Diseño de un exoesqueleto demiembro superior
Alfredo José Sanabria Solano
Proyecto de investigación:
Ingeniería Biomédica
Universidad Manuela Beltrán
Facultad de Ingeniería Biomédica
Bogotá, D.C., Colombia
Febrero
2012
Diseño de un exoesqueleto demiembro superior
Alfredo José Sanabria Solano
Proyecto de investigación:
Ingeniería Biomédica
Profesor:
Ingeniero Carlos Montenegro Perez
Universidad Manuela Beltrán
Facultad de Ingeniería Biomédica
Bogotá, D.C., Colombia
Febrero
2012
Autoridades Academicas
Dr. Jaime Luis Gutierrez Giraldo
Rector
Dr. Juan Carlos Tafur
Vicerrector Academico
Ing. Manuel Humberto Jimenez
Vicerrector de investigaciones
Ing. Diana Estefy Gutierrez Galvis
Decana facultad de ingenierías
Directora del programa de Ingeniería Biomédica
Ing. Javier Villamizar Ramirez
Coordinador de investigaciones
Nihil est in intellectu quod prius non fuerit in sensu. Locke
El empirismo puro no es más que el deseo de sentir la felicidad de saber quellegaste por tus propios métodos a un resultado quizá predecible pero no tan emo-cionante. Saber lo que quieres y buscar el camino para conseguirlo es parte de lamayor enseñanza que he podido recibir. Las herramientas que tengo son mi espírituy mi curiosidad impasible. Mi mayor anhelo es nunca dejar de sorprenderme. Y -nalmente mi mayor lección:
Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo. Albert Ein-
stein
Nota de Aceptación
Firma del presidente del jurado
Firma del jurado
Firma del jurado
Firma del jurado
Firma del jurado
Tabla de contenido
1. Descripción del proyecto 10
1.1. Planteamiento de problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2. Pregunta problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3. Justicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5. Delimitaciones del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2. Estado del arte 13
3. Metodología 16
4. Resultado del diseño mecánico 20
4.1. Antropometría . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2. Diseño Estructural Cinemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.3. Denición de la tecnología del actuador a emplear . . . . . . . . . . . 234.4. Diagrama de fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.5. Diseño Estático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.6. Diseño Dinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5. Resultados del diseño electrónico de la captura de las señales 40
5.1. Características generales de la onda miográca. . . . . . . . . . . . . 405.2. Diagrama de etapas del equipo de captura de las señales electro-
miográcas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.3. Localización de los electrodos de captura . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6. Resultados del procesamiento digital de las señales electromiográcas 50
6.1. Etapas del procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506.2. Resultados de la implementación del algoritmo . . . . . . . . . . . . . 54
7. Resultados de los Sistemas de movimiento del exoesqueleto 56
7.1. Modelamiento del control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567.2. Implementación y selección de componentes. . . . . . . . . . . . . . . 567.3. Resultados del diseño del control de movimiento . . . . . . . . . . . . 59
5
8. Discusión y Conclusiones 62
9. Comentarios 64
Bibliografía 65
10.Anexos 68
10.1. Planos del exoesqueleto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6810.2. Análisis y resultados por elementos nitos . . . . . . . . . . . . . . . 6910.3. Cálculos y diagramas Filtros Electrónicos . . . . . . . . . . . . . . . . 7110.4. Fotografías y diseños nales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6
Lista de Figuras
3-1. Esquema de evolución de la metodología seguida para alcanzar el nde este proyecto. Cada una de estas etapas se ven diferenciadas entresí por los recuadros de colores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4-1. Escaneo láser del molde del hombro del sujeto. . . . . . . . . . . . . . 224-2. Detalle de la malla generada por el escaneo del molde del hombro del
sujeto.[32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234-3. Tipos de articulaciones del cuerpo humano. [26] . . . . . . . . . . . . 244-4. Categorías de las articulaciones del cuerpo [26] . . . . . . . . . . . . . 254-5. Campo de Acción del exoesqueleto con delimitaciones de los ángulos
de las articulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264-6. Diagrama de Cuerpo Libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274-7. Conjunto de piezas que forman la estructura del antebrazo . . . . . . 284-8. Conjunto de piezas que forman la estructura del brazo . . . . . . . . 294-9. Diagrama de ensamble del Antebrazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304-10.Análisis del antebrazo con una carga de 1000 N y una fuerza del
actuator equivalente a 400 N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324-11.Estructura cinemática del exoesqueleto (ver deniciones de los cuer-
pos en la tabla 4-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334-12.Estructura cinemática del antebrazo (ver deniciones de los cuerpos
en la tabla 4-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344-13.Diagrama de cuerpo libre, geométrico del antebrazo. . . . . . . . . . . 354-14.Representación gráca de la ecuación cinemática del movimiento del
antebrazo.[25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374-15.Representación gráca del ángulo θ versus la longitud L del actuador
[25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384-16.Representación gráca de la variación de la longitud del actuador en
función del tiempo y de la velocidad lineal.[25] . . . . . . . . . . . . . 384-17.Representación gráca de la variación del ángulo θ versus el tiempo
y la velocidad lineal del actuador.[25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394-18.Representación gráca de la velocidad del actuador vs tiempo.[25] . . 39
5-1. Señal Electromiográca del Peroneo [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7
5-2. Diagrama de Bode del ltro rechazabanda de 60Hz. . . . . . . . . . . 445-3. Diagrama de Bode del ltro rechazabanda de 120Hz. . . . . . . . . . 445-4. Diagrama de Bode del ltro Pasabanda de 20 a 500Hz. . . . . . . . . 455-5. Esquema del montaje del ltro pasabanda de 20 a 500 hz. . . . . . . 455-7. Esquemático del circuito de amplicación . . . . . . . . . . . . . . . . 455-6. Circuito impreso de los ltros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465-8. Principales ejes de acción de los musculos del codo durante la exión
y extensión[22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475-9. Posiciones de la articulación del hombro durante la abducción[22] . . 485-10.Localización de los puntos de máxima actividad del Biceps . . . . . . 495-11.Localización de los puntos de máxima actividad del deltoides . . . . . 49
6-1. Diagrama de bloques del procesamiento digital de la señal . . . . . . 516-2. Codigo en labview para la digitalización de la señal de EMG . . . . . 526-3. Código en labview para el procesamiento y activación del pulso de
activación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546-4. Grácas de la contracción obtenidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546-5. Pulso (verde) de activación debido a una contracción (Blanco) en
referencia a un voltaje de comparación (Rojo) . . . . . . . . . . . . . 55
7-1. Diagrama de bloques del sistema neumático . . . . . . . . . . . . . . 567-2. Diseño esquemático del sistema de aislamiento digital y potencia. . . 577-3. Circuito neumático del sistema de movimiento[33] . . . . . . . . . . . 587-4. Músculo de aire extendido [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597-5. Músculo de aire contraido [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597-6. Tabla de relaciones de carga en función del diámetro del músculo de
aire. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607-7. Circuito nal del sistema de aislamiento[5] . . . . . . . . . . . . . . . 61
10-1.Reporte de cálculos para el ltro Notch de 60 Hz[20]. . . . . . . . . . 7110-2.Reporte de cálculos para el ltro Notch de 120 Hz[20]. . . . . . . . . . 7510-3.Reporte de cálculos para el ltro Pasabanda de 20 a 500 Hz[20]. . . . 79
8
Lista de Tablas
4-1. Medidas estándar de un percentil 50 en latinoamérica [6]. . . . . . . . 214-2. Comparación de los diferentes tipos de actuadores [4]. . . . . . . . . . 254-3. Parámetros que el proyecto exige para la selección del material . . . . 294-4. Deniciones para cálculo de ecuaciones cinemáticas . . . . . . . . . . 324-5. Deniciones de los cuerpos implicados en la estructura cinemática del
exoesqueleto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
9
Capítulo 1
Descripción del proyecto
1.1 Planteamiento de problema
Los dispositivos, que buscan incrementar las capacidades físicas de los individuos,hacen parte de los sueños y demás desarrollos que tiene la ciencia de la biomedicina,en combinación con la industria del entretenimiento y la militar. Los socorristas almomento de brindar ayuda a una víctima, requieren desplazar escombros o movi-lizarse. El no tener una capacidad de carga elevada impide que se genere una res-puesta inmediata, impidiendo ofrecer asistencia o adoptar medidas que disminuyanel riesgo de la víctima y de los mismos socorristas. Al momento de evaluar el temaen Latinoamérica, nos topamos con un número limitado de investigaciones en esteárea, más aún en Colombia. Las principales universidades de Estados Unidos y deEuropa cuentan en la actualidad con un número elevado de grupos de investigaciónenfocados en este campo. Cada una de estas investigaciones se caracteriza por lalinea de actuadores que se escoge para realizar el movimiento.
1.2 Pregunta problema
¾Qué dispositivo se puede crear, para incrementar la capacidad de carga de losbrazos de los integrantes del cuerpo de socorro en Colombia?
1.3 Justicación
La probabilidad de supervivencia debido a un trauma ya sea en un accidente au-tomovilístico y/o debido a una catástrofe natural, es directamente proporcional altiempo de respuesta de los organismos de socorro [21]. Llegado el momento en quelos socorristas están en campo y la catástrofe exige que ellos deban atender diferentestareas simultáneamente, el uso de dispositivos que realcen las capacidades físicas de
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ellos, resulta imperativo para aumentar las probabilidades de supervivencia de todaslas víctimas, sin embargo el cuidado y la salud propia de los socorristas es un factorvital para el éxito de la misión. Miles son los casos en los que los cuerpos de socorrodeben dar de baja a sus propios socorristas, ya que estos han sufrido accidentes dondese ven comprometidos sus extremidades y sus capacidades de carga, fuerza etc... [21].
Disminuir estos casos es indispensable para la continuidad del cuerpo y para laeconomía del mismo, ya que cada caso de accidente durante un rescate, resulta igualde costoso que salvar a la misma víctima.
