avanza en la concretización de una solución al 

 problema, determinando componentes e interacciones con el suficiente grado como 

 para poderla evaluar objetivamente. Se obtienen formas específicas, materiales 

 propuestos y planos de conjunto con dimensiones generales, que representan al 

 producto como un conjunto organizado de piezas, componentes, enlaces y 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

acoplamientos. Se puede decir, que esta fase es más “comprendida” por los 

ingenieros de diseño que la anterior, dada la formación curricular específica. 

La fase de diseño de detalle corresponde a la generación de todas las especificaciones 

necesarias para la producción del producto-solución. La elaboración de planos de detalle, la determinación de etapas de fabricación, la identificación de proveedores, 

etc., son típicas actuaciones en esta fase, que es la mejor desarrollada a nivel 

empresarial, dado su interés particular y su organización orientada a la materializar  

soluciones. 

Las 3 etapas anteriores pueden ser consideradas como principales aunque algunas pueden tener más 

etapas, como la de French y que se muestra en la Figura II.6. 

 Necesidad 

Análisis del 

 problema 

Planteamiento 

del problema 

Diseño 

conceptual Esquemas 

seleccionado 

Desarrollo 

de detalles 

Dibujo 

finales 

Figura II.6.- Modelo de French [II.6] 

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Capítulo II 

II.5.2.-Modelos prescriptivos 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Como se mencionó, los modelos prescriptivos además de describir, dan pautas para desarrollar cada 

una de las fases y etapas del proceso de diseño. En esta categoría existe una gran variedad de 

 propuestas, siendo las más conocidas las de Archer, VDI21, March, Pugh y Pahl y Beitz [II.16]: 

El modelo denominado “Total Design” propuesto por  Pugh está basado en un núcleo 

descriptivo del proceso, compuesto de actividades genéricas (válidas para cualquier  

 producto que se diseñe) tales como: análisis de mercado, diseño conceptual, diseño 

de detalle, fabricación y venta. Aparte del núcleo, existirán las “especificaciones de 

diseño” que son aquellas características particulares que rodean al caso concreto que 

se esté abordando y que delimitan el campo de actuación del núcleo del diseño. Pero 

las principales características de este modelo son: la necesaria interacción de tantas 

disciplinas como sea necesario para resolver el problema, sean estas disciplinas 

técnicas o no; la definición clara de las especificaciones de diseño, que serán tenidas 

en cuenta durante todo el proceso y que definen la “frontera del diseño”; y el 

continuo acercamiento a la solución mediante la retroalimentación que conduce a 

estadios intercalados de divergencia (generación de conceptos) y convergencia 

(evaluación sistemática) [II.16]. 

Esta aproximación gradual a la solución es denominada por  Pugh como «método de convergencia controlada» y utiliza una matriz de valoración que enfrenta a las 

alternativas de solución contra los criterios previamente establecidos [II.16]. 

  Existe una metodología simplificada de QFD que se llama Blitz QFD (QFD 

 Relámpago), permite alinear nuestros recursos con las verdaderas necesidades del 

cliente y es una herramienta muy práctica que no requiere de software ni de 

herramientas específicas (como la Casa de la Calidad) para ofrecer resultados [II.6]. 

II.6.-Diseño conceptual 

Se denomina diseño conceptual o etapa de síntesis del diseño a la etapa donde la creatividad juega 

un papel determinante y, dados los objetivos de la investigación, conviene precisar algunos 

elementos que ayuden a comprenderla mejor. En primer lugar es necesario decir que hay un acuerdo 

general en los investigadores que el diseño conceptual es una fase crucial en el desarrollo de Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior41 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

 productos, en particular cuando se trata de diseñar productos innovadores o cuando se quiere generar  

un diseño completamente nuevo de un producto ya existente. El impacto de las decisiones tomadas 

en esta fase son determinantes para el resto del proceso, hasta el punto que un pobre concepto de un 

 producto es prácticamente imposible de mejorar en etapas posteriores [II.16]. 

II.7.- Diseño a detalle 

Al concluir el diseño conceptual, se procede a realizar un análisis del diseño con la finalidad de 

tener las dimensiones y los materiales apropiados para que el dispositivo tenga una vida de trabajo 

adecuada, y en este caso, no se tenga el riesgo de falla durante algún ciclo de trabajo. 

II.7.1.- Cargas y ciclos de trabajo 

Una carga estática es idealmente aquella que se aplica lentamente, sin choque y nunca se quita, 

aunque también cargas que se aplican y se eliminan con lentitud, y otra vez se aplican y retiran 

lentamente, es decir, si el número de aplicaciones de la carga es pequeño bajo varios ciclos de 

carga, entran en esta categoría [II.18]. 

Al diseñar elementos mecánicos (que no sean fusibles) se debe asegurar que los esfuerzos internos 

no rebasen la resistencia del material, si el que se ocupa es dúctil entonces lo que más interesa es la 

resistencia por fluencia, ya que una deformación permanente seria considerada como falla; las 

resistencias son casi las mismas a tensión que a compresión [II.5]. 

Teoría del esfuerzo cortante máximo 

Se emplea para predecir la fluencia del material, y afirma que “se inicia la fluencia siempre que, en 

un elemento mecánico, el esfuerzo cortante máximo se vuelve igual al esfuerzo cortante máximo en 

una probeta a tensión, cuando ese espécimen empieza a ceder”[II.5]. 

Teoría de la energía de distorsión 

También llamada teoría de la energía de cortante o teoría de von Mises-Hencky; es la más 

conveniente para el caso de materiales dúctiles, se emplea para definir el principio de fluencia. Se 

 postuló que la fluencia no era, de ninguna manera, un fenómeno de tensión o de compresión 

simples, sino más bien que estaba relacionada de algún modo con la distorsión (o deformación 

angular) del elemento forzado [II.5]. 

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Capítulo II 

 Esfuerzo principal máximo 

Juan Francisco Ayala Lozano 

La combinación de esfuerzos normales y cortantes aplicados que produce el esfuerzo normal 

máximo se llama esfuerzo principal máximo [II.18]. 

Por lo general, un diseñador de elementos mecánicos empleara la teoría del esfuerzo cortante máximo si las dimensiones no tienen que ser muy precisas, si es necesaria una rápida estimación del 

tamaño, o si se sabe que los factores de seguridad han de ser amplios. La teoría de la energía de 

distorsión predice con mayor precisión la falla y, por lo tanto, se utilizaría cuando el margen de 

seguridad hubiera de estar dentro de límites cercanos o cuando se investigue el origen de la falla real 

de un elemento mecánico [II.5]. 

II.7.2.- Validación por Análisis de Elemento Finito 

El método de Análisis de Elementos Finitos (FEA), es una aproximación numérica que se usa para 

resolver problemas que conciernen a la ingeniería, se basa en fórmulas y cálculos que muchos 

ingenieros usaban de manera tradicional, actualmente esta aproximación se lleva a cabo con la 

ayuda de una computadora facilitando el trabajo de llevar a cabo este cálculo [II.19]. 

La discretización, es un proceso de modelación que consiste en la división de un cuerpo, de manera 

equivalente, en un sistema que se conforma por cuerpos de menor tamaño a los que les nombra 

“Elementos Finitos”, que son conectados entre sí por medio de puntos comunes llamados nodos, éstos a su vez pueden llegar a formar superficies y volúmenes de control completamente 

independientes entre sí, y que son afectados por las condiciones de frontera que afectan al cuerpo 

estudiado [II.19]. 

Un modelo de Elementos Finitos es una representación discreta de una parte continua, que se va a 

analizar. Esto se lleva a cabo mediante la utilización de nodos, los cuales se van conectando para 

formar elementos. Un nodo es la representación discreta de esa parte continua que se analizará y 

donde se predice el resultado debido a las cargas aplicadas [II.19]. 

La malla comprende a todo el conjunto de elementos que une a los nodos, es debido a ella que se 

 podrán transferir las cargas a través de los elementos pero para que estas cargas se puedan transferir  

de una parte a otra de manera satisfactoria se necesita que todos los nodos sean comunes donde estos 

se junten. La respuesta que el análisis arroje estará ligada a los grados de libertad a los que los nodos Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior43 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

estarán sujetos. Después de someter al análisis la pieza modelada, a partir de las suposiciones de los 

materiales y el entorno (restricciones, cargas entre otros), el diseñador se dará cuenta en términos 

simples cuál es el punto más débil de la pieza, cual es el comportamiento de la misma y bajo que 

condiciones de trabajo se presentará la falla [II.19]. 

II.8.- Procesos de manufactura 

La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (manos) y factus (hacer); esta 

combinación de términos significa hacer con las manos, describe el método manual que se usaba 

cuando se acuño la palabra; sin embargo, gran parte de la moderna manufactura se realiza con 

maquinaria computarizada y automatizada [II.20]. 

Muchos procesos se utilizan para producir componentes y formas, y por lo general existe más de un 

método para la manufactura de una pieza a partir de un material dado. Las amplias clases de 

métodos de procesamiento de materiales son [II.21]: 

a.- Fundición. 

 b.- Formado y conformado. 

c.- Maquinado. 

d.- Unión. 

e.- Acabado. 

La selección de un proceso de manufactura adecuado, o de una secuencia de procesos en particular, 

depende no solo de la forma a producirse sino también de muchos otros factores correspondientes a 

las propiedades del material. El proceso de manufactura por lo general altera las propiedades de los 

materiales. Los metales que se forman a temperatura ambiente se hacen más resistentes, más duros y 

menos dúctiles de lo que eran antes de su procesamiento [II.21]. 

Dentro de la familia del maquinado destacan por su importancia el torneado, el fresado y el 

taladrado, se diferencias por el movimiento relativo entre la pieza y la herramienta [II.22]. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   44 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

El más sencillo es el taladrado, donde la pieza se sujeta firmemente y es atravesada por una 

herramienta de varios filos que gira (movimiento de corte) y al mismo tiempo se desplaza hacia la 

 pieza (movimiento de avance) produciendo una superficie de revolución interior [II.22]. 

En el torneado la pieza gira alrededor de su eje de revolución (movimiento de corte) y la 

herramienta con un único filo arranca material por cada vuelta de la pieza, al desplazarse la 

herramienta (movimiento de avance) produce un arranque de material continuo, obteniendo una 

superficie de revolución interior o exterior [II.22]. 

En el fresado se utiliza una herramienta de filos múltiples y es la que gira (movimiento de corte) y 

las piezas se desplaza (movimiento de avance), obteniendo una superficie de generatriz plana, 

aunque combinando movimientos de avancen distintos ejes, se puede conseguir casi cualquier  

superficie [II.22]. 

II.9.- Sumario 

Los dispositivos de rehabilitación de tipo robótico deben cumplir con ciertos requisitos y 

características que son propias del grupo al que pertenecen como lo son el tiempo que debe estar en 

funcionamiento, las velocidades y aceleraciones que deben desarrollar, todo esto se utiliza con 

 parámetros ya establecidos como lo son los parámetros de Denavit-Hartenberg, que derivan en la cinemática del manipulador, que en este caso se adapta ya que el dispositivo a desarrollar puede 

entrar en la categoría de manipuladores robóticos. 

Las herramientas de diseño son varias y algunas se complementan, es decir, una única herramienta 

 puede darnos una idea del diseño conceptual adecuado, pero al combinarse con otra herramienta 

 podemos tener una visión más completa. 

Aunque el presente trabajo solo se enfoca en la parte de diseño mecánico, no se pueden dejar de 

considerar los sistemas de sensores, el control y el suministro de energía para los sistemas de 

impulsión, ya que estos pueden aumentar significativamente el peso de la estructura pero también 

afectan directamente en la geometría y movilidad del sistema; así mismo se deben tener en cuenta 

los métodos de análisis estructural más adecuados así como los sistemas de manufactura 

convenientes para el desarrollo del exoesqueleto. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   45 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

II.10.- Referencias 

1.- Roderick, S. y Carignan, C., Designing Safety-Critical Rehabilitation Robots, University of  

Maryland & Georgetown University, pp 43-64, 2007. 

2.- Rehabilitación de adultos con enfermedad vascular cerebral. Evidencias y recomendaciones. Guía de práctica clínica, Secretaria de Salud Federal de México, Catálogo Maestro: DIF-331-09, 

 pp 18, 2009. 

3.- Sánchez Almazán, N., Enfermedad cerebro vascular en México. Epidemiología y pronóstico, 

Revista Ministerio de Salud, pp 3, 2008. 

4.- Guía de referencia rápida. Rehabilitación de adultos con enfermedad vascular cerebral. Guía de 

 práctica clínica, Secretaria de Salud Federal de México, Catálogo Maestro: DIF-331-09, pp 2, 

2009. 

5.- Shigley, J. E. y Uicker Jr., J. J., Teoría de Máquinas y Mecanismos, Ed. McGraw-Hill, 2da 

edición, pp 1-28 y 231-260, 1988. 

6.- Pérez Romero, M. A., Análisis cinemático e implementación de una mano robótica servo- 

articulada aplicable como prótesis, M Sc Tesis, Instituto Politécnico Nacional, pp 59-70, 2011. 

7.- Barrientos, A., Peñín, L. F., Balaguer, C. y Aracil, R., Fundamentos de robótica, Ed. McGraw 

Hill, 6ta edición, pág. 30-95, 1997. 

8.- Merchán Cruz, E. A., Metodología para generación de trayectorias de manipuladores robóticos, 

 su cinemática y dinámica, M Sc Tesis, Instituto Politécnico Nacional, pp 50, 2000. 9.- Ollero, B., Robótica. Manipuladores y robots móviles, Editorial Alfaomega-Marcombo, pp 63- 

75, 2001. 

10.- F. Brunetti, J.C. Moreno y J.L Pons, Métrica para evaluación de redes de área personal para 

captación del movimiento humano y robótico, XXVIII Jornadas de Automática, pp 1-10, 2007. 

11.- Ruíz-Olaya, A. F., Sistema Robótico Multimodal para Análisis y Estudios en Biomecánica, 

 Movimiento Humano y Control Neuromotor, Ph D Tesis, Universidad Carlos III de Madrid, pp 

78, 2008. 

12.- McComb, G., The robot builder’s bonanza, Ed. McGraw Hill, 2 edición, pp 235, 2001. 

13.- Ayala-Lozano, J. F., Martínez-Paredes, J. y Méndez-Romero, D., Diseño de un guante háptico 

ara teleoperación de objetos con retroalimentación visual, B Sc Tesis, Instituto Politécnico 

 Nacional, pp 33-70, 2011. 

14.- Cetinkunt, S., Mecatrónica, Ed. Patria, pp 250-260, 2007. 

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Capítulo II  Juan Francisco Ayala Lozano 

15.- Mandado Pérez, E., Marcos Acevedo, J., Fernández Silva, C. y Armesto Quiroga, J. I., 

utómatas programables y sistemas de automatización, 2da edición, Ed. Marcombo, pp 430- 

435, 2009. 

16.- Chaur Bernal, J., Diseño conceptual de productos asistidos por ordenador: Un estudio analítico 

 sobre aplicaciones y definición de la estructura básica de un nuevo programa, Tesis PhD, Universidad Politécnica de Cataluña Departamento de Proyectos de Ingeniería, pp 15-38, 2004. 