Proponer el diseño de un dispositivo que construido pueda ser considerado comoun elemento que le permita a los socorristas efectuar una respuesta inmediata, quedesarrolle una fuerza superior a la de un brazo no entrenado, resulta una herramien-ta que beneciaría tanto a la víctima como al cuerpo de socorro.
Finalmente y no menos importante es la maniobrabilidad y capacidad de trans-porte de los elementos anteriormente mencionados. Se ha observado como, llegadoel momento de emplear fuerzas no humanas durante un rescate, resulta en el uso deretro-excavadoras, cargadores entre otros elementos, de gran tamaño, que principal-mente tienen un movimiento brusco y descontrolado. De igual modo estos equiposno pueden ser transportados fácilmente por el cuerpo de socorro, pero tienen queser llevados al sitio por personas externas y cuyo entrenamiento en el uso de estosno prioriza el rescate de la víctima; pero sí, el movimiento de elementos de granpeso y volumen. Por estas razones, crear un dispositivo que pueda ser transportadoligeramente y que incremente la capacidad de carga de un socorrista, se torna en unreto útil y de gran valor para estos cuerpos.
1.4 Objetivos
1.4.1. Objetivo General
Diseñar un exoesqueleto con un sistema de actuadores, que incrementen la ca-pacidad de fuerza del miembro superior derecho, cuyo movimiento sea controladomediante la captura y procesamiento de señales electromiográcas.
1.4.2. Objetivos Especícos
Diseñar la estructura del exoesqueleto usando herramientas CAD (Solidworks- CosmosWorks)
Diseñar el sistema de control electrónico de movimiento del exoesqueleto.
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Diseñar los electromiógrafos requeridos para la captura de los impulsos eléc-tricos musculares, necesarios para la activación del sistema de movimiento
Escoger el mejor sistema de actuadores (neumático, hidráulico, eléctricos, elec-trónicos) para un sistema de exoesqueleto Humano.
Escoger los materiales que cumplan con los requerimientos del exoesqueleto
1.5 Delimitaciones del proyecto
El diseño debe ser portátil sin embargo, debe poseer un soporte a tierra paraque la carga a levantar, no recaiga en la espalda del usuario de este prototipo
El diseño contempla únicamente dos (2) Grados de libertad ya que es la primeraface del diseño de un exoesqueleto general de cuerpo completo, desarrollos quese pueden realizar en el transcurso de los siguientes semestres con la ayuda deestudiantes de ingeniería Biomédica de la Universidad.
El presente proyecto es una propuesta documentada base para que otro grupode estudiantes realice su montaje y pruebas físicas.
El presente diseño se limita a incrementar la capacidad de carga de un miembrosuperior derecho, de un hombre de características antropométricas cercanas alpercentil 50, en Colombia.
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Capítulo 2
Estado del arte
El mito de unir una máquina con el ser humano, no es solo ciencia cción mod-erna, ni mucho menos. Desde los mismos inicios de la medicina, ya se contemplabaintercambiar funciones del cuerpo humano, por máquinas que permitieran suplirlas mismas. Un gran ejemplo de esto es un lugubre pero increible compendio deortesis y protesis funcionales del siglo XVI, Oplomoclion de Hyeronunys Fabriciusd'Acquapendente (Italia) de 1592 [7].
La evolución de la tecnología trajo consigo un salto en los diseños de los exoesquele-tos, llegando a la actualidad donde múltiples universidades y entidades del mundo,están desarrollando investigaciones de gran contenido cientíco y de ingeniería [1].Entre las investigaciones actuales se pueden encontrar:
1. Creador: Instituto de Nanotecnologia para soldados y MIT (Instituto Tec-nológico de Massachussets)Objetivo: Levantar 5 toneladasEstreno: 2018El químico llamado Timothy Awager y el ingeniero Ian Hunter fueron loscreadores de un polímero que puede contraerse como si se tratara de unacordeón, gracias a descargas eléctricas. En las pruebas los actuadores quefueron fabricados con este material, tuvieron fuerza 100 veces mayor a las delos músculos de los seres humanos.
2. Creado: MIT y Raytheon Sarcos (RS)Objetivo: Correr como un atletaEstreno: 2013Hugo Herr, experto en ortopedia del MIT ha podido fabricar tobillos, rodillasy caderas que ayudan a economizar energía. De la misma forma que lo hacemosal caminar; el operador puede balancear sus piernas con total libertad en lugarde generar cada movimiento por separado. RS rediseña los tobillos para quela persona que los use pueda reimpulsarse con el dedo gordo del pie y pueda
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correr a más de 10 Km./h, como lo hacen en la actualidad.
3. Creador: ISN y Centro de investigación, desarrollo e ingeniería de Natick (Es-tados Unidos)Objetivo: Sanar automáticamenteEstreno: 2018Cuando un soldado fuera herido, unos sensores de su traje tendrían la ca-pacidad de identicar la pérdida de sangre para aplicar, por medio de venasarticiales, agentes coagulantes en las heridas. A través de estos sensores cabela posibilidad de monitorizar su presión sanguínea y el ritmo cardiaco desdeun centro medico remoto.
4. Creador: Raytheon SarcosObjetivo: Intercambio rápido de funcionesEstreno: 2009Con un juego de mandos en el antebrazo se podrían realizar más fácilmente unaserie de acciones especícas. Un boton de desconexión le permitiría al soldadoliberarse en caso de emergencia. Otro botón le daría un impulso energéticoque le permitiría hacer acciones intensas en un corto periodo de tiempo, paraque, por ejemplo,puedan salir de la zona de combate. Los soldados podríantambién congurar el traje para marchas a larga distancia.
5. Creador: J.M. Grosso, Miembro, IEEE , y D. Tibaduiza, Miembro, IEEEObjetivo: Asistir en la rehabilitación del miembro inferior [19]Estreno: 2009Durante el segundo congreso de mecatrónica se presentó este diseño conceptu-al de la Universidad Autónoma de Bucaramanga en la que se destaca el uso deExoesqueleto para suplir la fuerza de pacientes en la realización de ejerciciosde rehabilitación controlada.
El diseño de Exoesqueleto en Colombia, se ha orientado mucho al diseño de ins-trumentos para suplir las necesidades de fuerza y movimiento de los pacientes quesufren de lesiones, que los llevan a rehabilitación. Este tipo de dispositivos de igualmodo llamados exoesqueletos, tienen el objeto de suplir o ayudar a las personas quelos emplean en sus movimientos, sin embargo este tipo de exoesqueleto sigue siendoun tipo de dispositivo anclado a un sistema de laboratorio, lo cual impide que estesea llevado o transportado por su operador. Teniendo en cuenta uno de los objetivosde este proyecto se desea entonces enfocar en la portabilidad del sistema y proyectartodo el montaje a cumplir con este objetivo.
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Cada uno de estos avances tecnológicos e investigaciones tienen enfoques únicos ymuy precisos, sin embargo se cuenta con una amplia gama de investigadores de di-versas especialidades. Con el n de darle un enfoque al presente trabajo, basándonosen cada uno de los avances aquí citados, el exoesqueleto que aquí presentaremos bus-ca realzar de manera portátil la capacidad de carga de un brazo, empleando diseñosnovedosos en el ámbito de la neumática y aplicando especícamente los avances enelectromiografía funcional supercial.
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Capítulo 3
Metodología
Metodológicamente, el presente diseño siguió una estructura cronológica. El es-quema de desarrollo se presenta en la gura 3-1.El proyecto se desarrolla en 4 etapas denidas de la siguiente manera:
1. Etapa de denición del proyecto
2. Etapa de delimitación del proyecto
3. Etapa de desarollo e investigación
4. Etapa de documentación
A su vez, la etapa de desarrollo e investigación está compuesta de cuatro grandeslineas.
Diseño mecánico
Diseño electrónico
Diseño de procesamiento digital de señales
Diseño del movimiento del exoesqueleto
En cada una de estas grandes lineas, el diseño se desarrolló en tres faces. Unaprimera face de recolección de información y teoría, una segunda face de desarrolloy pruebas y nalmente una face de resultados y conclusiones. De igual manera co-mo se desarrolló el proyecto, el lector de este documento podrá encontrar toda lainformación del mismo, desplegada en los diferentes capítulos que lo componen deigual manera como se realizó el proyecto.
Cada linea de investigación estuvo acompañada por el uso de un programa osoftware especíco.A continuación se relacionan los diferentes programas empleadosy las razones por las cuales fueron escogidos como herramientas en el desarrollo delpresente trabajo.
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Figura 3-1: Esquema de evolución de la metodología seguida para alcanzar el nde este proyecto. Cada una de estas etapas se ven diferenciadas entresí por los recuadros de colores.
Cicloqueserepiteporcadalíneade
investigación(Mecanica,CapturadeseñalesEMG,
ProcesamientodeSeñales,Activacióndel
movimiento).
Estudiodela
problemática
Lluviadeideasy
posibles
soluciones
Propuestade
unaideay
enfoqueenla
misma
Estudiodelos
parámetrosdela
misma
Delimitaciónde
lapropuesta
Búsquedadelos
avancesenla
actualidady
estadodelarte
Propuestade
diseño.
Definicióndelas
líneasde
investigación
Teoría
Y
cálculos
Pruebasy
análisis
Experimentales
Revisiónde
resultados
Unificaciónde
losresultadosde
cadalinea
Entregafinaldel
diseño
Documentación
deldiseño
Aprobacióndelos
Resultados
No
Sí
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1. Linea de diseño mecánico
Solidworks [32] Este Software de la casa matriz Dasault Systems fue se-leccionado como principal programa para el diseño mecánico por su ver-satilidad, facilidad de manejo y especialmente por la base de datos demateriales y toolbox con la que se cuenta. Este aspecto agilíza el diseñode las piezas y minimiza los errores al momento de la fabricación porincompatibilidades con elementos estandarizados.
Cosmosworks [31] Este programa al igual que solidworks, pertenece a lacasa matriz Dasault Systems. Su especial facilidad de manejo, alta pre-cisión en los análisis, reconocidos algoritmos de cálculo y amplio espectrode análisis hacen de este, un programa indispensable para la validaciónde las piezas al momento de proponer un diseño mecánico.