17.- Cross, N., Métodos de diseño: Estrategias para el diseño de productos, Ed. Limusa Wiley, pp 

29-174, 2008. 

18.- Mott, R. L., Diseño de elementos de máquinas, Ed. Pearson Educación, 4ta edición, pp 135- 

164, 2006. 

19.- López Saucedo, J. A., Análisis de la estructura y elementos del Auto Deportivo “MXT” de 

Tecnoidea SA de CV para el análisis de esfuerzo y deformación generadas por cargas estáticas, 

así como su optimización mediante su simulación, empleando el Método de Elementos Finitos 

en ALGOR FEA, Universidad de las Américas Puebla, pp 23-30, 2005. 

20.- Groover, M. K., Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas, Ed. 

Pearson Educación, pp 3-10, 1997. 

21.- Kalpakjian, S. y Schmid, S. R., Manufactura Ingeniería y Tecnología, Ed. Pearson educación, 

4ta edición, pp 18-25, 2002. 

22.- Rodríguez Montes, J., Castro Martínez, L. y del Real Romero, J. C., Procesos industriales para 

materiales metálicos, Ed. Vision net, 2da edición, pp 89-95, 2009. 

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Capítulo 

Biomecánica 

III.- 

del 

miembro superior 

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Capítulo III 

III.1.- Introducción 

Juan Francisco Ayala Lozano 

La Biomecánica del movimiento humano se puede definir como la disciplina que lo describe, 

analiza y cuantifica el movimiento humano, atendiendo a cómo se produce este movimiento 

(cinemática) y al origen del mismo (dinámica) [III.1]. La Biomecánica asociada al miembro superior  

 posee una relevante implicación en el diseño e implementación de exoesqueletos robóticos. Por  ejemplo, en el desarrollo de este tipo de dispositivos debe existir una compatibilidad cinemática 

entre el exoesqueleto y el miembro superior humano [III.2]. 

Los músculos son los generadores de fuerza y movimiento del cuerpo humano, que son aplicadas a 

los huesos, que le brindan soporte y estructura al cuerpo, así como restricciones y límites para los 

movimientos, que pueden desarrollar principalmente las extremidades, por ello es importante 

conocer la anatomía del cuerpo humano. 

Las descripciones anatómicas del cuerpo humano se basa en 3 planos que se intersectan dando 

origen a la posición anatómica (Figura III.1): 

Planos coronales.- Orientados verticalmente, dividen el cuerpo en zonas anterior y 

 posterior. 

Planos sagitales.- También orientados verticalmente pero perpendiculares a los planos coronales y dividen al cuerpo en zonas izquierda y derecha. 

Planos transversal, horizontal o axial.- Dividen el cuerpo en zona superior e inferior. 

El miembro superior, nace en la región superolateral del tórax, corresponde a una porción saliente 

del cuerpo humano; es de forma cilindroide con su porción terminal aplanada de adelante hacia 

atrás. Su longitud varia con la estatura del individuo, normalmente llega a la parte media del muslo [III.3]. 

Lo forman las regiones del hombro, brazo, codo, antebrazo, muñeca y mano; aunque las regiones 

del codo y de la muñeca, por ser transicionales, revisan solo como articulaciones (Figura III.2). 

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Capítulo III 

Superior  

Juan Francisco Ayala Lozano 

Plano coronal 

Plano sagital 

Anterior   Posterior  

Plano 

transverso 

Medial 

Lateral 

Inferior  

Figura III.1.- Planos anatómicos del cuerpo humano [III.4] 

Cada una de las extremidades superiores está constituida por 32 huesos, de los cuales 27 

corresponden a las secciones que conforman la muñeca y mano [III.5]. 

III.2.- Anatomía del Hombro 

El hombro humano es la zona de la extremidad superior que se une al tronco y permite una amplia 

gama de movimientos superando incluso a la cadera [III.6]. El hombro se une al tronco 

fundamentalmente mediante músculos, por lo que se puede mover respecto al del tronco; el 

deslizamiento y la rotación de la escapula respecto de la pared torácica cambian la posición de la 

articulación del hombro y consiguen que la mano alcance posiciones más distantes [III.4]. 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

1.- Hombro 

2.- Brazo 

3.- Codo 

2  2 

3 3 

6  6 

4.- Antebrazo 

5.- Muñeca 

6.- Mano 

1 1 

 b)a)c) Figura III.2.- Regiones miembro superior. a) Anatomía superficie. b) músculos. c) huesos [III.7]. 

III.2.1.- Huesos 

Los huesos del hombro son la escápula, la clavícula y la parte proximal del Húmero [III.4]. 

Clavícula: 

Es muy superficial, se le puede apreciar y palpar en toda su longitud. Constituye una referencia de  primer orden para todas las regiones vecinas: cervicales, torácica, deltoidea. Su posición depende de 

los músculos que se insertan en sus bordes, así como de los que se insertan en la escápula a la cual 

está unida [III.8]. 

 Escápula: 

Es un hueso plano triangular, que se apoya sobre la parte superior, posterior y lateral de la caja 

torácica, frente a la cual posee gran movilidad. Está compuesta por dos caras (costal, posterior), tres 

 bordes (medial, lateral y superior) y tres ángulos (superior, inferior y lateral). Esta cubierta casi por  

completo por masas musculares [III.8]. 

 Húmero: 

Aunque es el hueso que conforma principalmente el brazo, la extremidad proximal se encuentra 

unida a la clavícula y a la escápula [III.8]. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   51 

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Capítulo III 

III.2.2.- Músculos 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Encontramos dos grupos musculares: músculos del cíngulo y músculos escapulares. Los músculos 

del cíngulo escapular se dividen en [III.9]: 

Ventrales o pectorales: pectoral mayor, pectoral menor, subclavio y serrato anterior. 

Dorsales: trapecio, latísimo del dorso, elevador de escápula, romboides mayor y menor. 

En general los ventrales se originan de tórax y terminan en cíngulo escapular y los dorsales 

(posteriores) se originan de columna y terminan en cíngulo, ambos mueven la articulación 

esternoclavicular y algunos el hombro (pectoral mayor y latísimo del dorso). Los músculos 

escapulares se originan en escápula, terminan en el húmero y mueven la articulación del hombro. 

Los músculos escapulares contribuyen a formar la cavidad axilar [III.9]. 

 Latísimo del dorso: 

Es ancho, triangular y cubre la mitad inferior del dorso del tronco. Se extiende desde la región 

inferior del tronco, luego a la cavidad axilar, para terminar en el húmero. Es una lámina muscular  

muy extendida, delgada y triangular de base axil y vértice braquial. En la región dorsal, el latísimo 

del dorso es superficial rodeado por una aponeurosis que desciende del trapecio (aponeurosis 

toracolumbar). Profundamente rodea a los músculos vertebrales, serrato posterior e inferior, caja torácica y últimos fascículos del serrato anterior. Por su borde inferior forma con el margen superior  

de la cresta ilíaca y el margen posterior del músculo oblicuo externo de abdomen el trígono lumbar  

(Petit) [III.9]. 

Trapecio: 

Es aplanado y triangular. Cubre la porción posterior del cuello y de la mitad superior del dorso del 

tronco. Es el más superficial de la región cervicotorácica, ubicándose superolateral. Se extiende desde el occipucio (inión), las últimas vértebras torácicas y en forma triangular con vértice en la 

articulación acromioclavicular. Es un músculo robusto especialmente en la región superior. Cubre a 

los músculos de los canales vertebrales (erector espinal) de los que está separado por las inserciones 

vertebrales del romboides y del latísimo del dorso. Hacia lateral se relaciona con la región 

supraescapular, a la fosa supraespinosa y a la parte superior de la infraespinosa [III.9]. 

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Capítulo III 

 Romboides mayor y menor: 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Los músculos romboides están situados en la parte inferior de la nuca y en la superior de la región 

dorsal, se extienden desde el raquis al borde medial de la escápula. Son aplanados y cuadriláteros, 

sus fibras se dirigen oblicuas inferior y hacia lateral [III.9]. 

 Elevador de la escapula (Angular): 

Ubicado en la cara postero-lateral del cuello. Se sitúa en la parte lateral de la nuca, subyacente al 

trapecio, une el ángulo superior de la escápula a la mitad superior de la columna vertebral. Es 

aplanado y estrecho, se dirige oblicuo inferior y lateral hacia el ángulo escapular. Esta profundo del 

trapecio interpuesto entre los músculos de la nuca posterior y los músculos escalenos. Cruza 

 posterior de la parte posteromedial de los primeros espacios intercostales [III.9]. 

Subclavio: 

Profundo, corto y fusiforme. El subclavio es pequeño de poca importancia funcional pero de interés 

topográfico. Se extiende desde la cara inferior de la clavícula a la primera costilla. Está oculto por la 

clavícula y el pectoral mayor. El músculo subclavio contribuye a delimitar, con la primera digitación 

del serrato anterior, la comunicación entre el hueco supraclavicular y la cavidad axilar, espacio 

ocupado por la arteria y venas subclavias que se hacen así axilares y además los troncos del plexo 

 braquial [III.9]. 

 Pectoral menor: 

Profundo al pectoral mayor y de forma triangular. El pectoral menor forma parte de la pared anterior  

del hueco axilar. Por su cara profunda cubre hacia profundo los espacios intercostales, las costillas y 

el serrato anterior; más hacia lateral el paquete vasculonervioso de la axila. Por su borde superior  

limita el triángulo clavipectoral, ocupado por la fascia del mismo nombre y por donde pasan la vena 

cefálica y la arteria acromiotoracica. La fascia clavipectoral se desdobla en el borde superior del 

músculo y lo contiene, se continúa hacia la piel de la base de la axila y hacia lateral estructurando 

una formación triangular: el ligamento suspensorio de la axila [III.9]. 

Serrato Anterior (mayor): 

Ancho y delgado, ubicado en la pared lateral del tórax. Es un músculo radiado que une el borde 

medial de la escápula a la caja torácica. Su cara interna se apoya en la caja torácica que está 

separada por el plano celuloso de deslizamiento serratorácico . Se relaciona directamente con las Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior53 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

costillas, intercostales externos, serrato posterosuperior y escaleno posterior. Su cara externa está 

cubierta por el pectoral mayor, pectoral menor y subescapular. Las primeras digitaciones están 

relacionadas con la arteria y vena axilares y con los fascículos del plexo braquial [III.9] 

 Pectoral mayor: Ubicado en la porción anterolateral al tórax, ancho, aplanado y superficial. Son cuatro fascículos 

uno de los cuatro (el clavicular) se une fuertemente al húmero. Los otros dos son toracohumerales y 

el último abdominal. Es superficial y en la mujer está cubierto en gran parte por la glándula 

mamaria. La cara profunda se relaciona con el esternón, costillas, cartílagos y espacios intercostales. 

Los fascículos son: Clavicular, Esternal, Costal y Abdominal, pero para fines de estudio 

consideraremos cabeza clavicular y cabeza esternocostal [III.9]. 

 Deltoides (deltoideus): 

El músculo superficial bastante obvio en el hombro es el Deltoides. Este va de la cara externa de la 

clavícula, acromion, borde posterior de la espina de la escápula, a la cara lateral del húmero, y se 

inserta en la mitad inferior del húmero; forma la masa del hombro [III.10]. Es el principal abductor  

del brazo pero debido a su pobre ventaja mecánica no puede iniciar esta acción; es asistido por el 

músculo supraespinoso [III.11]. 

Subescapular: Grueso, triangular y profundo. Es ancho y se extiende desde la cara anterior escapular hasta la 

epífisis proximal del húmero. Constituye la pared posterior axilar. Se desliza por el cuello escapular  

y cruza ventralmente a la articulación del hombro separado de ella por la bolsa subescapular [III.9]. 

Supraespinoso: 

Es delgado y redondeado cruza por encima de la articulación del húmero. Une la fosa supraespinosa 

a la extremidad superior del húmero, es profundo cubierto por el arco coracoacromial, el trapecio y 

deltoides [III.9]. 

 Infraespinoso: 

Cruza por posterior de la articulación del hombro. Es aplanado y triangular, une la fosa 

infraespinosa de la escápula a la cara posterior de la epífisis superior del húmero. Es superficial, 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   54 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

salvo adentro en donde está cubierto por los fascículos del trapecio y lateral donde pasa inferior al 

deltoides [III.9]. 

Teres menor: 

Profundo, superior al teres mayor. Pequeño músculo que se extiende desde el borde axilar de la escápula a la tuberosidad mayor del húmero, siguiendo el margen inferior del infraespinoso [III.9]. 

Teres mayor: 

Superficial, espeso y cruza la cara inferior de la articulación del hombro. Voluminoso, une el ángulo 

inferior de la escápula al surco intertubercular. Está cubierto por el latísimo del dorso y su borde 

superomedial se separa del teres menor para formar el triángulos de los teres [III.9]. 

III.3.- Anatomía del Brazo 

Es la región de la extremidad superior situada entre el hombro y la articulación del codo [III.4]. 

III.3.1.- Huesos 

El húmero es el único hueso que conforma esta sección del miembro superior; es un hueso largo que 

 presenta, para su estudio, un cuerpo y dos extremidades [III.8]: 

El cuerpo da una falsa impresión de torsión sobre su eje. Irregularmente cilíndrico en su parte superior, triangular en su parte media, y es más irregular y ovalado en su parte inferior; se considera 

que tiene tres caras (anterolateral, anteromedial y posterior) y tres bordes (anterior, lateral y 

medial). 

La extremidad superior participa en la constitución de la articulación glenohumeral y la extremidad 

inferior participa en la articulación del codo. 

III.3.2.- Músculos 

Los músculos del brazo se ocupan de los movimientos del codo (flexión y extensión), supina el 

antebrazo y colaboran en los movimientos del hombro [III.9]. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   55 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

En la región del brazo existen dos regiones separadas por los tabiques intermusculareslateral y 

medial. La región anterior contiene a los músculos: coracobraquial, bícepsbraquial y braquial, y la 

región posterior contiene al músculo tríceps braquial [III.9]. 

Coracobraquial: Está situado en la porción medial y superior del brazo. Se extiende del proceso coracoides hasta el 

húmero. Está situado primeramente en el hueco de la axila formando la pared externa, luego ocupa 

la región braquial corriendo a lo largo de la porción corta del bíceps. Lo atraviesa el nervio 

musculocutáneo [III.9]. 

 Biceps braquial: 

Alargado, fusiforme y ubicado superficial ventral en el brazo. Consta de dos cabezas una larga o 

lateral y otra corta o medial, que van desde la escápula hasta el radio. En su tercio superior se 

encuentra dentro del hueco axilar, entre el deltoides y pectoral mayor poranterior, el subescapular, el 

teres mayor y el latísimo del dorso por posterior. En la parte media o braquial es superficial al 

 braquial. El borde lateral del bíceps braquial se relaciona con el braquiorradial y deltoides; su borde 

medial es recorrido por el nervio mediano y vasos humerales. En la flexión de codo penetra en un 

espacio en forma de V, formado lateralmente por el supinador y extensores radiales del carpo y 

medialmente por los músculos que se originan en el epicóndilo medial [III.9]. 

 Braquial (braquial anterior): 

Se sitúa dorsal al bíceps. Ocupa la parte distal del húmero inferior al bíceps, se extiende desde el 

húmero a la epífisis superior de la ulna. La cara anterior se relaciona con el bíceps. La cara posterior  

se relaciona con el húmero y codo. El borde medial se relaciona con el tríceps y con el pronador  

teres con el cual forma un canal que aloja a los vasos humerales. El borde lateral se relaciona con 

tríceps (braquioradial) con el cual forma un canal en el que se alojan el nervio radial, arteria humeral 

 profunda y arteria recurrente radial anterior [III.9]. 

Tríceps braquial: 

Posterior superficial del antebrazo. Posee tres porciones, cabezas lateral y medial que se originan en 

húmero y una cabeza larga originada en escápula, las tres porciones terminan en la ulna. En su 

origen el tríceps está cubierto por el deltoides. En el brazo se relaciona con el húmero del que está 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   56 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

separado por el nervio radial y arteria humeral profunda. El borde medial es seguido por el nervio 

ulnar [III.9] 

III.4.- Anatomía del Codo 

El codo, es la articulación intermedia del miembro superior, que une el brazo con el antebrazo [III.12].Funciona como punto de apoyo para el sistema de palanca del antebrazo responsable de 

 posicionar la mano en el espacio [III.13]. 

El codo, específicamente en la fosa del codo, que es una depresión de forma triangular formada por  

los músculos anteriores a la articulación del codo, pasa la principal arteria que va del brazo al brazo 

que es la braquial así como el principal nervio que es el mediano [III.4]. 

III.5.- Anatomía del Antebrazo 

La parte de la extremidad superior entre la articulación del codo y la articulación de la muñeca se 

conoce como antebrazo anatómico. Está compuesto por dos huesos largos, el radio (lateralmente), y 

el cúbito (medialmente) [III.10]. Es capaz de efectuar movimientos de pronación y supinación, los 

que modifican la orientación de los huesos del antebrazo [III.8]. 

III.5.1.- Huesos 

 Radio: Es un hueso largo, situado en la parte lateral del antebrazo [III.8]; es de menor longitud que la ulna y 

se articula con ésta, con el húmero y con los huesos del carpo (escafoides y semilunar). El grosor del 

radio aumenta de craneal a caudal [III.14]. 

Cúbito (ulna): 

Es el más largo y medial del antebrazo. Epífisis distal o inferior: presenta dos eminencias, una es la 

cabeza de la ulna que presenta la circunferencia articular radial que se articula con el radio y otra es 

el proceso estiloides de ubicación medial y posterior. Entre ambas, en la cara inferior, hay un canal 

en el que se inserta el disco articular que separa la ulna de los huesos del carpo [III.14] 

III.5.2.- Músculos 

Los músculos del antebrazo se dividen en dos grupos, los anteriores denominados flexores de los 

dedos y pronadores del antebrazo y los posteriores denominados extensores de los dedos y Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior57 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

supinadores del antebrazo. Cada región se divide en compartimientos por los tabiques que forma la 

fascia antebraquial. En la región anterior existe un compartimiento superficial, compartimiento 

intermedio y un compartimiento profundo. Los dos primeros están formados por músculos que en 

general se originan del epicóndilo medial del húmero para insertarse en carpo, metacarpo o falanges, 

mientras que los músculos del compartimiento profundo en general se originan en las caras anteriores de radio, ulna y/o membrana interósea, para terminar en falanges. 

La región posterior posee solamente dos compartimientos uno superficial formado por músculos que 

se originan del epicóndilo lateral para terminar en carpo, metacarpo o falanges y una región 

 profunda formado por músculos que se originan desde la cara posterior de radio, ulna y/o membrana 

interósea para insertarse en metacarpo o falanges. Los músculos del antebrazo son en su mayoría 

fusiformes, generan gran movilidad y fuerza en los movimientos de la mano. Su porción muscular se 

ubica en la porción superior del antebrazo y su porción tendinosa en la parte inferior. Para evitar que 

al realizar los movimientos de las articulaciones radiocarpianas y carpianas los tendones se incurven 

existen los retináculos que forman un túnel por donde pasan los tendones para insertarse en mano. 

Existen un retináculo extensor y otro flexor [III.9]. 

III.6.- Biomecánica del miembro superior 

Un exoesqueleto robótico que actúe como un dispositivo ortésico, idealmente debe tener la 

capacidad de proporcionar un rango de movimientos o espacio de trabajo muy parecido al de una  persona. Teniendo en cuenta que un exoesqueleto es una estructura antropomórfica que opera 

 paralelamente al miembro superior de la persona, se deben considerar diversas características 

cinemáticas y dinámicas del miembro superior debido a los requerimientos biomecánicos impuestos 

 por el brazo humano [III.2]. 

III.6.1.- Biomecánica del hombro 

El hombro, articulación proximal del miembro superior, es la más móvil de todas las articulaciones 

del cuerpo humano. Posee tres grados de libertad (GDL), como se observa en la Figura III.3, lo que 

le permite orientar el miembro superior en relación a los tres planos del espacio, merced a tres ejes 

 principales [III.15]: 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   58 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

1 2 

Figura III.3.- Representación de los 3 GDL del hombro [III.15] 

1.- Eje transversal, incluido en el plano frontal: permite los movimientos de flexo- 

extensión realizados en el plano sagital (Figura III.3). 

2.- Eje anteroposterior, incluido en el plano sagital: permite los movimientos de 

abducción (el miembro superior se aleja del plano de simetría del cuerpo) y aducción (el 

miembro superior se aproxima al plano de simetría) realizados en el plano frontal 

(Figura III.3). 

3.- Eje vertical, dirige los movimientos de flexión y de extensión realizados en el plano 

horizontal, el brazo en abducción de 90°. Estos movimientos también se denominan 

flexo-extensión horizontal (Figura III.3). 

Con referencia en los 3 ejes señalados antes, se obtienen los movimientos que puede desarrollar el 

hombro [III.15]. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   59 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

El eje longitudinal del húmero (4 de la Figura III.3) permite la rotación externa/interna del brazo y 

del miembro superior de dos formas distintas [III.15]. 

III.6.1.1.- Flexoextensión 

Los movimientos de flexoextensión se efectúan en el plano sagital, en torno al eje transversal (Figura III.4) [III.15]: 

Extensión: movimiento de poca amplitud, 45 a 50°. 

Flexión: movimiento de gran amplitud, 180°; obsérvese que la misma posición de flexión a 

180° puede definirse también como una abducción de 180°, próxima a la rotación 

longitudinal. 

III.6.1.2.- Aducción 

Los movimientos de aducción (c y d de la Figura III.4) se llevan a cabo desde la posición anatómica 

(máxima aducción) en el plano frontal, pero son mecánicamente imposibles debido a la presencia 

del tronco [III.15]. 

180° 

90° 

50° 

a)   b) 

30° 

c)  d) 

60 Figura III.4.- Flexo-extensión y aducción del hombro [III.15] 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior  

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

Desde la posición anatómica, la aducción no es factible si no se asocia con [III.15]: 

Una extensión (c).- Aducción muy leve. 

Una flexión (d).- La aducción alcanza entre 30 y 45°. 

III.6.1.3.- La abducción 

La abducción (Figura III.5) es el movimiento que aleja el miembro superior del tronco, se realiza en 

el plano frontal, en torno al eje anteroposterior. La amplitud de la abducción alcanza los 180°; el 

 brazo queda vertical por arriba del tronco (Figura III.5 inciso d) [III.15]. 

En cuanto a las acciones musculares y el juego articular, la abducción, desde la posición anatómica 

(Figura III.5 inciso a), pasa por tres fases [III.15]: 

Abducción de 0° a 60° (Figura III.5 inciso b) que puede efectuarse únicamente en la 

articulación glenohumeral; 

Abducción de 60° a 120° (Figura III.5 inciso c ) que necesita la participación de la 

articulación escapulo-torácica; 

Abducción de 120° a 180° (Figura III.5 inciso d) que utiliza, además de la articulación 

glenohumeral y la articulación escapulo-torácica, la inclinación del lado opuesto del tronco. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   61 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

60° 

a)   b) 

120°  180° 

c)  d) 

Figura III.5.- Movimiento de abducción del hombro [III.15] 

III.6.1.4.- Flexoextensión horizontal Se trata del movimiento del miembro superior (Figura III.6) en el plano horizontal, en torno al eje 

vertical, o más exactamente, en torno a una sucesión de ejes verticales, ya que el movimiento se 

realiza no sólo en la articulación glenohumeral sino también en la escapulotorácica [III.15]. 

a) Posición anatómica (Figura III.6 inciso b): el miembro superior está en abducción de 90° en 

el plano frontal, lo que emplaza la acción de la siguiente musculatura [III.15]: 

• Músculo deltoides (sobre todo su porción acromial); 

• Músculo supraespinoso; 

• Músculo trapecio: porciones superiores (acromial y clavicular) e inferior (tubercular) 

• Músculo serrato anterior. 

 b) Flexión horizontal (Figura III.6 inciso a), movimiento que asocia la flexión y la aducción de 

140° de amplitud, activa los siguientes músculos: Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   62 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

• Músculo deltoides (porción anterointerna I y anteroexterna II en una proporción 

variable entre ellas) 

• Músculo subescapular; 

• Músculos pectorales mayor y menor; 

• Músculo serrato anterior. 

c) Extensión horizontal (Figura III.6 inciso c), movimiento que asocia la extensión y la 

aducción de menor amplitud, 30-40°, activa los siguientes músculos: 

• Músculo deltoides; 

• Músculo supraespinoso; 

• Músculo infraespinoso; 

• Músculos redondos mayor y menor; 

• Músculo romboides; 

• Músculo trapecio (haz espinoso que se añade a los otros dos); 

• Músculo dorsal ancho (en antagonismo-sinergia con el músculo deltoides que anula el 

importante componente de aducción del músculo dorsal ancho). 

La amplitud total de este movimiento de flexoextensión horizontal alcanza casi los 180°. De la 

 posición extrema anterior a la posición extrema posterior se activan sucesivamente, como si se 

tratase de la escala musical de un piano, las distintas porciones del músculo deltoides, que resulta ser  el principal músculo de este movimiento [III.15]. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   63 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

140° 

a) 

0°   b) 

c) 30° 

Figura III.6.- Etapas del movimiento flexoextensión horizontal [III.15]. 

III.6.1.5.- Movimiento de circunducción La circunducción combina los movimientos elementales en torno a tres ejes (Figura III.7). Cuando 

ésta circunducción alcanza su máxima amplitud, el brazo describe en el espacio un cono irregular: el 

cono de circunducción. Su cúspide se sitúa en el centro teórico del hombro, su lado es igual a la 

longitud del miembro superior, pero su base, lejos de representar un cono regular, está deformada 

debido al tronco. El citado cono delimita en el espacio un sector esférico de accesibilidad, en cuyo 

interior la mano puede coger objetos sin desplazamiento del tronco, para llevárselos 

 provisionalmente a la boca [III.15]. 

El esquema muestra la trayectoria de las puntas de los dedos: se trata de la base del cono de 

circunducción, deformada por la presencia del cuerpo [III.15]. 

Los tres planos ortogonales de referencia (perpendiculares entre ellos) se cruzan en un punto 

localizado en el centro del hombro. Se denominan [III.15]: Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   64 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

Plano sagital A, o más bien para-sagital, ya que el verdadero plano sagital pasa por el eje 

longitudinal del cuerpo. Se trata del plano de la flexión-extensión; 

Plano frontal B, paralelo al plano de apoyo dorsal, o coronal (denominado así por los anglosajones). 

Se trata del plano de aducción-abducción; 

Plano transversal C, perpendicular al eje del cuerpo. Se trata del plano de la flexo-extensión 

horizontal, es decir en el plano horizontal. 

Figura III.7.- Movimiento de circundicción en el hombro [III.15] 

III.6.1.6.- Articulaciones del hombro 

El hombro no está constituido por una sola articulación sino por cinco articulaciones que conforman 

el complejo articular del hombro. Estas cinco articulaciones se clasifican en dos grupos [III.15]: 

 Primer grupo: dos articulaciones: 

1) Articulación glenohumeral Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   65 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

Verdadera articulación desde el punto de vista anatómico (contacto de dos superficies 

cartilaginosas de deslizamiento); Esta articulación es la más importante del grupo. 

2) Articulación subdeltoidea o segunda articulación del hombro 

Desde el punto de vista estrictamente anatómico no se trata de una articulación; sin embargo si lo es desde el punto de vista fisiológico, puesto que está compuesta por dos 

superficies que se deslizan entre sí. La articulación subdeltoidea está mecánicamente 

unida a la articulación glenohumeral: cualquier movimiento en la articulación 

glenohumeral comporta un movimiento en la articulación subdeltoidea. 

Segundo grupo: tres articulaciones: 

3) Articulación escapulotorácica 

En este caso se trata de nuevo de una articulación fisiológica y no anatómica. Es la 

articulación más importante del grupo, sin embargo, no puede actuar sin las otras dos a 

las que está mecánicamente unida. 

4) Articulación acromioclavicular. 

Verdadera articulación, localizada en la porción externa de la clavícula. 

5) Articulación esternoclavicular  Verdadera articulación, localizada en la porción interna de la clavícula. 

En general, el complejo articular del hombro puede esquematizarse como sigue [III.15]: 

Primer grupo: 

Una articulación verdadera y principal: la glenohumeral; una articulación "falsa" y una 

accesoria: la subdeltoidea. 

Segundo grupo: 

Una articulación "falsa" y principal: la escapulotorácica; dos articulaciones verdaderas y 

accesorias: la acromioclavicular y la esternoclavicular. 

En cada uno de los grupos las articulaciones están mecánicamente unidas, es decir que actúan 

necesariamente al mismo tiempo. En la práctica, los dos grupos también funcionan Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior66 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

simultáneamente, según proporciones variables en el transcurso de los movimientos. Puede 

afirmarse pues que las cinco articulaciones del complejo articular del hombro funcionan 

simultáneamente y en proporciones variables de un grupo a otro [III.15]. 

III.6.2.- Biomecánica del codo Fisiológicamente se pueden distinguir dos funciones distintas [III.15]: 

La flexo-extensión, que precisa de la actuación de dos articulaciones: la articulación 

húmerocubital y la articulación húmeroradial. 

La pronosupinación, que afecta a la articulación radiocubital proximal. 

El rango normal de flexo-extensión es de 0° a 146° con un rango funcional de 30 a 130°. El rango 

normal de prona-supinación del antebrazo da una media de 71° de pronación y de 81° de supinación 

[III.16]. 

III.6.2.1.- La amplitud de los movimientos del codo 

La posición anatómica (Figura III.8 inciso a) para la medición de amplitudes se define como sigue: 

el eje del antebrazo se localiza en la prolongación del eje del brazo [III.15]. 