2. Linea de diseño electrónico
Eagle - Cadsoft [5] Este programa fue elegido entre los muchos progra-mas de diseño de circuitos impresos, debido a su compatibilidad con lamáquina de ruteo presente en el Tecnoparque del sena. De igual maneraes importante recalcar la amplia gama de librerías existentes para esteprograma en especial.
Multisim [18] Este programa de la casa matriz National Instrument [17],fue empleado en la comprobación de multiples circuitos de amplicadoresempleados en las fases de pruebas de este proyecto. Su amigable pre-sentación y el respaldo de National hicieron de este programa un granaliado en los diseño de los circuitos, sus pruebas teóricas y vericacióndigital de los mismos.
Filterpro Los cálculos manuales de los ltros activos, son parte de lasenseñanzas que la academia deja en el conocimiento del ingeniero. Sinembargo calcular y revisar estos ltros, hacen de esta tarea algo penosoy largo. El uso de un programa certicado por empresas como Texas in-struments [20] permitió realizar estas pruebas un sin n de veces, hastaobtener un ltro adecuado a las necesidades del sistema, y minimizandoel tiempo invertido en esta tarea.
3. Linea de diseño del procesamiento digital de las señales
Labview [18] Como ya se ha mencionado, National instruments aportóen numerosas veces, valiosas herramientas para el presente diseño. Uncaso más de estos aportes es el entorno de programación Labview, el cual
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permitió enlazar los circuitos simulados en Multisim, con sistemas físicoscomo el DAQ [17]. Este aporte fue la principal herramienta digital parala implementación del algoritmo base de este proyecto Vandertz [10].
4. Linea de diseño del movimiento del exoesqueleto
Automation [33] El programa por excelencia en el diseño de los circuitosneumáticos, ha sido siempre Fluidsim, sin embargo en el desarrollo delpresente trabajo, se pudo constatar falencias en la versión gratuita a lacual se puede acceder en calidad de estudiante. Afortunadamente dichasfalencias se pudieron superar con un programa con el que cuenta el SENA.Automation no solo permitió simular el sistema neumático, sino permi-tió observar las grácas de respuesta del mismo, logrando así corregirfalencias como el rizado u oscilación del movimiento.
En cada etapa del proyecto, los nuevos conocimientos fueron evaluados. En cadaetapa nueva e innovadora, se realizó una investigación de los adelantos tecnológicosque otros diseñadores ya habían realizado. De este modo, aunque los desarrollos deotros investigadores hayan evolucionado a otros más avanzados, en miras de dar unpaso más adelante, los materiales que se emplearán son los que más se adaptan almercado colombiano, lo cual, garantiza su viabilidad en nuestro territorio.
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Capítulo 4
Resultado del diseño mecánico
El presente capítulo busca esclarecer los movimientos que se tiene en cuenta enel presente diseño, aspectos como la antropometría permiten denir los alcancesestructurales, estáticos y dinámicos con los que se lidiarán para la propuesta delexoesqueleto. El estudio presentado en este capítulo busca que al nal del mismo, ellector pueda denir cuales son las partes que necesita, que dimensiones deben tener,y cuáles son los movimientos que tendrá el sistema.
4.1 Antropometría
Las medidas del exoesqueleto están sujetas a las medidas del individuo que lo vaa portar, por lo que la antropometría y la ergonomía del diseño juegan un papelprimordial en la fase de diseño. Para suplir un estándar en las medidas de los in-dividuos se escogió en percentíl 50 como el estándar a seguir. Dicho percentíl estádado por las tablas antropométricas de la organización mundial de la salud [28]. Lasmedidas que se emplearon en este caso se resumen en la tabla 4-1.
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Tabla 4-1: Medidas estándar de un percentil 50 en latinoamérica [6].Hombre Mujer
Edad (Años) 34,5± 11,6 40,3± 12,4Peso (Kg) 69,58± 16,22 63,35± 14,66Talla (m) 168,80± 7, 08 156,08± 5,75Circuenferencia de brazo (cm) 28,87± 3,94 29,12± 4,39Circunferencia de cintura (cm) 85,42± 13,02 82,42± 14,0Pliegue de Triceps (mm) 9,63± 5,92 20,11± 8,13Pliegue de bíceps 5,77± 3,66 10,68± 6,41Pliegue subescapular (mm) 16,68± 8,85 23,39± 8,85Pliegue suprailíaco (mm) 19,95± 9,79 23,62± 9,45
Indice de masa corporal ( kgm2 ) 24,36± 4,96 25,96± 5,63
Porcentaje de masa corporal Total 21,08± 6,65 34,69± 6,09Área muscular del brazo 51,33± 11,29 35,34± 8,77
Habiendo denido las medidas a emplear para estandarizar el diseño del ex-oesqueleto, se realiza un escaneo de precisión de la porción del hombro del individuoque servirá de modelo para el primer prototipo de este proyecto. Para esta actividadse procede a realizar un molde del hombro del individuo (gura 4-1) y posterior-mente éste es digitalizado mediante el uso de un escáner láser de alta precisión1 elcual entrega una malla digital con la que se procede a trabajar en programas deltipo CAM CAD tal y como lo es Solidworks2
La malla que se obtiene genera triángulos de 2,0 ± 0,1mm los cuales permitengarantizar un diseño muy cercano al establecido para este proyecto (ver gura 4-2).
Una vez se han denido todas las medidas necesarias para el diseño se procede adarle forma a las diferentes piezas del proyecto.
4.2 Diseño Estructural Cinemático
En la literatura se pueden encontrar multiples tipos de exoesqueletos entre los quese pueden destacar los diseñados para rehabilitación, para suplir patologías asociadasal movimiento, o aquellos diseñados para interactuar con dispositivos externos.[3] Encada uno de estos casos el exoesqueleto es un elemento externo que le permite a suusuario recuperar una habilidad que ha perdido o que no posee, sin embargo los ex-oesqueletos creados para interactuar o en el caso de este proyecto, para incrementarla capacidad de un individuo pertenecen a una tendencia que busca prevenir lesiones
1NextEngine www.nextengine.com2Programa de diseño tridimensional y análisis de estructuras por medio del cálculo y los elementosnitos. www.solidworks.com
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Figura 4-1: Escaneo láser del molde del hombro del sujeto.
y no solo tratarlas.
El tipo de exoesqueleto que se propone seguir en este proyecto se inspira en lasantiguas armaduras de los señores feudales y busca recrear los sistemas de movilidadque estas tenían ajustándolas a las necesidades del presente proyecto.
En primer lugar se estudia la movilidad del codo, siendo esta una estructura demovimiento sencilla pero que representa un desafío al momento de darle movilidad.Debido a la forma usual de eje central es imposible de ajustar a la anatomía humanaya que no se puede atravesar un solo eje de lado a lado. Por tal motivo se opta pordos ejes alineados de manera que cumplan con su función principal sin obstruir elmovimiento natural del codo mismo. Una manera de ejemplicar este concepto esreferirse a cada articulación del cuerpo humano por su esquematización en términosde movimiento mecánico y la categorización que los ingenieros mecánicos han creadopara estos propósitos.(ver g: 4-4)
El cuerpo humano se compone de diferentes tipos de articulaciones como pode-mos ver en la gura 4-3. Para el actual proyecto se tomaron por delimitaciones delmismo las articulaciones del codo y del hombro como un solo tipo de articulación.El tipo de articulación escogida es la tipo bisagra por su facilidad de realizacióny las ventajas en cuanto al diseño de la misma. la esquematización de la misma sepuede ver en la gura 4-3 y en la gura 4-4 bajo el nombre de articulación del codo.
22
Figura 4-2: Detalle de la malla generada por el escaneo del molde del hombro delsujeto.[32]
El movimiento del codo y del hombro una vez establecido y delimitados por eltipo de articulación nos permiten realizar un estimativo del area de acción del ex-oesqueleto(Ver gura 4-5).
Una de las principales limitantes del campo de acción es la capacidad de extensiónde los actuadores que se emplean en el presente proyecto, ya que éstos están limi-tados por la carrera del mismo. El estudio de la cinemática del exoesqueleto podrádenir en capítulos posteriores el tipo de actuador a emplear, sus dimensiones ycaracterísticas principales.
4.3 Denición de la tecnología del actuador a emplear
En el estudio y desarrollo de la robótica diversos actuadores permiten realizar losmovimientos que se requieren, quizá entonces, denir cual de ellos es el más ade-cuado para este proyecto se convierte en un punto de grán importancia para poderproseguir en este diseño.
Entre las tecnologías que se encuentran en el mercado, se destacan los actuadores
23
Figura 4-3: Tipos de articulaciones del cuerpo humano. [26]
neumáticos, eléctricos e hidráulicos. Sin embargo en la actualidad existen nuevosmateriales que por sus propiedades físicas prometen darle un nuevo giro a estos ac-tuadores.
La comparación de las características de estos tres tipos de actuadores básicospermitirá escoger una linea en la cual se profundizará posteriormente (Tabla 4-2).
El diseño planteado pretende ser portátil, de fácil manejo, con un sistema de depu-ración de bajo nivel, por lo que un sistema del tipo hidráulico no se acomoda a estascaracterísticas. En segundo lugar, se espera del exoesqueleto un sistema de acciónrápida y de alta carga y torque, por lo que un sistema eléctrico no se acomoda a lasnecesidades, por lo que se escoge un sistema neumático.
Las principales características del sistema neumático [30] son su velocidad, ba-ja presión de trabajo, ltros de uido de bajo costo, componentes del sistema detamaño pequeño y liviano.