La extensión es el movimiento que dirige el antebrazo hacia atrás. La posición anatómica 

corresponde a la extensión completa (Figura III.8 inciso a), por definición, no existe amplitud en el 

caso de la extensión del codo, excepto en algunos sujetos que poseen una gran laxitud ligamentosa, 

como las mujeres y los niños, que pueden alcanzar una hiperextensión (hE) de 5 a 10° de codo (z) 

(Figura III.8 inciso b). Sin embargo, la extensión relativa siempre es factible a partir de cualquier  

 posición de flexión de codo [III.15]. 

Cuando la extensión es incompleta se mide negativamente; por ejemplo, una extensión de -40° 

corresponde a un déficit de extensión de 40°, quedando el codo flexionado a 40° cuando se intenta 

extenderlo completamente [III.15]. 

En este esquema (Figura III inciso b) el déficit de extensión es -y, la flexión +x, Df representa 

entonces el déficit de flexión y el recorrido útil de flexo-extensión es x-y [III.15]. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   67 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

La flexión es el movimiento que dirige el antebrazo hacia delante, de tal forma que la cara anterior  

del antebrazo contacta con la cara anterior del brazo. La amplitud de la flexión activa es de 140-145° 

(Figura III.8 inciso c) [III.15]. 

Es muy fácil de observar, sin goniómetro, gracias a la prueba del puño cerrado: la distancia entre el muñón del hombro y la muñeca corresponde a la medida de un puño ya que la muñeca no contacta 

con el hombro. La amplitud de la flexión pasiva es de 160°. Puede obtenerse cuando el evaluador  

empuja la muñeca hacia el hombro [III.15]. 

140-145° 

a) 

 b) 

Df  

x-y 

-y 

c) 

Figura III.8.- La amplitud de los movimientos del codo [III.15] 

III.6.2.2.- Las limitaciones de la flexoextensión 

La limitación de la extensión (Figura III.9 inciso a) se debe a tres factores [III.15]: 

El impacto del pico olecraniano en el fondo de la fosita olecraniana. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior  

68 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

La puesta en tensión de la parte anterior de la cápsula articular. 

La resistencia que oponen los músculos flexores (músculo bíceps braquial, músculo 

 braquial y músculo braquiorradial). 

Si la extensión prosigue, uno de los citados frenos se rompe [III.15]: 

Fractura del olécranon (1) (Figura III.9 inciso b), seguida de desgarro capsular (2); el olécranon (1) 

resiste (Figura III.9 inciso c), pero la cápsula (2) y los ligamentos se rompen y se produce una 

luxación posterior (3) de la articulación del codo. Los músculos en general, permanecen intactos. 

Sin embargo, la arteria braquial se puede romper o, al menos, sufrir una contusión. 

La limitación de la flexión es distinta según sea una flexión activa o pasiva [III.15]: 

Si la flexión es activa (Figura III.9 inciso d): 

El primer factor limitante es el contacto de las masas musculares (flechas blancas) del 

compartimento anterior del brazo y del antebrazo, endurecidas por la contracción. Este 

mecanismo explica que la flexión activa no pueda sobrepasar los 145°, hecho tanto más 

acentuado cuanto más musculoso sea el individuo; los factores restantes, impacto óseo y 

tensión capsular, apenas intervienen. 

Si la flexión es pasiva (Figura III.9 inciso e) por la acción de una fuerza (flecha roja) que 

"cierra" la articulación: 

Las masas musculares sin contraer pueden aplastarse una contra otra de modo que la 

flexión sobrepasa los 145°; 

Es entonces cuando aparecen los otros factores limitantes: Impacto de la cabeza radial contra la fosita supracondilea y de la coronoidea contra la 

fosita supratroc1ear; 

Tensión de la parte posterior de la cápsula; 

Tensión pasiva del músculo tríceps braquial; 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   69 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

En estas condiciones, la flexión puede alcanzar los 160° debido a que el ángulo a aumenta (Figura 

III.9 inciso d). 

2  3  2 

a)   b)  c) 

d)  e) 

Figura III.9.- Flexo-extensión del codo [III.15] 

III.6.3.- Biomecánica del Antebrazo 

Cuando se asocian los movimientos de rotación de la articulación del hombro, el codo estando 

totalmente extendido, esta amplitud total alcanza [III.15]: 

360° cuando el miembro superior está vertical, a lo largo del tronco. 

270° cuando el miembro superior está en abducción de 90°. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   70 

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Capítulo III 

270° en flexión de 90°. 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Apenas sobrepasa los 180° cuando el miembro superior está vertical, en máxima abducción. Esto 

confirma que, en abducción de 180°, la rotación axial de la articulación del hombro es casi nula. 

III.7.- Cinemática del miembro superior 

Con el objetivo de obtener las relaciones cinemáticas del miembro superior humano, éste se 

aproxima por un modelo de cuerpos rígidos conectados por medio de articulaciones simples [III.17]. 

Sin embargo, diversas suposiciones deben considerarse teniendo en cuenta que el brazo humano 

 posee piel, músculos y huesos que se mueven dinámicamente unos en relación a los otros y además 

 posee articulaciones complejas con centros de rotación variables [III.2]. 

Una aproximación común y simple del modelo de cuerpo rígido, es considerar el miembro superior  

como una cadena compuesta por tres cuerpos rígidos (brazo, antebrazo y mano), articuladas y 

enlazadas por articulaciones rotacionales ideales [III.2]. 

III.8.- Cinética del miembro superior 

El análisis cinético del miembro superior humano busca relacionar los desplazamientos, 

velocidades, aceleraciones y pares. Este análisis hace referencia a la formulación matemática de las ecuaciones que definen el movimiento del miembro. El modelo dinámico del miembro superior se 

 puede obtener empleando leyes físicas conocidas, tales como son las descritas en la mecánica 

newtoniana o lagrangiana [III.2]. 

Este trabajo se enfoca en la rehabilitación de la extremidad superior, por lo tanto, es necesario 

conocer el peso de total así como de cada sección con la finalidad de que estos datos se utilicen en el 

diseño. Sin embargo, debido a las distintas razas y grupos étnicos que conforman la población 

mexicana, es difícil considerar un fenotipo estándar, por ello, basándose en estudios ya realizados 

 para determinar el peso de los segmentos corporales de acuerdo a como se muestra en la Tabla III.1 

Para suplir el estándar de las medidas de los individuos y considerando un percentíl 50 que está dado 

 por las tablas antropométricas de la Organización Mundial de la Salud para personas de 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   71 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

Latinoamérica como se muestra en la Tabla III.2 [III.19] se podría considerar como el estándar a 

seguir. 

Tabla III.1.- Peso segmentario/relaciones de peso corporal de varios estudios [III.18] Braune Dempster Dempster (Ajustado) Clauser 

Fuente  %%%% 

Cabeza 

Tronco 

Brazo 

Antebrazo 

Mano 

Miembro superior  

Antebrazo y mano 

Muslo 

Pierna 

Pie 

Miembro Inferior  

Pierna y pie 

Suma 

7.0 

46.1 

3.3 

2.1 

0.8 

6.2 

2.9 

10.7 

4.8 

1.7 

17.2 

6.5 

100.0 

7.9 

48.6 

2.7 

1.6 

0.6 

4.9 

2.2 

9.7 

4.5 

1.4 

15.7 

6.0 

100.0 

8.1 

49.7 

2.8 

1.6 

0.6 

5.0 

2.2 

9.9 

4.6 

1.4 

16.1 

6.1 

100.0 

7.3 

50.7 

2.6 

1.6 

0.7 

4.9 

2.3 

10.3 

4.3 

1.5 

16.1 

5.8 

100.0 

Tabla III.2.- Medidas estándar de un percentil 50 en Latinoamérica [III.19] Hombre 

Edad (Años) 

Peso (Kg) 

Talla (cm) 

Circunferencia de 

 brazo (cm) 

Circunferencia de cintura (cm) 

Pliegue de Tríceps 

(mm) 

Pliegue de Bíceps 

(mm) 

34.5±11.6 

69.58±16.22 

168.80±7.08 

28.87±3.94 

Mujer 

40.3±12.4 

63.35±14.66 

156.08±5.75 

29.12±4.39 

85.42±13.02  82.42±14.0 

9.63±5.92  20.11±8.13 

5.77±3.66  10.68±6.41 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   72 

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Capítulo III 

Pliegue 

subescapular (mm) 

Pliegue suprailíaco 

(mm) 

Índice de masa corporal (Kg/m2) 

Porcentaje de masa 

corporal total 

Área muscular del 

 brazo 

16.68±8.85 

Juan Francisco Ayala Lozano 

23.39±8.85 

19.95±9.79  23.62±9.45 

24.36±4.96  25.96±5.63 

21.08±6.65  34.69±6.09 

51.33±11.29  35.34±8.77 

Para las longitudes del miembro superior y sus regiones se tomaran los datos del percentil 5 y 90 de 

los datos antropométricos obtenidos por Dr. David Sánchez Monroy y publicadas en [III.20]; dichos estudios se realizaron en la Ciudad de México y Guadalajara, Jalisco con una población de entre 18 

y 68, donde se obtuvieron los datos que se muestran en la Tabla III.3; en la Tabla III.4 se muestran 

los parámetros utilizados para poder calcular el centro de gravedad de las diferentes secciones del 

cuerpo humano. 

Tabla III.3.- Longitudes de segmentos de la extremidad superior [III.20] 

Percentiles Dimensiones

  5 

Distancia codo – dedo medio (mm) 

Distancia hombro – codo (mm) 

Largo de mano (mm) 

Longitud entre hombros (mm) 

Altura del hombro en posición sentado (mm) 

95 

374.35 595.98 

290.0  400.0 

164.35 195.98 

390 

850 

550 

1080 

Tabla III.4.- Centros de masa/relación de longitud del segmento (en porcentaje) [III.18] FuenteBraune y FischerDempsterClauser y cols. 

Todo el cuerpo 

Cabeza 

Tronco 

43.3 

41.2 

46.6 

38.0 

73 Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior  

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Capítulo III 

Brazo 

Antebrazo 

Mano 

Miembro superior  

Antebrazo y mano Muslo 

Pierna 

Pie 

Miembro inferior  

Pierna y pie 

47.0 

42.1 

47.2 44.0 

42.0 

44.4 

52.4 

43.6 

43.0 

49.4 

67.7 43.3 

43.3 

42.9 

43.3 

43.7 

Juan Francisco Ayala Lozano 

51.3 

39.0 

48.0 

41.3 

62.6 37.2 

37.1 

44.9 

38.2 

47.5 

Los datos que se obtendrán de las tablas anteriores, solo servirán para obtener rangos máximos y mínimos de longitud de las regiones de la extremidad superior, y el peso máximo que se utilizara 

 para considerar lo que deben mover los elementos generadores de movimiento que tendrá el 

dispositivo. 

III.9.- Sumario 

En el capítulo se muestra la Anatomía y Biomecánica del miembro superior así como algunos 

estudios y las formas de calcular la dinámica y cinemática, ya que todos estos datos serán 

fundamentales en el diseño del dispositivo. El miembro superior, está compuesto por 32 huesos cada 

uno, sin embargo 27 pertenecen a la muñeca y mano, y de los 5 huesos restantes, 3 comprenden la 

región del hombro de los cuales comparte uno con el hombro y los restantes 2 conforman el 

antebrazo. El número de músculos que lo componen son 42, donde algunos se comparten con el 

tronco y el cuello. 

Para la dinámica y cinemática se debe considerar además de los grados de libertad que son 4 para el 

hombros 3 lineales y 1 rotacional, así 1 para el codo, sin contar el movimiento pronación supinación; las longitudes y pesos de las regiones que lo conforman, sin embargo, la existencia de 

múltiples razas y grupos étnicos dentro de la población mexicana, así como el aumento en fechas 

recientes del sobrepeso y obesidad hace difícil que se tenga un fenotipo estándar, del cual obtener  

 parámetros necesarios para diseñar exosqueletos, prótesis y órtesis, aunado a que la mayoría de los 

estudios se han hecho sobre cadáveres de personas anglosajonas; con las cuales la mayoría de la 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   74 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

 población mexicana no comparte muchas características, pero a fechas recientes se han empezado a 

desarrollar estudios en personas en Latinoamérica tal es el caso de los datos que se muestran en la 

Tabla III.2, con la cual se comparten más rasgos; así como de los estudios de ergonomía en personas 

en la Ciudad de México y Guadalajara, Jalisco, que nos ofrecen datos que se pueden considerar más 

cercano a un estándar para dicha región, aun así no abra cobertura al 100%. 

III.10.- Referencias 

1.- Winter, D. A, Biomechanics and Motor Control of Human Movements, University of Waterloo 

Press, 2nd Edition, pp 1-12, 1992. 

2.- Ruíz-Olaya, A. F., Sistema Robótico Multimodal para Análisis y Estudios en Biomecánica, 

 Movimiento Humano y Control Neuromotor, Ph D Tesis, Universidad Carlos III de Madrid, pp 

60-70, 2008. 

3.- Ruiz-Vargas, J., Anatomía Topográfica con Uso de Nómina Internacional, Instituto de ciencias 

 biomédicas de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, 5ta edición, pp 43-47, 2002 

4.- Drake, R. L., Vogl, W. y Mitchell, A. W. M., Anatomía para Estudiantes Gray, Ed. Elsevier, pp 

608-700, 2005 

5.- Almagia-Flores, A. A. y Lizana-Arce, P. J., Morfología Humana II Anatomía Humana Básica, 

Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, pp 10-14, 2008. 

6.- Veegera, H.E.J. y Van der Helm, F.C.T., Shoulder function: The perfect compromise between 

mobility and stability, Journal of Biomechanics, Vol. 40, pp 2119-2129, 2007. 7.- Abrahams, P. H., Marks Jr, S. C. y Hutchings, R., Gran Atlas McMinn de Anatomía Humana, 

Ed. Océano, pp 117-120, 2005. 

8.- Latarjet, M. y Ruiz, A., Anatomía Humana, 4ta edición, Vol. 1, Ed. Panamericana, pp 471-546, 

2007. 

9.- Almagia-Flores, A. A. y Lizana-Arce, P. J., Principios de Anatomía Humana Aparato Locomotor  

“Descripción Muscular Apendicular - Miembro Superior”, Pontificia Universidad Católica de 

Valparaíso, pp 2-30, 2011. 

10.- Norton, K. y Olds, T., Antropométrica, BIOSYSTEM Servicio Educativo, pp 7-22, 1996. 

11.- Ambrosiani-Fernández, J., Músculos del Miembro Superior. Guiones de consulta. Anatomía 

 Humana I, Departamento de anatomía y embriología humana, Universidad de Sevilla, pp1-10, 

2006 

12.- Viladot-Voegeli, A., Lecciones Básicas de Biomecánica del Aparato Locomotor, Ed. Springer, 

 pp 147-154, 2001. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   75 

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Capítulo III  Juan Francisco Ayala Lozano 

13.- Nordin, M. y Frankel, V. H., Biomecánica Básica del Sistema Musculo-Esquelético, Ed. 

McGraw Hill, 3ra Edición, pp 353-360, 2004. 

14.-Almagia-Flores, A. A. y Lizana-Arce, P. J., Principios de Anatomía Humana Aparato 

 Locomotor “Descripción sea Apendicular - Miembro Superior”, Pontificia Universidad 

Católica de Valparaíso, pp 2-28, 2012. 15.- Kapandji, A. I., Fisiología Articular, Ed. Panamericana, 6ta Edición, Tomo 1, pp 2-103, 2006. 