Denidos los diferentes puntos a tratar de los actuadores y por tanto de sus ran-gos de acción, conviene mencionar el tipo de estructura básica que se empleará para
24
Figura 4-4: Categorías de las articulaciones del cuerpo [26]
Tabla 4-2: Comparación de los diferentes tipos de actuadores [4].ActuadoresNeumáticos
ActuadoresEléctricos
ActuadoresHidráulicos
Fuerza generadoradel movimiento
Presión delaire
Energíaeléctrica
Presiónhidráulica
Elemento Motriz Émbo-lo,Pistón oVeleta
MotorEléctrico
Émbolo,Pistón oVeleta
Transmisión deFuerza o Torque
Eje oCremallera
Reductor Eje
Conversiónmecánica
Yugo oPiñón
No Aplica Yugo oPiñón
Velocidad dedesplazamiento
Alta Media Baja
Precisión demovimiento
Bajo Alto Medio
el diseño del dispositivo. Durante el desarrollo del diseño una de las principalesinvestigaciones se basó en el tipo de actuador que ejecutaría todo el movimiento.En la actualidad diversas empresas como Festo, exploran nuevas alternativas demovimiento, y una de ellas son los músculos de aire (Air-muscle)[29]. Dicho diseñotiene ciertas ventajas sobre el actuador neumático común, tales como, compresibil-idad proporcional al tiempo de ingreso del aire, diseño económico, de manufacturacasera fácilmente realizable, grandes capacidades de fuerza, entre otras [29].
En los posteriores procesos se mostrará en que ámbito funciona el músculo de aire,y cuales son las características del mismo. [12] (ver sección: Air muscle, músculo
de aire)
25
Figura 4-5: Campo de Acción del exoesqueleto con delimitaciones de los ángulosde las articulaciones
4.4 Diagrama de fuerzas
Establecer las fuerzas que interactuan en el sistema de movimiento y como estasafectan y logran recrear el movimiento que se pretende realizar es parte fundamen-tal el la selección del tipo de actuador y la forma de los componentes a realizar. enprimer lugar se describirá hará una breve descripción de las fuerzas que se ejercenen el movimiento y para ello se establece el diagrama de cuerpo libre del exoesqueleto.
Como se puede apreciar en la gura 4-6 se deben establecer las medidas A, B y elángulo de rotación. El uso de la fórmula del coseno aplicada a esta forma, determinala longitud de los actuadores a emplear:
c2 = a2 + b2 − 2abcos(a) (4-1)
Esto permite determinar que si se desea un desplazamiento de 90 grados, teniendoen cuenta que las longitudes de A y B son de 45 y 22 cm respectivamente entoncesel recorrido del actuador debe oscilar entre los 25 y 25 cm. En el mercado las di-mensiones del recorrido varían según las necesidades de la máquina; sin embargo,
26
Figura 4-6: Diagrama de Cuerpo Libre
dichas dimensiones se limitan a las estándares de cada fabricante. Habiendo hechoun recorrido por los diferentes tipos de actuadores y sus respectivas dimensiones, setoma como medida a emplear una carrera de 15 cm.
En cuanto a la fuerza y tamaño del actuador, teniendo en cuenta que las fuerzasa ejercer son del orden de los 40 kg en punta es decir 450 N, el actuador requieretener una capacidad de fuerza de 530 N lo cual, al hacer la conversión a kilogramosde capacidad de carga equivale aproximadamente a 50 Kg. teniendo en cuenta esto,se determina que el actuador debe tener una carrera de 15 cm y una capacidad decarga de 500 N.
4.5 Diseño Estático
El cuerpo del diseño es un conjunto de piezas circulares para el caso del antebrazoy de elipsoides para el caso del brazo, los cuales van unidos por un grupo de barrasde unión tal y como se puede ver en la gura 4-7 y en la gura 4-8.
Como se puede observar la estructura fue diseñada de tal modo que las piezaspuedan ser producidas individualmente por métodos convencionales tales como CNC3
ó Impresión tridimensional. Un ejemplo de diagrama de ensamblaje (ver gura 4-9)se anexa para poder unir las piezas una vez estas hayan sido hechas siguiendo lasespecicaciones de construcción que se detallan en los planos de construcción de
3Control Numérico por computadorahttp://es.wikipedia.org/wiki/Control_numérico_por_computadora
27
Figura 4-7: Conjunto de piezas que forman la estructura del antebrazo
cada pieza.
Las piezas se diseñaron siguiendo parámetros básicos de ergonomía, y pensando ensu manufactura. En cuanto al diseño propio de cada pieza, el acabado supercial y losparámetros de espacio en las zonas de contacto de las mismas se denieron siguiendolos cálculos del manual NPN de construcción de piezas mecánicas y los manuales deconstrucción de maquinaria de la Universidad Técnica Estatal de Moscú en honora Bauman [15].Cada pieza al ser diseñada fue sometida virtualmente a estudios deesfuerzo y deformación basados en la teoría de análisis por elementos nitos. Paratal efecto, en una primera instancia se denieron los materiales más apropiados parala realización de este diseño.
4.5.1. Materiales
La selección de los materiales a emplear en el proyecto está sujeta a las condicionesque este exige que el material cumpla; por lo que es conveniente denir los puntosque el material debe cumplir.
28
Figura 4-8: Conjunto de piezas que forman la estructura del brazo
Tabla 4-3: Parámetros que el proyecto exige para la selección del materialParámetro RangoMódulo elástico ( N
m2 ) 7,1e10 ± 0, 5Radio de Poisson (N
A) 0,3± 0,1
Módulo de corte ( Nm2 ) 2,3e10 ± 0,1
Densidad ( kgm3 ) 2800± 100
Resistencia a la tracción ( Nm2 ) 273e6 ± 10
Fuerza de compresión en los ejes ( Nm2 )
Límite Elástico ( Nm2 ) 225e6 ± 10
Coeciente de expansión térmica ( 1K) 1,9± 0,1
Conductividad térmica ( Wm∗K ) 121± 10
Calor Especíco ( Jkg∗K ) N/A
Mecanisable SíCosto EconómicoBiocompatible SíAccesibilidad Fácil en el mercado Colombiano
29
Figura 4-9: Diagrama de ensamble del Antebrazo
30
La denición de los presentes parámetros para el material se obtienen de analizarlas fuerzas, presiones, compresiones a los cuales serán sometidos. Es importantedestacar que los datos son obtenidos teóricamente de la librería de materiales deCosmosworks [31] y se estipulan como punto de partida en la búsqueda de un ma-terial real que se asemeje a estas características.
El desarrollo de una búsqueda de materiales, arroja como posibles materiales aser empleados, los siguientes:
Materiales plásticos
1. Poliureteno de alta densidad
2. ABS plus
Aleaciones de aluminio
1. con cobre
2. con Silicio
3. con Magnesio
4. con Manganeso
Revisando los distintos materiales posibles y su accesibilidad en el mercado colom-biano, una de las mejores opciones, tanto por cumplir con todas las característicasque se propusieron en la tabla 4-3 como en las características propias del proyecto,se escogió la aleación de aluminio 201.0 T43 [24]. Este material además de ser defácil acceso, es altamente mecanizable y conocido por los técnicos especialistas enmecanizado y trabajo con tornos, fresas y otras máquinas de este tipo.
4.5.2. Análisis de los diseños
Una vez se ha escogido el material, se procede a hacer el análisis de cada piezapara así obtener el mejor diseño y la mejor respuesta a esfuerzos de cada compo-nente. Para tal efecto se procedió a determinar las cargas y posibles puntos de mayoresfuerzo en la estructura. A continuación se mostrará con un ejemplo como se llevóa cabo dicho análisis, ya sea para una pieza individual, o para una conjunto de piezas.
1. Piezas individuales Para este ejemplo se seleccionó la pieza que soporta el pesodel exoesqueleto sobre el hombro. En esta pieza recae todo el peso del sistemamás la carga que se le adiciona.
2. Conjuntos o ensambles de piezas
Método del análisis.4
4Análisis generado por CosmosWorks, empleando el método matemático de los elementos nitos.
31
Figura 4-10: Análisis del antebrazo con una carga de 1000 N y una fuerza delactuator equivalente a 400 N
4.6 Diseño Dinámico
En primera instancia se denen los grados de libertad de la estructura y susrespectivos movimientos. un diagrama de cuerpo libre nos permite determinar lasecuaciones de movimiento.
Para la denición de las ecuaciones cinemáticas del exoesqueleto se deben teneren cuenta los siguientes aspectos, ya que en base a éstos se podrán explicar las ecua-ciones siguientes 4-4.
Tabla 4-4: Deniciones para cálculo de ecuaciones cinemáticasParámetro DeniciónC Cuerpo* Rotación+ Traslación
Es importante denir que el análisis del movimiento se hizo en base a un sistemade actuadores neumáticos, ya que el análisis de un músculo de aire (Air - muscle)[29]posee unas ecuaciones más complejas, sin embargo es acertado realizar el análisisdel movimiento comparando el movimiento de un actuador con el movimiento de unmúsculo de aire. La estructura cinemática del exoesqueleto se puede apreciar en lagura 4-11.Los cuerpos de esta gura se denen de la siguiente manera (ver tabla 4-5):
32
Figura 4-11: Estructura cinemática del exoesqueleto (ver deniciones de los cuer-pos en la tabla 4-5
Tabla 4-5: Deniciones de los cuerpos implicados en la estructura cinemática delexoesqueleto.
Cuerpo DescripciónC0 Cuerpo - Peto soporte principalC1 BrazoC2 AntebrazoC3 Camisa Cilindro 1C4 Vástago Cilindro 1C5 Camisa Cilindro 2C6 Vástago Cilindro 2
La estructura cinemática 4-11 permite denir la movilidad del exoesqueleto, porlo que el conjunto de ecuaciones a la que hace esta mención son:
Cantidad de sólidos
b = 7 (4-2)
Cantidad de articulaciones
n = 8 (4-3)
Números ciclomáticos
N = n− b+ 1 N = 8− 7 + 1 N = 2 (4-4)
Cantidad de ecuaciones cinemáticas
Ec = 6N Ec = 12 (4-5)
33
Figura 4-12: Estructura cinemática del antebrazo (ver deniciones de los cuerposen la tabla 4-5
Cantidad de incógnitas cinemáticas
Ic = 12 (4-6)
Movilidad
m = Ic − Ec m = 0 (4-7)
Como resultado de esto, se puede observar que el sistema depende de una movil-idad interna ya que m = 0
La aparente falta de movilidad obedece a la existencia de diferentes movilidadesinternas no consideradas en este cálculo. Una movilidad 0 indica un sistema estático,por lo que no es aceptable en un mecanismo que requiere movimiento. Se hace nece-sario modicar el sistema para llegar a una movilidad 2 que es lo planteado. Paratal efecto se estudia cada subsitema en su propio plano lo cual aplicando las mismasecuaciones nos lleva a una movilidad igual a 1 lo cual responde a los requerimientodel proyecto.