16.- Morrey, B. F., Askew, L. J., An, K. N. y Chao, E. Y., A biomechanical study of functional 

elbow motion, The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol. 63, No 6, pp 872-877, 1981. 

17.- Maurel, W., 3D Modeling of the Human Upper Limb Including the Biomechanics of Joints, 

 Muscles and Soft Tissues, PhD Thesis, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, pp107-112, 

1998. 

18.-Le Veau, B., Biomecánica del Movimiento Humano: Williams y Lissner, Ed. Trillas, pp 227- 

239, 1991. 

19.- Sanabria Solano, A. L., Diseño de un Exoesqueleto de Miembro Superior, Universidad Manuela 

Beltrán, Facultad de Ingeniería Biomédica, pp 20-21, 2012. 

20.- Avila-Chaurand, R., Prado-León, L. R. y González-Muñoz, E. L., Dimensiones 

ntropométricas, Población Latinoamérica, Ed. Universidad de Guadalajara, pp 111-123, 2001. 

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Capítulo  IV.- 

Diseño Conceptual 

Imagen obtenida de la galería de imágenes prediseñadas de Office Word 2007 ® 

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Capítulo IV 

IV.1.- Diseño conceptual del dispositivo 

Juan Francisco Ayala Lozano 

El diseño conceptual se realiza con la finalidad de tener una idea de las características generales que 

debe contener el dispositivo que se está modelando, realizando los cálculos esenciales con el 

objetivo de que en el diseño a detalle se analizan todos los parámetros de la estructura. Como se ha 

señalado desde los objetivos del presente trabajo, éste se enfocara únicamente en el diseño de la sección mecánica de un dispositivo rehabilitador de miembro superior, la metodología que se utiliza 

es Blitz QFD, que es una simplificación del QFD original. 

IV.1.1.- Parámetros de diseño 

Los parámetros diseño que se consideran para el diseño se dividieron en dimensionales y 

funcionales: 

a) Dimensionales. 

Longitud de brazo varía entre 29 a 40 cm. 

Longitud del antebrazo varía entre 21 a 30 cm. 

La longitud entre hombros es de 39 a 55 cm. 

El rango de altura del asiento para que el paciente se pueda sentar sin dificultad y 

los pies queden apoyados firmemente en el piso es de entre 34 a 45 cm. 

La altura del hombro en una persona sentada es de 85 a 108 cm. 

 b) Funcionales. 

Flexo-extensión del hombro en el plano sagital en torno al eje transversal: 45 a 

50° en extensión y 180° flexión. 

Abducción del hombro en el plano frontal: 0 a 180°. 

Flexo-extensión horizontal del hombro en torno al eje vertical: extensión 30 a 40° 

y flexión 140º. 

Que el dispositivo pueda realizar los 3 movimientos del hombro de manera continua. 

Flexión del codo 140-145° (160° de forma pasiva). 

Pronosupinación del miembro superior: supinación 90°, pronación 85º. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   77 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

El dispositivo se utilizara para rehabilitar a personas con un peso máximo de 90 

kg de peso (utilizando los porcentajes de Clauser  presentados en la Tabla III.1 ), 

donde el peso de los segmentos son: 

o Brazo; 2.34 kg. 

o

Antebrazo; 1.44 kg. o Mano; 0.63 kg. 

o Antebrazo y mano; 2.07 kg. 

o Miembro superior; 4.41 kg. 

Debe ser capaz de rehabilitar tanto el miembro superior derecho como el 

izquierdo. 

c) Manufacturabilidad e instalación. 

Los materiales de construcción deben ser grado médico. 

Los parámetros anteriores se clasifican en obligatorios y deseables (Tabla IV.1) con la finalidad de 

conocer cuales se deben cumplir para el óptimo funcionamiento del dispositivo, y los deseables son 

los que le dan un mayor valor al producto. 

Tabla IV.1. - Clasificación de los parámetros 

Obligatorios Longitud variable del brazo. 

Deseables Que la articulación del hombro permita realizar  

los 3 movimientos conjuntamente. 

Longitud variable del antebrazo.  Que los movimientos se realicen en el rango  

completo. 

Longitud variable del ancho de espalda. 

Altura variable del hombro respecto al piso. 

Realizar el movimiento de flexo-extensión del 

hombro en el plano sagital en torno al eje transversal. 

Realizar el movimiento de abducción del hombro 

en el plano frontal. 

Realizar el movimiento de flexión en la articulación 

del codo. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   78 

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Capítulo IV 

Permitir la pronosupinación del miembro superior. 

El dispositivo debe soportar el peso del miembro 

superior de una persona de 90 Kg. 

Los materiales de construcción deben ser grado 

médico. 

Juan Francisco Ayala Lozano 

IV.1.2.- Análisis funcional 

Se desarrolló el análisis funcional en etapas, partiendo de las primarias hasta llegar al nivel más bajo 

de acuerdo a como se van observando las distintas funciones que debe desarrollar el dispositivo. 

Para que el análisis funcional sea coherente en nivel descendiente debe satisfacer la interrogante 

¿Cómo? y en nivel ascendente ¿Para qué? En la Figura IV.1 se muestra el análisis funcional del 

dispositivo considerando solo las funciones que se involucran en el diseño mecánico. 

Ajustar  

Ubicar en posición 

correcta 

articulaciones 

las 

a  las  Utilizar  

sistema de 

 barras 

telescópicas 

diferentes medidas de 

longitud y grosor de 

las extremidades del 

 paciente 

Rehabilitar miembro 

superior   Generar el movimiento de las articulaciones 

Proporcionar  

movimiento de 

rotación a las 

articulaciones 

Controlar    posición  y  Utilizar  

 posición 

angular  

sensores 

de 

velocidad de los movimientos 

de las articulaciones 

velocidad 

Figura IV.1.- Análisis funcional del dispositivo 

IV.1.3.- Generación de conceptos para satisfacer las necesidades 

1.- Ajustar a las diferentes medidas de longitud y grosor de las extremidades del paciente. 

Esta función se desglosa en más subfunciones de acuerdo a la sección en la que se va enfocar: 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   79 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

a) Ajustar longitud del antebrazo y brazo: 

Barras telescópicas de desplazamiento manual. 

Barras telescópicas de desplazamiento neumático. 

Motores lineales. 

 b) Ajustar al grosor del antebrazo y brazo: 

Correas ajustables. 

c) Ajustar al ancho de hombro: 

Unidad de rodamientos lineales. 

Barra telescópicas de desplazamiento manual. 

Carro móvil traccionado por poleas. 

d) Ajustar altura del hombro: 

Columna impulsada por tren de engranes. 

Columna impulsada por tornillo de potencia. 

Columnas telescópicas. 

e) Fijar las estructuras deslizables en la posición adecuada: 

Tornillería. 

Abrazaderas. 

Topes mecánicos. 

Fin de carrera ajustable. 

Perilla de 2 posiciones. 

2.- Proporcionar movimiento de rotación a las articulaciones: Motor a pasos. 

Servomotor. 

Motor CD. 

3.- Controlar posición y velocidad de los movimientos de las articulaciones: 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   80 

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Capítulo IV 

Acelerómetros. 

Encoder. 

Resolver. 

Potenciómetros. 

Juan Francisco Ayala Lozano 

IV.1.4.- Aplicaciones de filtros 

Algunas herramientas de diseño indican la aplicación de 4 filtros para limitar el número de las 

 posibles soluciones. Dichos filtros son: 

a) De factibilidad. 

 b) De disponibilidad tecnológica. 

c) Requerimientos. 

d) Matriz de decisión. 

Después de aplicar el primer filtro, los conceptos que no pasaron son: 

1a) Barras de desplazamiento neumático. 

1c) Barras telescópicas de desplazamiento manual, carro móvil traccionado por poleas. 

1d) Columna impulsada por tren de engranes. 

1e) Tornillería, fin de carrera ajustable, abrazaderas. 

2) Motor CD. 

3) Acelerómetro, potenciómetro. 

Para el segundo filtro los conceptos eliminados fueron: 

1d) Columna impulsada por tornillo de potencia. 

2) Motor a pasos. 

En el tercer filtro no se elimina ningún concepto. 

Cuando se realiza el 4to filtro, que es la matriz de decisión, quedan descartados: 

1a) Motores lineales. 

1e) Topes mecánicos. 

3) Resolver. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   81 

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Capítulo IV 

IV.1.5.- Diseño conceptual final 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Para ajustar la longitud del brazo y antebrazo se usaran barras telescópicas de desplazamiento 

manual, en el caso para ajustar al grosor del miembro superior se utilizaran correas acolchonadas 

ajustables, para ajustar la altura del mecanismo en relación al ancho del hombro se utilizará una 

unidad de rodamientos lineales y para la altura una columna telescópica, la limitación a los elementos deslizables se realiza mediante perillas de 2 posiciones, el movimiento de rotación será 

 producido por servomotores así mismo el control de posición y velocidad será mediante sensores 

tipo encoder. 

IV.2.- Diseño Mecánico 

Para cumplir con los parámetros de diseño establecidos, se considera dividir el dispositivo en 

subsistemas que son: 

1. Sistema del antebrazo. 

2. Sistema del brazo. 

3. Sistema del hombro. 

4. Sistema base. 

IV.2.1.- Sistema del antebrazo 

La estructura permite ajustar la distancia a la longitud del antebrazo, así mismo realizar el movimiento de flexión en el codo que será generado por un servomotor que es sujetado a la 

estructura del brazo y el servomotor moverá únicamente la estructura del antebrazo, ya que la 

articulación del codo es de un solo grado de libertad (tipo revoluta). 

Para poder realizar el ajuste de longitud, en el diseño existe con una barra deslizable, se ha utilizado 

un sistema de riel barrenado, para detener el desplazamiento se cuenta con un perilla de 2 

 posiciones, una posición traba el riel evitando que este pueda desplazarse, la otra permite que la 

 pieza se mueva longitudinalmente sin dificultad, pasando de la posición mínima longitud (Figura 

IV.2) a la posición de mayor longitud (Figura IV.3). 

La forma de sujetar el antebrazo del paciente a la estructura se realiza mediante correas que 

 permiten ajustar a diferentes grosores de antebrazo de los distintos pacientes, ya que se ajustan en 

longitud y grosor además se encuentran colocadas para siempre sujeten a la misma distancia dando Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior82 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

 por resultado que la articulación del codo de la estructura y del paciente queden alineadas, evitando 

así que en el movimiento de flexión se pueda ocasionar una lesión al paciente. 

Figura IV.2.- Segmento del antebrazo en su longitud mínima 

Figura IV.3.- Segmento del antebrazo en su longitud máxima 

IV.2.1.1.- Determinación de las fuerzas involucradas en el sistema del antebrazo 

Dentro de la etapa de diseño conceptual se realiza un análisis estático analítico de la estructura para 

conocer la carga que debe soportar la estructura por su propio peso y el del paciente, así como tener  

el torque mínimo necesario para mantener en equilibrio estático la estructura, esto servirá para 

realizar una selección de los servomotores ya que influirá en la geometría final de la estructura. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   83 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

Para determinar los pesos de los segmentos de los cuerpos se ocupa el estudio de Clauser presentado 

en las tablas del capítulo III donde se determinan los siguientes parámetros para una persona de 90 

kg y las longitudes de segmentos de la población mexicana: 

Peso del segmento antebrazo-mano: 2.07 kg (20.3067 N). 

Centro de gravedad del segmento antebrazo-mano: 307.52 mm (62.6% de la longitud total 

medido a partir del codo). 

Para determinar las cargas que van a ser aplicadas durante las simulaciones de elemento finito (que 

se realizaran en el próximo capítulo), se analiza la sección del antebrazo y mano como una viga con 

doble apoyo, donde el primero corresponde a la correa cercana al codo (C C) y el segundo a la correa 

de la muñeca (CM) como se muestra en la Figura IV.4 y la IV.5, los cálculos se realizan en la 

Ecuación IV.1 a la IV.4. 

20.3067 N 

CC 

0  80 

CM 

491.2 mm280 307.5 Figura IV.4.- Representación de las reacciones en la estructura del antebrazo 

20.3067 N 

CM CC 

Figura IV.5.- Diagrama de cuerpo libre de reacciones en la estructura del antebrazo 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   84 

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Capítulo IV 

∑  (  )  (  ) 

Juan Francisco Ayala Lozano 

IV.1 

IV.2 

∑  (  )  (  )  IV.3 

IV.4 

Las cargas que se aplicarán en las correas de sujeción en el análisis estático que se realiza a la 

sección del antebrazo son la correa del codo (CC) de 2.79 N y la de la muñeca (CM) de 23.098 N. 

Adicionalmente se realizan el mismo procedimiento con los datos de la estructura son: 

Masa de 0.844 kg (8.2796 N). 

Centro de gravedad a 131.442 mm (medida a partir del eje del codo). 

Para ello se realizan los diagramas de cuerpo libre (Figura IV.6 y IV.7) para después realizar las 

operaciones en la Ecuación IV.5 a la IV.9. 

8.2796  20.3067 N 

0  131.442307.52491.25 mm Figura IV.6.- Representación de las fuerzas a las que es sometida la estructura 

8.2796 MA 

20.3067 N 

R A 

Figura IV.7.- Diagrama de cuerpo libre del antebrazo 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   85 

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Capítulo IV 

∑  (  )(  )  (  )(  ) 

Juan Francisco Ayala Lozano 

IV.5 

IV.6 

∑  (  )  (  )  (  )  IV.7 

IV.8 

Con los cálculos anteriores se tiene que el torque necesario para mantener en la sección del 

antebrazo es de 7.33 N m, así como la carga que aplica esta sección a la del brazo es de 28.5863 N. 

IV.2.2.- Sistema del brazo 

La estructura está diseñada de forma que permite ajustar a la longitud del brazo, de manera similar a 

la estructura del antebrazo, ya que también posee un riel con barrenos donde una perilla se acopla  para permitir o no el desplazamiento con la diferencia de que es de mayor dimensión además esta 

sección cuenta solamente con una correa de sujeción con la que se sujetara el brazo del paciente 

como se aprecia en la Figura IV.8 y la IV.9; adicionalmente a esta sección se le ha acoplado el 

servomotor que genera la flexo-extensión del antebrazo. 

Figura IV.8.- Estructura del brazo en longitud mínima 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   86 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura IV.9.- Estructura del brazo en longitud máxima 

IV.2.2.1.- Determinación de las fuerzas involucradas en el sistema del brazo 

Para la sección del brazo se utilizan los correspondientes a todo el miembro superior, teniendo que: 

El peso del miembro superior: 4.41 kg (43.2621 N). 

El centro de gravedad del miembro superior: 368.09 mm (medido desde el hombro). 

La estructura que comprende las secciones brazo y antebrazo presenta los siguientes datos: 

Peso de 2.923 kg (28.6743 N). 

Centro de gravedad: 353.985 mm (medido a partir del hombro). 

La estructura del brazo tiene: 

Un peso de: 2.079 kg (20.395 N). 

Centro de gravedad: 281.942 mm (medido a partir del hombro). 