Siguiendo con este estudio, es necesario plantear las ecuaciones correspondientesdel mismo. Para tal efecto se plantearán las ecuaciones del antebrazo, ya que lasecuaciones del brazo son las mismas, solo cambian las orientaciones de los actu-adores.
La estructura cinemática del antebrazo relacionada con la estructura del ex-oesqueleto se puede observar en la gura 4-12. Esta estructura resulta en un di-agrama de cuerpo libre, con el cual se observan los desplazamientos y variaciones deángulos del antebrazo.
El análisis del diagrama 4-13 permite denir una estracha relación entreX6,5αΘ2,1.El teorema del coseno aplicado a esta relación permite así escribir la principalecuación de movimiento del antebrazo.
34
Figura 4-13: Diagrama de cuerpo libre, geométrico del antebrazo.
AB2 = BC2 + CA2 − 2BC · AC · cos(θ2,1) (4-8)
De esta ecuación se puede considerar que:
AC = K1 (4-9)
CB = K2 (4-10)
AB = L (4-11)
Resultando así en la ecuación:
L = (K1)2 + (K2)
2 − 2K1K2cos(θ2,1) (4-12)
Ya que se trata de un movimiento en el tiempo, L es variable del tiempo por loque Lαt al igual que θαt
lo cual permite entonces denir:
35
d(L2)
dt=
(K1)2 + (K2)
2 − 2K1K2cos(θ2,1)
dt(4-13)
Teniendo en cuenta que d(θ)dt
= ω y dLdt
= V entonces
2V6,5 = 2K1K2sin(θ)ω (4-14)
ω =L · V6,5
K1 ·K2sin(θ2,1)(4-15)
Teniendo en cuenta el diagrama 4-13 se puede escribir también la ecuación:
L2(t)−K21 −K2
2
−2K21 −K2
2
= cos(θ(t)) (4-16)
De lo que se puede despejar en:
K21 +K2
2
2K21K
22
− L2(t)
2K21K
22
= cos(θ(t)) (4-17)
teniendo en cuenta K21+K2
2
2K21K
22= C entonces:
C − L2(t)
2K21K
22
= cos(θ(t)) (4-18)
Ecuación que al ser derivada en función del tiempo resulta de igual modo en elecuación 4-15La representación gráca de la ecuación 4-15 se puede observar en la gura 4-14.
Como se puede apreciar en esta gráca hacia el nal del recorrido del actuador seaprecia una disminución de la velocidad angular, lo que se puede apreciar en la re-alidad ya que en este punto se ha superado la zona crítica de movimiento, la cualcorresponde a los 45 grados. Se pueden apreciar de igual modo grácas relacionandolos diferentes aspectos del presente diseño, los cuales permiten apreciar con mayor
36
Figura 4-14: Representación gráca de la ecuación cinemática del movimiento delantebrazo.[25]
detalle lo que anteriormente se ha manifestado.(4-18, 4-16, 4-15, 4-17 [25])
37
Figura 4-15: Representación gráca del ángulo θ versus la longitud L del actuador[25]
Figura 4-16: Representación gráca de la variación de la longitud del actuador enfunción del tiempo y de la velocidad lineal.[25]
38
Figura 4-17: Representación gráca de la variación del ángulo θ versus el tiempoy la velocidad lineal del actuador.[25]
Figura 4-18: Representación gráca de la velocidad del actuador vs tiempo.[25]
39
Capítulo 5
Resultados del diseño electrónico de
la captura de las señales
5.1 Características generales de la onda miográca.
Etimológicamente, el término electromiografía (EMG) se reere al registro de laactividad eléctrica generada por el músculo estriado. Sin embargo, en la práctica seutiliza para designar genéricamente las diferentes técnicas utilizadas en el estudiofuncional del sistema nervioso periférico (SNP), de la placa motriz y del músculoesquelético, tanto en condiciones normales como patológicas.[27]
Figura 5-1: Señal Electromiográca del Peroneo [14].
La EMG es una disciplina especializada que se ocupa de la evaluación clínica yneurosiológica de la patología neuromuscular y de ciertos aspectos de la patologíadel Sistema nervioso central (SNC). La EMG es una extensión y profundizacióndel diagnóstico clínico neurológico y utiliza los mismos principios de localización
40
topográca. Como es más sensible, permite descubrir alteraciones subclínicas o in-sospechadas; al ser cuantitativa permite determinar el tipo y grado de lesión neu-rológica.
El empleo aislado o secuencial de las diferentes técnicas que se realizan en el lab-oratorio de EMG permite:
1. Distinguir entre lesiones del SNC y del SNP. A su vez, la utilización com-binada de la EMG, los Potenciales Evocados superciales (PES), la Electroencefalografía (EEG) cuantitativa son de gran ayuda en la evaluación funcionaly topográca en la patología del SNC (EMG central)
2. En patología neuromuscular, localizar y cuanticar diferentes tipos de lesionescon gran exactitud y precisión. Especícamente:
Lesiones de la neurona motora del asta anterior o del tronco (neuronopatíasmotoras) y de las neuronas del ganglio raquídeo posterior (neuronopatíassensitivas).
Lesiones de las raíces motoras o sensitivas (radiculopatías), de los plexos(plexopatías) y de los troncos nerviosos (lesiones tronculares).
Alteraciones de la transmisión neuromuscular y, dentro de ellas, distinciónentre trastornos presinápticos y postsinápticos
Trastornos primarios del músculo esquelético (miopatías)
5.2 Diagrama de etapas del equipo de captura de las señales
electromiográcas.
1. Circuito de adquisición y ganancia de la señal electromiográca: Amplicadorde instrumentación AD620 con Ganancia de 1000.
2. Circuito de protección al paciente, Amplicadores operacionales en congu-ración de seguidor.
3. Circuito de ltrado pasa banda de 20 a 500 Hz.
4. Circuito de ltrado Notch de 60 Hz y 120 Hz.
41
5.2.1. Cálculos realizados para el diseño de los ltros.
Rechazabanda
1. Formulas generales para el cálculo de un ltro de Banda ancha
Q =Fr
B(5-1)
B =0,1591
R.C(5-2)
Rr =R
2Q2 − 1(5-3)
2. Cálculos Matemáticos para frecuencia de 60Hz:
Denimos los valores de: C = 0,1µf B = 6 Hz
Q = 60Hz6
Q = 10
Partiendo del ancho del anda denimos el valor de Fl y Fh
Fl = 57Hz y Fh = 63Hz
Despejamos R en la ecuación
R = 0,1591B.C
R = 0,15916x0,1µf
R = 265KΩ
La Resistencia Rr la obtenemos con:
Rr =265KΩ2(10)2−1
Rr = 1,33KΩLa resistencia 2R la obtenemos:
42
2R = 265KΩx2
2R = 530KΩ
3. Cálculos Matemáticos para frecuencia de 120Hz:
Denimos los valores de: C = 0,1µfB = 120
Q = 120Hz12
Q = 10
Partiendo del ancho del anda denimos el valor de Fl y Fh
Fl = 114HzFh = 126Hz
Despejamos R en la ecuación
R = 0,1591B.C
R = 0,159112x0,1µf
R = 132,5KΩ
Los valores de Rr
Rr =132,5KΩ2(10)2−1
Rr = 665,8Ω
2R = 132,5KΩx2
2R = 265KΩ
Valores para el inversor
R = 10KΩ
El diagrama de Bode de los ltros rechazabanda se puede apreciar en las guras(5-2, 5-3)
Pasabanda
Los cálculos y resultados de este ltro están disponible en los anexos, El diagramade Bode del ltro PasaBanda se puede apreciar en la gura 5-4. [20]
43
Figura 5-2: Diagrama de Bode del ltro rechazabanda de 60Hz.
Figura 5-3: Diagrama de Bode del ltro rechazabanda de 120Hz.
El esquema que se empleó para realizar este ltro se puede apreciar en la gura5-5.
Con ayuda del programa Eagle [5] los circuitos obtenidos son transferidos a undiseño de circuito integrado y con ayuda del Tecnoparque del Sena y su ruteadorade circuitos, estos diseños fueron llevados a la realidad. El diseño nal del circuitose puede apreciar en la gura 5-6
De igual modo es apreciable en los documentos anexos 10-3, 10-1, 10-2, los re-portes de cálculos, diagramas y grácas correspondientes para cada uno de los ltrosaquí mencionados.
Circuito de amplicación
El EMG se constituye igualmente de un módulo de amplicación el cual se obtu-vo del datasheet del amplicador de instrumentación empleado en el circuito. Estediseño se puede apreciar en la gura 5-7.
En esta gura se aprecia una resistencia de carga la cual se calculó con la ecuación:
RG =49,4KΩ
G− 1(5-4)
Donde G es la ganancia estimada.
44
Figura 5-4: Diagrama de Bode del ltro Pasabanda de 20 a 500Hz.
Figura 5-5: Esquema del montaje del ltro pasabanda de 20 a 500 hz.
En el presente caso se empleó una resistencia de RG = 44,9Ω para una gananciade 1000 veces.