Para obtener las reacciones que se generan en la articulación del hombro que se une a la sección del 

 brazo se realizan los diagramas de la Figura IV.10 y la IV.11, las operaciones se muestran en la 

Ecuación IV.9 a la IV.12. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   87 

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Capítulo IV 

28.6743 43.2621 N 

Juan Francisco Ayala Lozano 

0  353.985 368.09 

Figura IV.10.- Representación de cargas en la estructura del miembro superior  

891.25 mm 

28.6743 43.2621 N 

MA 

R A 

Figura IV.11.- Diagrama de cuerpo libre de la cargas en la estructura del miembro superior  

∑  (  )(  )  (  )(  )  IV.90 

IV.10 

∑  (  )  (  )  (  )  IV.11 

IV.12 

Los cálculos anteriores determinan que el torque necesario para mantener la sección del brazo y 

antebrazo en equilibrio estático es de 26.07 N m, así como la carga que aplica esta sección a la del 

 brazo es de 71.9364 N. Para determinar la fuerza que debe soportar la correa de la sección del brazo, 

se toma en consideración únicamente el peso del brazo de una persona, estimando que el antebrazo 

ha quedado en equilibrio y por lo tanto no presentara carga sobre la sección del brazo, y al haber  

únicamente una sola correa esta va a soportar todo el peso que se estima en 2.34 kg (22.9554 N). 

IV.2.3.- Sistema del hombro 

Permitirá realizar los movimientos de flexo extensión sagital, abducción frontal y flexo-extensión 

horizontal, de forma independiente, primordialmente individuales, es decir, un solo movimiento a la 

vez. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   88 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

Al ser 3 movimientos rotativos independientes, se considera la utilización de un servomotor para 

cada uno de los movimientos, dichos servomotores están colocados de forma que se aproximen al 

centro de rotación de cada giro en la articulación glenohumeral (hombro), lo que implica que la 

estructura no sea estructuralmente antropomórfica sin embargo si cumpla con las funciones especificadas. 

a) Movimiento de flexo extensión en el plano sagital.- Este movimiento vas estar transmitido 

 por un servomotor conectado mediante un eje directamente a la estructura del brazo como 

se observa en la Figura IV. 12. 

Figura IV.12.- Articulación para el movimiento de flexo-extensión 

 b) Movimiento de abducción en el plano frontal.- Se realiza mediante una estructura en forma 

de L (Figura IV.13) para poder lograr que las secciones brazo y antebrazo puedan realizar  

el movimiento circular que rige este movimiento; además esta sección es la que permite el 

cambio de la estructura al movimiento de flexo-extensión horizontal en torno al eje vertical, 

el servomotor que controlo este movimiento se coloca en una estructura cuya única 

finalidad es soportarlo (Figura IV.14). 

c) Movimiento flexo-extensión horizontal.- Este sistema se conforma por la estructura que 

une el exoesqueleto a la base (Figura IV.15), así como las estructura que transmitirá el 

movimiento a partir de que el servomotor que genera este movimiento será unido a un eje 

circular transmitirá el movimiento al resto del exoesqueleto y al mismo tiempo soportara 

toda la estructura como se aprecia en la Figura IV.15, sin embargo para poder realizar este Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior89 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

movimiento se tiene que desenclavar al estructura del brazo y antebrazo de la estructura que 

soporta al servomotor de abducción para poder desarrollar el giro libremente (Figura 

IV.16), mencionado que la barra que se usa para la reconfiguración tendrá la capacidad de 

unirse en la estructura únicamente cuando se va a utilizar este movimiento y retirarse 

cuando no sea así, mediante ajuste por tornillo y tuerca; así como mover a 90º las 2 piezas que unen la estructura de la abducción frontal. 

Figura IV.13.- Estructura que permite el movimiento de abducción frontal 

Figura IV.14.- Estructura para soportar el servomotor del movimiento de abducción frontal 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   90 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura IV.15.- Estructura de unión del exoesqueleto a la base 

Figura IV.16.- Reconfiguración del dispositivo para el movimiento de flexo-extensión 

IV.2.4.-Sistema base 

Permitirá ajustar el dispositivo a la altura del hombro, así como el ancho de la espalda hasta el 

hombro, además de indicar la posición en que el paciente debe ser colocado en el dispositivo así 

como si será para configuración diestra o zurda. 

Para el ajuste de la altura del hombro el diseño está provisto de una columna telescópica de control 

eléctrico, lo que permite que el ajuste sea automático y se coloque en la altura deseada ya que se 

 puede detener en cualquier punto dentro del valor de longitud variable (Figura IV.17). 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   91 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

El ancho de espalda o distancia del hombro, se realiza a través del desplazamiento del carro móvil 

(que soporta la estructura que está en contacto con el miembro superior) sobre un riel, este también 

sirve para iniciar el cambio de la configuración zurda a diestra o viceversa (Figura IV.18). 

Figura IV.17.- Sección de la base con sistema de ajuste de altura del hombro 

Figura IV.18.- Sección de la base que permite el ajuste de ancho de espalda 

La posición del paciente será dado mediante el respaldo que está provisto de un soporte para la 

espalda donde se pueden unir correas que sujeten al paciente evitando que se pueda llegar a resbalar  

del asiento o mueva el tronco durante la rehabilitación, ya que este último punto es algo común en 

dispositivos de rehabilitación que no sujetan el paciente y puede ocasionar una lesión a nivel 

columna vertebral así como disminuir los beneficios del dispositivo al realizar de manera incorrecta 

la rehabilitación. Sin embargo se debe resaltar que el diseño no incluye el asiento móvil, sin 

embargo, se pide que el utilizado sea variable entre los 34 y 45 cm, ya que es la altura adecuada para 

que los pacientes se sientes de manera correcta ya que pueden apoyar los pies en el piso. Por último Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior92 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

se presenta el diseño resultante, la Figura IV.19a muestra el dispositivo en configuración para el 

miembro derecho y la Figura IV.19b ilustra la configuración para el miembro izquierdo. Se eligió la 

configuración de un sola estructura de sujeción del miembro superior y que tuviera capacidad de 

 poderse ajustar a cualquiera de los dos miembros a una que tuviera ambos miembros, debido a que 

es más económico, además una parte importante de las enfermedades y accidentes discapacitantes ocurre para uno de los hemisferios ya sea izquierdo o derecho, por lo que se estaría desperdiciando 

el mecanismo del miembro superior que no se esté ocupando. 

a)  b) 

Figura IV.19.- Dispositivo final. a) Configuración diestra, b) Configuración zurda. 

IV.3.-Sumario 

La etapa de diseño conceptual es de gran relevancia, ya que le proporciona al diseñador todos los 

 parámetros y requerimientos que se deben satisfacer el producto, así como genera una visión 

adecuada de lo que debe considerar o no, sin embargo, la experiencia y conocimientos del diseñador  

también son de gran relevancia ya que pueden simplificar en gran medida los problemas de diseño 

que puedan surgir durante todo el proceso, aunado a lo anterior se puede apoyar en las herramientas 

de diseño existentes para ir en una sola dirección y no desviarse de la meta de diseño establecida Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior93 

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Capítulo IV  Juan Francisco Ayala Lozano 

 por los requerimientos, debido a que una vez identificados se procede a proponer todas posible 

soluciones que existen por muy burdas que sean, posteriormente se reducen las posible soluciones 

mediante la aplicación de filtros como son: de factibilidad, de disponibilidad tecnológica, 

satisfacción de los requerimientos y matriz de decisión; al finalizar esta etapa se debe contar ya con 

las principales características que debe contener, en este caso, el exoesqueleto. Se realizan análisis estáticos a la estructura con la finalidad de encontrar el torque mínimo necesario para mantener en 

equilibrio la estructura del brazo y del antebrazo principalmente, ya que con este dato se procedió a 

investigar los servomotores existentes en el mercado que pudieran cumplir con esos parámetros para 

que junto con los datos de geometría, masa y funcionalidad seguir realizando el diseño del resto del 

dispositivo. 

En el próximo capítulo se evalúa el diseño al someterlo a la aplicación de fuerzas que se ven 

involucradas durante la operación, como son los torques de los servomotores, y las fuerzas inducidas 

 por el peso del miembro superior del paciente. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   94 

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Capitulo V.- Análisis de la 

estructura  bajo 

condiciones de trabajo 

Imagen obtenida de la galería de imágenes prediseñadas de Office Word 2007 ® 

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Capítulo V 

V.1.- Introducción 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Los mecanismos están sometidos a más fuerzas que a su propio peso y las cargas iniciales que deben 

soportar ya que, como en este caso, existe al menos un torque necesario para generar el movimiento, 

 por lo cual es necesario analizar el comportamiento del diseño bajo estas condiciones y así poder  

verificar su óptimo desempeño. De igual forma es importante conocer los puntos en el espacio abarcando los 3 planos que puede alcanzar, lo que se denomina como espacio de trabajo. 

V.2.- Espacio de trabajo 

La rehabilitación del miembro superior se utiliza para devolver al paciente la capacidad de realizar  

los movimientos lo más próximo a rangos que tenía antes de sufrir la lesión, por ello es necesario 

evaluar el espacio que el exoesqueleto puede cubrir. 

V.2.1.- Flexión del antebrazo 

La estructura realiza la flexoextensión en un rango de 0 a 130° (que es el rango funcional), además 

de la distancia variable entre 21 a 30 cm, lo cual genera el área de trabajo que se muestra en la 

Figura V.1, se muestran 10 trayectorias concéntricas ya que la longitud del antebrazo se varia de 1 

cm en 1 cm además de que la articulación del codo es el punto (0,0), recordando que este 

movimiento se realiza en el plano sagital. La Figura V.2 se muestra al exoesqueleto en la posición 

inicial (inciso a) y final (inciso b) al realizar este movimiento, la trayectoria que describe es la que se 

muestra en la gráfica. 

30 

25 

Ejevertical(cm) 

20 

15 

10 

-20  -1001020 Eje anteroposterior (cm) 

30 

Figura V.1.- rea de trabajo del antebrazo 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   96 

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Capítulo V 

a)   b) 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura V.2.- Fase de la flexión del brazo. a) Etapa inicial, b) Etapa final 

V.2.2.- Flexo-extensión del hombro en el plano sagital 

El rango de movimiento del dispositivo para la flexión sagital es de 180° mientras para la extensión 

es de 40° (para ambos miembros, esto se puede gracias a que el servomotor es capaz de girar 360° 

en ambos sentidos). La Figura V.3 muestra el área que puede cubrir un punto localizado al final de 

la estructura del antebrazo, donde queda colocado la muñeca, esto sin considerar la flexión del 

codo, en el punto (0,0) se coloca la articulación del hombro; la Figura V.4 muestra la estructura 

describiendo la trayectoria, desde la posición inicial (inciso a), la extensión máxima (inciso b) y la 

flexión máxima (inciso c). 0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

-0.2 

-0.4 

-0.6 

0.8-0.200.20.40.6 Eje anteroposterior (m) 

Figura V.3.- Área de trabajo en el movimiento de flexo-extensión sagital 

-0.4 -0.8 

-0.6 

Ejevertical(m) 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   97 

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Capítulo V 

a)   b) 

Juan Francisco Ayala Lozano 

c) 

Figura V.4.- Etapas del movimiento. a) Fase inicial, b) Extensión máxima, c) Flexión máxima 

V.2.3.- Abducción del hombro en el plano coronal (frontal) 

Este movimiento está restringido, ya que la configuración está dirigida a la rehabilitación activa, por  

lo que este movimiento se ocupa para dar rehabilitación en las primeras etapas, es decir, cuando la 

movilidad del paciente es mínima, por lo que se limita el rango funcional, además sirve como 

cambio en la estructura de la flexo-extensión sagital a la vertical, la Figura V.5 muestra su área de 

trabajo; la Figura V.6 las etapas inicial (inciso a) y final del movimiento (inciso b) que describen el 

movimiento representado en la gráfica.. 

0.6 

0.4 

0.2 

-0.2 

-0.4 

-0.6 

-0.8  0  0.1  0.2 0.3 0.4 0.5 Eje transversal (m) 

0.6  0.7 

Ejevertocal(m) 

Figura V.5.- Área de trabajo del movimiento de abducción 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   98 

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Capítulo V 

a)   b) 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura V.6.- Etapas del movimiento de abducción del hombro. a) ngulo inicial, b) ngulo final 

V.2.4.- Flexo-extensión horizontal del hombro respecto al eje vertical 

El movimiento no se puede realizar desde la posición anatómica inicial, debe haber previamente un 

movimiento de abducción en el plano frontal o de flexión en el plano sagital a 90°, a partir de esa 

 posición se realiza el movimiento describiendo la trayectoria que se muestra en la Figura V.7, el 

rango que cubre es 40° en extensión y 130° a flexión, el ángulo 0° de flexión y extensión se obtiene 

al colocar el miembro superior en forma paralela al eje anatómico coronal; la Figura V.8 muestra la 

vista superior del dispositivo en la configuración que adopta para desarrollar el movimiento donde el 

inciso a es la posición neutra, el inciso b es la flexión máxima y el inciso c es la extensión máxima.. 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

1 0 

-0.2 

-0.4 -0.6  -0.4  -0.2  0  0.8 

Ejeanteroposterior (m) 

0.2  0.4  0.6 

Eje transversal (m) 

Figura V.7.- Área de trabajo de la flexo-extensión en el eje vertical Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   99 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

a) 

 b) 

c) 

Figura V.8.- Exoesqueleto realizando el movimiento de flexo-extensión. a) Posición inicial, b) 

Flexión máxima, c) Extensión máxima 

V.2.5.- Movimientos combinados 

Los movimientos vistos anteriormente sólo consideraban un movimiento individual de cada uno de 

los grado de libertad que tiene el dispositivo, ya que los que se analizaron del hombro fueron bajo la 

idea de que no existía la flexión en la articulación del codo, además de considerar los movimientos 

en un solo plano, sin embargo, estas configuraciones principales se pueden combinar para obtener el 

volumen de trabajo, volviendo a analizar cada uno de los GDL del hombro junto con el movimiento 

de flexoextensión del codo. 

La Figura V.9 se muestra el modelo cinemático que se utilizó para obtener los parámetros de 

Denavit-Hartenberg que su utiliza para obtener la cinemática de la flexo-extensión en torno al plano 

sagital combinado con flexión en el codo, el sistema 0 es el base que se puede considerar en 

cualquier parte del tronco del cuerpo humano, en este caso se decidió por ubicarlo en la misma 

articulación del hombro; el sistema 1 es la articulación del hombro del tipo revoluta; el sistema 2 es Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior100 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

la articulación del codo que es del tipo revoluta y el sistema 3 se ubica en el final de la estructura 

que queda a la altura de la muñeca del individuo. 

Z0 

X0 

Y0 

L1 

Y1 

L2 

X2 

Y2 

L3 

X3

 Y3 

Z4 

Figura V.9.- Modelo cinemático del movimiento de la flexo-extensión en torno al plano sagital 

combinado con flexión en el codo 

Z2 

X1 

Z1 

La Tabla V.1 se muestra los parámetros de Denavit-Hartenberg resultantes, estos se utilizan para 

obtener el área que se abarca en el movimiento. La Figura V.10 muestra el área resultante de aplicar  los parámetros de ésta configuración (que permite colocar la mano en la espalda, es debido a ello 

que algunos puntos quedan negativos), además de considerar todas las combinaciones posibles de 

movimientos, el punto (0,0) está colocado en la articulación glenohumeral (hombro). 