Figura 5-7: Esquemático del circuito de amplicación
5.3 Localización de los electrodos de captura
El sistema electrónico para realizar la captura de las señales electromiográcas yaestá diseñado, sin embargo ¾Dónde se debe capturar dicha señal? La anatomía delcuerpo humano ha sido vastamente analizada, y en nuestra época ya podemos contarcon compendios de siología humana que nos aclaran este tipo de inquietudes de
45
Figura 5-6: Circuito impreso de los ltros.
manera clara y concisa. Con el n de dar una puntual respuesta a esto es necesarioretornar a los alcances básicos de este trabajo. En primer lugar es necesario deter-minar cuales son los grados de libertad que se están atacando en este. El primerode ellos es el movimiento exo extensor del codo 5-8. Este movimiento lo realizanlas articulaciones humerocubital y la articulación humerorradial [22]. Los músculosmotores de la exión son esencialmente tres:
1. Músculo braquial
2. Músculo braquiorradial
3. Músculo biceps braquial
46
Figura 5-8: Principales ejes de acción de los musculos del codo durante la exióny extensión[22]
El segundo de los movimiento es la abducción del hombro. Este movimiento alejael miembro superior del tronco y se realiza en el plano frontal [22]. El complejoarticular del hombro tiene cinco articulaciones. La articulación glenohumeral, sub-deltoidea, escapulotorácica, acromioclavicular y esternoclavicular.5-9 Los músculoimplicados en este movimiento son:
1. Músculos coaptadores transversales
Supraespinoso
Infraespinoso
Redondo menor
2. Músculos coaptadores longitudinales
Deltoides
Porción larga del músculo triceps braquial
47
Figura 5-9: Posiciones de la articulación del hombro durante la abducción[22]
La acción de cada uno de estos músculos es la de exionar el codo, los puntosde innervación de cada uno de ellos permiten identicar los puntos donde la señalelectromiográca tiene la mayor amplitud. Determinar estos puntos es un tema muysubjetivo, ya que no solo depende de la pericia del sioterapeuta al saber anatómi-camente donde se encuentran dichos puntos, pero además la siología de cada ser esdistinta y por mucho que existan similitudes, la localización de estos puntos puedevariar entre un individuo y otro entre milímetros y centímetros en el peor de losescenarios. Con el n de minimizar los tiempos de búsqueda de los mismo se empleoun electroestimulador miográco de supercie, el cual arrojó las posiciones exactasde los puntos de innervación más activos de los músculos implicados en la exióndel codo y del hombro. Se escogieron los músculos biceps para determinar la acti-vación de la exión del codo y el deltoides para la abducción del hombro, por serlos músculos más grandes, por lo tanto fácilmente localizables por una persona cono sin experiencia en la ubicación anatómica de los mismos.
48
Figura 5-10: Localización de los puntos de máxima actividad del Biceps
Figura 5-11: Localización de los puntos de máxima actividad del deltoides
49
Capítulo 6
Resultados del procesamiento digital
de las señales electromiográcas
6.1 Etapas del procesamiento
Capturar la señales electromiográcas de los diferentes músculos, como ya se pudoobservar en los capítulos anteriores, no corresponde un reto de alto nivel de comple-jidad electrónico, sin embargo los procesos a seguir con el n de lograr hacer moverel exoesqueleto si requieren que esta señal capturada sea de una gran limpieza1 yposea información relevante para este n. De tal modo que en los párrafos a venirse tratarán de manera puntual los procesos digitales que se hacen para así obtenerun pulso activador correspondiente a los requerimientos del sistema de movimiento(Neumático) del exoesqueleto. El diseño de este algoritmo tiene como fuente el al-goritmo de Van Der Fits [10], el cual determina que una contracción isotónica, tieneuna duración mínima de 10 ms y una amplitud mínima del 70% de la amplitudmáxima en una contracción del individuo que manipula la pieza.
1Limpia se reere a una señal excenta de ruido Gausiano y/o ruido blanco [13]
50
6.1.1. Diagrama de bloques del algoritmo de procesamiento
Figura 6-1: Diagrama de bloques del procesamiento digital de la señal
6.1.2. Algoritmo implementado en Labview
1. Conversión análoga digital
El proceso de digitalización de la señal mioelectrica se realiza mediante el sis-tema de adquisición de señales DAQ 6008 de Nacional Instruments [17], estese comunica con el código de labview mediante el bloque NI-DAQmix Task.Este bloque permite capturar mediante el DAQ 6008 la señal análoga con unatasa de transferencia de 100 datos con un velocidad de 1kHz.6-2
2. Filtrado de la señal de entrada
Después de capturado los datos se deben ltrar de manera que las señalesrestantes del ltrado análogo, sean nalmente eliminadas y poder solo traba-jar con los datos denitivos. Para cumplir con esto Labview permite modicarel tipo de ltro, el orden y su topología. El ltro correspondiente se dene dela misma manera que se hizo con los cálculos del ltro pasabanda, es decir, loslímites inferior y superior son 20 y 500 Hz. 6-2. En el caso del ltro digital, elorden del mismo se puede elevar hasta cantidades más elevadas que un ltroanálogo no podría alcanzar de manera sencilla. Para este caso se escogió elorden 9, ya que un orden superior solo trae un retraso en la señal que puederepresentar un retraso en la activación del sistema neumático.
51
3. Conversión matemática de la señal a valores absolutos
Una vez se ha ltrado la señal el procesamiento de la señal mioeléctrica sefacilita al convertirla en una señal únicamente positiva. Para esto, se pasa laseñal por un ltro recticador usualmente, y he aquí otra razón por la cual eluso de Labview durante el presente trabajo fue tan importante, ya que en elsistema este programa permite con tan solo un bloque convertir toda la señalen una señal enteramente positiva.
4. Envolvente de la señal
Extraer la gráca envolvente de la señal mioeléctrica, permite obtener unagráca con la que se puede trabajar, con un volúmen de puntos bajo, de igualmodo la envolvente por su conguración [9] permite ser comparada y analizadade manera más sencilla que la señal original.6-2.
Figura 6-2: Codigo en labview para la digitalización de la señal de EMG
5. Comparador de voltaje y de tiempo.
Cada persona tiene un potencial eléctrico único [8], y entre su singularidad elnivel que alcanza cada señal una vez esta ha sido ltrada es particular. Debidoa esto, es indispensable que cada persona que usa el dispositivo sea analiza-do y por lo tanto su nivel de referencia denido de igual modo. Para esto seemplea un control análogo, con el que se puede llevar una comparación másestricta de la señal envolvente obtenida. Como se puede observar en la gura
52
6-3 el control de referencia permite denir en que momento se debe consider-ar activar el sistema neumático. De igual modo, este punto de referencia, dainicio a un contador con el que se determina la duración de la contracción. Eltiempo de contracción para una del tipo isotónica es diferente de la isométrica[8],[11]. De manera a denir la diferencia entre estos dos tipos de contracción,el tiempo de contracción es un determinante, por lo que es imperativo ponerde igual modo que se hizo con el comparador de amplitud, un comparador detiempo. 6-3. Este comparador activa la respuesta en tiempo del pulso.
6. Activación del pulso de disparo
Una vez se tiene el pulso de activación, este dura tanto como es requerido porel usuario del exoesqueleto. Sin embargo no siempre se debe obtener un pulsoy eso es debido a los dos ltros anteriormente mencionados; el comparador devoltaje y el de tiempo. Tal y como se puede observar en la gura 6-5 el pul-so de activación solo es disparado cuando la contracción es lo sucientementefuerte y prolongada. El pulso de Activación en este caso es de 5.0 vdc. estocon el n de activar el sistema de movimiento neumático.
7. Conversión digital análoga
Digitalmente el pulso de activación ya tiene los valores de amplitud y duracióncorrespondientes. Extraer esos datos de manera análoga se realiza mediante eluso de la herramienta DAQ [17], con la cual a una velocidad de 12 bits/s, cadadato de activación es transmitido a la salida análoga correspondiente. Estaes transmitida en forma de pulso electrico de 5 vdc fuera del DAQ. 6-3.Lacorriente máxima que el DAQ puede transmitir es de tan solo 200 mA a lomáximo, por ello, es necesario que la activación posterior se haga a través desistema de potencia aislados del sistema digital, para protegerlo de daños queeste no pueda soportar.
53
Figura 6-3: Código en labview para el procesamiento y activación del pulso deactivación
6.2 Resultados de la implementación del algoritmo
6.2.1. Grácas del procesamiento
Figura 6-4: Grácas de la contracción obtenidas
6.2.2. Grácas de los pulsos de activación electrónica
54
Figura 6-5: Pulso (verde) de activación debido a una contracción (Blanco) en refe-rencia a un voltaje de comparación (Rojo)
55
Capítulo 7
Resultados de los Sistemas de
movimiento del exoesqueleto
7.1 Modelamiento del control
El sistema de control de movimiento del exoesqueleto está basado en un sistemaneumático. Este sistema como su nombre lo indica es un sistema a base de aire[34].La neumática tiene como ventajas su velocidad y sistemas de baja presión que per-miten un acceso a sus componentes más fácilmente.Los diferentes aspectos a trataren el diseño neumático tanto en su fase de control, como en su fase de potencia, seresumen en el diagrama de bloques de la gura 7-1. Cada aspecto de este diagramase explicará en las secciones a continuación.
7.1.1. Diagrama de bloques del sistema de movimiento
Figura 7-1: Diagrama de bloques del sistema neumático
7.2 Implementación y selección de componentes.
El sistema neumático es activado mediante el uso del DAQ [17] sin embargo, loscomponentes del sistema consumen corrientes de valor superior al que el DAQ es
56
capaz de suministrar. La electroválvula es un componente de 2.4 W de potencia conun voltaje de 24 v dc, lo cual indica que consume aproximadamente 0.5 A lo cualsupera en 5 veces la cantidad máxima que el DAQ es capaz de proveer, por estarazón, es necesario generar un sistema de alimentación paralelo que sea capaz degenerar dichas corrientes, sin que dependa del sistema del DAQ. El sistema de ais-lamiento se puede apreciar en la gura 7-2. Aprovechar el principio de comnutaciónde estado de un transistor al ser sometido a una diferencia de potencial permite sep-arar las señales digitales, de las señales de potencia que requiere la electroválvula.Sin embargo debido a que los transistores pueden tener desperfectos que resulten encortos entre la base emisor y colector, es usa el principio de los relés. Los relés tienenla propiedad de cerrar circuitos de igual modo que lo harían switches normales, sinembargo estos aislan dos circuitos de manera mecánica. Por esta razón, estos fueronelegidos como el segundo sistema de aislamiento.