Tabla V.1.- Parámetros de Denavit-Hartenberg para el movimiento de la flexo-extensión en torno al  plano sagital combinado con flexión en el codo 

Parámetros de Denavit-Hartenberg 

α 1 

90 

θ 0 

θ2-90 

θ3 

a 0 

L2 

L3 

d 0 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   101 

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Capítulo V 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

0 -0.2 

-0.4 

-0.6 

-0.8 -0.6  -0.4  -0.200.20.4 

Eje anteroposterior (m) 

Eje

vertical(m) 

Y0 

Juan Francisco Ayala Lozano 

0.6  0.8 

Figura V.10.- rea de trabajo del movimiento de la flexo-extensión en torno al plano sagital 

combinado con flexión en el codo 

La Figura V.11 muestra el modelo cinemático que se utiliza para de abducción de la articulación del 

hombro en torno al plano frontal junto con flexión del codo, como se observa los ejes Z1 y Z2 que 

son los ejes del movimiento rotacional quedan perpendiculares entre sí, por lo cual el movimiento se 

realiza en 2 planos; en la Tabla V.2 se muestran los parámetros obtenidos del modelo cinemático. 

Z0 

L1 

X0  Z1 

L2 X2 

Z2 

Y2 

L3 

X3 

Z3 Y3 

Figura V.11.- Movimiento de abducción de la articulación del hombro en torno al plano frontal 

 junto con flexión del codo Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   102 

X1 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

Tabla V.2.- Parámetros de Denavit-Hartenberg para el movimiento abducción del hombro en torno al plano frontal junto con flexión del codo 

Parámetros de Denavit-Hartenberg 

α 

1 2 

90 90 

θ 

0 θ2-90 

θ3 

0 L2 

L3 

0 0 

La Figura V.12 muestra el movimiento, este se realiza en los tres planos puesto que cada uno de los 

movimientos se realiza en un plano perpendicular al del otro movimiento, para tener una mejor  

visualización se muestra únicamente el volumen que se genera con las máximas longitudes tanto del 

 brazo y antebrazo. Acot: m 

0.5 

0 Ejevertical 

-0.5 

-1.0 0 

0.1 Eje 1 

0.2 anteroposterior   0.3 0 

0.2 0.4 

0.8 0.6 

Eje transversal 

Figura V.12.- rea de trabajo tridimensional 

La Figura V.13 muestra el modelo cinemático para la combinación de movimientos de flexo 

extensión en el eje vertical de la articulación del hombro con la flexión del codo, este movimiento se realiza previo movimientos de flexión en el plano sagital o abducción en torno al plano frontal, es 

 por ello que el origen de los sistemas coinciden sobre una línea horizontal y todos tienen la misma 

orientación. En la Tabla V.3 se muestran los parámetros obtenidos del modelo cinemático del 

 presente movimiento, mientras en la Figura V.14 se muestra el área de trabajo resultante de la 

combinación de los movimientos. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   103 

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Capítulo V 

Z0 

X0  L1 

Z1 

X1  L2 

Z2 

X2 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Z4 

L3  X3 

Y1 Y2Y3Y0 

Figura V.13.- Modelo cinemático del movimiento de flexo-extensión en el eje vertical del hombro y flexión del codo 

Tabla V.3.-Parametros de Denavit-Hartenberg del movimiento de flexo-extensión en el eje vertical del hombro y flexión del codo 

Parámetros de Denavit-Hartenberg 

α 

θ 

θ2 - 90 

θ3 

L2

 L3 

0.7 0.6 

0.4 Planoanteroposterior (m) 

0.2 

0 -0.2 

-0.4 

-0.6 

-0.8 -0.4  -0.2  0.20.40 

Plano transversal (m) 0.6  0.8 

Figura V.14.- Área de trabajo de flexiones combinadas del hombro y codo 

V.3.- Análisis por elemento finito de la estructura 

Se realizan las simulaciones estáticas en Ansys Workbench®, para verificar que estáticamente el 

diseño estructural soporta el trabajo al que será sometido, las cargas que se utilizaran son las 

obtenidas en el capítulo IV. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   104 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

Para la simulación se utilizan los siguientes datos: 

a) Aluminio 6061 (material de la estructura): 

Densidad= 2700 kg/m3; 

Módulo de elasticidad= 69500 MPa; 

Coeficiente de Poisson= 0.33; 

Esfuerzo de cedencia= 240 MPa. 

 b) Nylon (material para los cojinetes donde se apoya el miembro): 

Densidad= 1200 kg/m3; 

Módulo de elasticidad= 4 GPa; 

Coeficiente de Poisson= 0.4. 

c) La tornillería es ISO 4014 de Acero grado A tipo 8. 

 

 

 

 

Densidad= 7850 kg/m3; 

Módulo de elasticidad= 200 GPa; 

Coeficiente de Poisson= 0.3; 

Esfuerzo de cedencia= 600 MPa. 

d) Bronce SAE 62 (material de los bujes). 

o Densidad= 8820 kg/m3; 

o Módulo de elasticidad= 103400 MPa; 

o Coeficiente de Poisson= 0.341; 

o Esfuerzo de cedencia =520 MPa. 

Después de definir los materiales, se realizan las simulaciones considerando que el miembro superior será colocado en el ángulo 90° de la flexión en torno al plano sagital, ya que es la posición 

donde la estructura está sometida a la carga máxima debido a que se genera el mayor brazo de 

 palanca que se genera por la distancia desde donde son aplicadas las cargas respecto a las 

articulaciones principalmente a la del hombro. La teoría de falla para materiales dúctiles, con cargas 

estáticas aplicadas que se utiliza es la de Von Mises, además se analizaran las deformaciones que 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   105 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

sufre la estructura, para verificar que no sean grandes y por lo tanto no lleguen a afectar la medición 

de los sensores incorporados en los servomotores. 

Las primeras piezas en ser analizadas son los ejes de transmisión de movimiento, ya que se 

consideran que son los elementos más críticos por su geometría y la carga que le será aplicada,  posteriormente se analizaran el resto de los elementos, empezando con el segmento del antebrazo y 

 posteriormente se irán añadiendo uno a uno las secciones de acuerdo a como se establecieron en el 

capítulo IV. 

V.3.1.- Análisis de los ejes 

El eje que trasmite el movimiento del servomotor a la sección del antebrazo, es el primero en 

analizarse, el material de construcción es aluminio 6061 para todos los ejes, el motor seleccionado 

(Harmonic Drive FHA-11C) da un torque de 11 Nm, el resultado del torque aplicado es un esfuerzo 

de 7.41 MPa (Figura V.15) y la deformación es de 1.8 micras (Figura V.16) por lo que el material y 

la geometría elegidos son adecuados. 

Figura V.15.- Esfuerzo de von Mises resultante en el eje de flexión del antebrazo 

El segundo eje de transmisión que se analiza, es el que transmite el movimiento de flexo-extensión 

en el plano sagital y a la estructura del movimiento de abducción del hombro, el motor seleccionado 

(Harmonic Drive FHA-14C) para estos movimientos genera un torque de 28 Nm, el resultado del 

análisis demuestra que el esfuerzo es de 14.4 MPa (Figura V.17), la deformación que sufre el eje es 

de 0.016 mm (Figura V.18) siendo de forma radial al eje, esto se entiende porque el torque que se 

aplica en ese sentido. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   106 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura V.16.- Deformación total sufrida por el eje de flexión del antebrazo 

Figura V.17.- Esfuerzo de von Mises resultante en del 2do eje 

Figura V.18.- Deformación total sufrida por el 2do eje 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   107 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

El ultimo eje en ser analizado es el que une permite el movimiento de flexo-extensión horizontal, 

este es importante ya que además de transmitir el torque, es el que une a la estructura móvil con la 

 base, el servomotor elegido para este movimiento (Harmonic Drive FHA-14C) genera 28 Nm de 

torque, el resultado que se obtiene es un esfuerzo de 20.682 MPa (Figura V.19) y la deformación 

que sufre la pieza es de 0.004 mm (Figura V.20), con lo que al igual que los anteriores se concluye que la geometría y el material es el adecuado. 

Figura V.19.- Esfuerzo de von Mises resultante en el eje de flexo-extensión horizontal 

Figura V.20.- Esfuerzo de von Mises resultante en el eje de flexo-extensión horizontal 

V.3.2.-Analisis de la sección del antebrazo 

La primer sección en ser analizada es la del antebrazo, estas simulaciones dan como resultado los 

datos mostrados en la Figura V.21 el análisis de Von Mises indica que el esfuerzo máximo es de un 

valor de 16.596 MPa, localizado en el tornillo que bloquea o permite el desplazamiento para ajustar  

la longitud, valor menor al esfuerzo de cedencia de alguno de los materiales utilizados y la Figura Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior108 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

V.22 donde indica que la deformación es de 0.09 mm, que se presenta en la zona donde se coloca la 

correa que sujeta al antebrazo en la parte de la muñeca, este dato es importante ya que dentro de la 

sección no se puede tener una compensación que elimine la desviación que se genera. 

Figura V.21.- Esfuerzo de von Mises de la estructura del antebrazo 

Figura V.22.- Deformación total de la estructura del antebrazo 

V.3.3.- Análisis de la sección del brazo y antebrazo 

Después de analizar a la sección del antebrazo, se procede a añadir la sección del brazo; como 

resultado se obtiene un esfuerzo de von Mises 37.841 MPa, que se localiza otra vez en el tornillo 

que bloquea o permite el desplazamiento para ajustar la longitud de la estructura del antebrazo 

(Figura V.23); la deformación total da como resultado es de un valor de 0.3 mm (Figura V.24) 

localizado en la zona donde se encuentra las correas que sujetan la muñeca del paciente, esto se 

explica porque la sección de antebrazo y mano tiene su centro de gravedad en un zona próxima a la 

muñeca, y en este dispositivo no se cuenta con un soporte para la mano. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   109 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura V.23.- Esfuerzo de von Mises resultante de las 2 primeras secciones 

Figura V.24.- Deformación total sufrida por las 2 primeras secciones 

V.3.4.- Análisis de la estructura para la flexo-extensión en el plano sagital 

Para las secciones siguientes partir de la presente únicamente se utilizan las fuerzas inducidas en las 

secciones estructurales del brazo y antebrazo, es decir el peso del miembro superior, así como 

considerar el peso propio de la estructura. 

Los resultados del análisis muestra que la deformación resultante de von Mises señalan un valor  

máximo de 39.124 MPa (Figura V.25) que se presenta de nuevo en el tornillo del sistema de ajuste 

de longitud del antebrazo, la deformación total máxima es de 0.5 mm (Figura V.26) siguiendo al 

igual que los análisis anteriores en la zona de al correo que sujeta la muñeca. 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura V.25.- Esfuerzo de von Mises resultante de 3 secciones de la estructura 

Figura V.26.- Deformación total sufrida por 3 secciones de la estructura 

V.3.5.- Análisis de la estructura de abducción del hombro en el plano coronal (frontal) 

En esta sección se añade la estructura donde se coloca el servomotor que controla el movimiento de 

la abducción, así como el eje que soportara todo el peso del sistema; ésta es importante el análisis ya 

que se ve involucrada toda la estructura que se ve involucrada en el movimiento del miembro 

superior; los resultado de los análisis muestran un esfuerzo de von Mises resultante de 95.242 MPa 

(Figura V.27) valor que no pasa el 50% del esfuerzo de cedencia que es lo recomendable; la 

deformación total indica que es de 1.43 mm (Figura V.28) se presenta en la zona del antebrazo y se 

 presenta en el eje vertical; el valor ya es considerable pero hay que notar que el diseño sistema no es 

un elemento completo sino que está formado por eslabones y que los análisis de la sección del 

antebrazo y brazo muestran valores pequeños, entonces este valor se corrige con el uso de los 

servomotores y los sensores. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   111 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura V.27.- Esfuerzo resultante considerando 4 secciones del dispositivo 

Figura V.28.- Deformación total considerando 4 secciones del dispositivo 

V.3.6.- Análisis de la sección superior del dispositivo 

En éste análisis se consideran todas las piezas que intervienen en el movimiento de rehabilitación 

que se le proporcionara al paciente, se toma en cuenta hasta la pieza que está en contacto con la 

columna de elevación. 

Los análisis realizados demuestran que la estructura superior del dispositivo está sometido a bajos 

esfuerzos, como lo muestra la Figura V.29, donde el esfuerzo de von Mises es de 109.08 MPa y se 

 presenta en los rodamientos de la mesa deslizable, la deformación total es de 1.52 mm (Figura 

V.30), pero no es preocupante ya que se presenta en la zona de la sección del antebrazo. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   112 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura V.29.- Esfuerzo resultante de la sección superior del dispositivo 

Figura V.30.- Deformación total de la sección superior del dispositivo 

V.3.7.- Análisis de la base del dispositivo 

El último análisis que se realiza corresponde a la sección de la base, aquí se analiza que el diseño de 

la estructura sea capaz de soportar todo el peso de la sección superior y de la peso del miembro 

superior del paciente, parámetro que se cubre fácilmente ya que el esfuerzo al que es sometido es de 

apenas 7.07 MPa (Figura V.31) y la deformación que sufre es 0.006 mm (Figura V.32) considerando 

que la parte superior pesa por si sola 19.467 Kg aproximadamente sin considerar el peso del 

miembro superior del paciente. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   113 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura V.31.- Esfuerzo resultante en la base del dispositivo 

Figura V.32.- Deformación total sufrida por la base del dispositivo 

V.4.- Análisis de resultados 

Los resultados obtenidos de los análisis indican que los materiales y la geometría seleccionados 

soportan las condiciones de trabajo ya que en ningún caso se pasa el 50 % del límite de cedencia de 

cada uno de los materiales seleccionados, si bien es cierto que en algunos casos la deformación es 

considerable, esto se presenta en los análisis donde ya se encuentra la estructura completa del 

exoesqueleto que soportara al miembro superior y basándose en los estudios anteriores de las 

 primeras secciones (primordialmente el de la sección del antebrazo donde la deformación es muy 

 pequeña) estos desplazamientos se eliminan con el sistema de control y posicionamiento de los 

servomotores, ya que cabe recordar que en las zonas donde se acoplan los ejes existen rodamientos 

con la finalidad de eliminar rozamiento el movimiento sea más suave, pero eso mismo ocasiona que 

la estructura del exoesqueleto tienda a girar por su propio peso. Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   114 

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Capítulo V  Juan Francisco Ayala Lozano 

El área y volumen de trabajo que se obtuvo a partir de obtener la cinemática que presenta el 

dispositivo son compatibles con los que desarrolla el miembro superior de una persona, mediante 

una comparación realizada entre las trayectorias obtenidas en este capítulo y las del capítulo III. 