Figura 7-2: Diseño esquemático del sistema de aislamiento digital y potencia.
El sistema de potencia opera a 24vdc. Esto tiene por objeto que a futuro puedaser considerado para ser un sistema de potencia portable, como pilas de gran mil-iamperaje hora como las nuevas tecnologías de níquel e hidruro metálico (Ni-Mh).Este sistema, aunque no se hizo efectivo en el presente trabajo, se deja como unapropuesta de mejora para diseños futuros.
Una vez se obtiene un pulso de 24 v dc, el sistema neumático a implementar constade los siguientes componentes:
1. Compresor
57
2. Valvula anti-retorno
3. Conector en T
4. Regulador de presión
5. Electro-valvula
El montaje esquemático de este sistema se puede observar en la gura 7-3. Estesistema ha de replicarse en los dos sistemas de movimiento con el n de permitir elmovimiento del hombro al igual que el del codo. En el sistema se aprecia el uso deun sistema de actuador sencillo con el cual se simula el movimiento que realizaríael músculo de aire que realmente se emplea en el exoesqueleto. Sin embargo es im-portante decir que el músculo de aire tiene un comportamiento diferente y se puedeapreciar en el siguiente apartado.
Figura 7-3: Circuito neumático del sistema de movimiento[33]
7.2.1. Air muscle, Músculo de aire
Los músculos de aire son sistemas desarrollados cerca de los años 1950, bajo elnombre de McKibben Articial Muscles. El principio de funcionamiento de los mis-mos se asemeja burdamente al principio de los músculos biológicos.[23] El ingreso de
58
aire en el músculo expande la manguera la cual al estar rodeada por una malla quesolo puede contraerse, disminuye su longitud y nalmente realiza una contracciónsimilar a la esperada en un músculo biológico. [29]
Figura 7-4: Músculo de aire extendido [2]
Figura 7-5: Músculo de aire contraido [2]
La selección del músculo se basa en el tamaño y capacidad de carga, relacionadaa las cargas expresadas en capítulos anteriores. La carga que cada músculo de airepuede levantar esta relacionada en la tabla de la gura 7-6. El músculo que cumplecon las relaciones de carga que se escogieron para este proyecto es el músculo de 3cm de diámetro con una presión de 4 bar.
7.3 Resultados del diseño del control de movimiento
El diseño nal del sistema de aislamiento terminó en un diseño electrónico comose muestra en la gura 7-7. Este se construyó con el n de obtener señales que ac-
59
Figura 7-6: Tabla de relaciones de carga en función del diámetro del músculo deaire. [2]
tivasen la electro-valvula y poder probar con sistemas de menor calibre un músculode aire.
En colombia diseños tan inusuales como lo es el del músculo de aire se tornancomplicados, aun cuando las partes en sí no sean partes de gran complejidad. Comorecomendación para los constructores de este proyecto, adquirir la malla de nylondel diámetro adecuado, es indispensable para el éxito del movimiento, así que antesde adquirir la manguera se debe contar con la malla. [29], [12]
Una consideración importante es la unión de carga del músculo, ya que en estepunto se realiza toda la carga que se le ejerce al sistema, por tal motivo se considerabuena opción grafar la manguera a la malla con el n de obtener una distribuciónde carga uniforme y adecuada para el músculo.[23]
Un aspecto que es indispensable mencionar es el tipo de acumulador empleado enel sistema. El acumulador propuesto originalmente es una botella de gaseosa (Co-cacola) ya que es largamente estudiado las propiedades de presión de estas[16], sinembargo uno de los desafíos a tratar es la presión y el sello de la unión de la botella
60
Figura 7-7: Circuito nal del sistema de aislamiento[5]
con el sistema. Por esta razón se cambió por un sistema de viejo cilindro de extintorde carro, con el cual se obtiene una muy buena presión y una acumulación de gasde mayor volumen.
61
Capítulo 8
Discusión y Conclusiones
El desarrollo de un exoesqueleto en una cultura de investigación como la colom-biana, es un reto más que nada, ya que las herramientas para investigar y las inves-tigaciones en sí, a nivel nacional no son muy difundidas. Sin embargo institucionescomo la Universidad Manuela Beltrán u otros ambientes como el Tecnoparque delSena, permiten que estas investigaciones lleguen a tener éxito. Gracias a la ayudade estas instituciones la principal conclusión y la más importante es que es posiblellegar a productos que alcanzan niveles de investigación y desarrollo similares a losque se observan a nivel internacional.
El diseño asistido por computador (CAD), el análisis de estructuras, hicieron dela selección de materiales y geometrías una tarea más fácil y sin re-procesos ago-tadores que terminarían sofocando el diseño del presente exoesqueleto. Inspirar amuchos otros jóvenes investigadores a emplear herramientas tipo CAD fue parte deléxito de este trabajo. Es importante recalcar que este proyecto nació como una ideapara estudiar estas herramientas, y se convirtió en un proyecto hecho realidad gra-cias a las mismas. No sólo se emplearon herramientas de diseño tridimensional y deanálisis de elementos nitos[32], sino que se emplearon simuladores neumáticos[33],electrónicos[5], físicos, entre otros, con el n de llegar a un diseño que cumpliera conlos requerimientos establecidos inicialmente.
El trabajo aquí reejado fue un desarrollo inter-disciplinario, que conjugó ramasde la electrónica, física, biomedicina, mecánica y sistemas, entre otras. Es impor-tante reejar la importancia de conocer diversos aspectos de la realidad tecnológicade Colombia, sus avances y los detalles de cada rama, para así, aplicarlos a los as-pectos del diseño que se desea alcanzar.
El presente trabajo ha demostrado mediante simulaciones y análisis que ayu-dar a incrementar la fuerza de una persona del cuerpo de socorro de Colombia,es factible. Cada análisis de esfuerzos demostró, teóricamente, que la estructurapropuesta cumple con el objetivo y permite abrir la puerta para que un grupo de
62
individuos lo ponga a prueba construyéndolo y llevándolo a termino nal.
63
Capítulo 9
Comentarios
Cada una de las etapas del presente proyecto fue diseñada de mano de los conocimien-tos adquiridos durante toda la academia, llegando así, gracias a todos los docentesy otros asesores a un resultado que resume detalladamente los conocimientos y laestructura de este proyecto.
Las multiples dicultades con las que se tuvo que lidiar durante el desarrollo delpresente trabajo hicieron de este, un gran reto el cual fue superado con creces y nosdeja al nal del mismo, con un gran sabor de victoria.
Limitaciones como las económicas y/o de tiempo fueron lentamente superadashasta alcanzar un nivel de desarrollo más allá de lo planteado inicialmente.
La organización y los cronogramas planteados fueron nalmente alcanzados, hastallevar al día de hoy , a un proyecto que cuenta no sólo con una investigación teóricasino también con sus primeros pasos en un desarrollo físico y funcional.
64
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[32] Dasault systems. Solidworks 2010. Technical report.
[33] Famic Technologies. Automation studio 5.0. Technical report.
[34] Parker Training. Tecnología neumática industrial. Technical report, 2003.
67
Capítulo 10
Anexos
10.1 Planos del exoesqueleto
68
ROMPER ARISTAS
B
C
D
1 2
A
321 4
B
A
5 6
DIBUJ.
VERIF.
APROB.
FABR.
CALID. ExoesqueletoPESO:
C
A4
HOJA 1 DE 5
ANGULAR:
ACABADO:
LINEAL:TOLERANCIAS:
VIVAS
NOMBRE FIRMA FECHA
MATERIAL:
NO CAMBIE LA ESCALA REVISIÓN
TÍTULO:
N.º DE DIBUJO
ESCALA:1:5
SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:
REBARBAR Y
Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
DETAIL F SCALE 1 : 1
4.50
0
SECTION E-E SCALE 1 : 2
F
100
Cantidad10
4015
10
25
4.50
0
10 CantidadM2.500x0.45
A
A
SECTION A-A SCALE 1 : 2
G
60°
15
150°
4
R3
8
15
E
E
DETAIL G SCALE 1 : 1
R1
B
C
D
1 2
A
321 4
B
A
5 6
DIBUJ.
VERIF.
APROB.
FABR.
CALID.
SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
ACABADO: REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
NOMBRE FIRMA FECHA
MATERIAL:
NO CAMBIE LA ESCALA REVISIÓN
TÍTULO:
N.º DE DIBUJO
ESCALA:1:5 HOJA 2 DE 5
A4
C
PESO:
Exoesqueleto
Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
15
H
HSECTION H-H SCALE 1 : 2
100
10
57.5
00
8
15
1.524
10
ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:5
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
CALID.
FABR.
APROB.
VERIF.
DIBUJ. Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
K
SECTION J-J SCALE 1 : 2
100
10
57.5
00
10
100
R40
R20
20
15
R1
R1
J
J
I I
SECTION I-I SCALE 1 : 2
R0.500
50
5
860
50
R0.500
1.19
1
R0.500
R2
R0.500
DETAIL K SCALE 1 : 1
8
15
1.52410
20
ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:5
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
CALID.
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APROB.
VERIF.
DIBUJ.
Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
SECTION L-L SCALE 1 : 1
57.5
00
15
8
30
0.50
0
24
20
9 28
80°
1
7
R50L
L
62.0
04
14
R0.300
10
ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:5
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
CALID.
FABR.
APROB.
VERIF.
DIBUJ.
Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
20
28.500
40.50020.500
5.300 5.800
160
8
268
(1:2)
DETAIL C SCALE 1 : 1
4
20
10
9
15
118°
C
SECTION A-A
120
40R50
20
20
10
55 55
R0.500
20
110
20
R30
R25
10
R0.500
M5x
0.8
6.990
6.075
R0.500
A
A
Brazo ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:2
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
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VERIF.