V.5.- Sumario 

En el presente capítulo se analiza en primera instancia las trayectorias que describe el exoesqueleto, 

 primero en movimientos individuales y posteriormente combinando uno del hombro con la 

flexoextensión del codo para compararlos contra lo recopilado en el capítulo III; también se muestra 

las configuración que debe adoptar el exoesqueleto para poder realizar los movimientos. 

Posteriormente se analizan la estructura mediante elemento finito, en este caso se utiliza Ansys ®, 

 para verificar que soportara las condiciones de trabajo; el análisis se desarrolla por secciones, 

inicialmente se analizan los ejes de transmisión de movimiento, una vez verificados estos, se 

 procede a la analizar la estructura iniciando con el antebrazo, y posteriormente se va analizando una 

a una el resto de las secciones hasta llegar a la sección que permite el desplazamiento lateral de la 

estructura, por separado se analiza la base. 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   115 

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Capítulo VI.- 

Manufactura 

Imagen obtenida de la galería de imágenes prediseñadas de Office Word 2007 ® 

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Capítulo VI 

VI.1.- Introducción 

Juan Francisco Ayala Lozano 

El objetivo final del diseño mecánico es llegar a obtener el producto físicamente, éste debe ser de 

acuerdo a las características plasmadas en las etapas anteriores, para ello es necesario conocer los 

 parámetros necesarios para el maquinado, así como el producto resultante. 

VI.2.- Maquinado 

En la etapa de diseño conceptual se mencionaron los materiales que se utilizarán para la 

construcción, la mayor parte de la estructura se considera al aluminio 6061, las piezas que son de 

este material por su geometría deben ser maquinadas en fresadora a excepción de los ejes ya que en 

este tipo de maquinado se obtiene casi cualquier superficie aunque principalmente son superficies 

 planas; las piezas de bronce son los bujes; la carcasa del dispositivo son láminas de aluminio. 

VI.2.1.- Fresado 

Cuando se utiliza una máquina-herramienta para manufacturar una pieza se debe considerar varios 

 parámetros como son: 

Profundidad de corte.- es la distancia va entrar el cortador en el material, esta longitud 

depende del material de la pieza y del acabado que se pretenda obtener, se recomienda 

máximo de 6 mm con un cortador de Acero a alta velocidad (HSS) para desbaste y un 

máximo de 0.5 mm para acabado. 

Velocidad de corte.- La velocidad con la que se mueve la pieza contra el cortador al 

arrancar la viruta, para el Aluminio 6061 es de 300 m/min, y cortador HSS. 

 Numero de revoluciones (RPM) de la herramienta.- es la velocidad a la que debe girar el 

cortador para realizar un maquinado sin problemas, y viene dado por la Ecuación VI.1 

VI.1 

Dónde: 

v = velocidad de corte en m/min 

d = diámetro de fresa en mm 

n = número de revoluciones de la fresa por minuto 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   117 

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Capítulo VI  Juan Francisco Ayala Lozano 

Velocidad de avance.- Es el recorrido que realiza la mesa fresadora en un minuto; para 

el Aluminio 6061 es de 0.3 mm/vuelta por cada uno de los dientes que contenga el 

cortador y sea de HSS. 

VI.2.2.- Torneado Los ejes son de aluminio y se obtienen bajo toreado, los parámetros son: 

Profundidad de corte.- Se recomienda máximo de 2 mm con un cortador de Acero a alta 

velocidad (HSS) para desbaste y un máximo de 0.5 mm para acabado. 

Velocidad de corte.- Para el Aluminio 6061 es de 400 m/min, y cortador HSS. 

 Numero de revoluciones (RPM) de la herramienta.- es la velocidad a la que debe girar el 

cortador para realizar un maquinado sin problemas, se calcula de forma similar al 

realizado para la fresa (Ecuación VI.1). 

Velocidad de avance.- Para el Aluminio 6061 es de 0.5 mm/vuelta para un cortador de 

HSS. 

VI.3.-Roscado 

Las roscas internas realizadas mediante el uso de machuelos que corresponde a la cuerda deseada, 

necesita de una operación anterior, que corresponde a realizar un barrenado; en el diseño se ocupa 

una cuerda M5, que corresponde a una cuerda milimétrica, para ello la norma métrica internacional 

francesa [VI.1] da las características que se muestran en la Tabla VI. 

Tabla VI.1.- Brocas para machuelos de cuerda métrica [VI.1] Diámetro nominal 

(mm) 

Paso (mm)  Broca (mm) 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   118 

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Capítulo VI 

VI.4.- Construcción del prototipo 

Juan Francisco Ayala Lozano 

El prototipo se realiza con la finalidad de tener el diseño físicamente, en este caso se construyó la 

estructura en madera y limitándose únicamente a las secciones que se ven involucradas en los 

movimientos que deben ser transmitidos al miembro superior, es decir, la sección de la base no se 

construyó; se construyó en secciones de acuerdo a lo visto en el capítulo IV. 

La primer sección es la del antebrazo, la cual al ser una sección ajustable en longitud, se realizan 

tres subsecciones, como se puede observar en la Figura VI.1 inciso a, el inciso b muestra la sección 

en la longitud mínima y el inciso c lo hace de la longitud máxima; las correas se mostraran mas 

adelante. 

a)   b) 

c) 

Figura VI.1.- Sección del antebrazo. a) Subsecciones, b) Longitud mínima, c) Longitud máxima 

La segunda sección es la del brazo, este se construye de forma análoga a la del antebrazo, es decir, 

en tres subsecciones (Figura VI.2 inciso a) para poder realizar la función telescópica, en el inciso b 

se muestra la longitud mínima que puede obtener la sección mientras que en el c se presenta la 

longitud máxima. Las correas sujeción que se utilizan para sujetar el miembro superior a la 

estructura se unen mediante velcro, y están rellenas de un material esponjoso para mayor comodidad 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   119 

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Capítulo VI  Juan Francisco Ayala Lozano 

del paciente. Es resto de las secciones que cumplen con cada uno de los tres grados de libertad del 

hombro se muestran en la Figura VI.4. 

a) 

 b) 

c) 

Figura VI.2.- Sección del brazo. a) Subsistemas, b) Longitud mínima, c) Longitud máxima 

Figura VI.3.- Correas de sujeción 

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Capítulo VI  Juan Francisco Ayala Lozano 

Figura VI.4.- Secciones de la estructura del hombro 

La estructura que abarca desde el eje para el movimiento de flexoextensión en el plano horizontal 

hasta el antebrazo, es decir, la estructura útil se muestra ensamblada en la figura VI.5. En la figura 

VI.6 se observa la estructura del exoesqueleto colocada en una base, en la que se considera que es la 

 posición inicial recomendada para las terapias de rehabilitación. 

Figura VI.5.- Estructura que contempla todos los GDL del dispositivo 

Figura VI.6.- Estructura completa colocada en un soporte Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   121 

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Capítulo VI  Juan Francisco Ayala Lozano 

VI.5.- Sumario 

Los parámetros obtenidos para el maquinado de las piezas sirven para comenzar el maquinado, pero 

sobre el proceso se deben aplicar cambios para regular las revoluciones de giro de la pieza en caso 

del torneado o de la herramienta en el fresado, ya que puede ser que las velocidades seleccionados sean demasiado altas o caso contrario donde la velocidad sea pequeña lo que ocasionara que el 

maquinado no sea uniforme; aunque también hay que verificar el filo de la herramienta de corte ya 

que también es un punto importante que se debe cuidar en cualquier maquinado. 

Se construyó la estructura del dispositivo abarcando desde la zona del antebrazo hasta la sección del 

movimiento de flexoextensión en al plano transversal, con la finalidad de verificar que físicamente 

el exoesqueleto puede cumplir con los rangos de movimiento de acuerdo a lo establecido en la etapa 

de diseño ya que es el punto primordial del presente trabajo, así como ser capaz de ajustarse a 

diferentes longitudes, esto principalmente en el sistema de riel barrenado que su utiliza para este fin, 

y que en físico cumple satisfactoriamente con ese punto. 

VI.6.- Referencias 

1. Labrado Razo, C. E. y Mota Guzmán, A., Apuntes de tecnología mecánica, Centro de Estudios 

Científicos y Tecnológicos “Miguel Bernard Perales”, Instituto Politécnico Nacional, pp 72, 

2004. 

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Conclusiones 

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Conclusiones  Juan Francisco Ayala Lozano 

Durante la realización del presente trabajo se determinó que los exoesqueletos se dividen en 2 

categorías principalmente de acuerdo al segmento del cuerpo donde son utilizados, siendo así para 

miembro superior o miembro inferior; otra clasificación se basa en la finalidad para la que son 

utilizados dividiéndose en este caso en de rehabilitación y amplificadores de potencia; como 

resultado de la combinación de las categorías anteriores surgió los exoesqueletos para rehabilitación de miembro superior, dichos dispositivos han tenido un aumento importante en su estudio y 

desarrollo, ocasionado por el aumento de enfermedades discapacitantes que se han originado con el 

tipo de vida actual, pero lamentablemente han sido principalmente en Europa y Estados Unidos de 

América los que tomen la iniciativa; las diferencias antropométricas entre la población de estos 

 países y la de México son significativas, desatancando principalmente las dimensiones de las 

extremidades, puesto que la de ellos son más grandes, lo que puede llegar a dañar más a los 

 pacientes nacionales que ocupen estos dispositivos, ya que al tener movimientos con diferentes 

centros de rotación, se ocasionan desviaciones en el movimiento donde la estructura de mayor  

fuerza (el dispositivo) obliga a la otra (miembro del paciente) a acoplarse a la trayectoria que él 

describe. 

Los exoesqueletos de miembro superior consideran principalmente las 5 secciones (excluyendo la 

mano) que componen el miembro superior y que corresponden a las articulaciones del hombro, 

codo y muñeca así como a los segmentos del brazo y antebrazo, asignándoles grados de libertad 

(GDL) con la finalidad de poderlos reproducir y sobre todo controlar, de esta forma se tienen 3 GDL en el hombro (pero no incluyen la flexoextensión horizontal), 1 al brazo, 1 al codo y 2 a la muñeca. 

El miembro superior humano se puede modelar de forma cinemática mediante el uso de teorías y 

técnicas aplicadas a manipuladores robóticos, gracias a que estos últimos has sido diseñados 

 basándose en la estructura anatómica humana, de tal forma que así podemos obtener parámetros que 

nos ayudan en la conceptualización del dispositivo. 

El utilizar una herramienta de diseño es de gran utilidad ya que permiten tener una mejor visión de 

los parámetros que se deben cumplir, apoyados en la clasificación que realiza, posteriormente se 

realiza un análisis funcional donde se descompone en funciones más específicas, esto con la 

finalidad de identificar cuáles son las posibles soluciones que pueden satisfacer adecuadamente a 

cada una de la subfunciones para al final obtener la solución general; la elección o no de estos 

soluciones se realiza apoyado en filtros, en caso específico del Blitz QFD se deben aplicar 4, si estos Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior124 

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Conclusiones  Juan Francisco Ayala Lozano 

se aplican de forma adecuada al final se tendrá un diseño conceptual adecuado que cumpla 

totalmente con los requisitos establecidos, y solo se tendrá que validar ya en la etapa de diseño a 

detalle. 

En el diseño a detalle se evalúan las piezas más críticas de la estructura en una primera instancia con la finalidad de verificar que soportar las cargas a las que serán sometidas durante su uso, una vez 

verificadas esas piezas se procede a analizar la estructura, se decidió realizar el análisis por etapas 

 para ir verificando el comportamiento de cada una de ellas tanto en deformación como en el 

esfuerzo que presenta, para de esta forma visualizar mejor el comportamiento de cada de una de las 

secciones. 

La manufactura no es un proceso sencillo, ya que se ven involucrado muchos factores, 

 principalmente económicos y el acceso a la tecnología adecuada para poder obtener las piezas de 

acuerdo a lo diseñado, por ello el diseñador debe conocer esto previamente para que la geometría 

sea lo más fácil de maquinar pero que esto no impida que la estructura cumpla con los parámetros 

especificados, incluido el tiempo de vida y la capacidad de soportar las cargas a las que será 

sometida durante las sesione de trabajo, en este caso, durante las terapias de rehabilitación. 

Se construyó la estructura para poder verificar físicamente si cada uno de las secciones que se ven 

involucradas en los movimientos del hombro y codo se comportaban de acuerdo a lo establecido en el programa de dibujo utilizado y que efectivamente así sucede, principalmente el sistema de freno 

que se utiliza para permitir o no la elongación de la estructura del antebrazo y brazo. 

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Trabajos 

futuros 

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Trabajos Futuros  Juan Francisco Ayala Lozano 

El resultado obtenido en esta tesis cumple con los objetivos establecidos para el mismo, sin 

embargo, es sólo la etapa inicial por esa razón, los trabajos a futuro que se establecen son: 

Diseñar la etapa de control eléctrico-electrónico.- En este trabajo se utilizaran dos tipos de 

servomotores de la empresa Harmonic Driver (11C y 14C) que se eligieron por su tamaño reducido y el torque que pueden producir, además de contar con un encoder incluido que da la 

 posición angular de salida, por lo cual es necesario tomar esas señales y procesarlas para poder  

obtener la velocidad a la que está trabajando y modificarla en caso de no ser la correcta, 

además también debemos considerar el suministro eléctrico incluyendo la columna 

telescópica. 

Realizar la interfaz máquina-hombre para que el terapeuta pueda realizar la programación de 

las rutinas de rehabilitación.- Se recomienda que realizar un programa para computador que 

debe contener en primera instancia la capacidad de seleccionar si el miembro que se va a 

rehabilitar es el izquierdo o el derecho, enseguida debe aparecer un historial para que el 

terapeuta pueda visualizar el avance que va teniendo el paciente o poder iniciar uno nuevo en 

caso de ser un nuevo paciente, posteriormente debe aparecer un contador para saber número 

de repeticiones que lleva en la sesión el paciente, además de monitorear la velocidad y el 

desplazamiento angular que va sucediendo. 

Agregar más grados de libertad. Este mecanismo se enfoca en los 3 GDL principales del 

hombro además del que presenta el codo, pero con la finalidad de generar más movimientos 

 para acercarse al movimiento natural que tiene el miembro superior y todas sus capacidades de 

movimiento, agregar el grado de libertad de pronosupinación del miembro superior de forma 

activa. 

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Anexos 

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Anexos 

Anexo A.- Servomotores 

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Anexos 

Anexo B.- Rodamientos 

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Anexos  Juan Francisco Ayala Lozano 

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Anexos  Juan Francisco Ayala Lozano 

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Anexos  Juan Francisco Ayala Lozano 

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Anexos  Juan Francisco Ayala Lozano 

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Anexos 

Anexo C.- Columna telescópica 

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Anexos  Juan Francisco Ayala Lozano 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   136 

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Anexos 

Anexo D.- Normas para tornillería 

(Obtenida del catálogo de productos normalizados de WASI NORM) 

Juan Francisco Ayala Lozano 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   137 

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Anexos  Juan Francisco Ayala Lozano 

Diseño Mecánico de un Exoesqueleto para Rehabilitación de Miembro Superior   138 

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Anexos 

Anexo D.- Publicaciones derivadas 

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Planos 

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