DIBUJ. Proyecto de investigaciónUniverisdad Manuela BeltránAlfredo José Sanabria Solano
SECTIO
N E-E
SCA
LE 1 : 1
9
20
10
23
R1
7
19
118°
M8x1.0
16
9
9
9
M5x0.8
M5x0.8
Brazo ExoesqueletoPESO
:
A3
HOJA
1 DE 1
ESCA
LA:1:2
N.º D
E DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓ
NN
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FECHA
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SECTIO
N D
-D
SCA
LE 1 : 1
20
R1
10
E E
DD
R0.5
00
F F
Brazo ExoesqueletoPESO:
A4
HOJA 3 DE 8ESCALA:1:2
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
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DIBUJ. Proyecto de investigaciónUniverisdad Manuela BeltránAlfredo José Sanabria Solano
SECTION F-F
R30
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R0.500
M5x
0.8
6.020
G
G
SECTION G-G15
0
100
20
9
15
5
R50
7.500
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15
60°120°
20
R30
20
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27 R5
R2
Brazo ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:2
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
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FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
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DIBUJ. Proyecto de investigaciónUniverisdad Manuela BeltránAlfredo José Sanabria Solano
R2 R2
H H
SECTION I-I SCALE 1 : 1
40
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SECTION H-H SCALE 1 : 1
M5x
0.8
I
I
R2
2
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SECTION O-O
M20x1.5
M8x
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Brazo ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:2
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
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REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
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DIBUJ. Proyecto de investigaciónUniverisdad Manuela BeltránAlfredo José Sanabria Solano
SECTION N-N
40
25
50
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3040
40
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40
15
R6
R6
R2
NN
O
O
Brazo ExoesqueletoPESO:
A4
HOJA 6 DE 8ESCALA:1:2
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
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FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
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DIBUJ. Proyecto de investigaciónUniverisdad Manuela BeltránAlfredo José Sanabria Solano
SECTION L-L SCALE 1 : 1
R75
3
20°
R510
10
16
5
77
45
L L
SECTION M-M SCALE 1 : 1
10
16
5
Brazo ExoesqueletoPESO:
A4
HOJA 7 DE 8ESCALA:1:2
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
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DIBUJ. Proyecto de investigaciónUniverisdad Manuela BeltránAlfredo José Sanabria Solano
45
10R8.764
17.527
8.764
M M
10
62.5
27
Brazo ExoesqueletoPESO:
A2
HOJA 8 DE 8ESCALA:1:2
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
CALID.
FABR.
APROB.
VERIF.
DIBUJ. Proyecto de investigaciónUniverisdad Manuela BeltránAlfredo José Sanabria Solano
16.9
0417
.904
0.70
20.
702
ROMPER ARISTAS
B
C
D
1 2
A
321 4
B
A
5 6
DIBUJ.
VERIF.
APROB.
FABR.
CALID. ExoesqueletoPESO:
C
A4
HOJA 1 DE 5
ANGULAR:
ACABADO:
LINEAL:TOLERANCIAS:
VIVAS
NOMBRE FIRMA FECHA
MATERIAL:
NO CAMBIE LA ESCALA REVISIÓN
TÍTULO:
N.º DE DIBUJO
ESCALA:1:5
SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:
REBARBAR Y
Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
SECTION A-A SCALE 1 : 2
G
60°
15
150°
4
R3
SECTION E-E SCALE 1 : 2
F
100
Cantidad10
4015
10
25
4.50
0
10 Cantidad
8
15
E
E
M2.500x0.45
A
A
DETAIL F SCALE 1 : 1
4.50
0
DETAIL G SCALE 1 : 1
R1
B
C
D
1 2
A
321 4
B
A
5 6
DIBUJ.
VERIF.
APROB.
FABR.
CALID.
SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
ACABADO: REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
NOMBRE FIRMA FECHA
MATERIAL:
NO CAMBIE LA ESCALA REVISIÓN
TÍTULO:
N.º DE DIBUJO
ESCALA:1:5 HOJA 2 DE 5
A4
C
PESO:
Exoesqueleto
Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
SECTION H-H SCALE 1 : 2
100
10
57.5
00
8
15
1.524
10
15
H
H
ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:5
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
CALID.
FABR.
APROB.
VERIF.
DIBUJ. Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
1.19
1
R0.500
R2
R0.500
15
R1
R1
I I
J
J
K
SECTION J-J SCALE 1 : 2
100
10
57.5
00
10
100
R40
R20
20
SECTION I-I SCALE 1 : 2
R0.500
50
5
860
50
R0.500
DETAIL K SCALE 1 : 1
8
15
1.52410
20
ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:5
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
CALID.
FABR.
APROB.
VERIF.
DIBUJ.
Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
10
80°
1
7R50
L
L
SECTION L-L SCALE 1 : 1
57.5
00
15
8
30
0.50
0
24
20
9 28
62.0
04
14
R0.300
ExoesqueletoPESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:5
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS
ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MMACABADO SUPERFICIAL:TOLERANCIAS: LINEAL: ANGULAR:
CALID.
FABR.
APROB.
VERIF.
DIBUJ.
Proyecto de investigación Universidad Manuela Beltrán
(1:2)20
28.500
40.50020.500
5.300 5.800
160
8
268
10.2 Análisis y resultados por elementos nitos
69
Alfredo José Sanabria Solano
Description
Summarize the FEM analysis on Aro_antebrazo
Model Information
Document Name Configuration Document Path Date Modified
Aro_antebrazo Union Codo C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del
diseño\Prototipo\Aro_antebrazo.SLDPRT
Fri Nov 18
21:28:33 2011
Study Properties
Study name 243
Analysis type Static
Mesh Type: Solid Mesh
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Thermal Effect: Input Temperature
Zero strain temperature 298.000000
Units Kelvin
Include fluid pressure effects from SolidWorks
Flow Simulation
Off
Friction: Off
Ignore clearance for surface contact Off
Use Adaptive Method: Off
Units
Unit system: SI
Length/Displacement mm
Temperature Kelvin
Angular velocity rad/s
Stress/Pressure N/m^2
Material Properties
No. Body Name Material Mass Volume
1 SolidBody
1(Redondeo2)
201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.638861 kg 0.000228165
m^3
Material name: 201.0-T43 Insulated Mold Casting (SS)
Description:
Material Source:
Material Model Type: Linear Elastic Isotropic
Default Failure Criterion: Max von Mises Stress
Application Data:
Property Name Value Units Value Type
Elastic modulus 7.1e+010 N/m^2 Constant
Poisson's ratio 0.33 NA Constant
Shear modulus 2.3e+010 N/m^2 Constant
Mass density 2800 kg/m^3 Constant
Tensile strength 2.73e+008 N/m^2 Constant
Yield strength 2.25e+008 N/m^2 Constant
Thermal expansion
coefficient
1.9e-005 /Kelvin Constant
Thermal conductivity 121 W/(m.K) Constant
Specific heat 963 J/(kg.K) Constant
Hardening factor (0.0-
1.0; 0.0=isotropic;
1.0=kinematic)
0.85 NA Constant
Loads and Restraints
Fixture
Restraint name Selection set Description
Fixed-1 <Aro_antebrazo> on 2 Face(s) fixed.
Load
Load name Selection set Loading type Description
Force-1
<Aro_antebrazo>
on 10 Face(s) apply
force -1000 N along
plane Dir 2 with
respect to selected
reference Alzado
using uniform
distribution
Sequential Loading
Mesh Information
Mesh Type: Solid Mesh
Mesher Used: Standard mesh
Automatic Transition: Off
Smooth Surface: On
Jacobian Check: 4 Points
Element Size: 6.1123 mm
Tolerance: 0.30562 mm
Quality: High
Number of elements: 18125
Number of nodes: 30161
Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:11
Computer name: PCCITO
Reaction Forces
Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Body N -0.00171757 1000.22 0.331472 1000.22
Study Results
Default Results
Name Type Min Location Max Location
Stress1 VON: von
Mises Stress
21116.3
N/m^2
Node: 2882
(15.6144 mm,
28.534 mm,
-63.0898 mm)
3.82212e+007
N/m^2
Node: 21740
(90.0044 mm,
-20.0008 mm,
-56.71 mm)
Displacement1 URES:
Resultant
Displacement
0 mm
Node: 57
(100 mm,
0 mm,
50 mm)
0.0557256
mm
Node: 17214
(0.0351628
mm,
-65.0264 mm,
-1.47962 mm)
Strain1 ESTRN:
Equivalent
Strain
3.18179e-007
Element:
3023
(18.1122 mm,
46.8778 mm,
22.5323 mm)
0.000310445
Element:
2798
(83.3134 mm,
8.38289 mm,
-51.4871 mm)
Aro_antebrazo-243-Stress-Stress1
Aro_antebrazo-243-Displacement-Displacement1
Aro_antebrazo-243-Strain-Strain1
Alfredo José Sanabria Solano
Description
Summarize the FEM analysis on Prototipo_Antebrazo
Model Information
Document Name Configuration Document Path Date
Modified
Prototipo_Antebrazo Default C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del
diseño\Prototipo\Prototipo_Antebrazo.SLDASM
Fri Jan 27
07:27:05
2012
Aro_antebrazo-1 Union Codo C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del
diseño\Prototipo\Aro_antebrazo.SLDPRT
Fri Jan 27
07:18:52
2012
Aro_antebrazo-2 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del
diseño\Prototipo\Aro_antebrazo.SLDPRT
Fri Jan 27
07:18:52
2012
Aro_antebrazo-3 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del
diseño\Prototipo\Aro_antebrazo.SLDPRT
Fri Jan 27
07:18:52
2012
Aro_antebrazo-4 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del
diseño\Prototipo\Aro_antebrazo.SLDPRT
Fri Jan 27
07:18:52
2012
barras union-1 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-10 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-11 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-12 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-4 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-5 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-6 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-7 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-8 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
barras union-9 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\barras
union.SLDPRT
Fri Nov 18
21:31:21
2011
union carga muñeca-
2
Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del diseño\Prototipo\union
carga muñeca.SLDPRT
Fri Nov 18
21:32:26
2011
union_actuador-1 Predeterminado C:\Users\Alfredo\Dropbox\Tesis Ing
Biomedica\Prototipo del
diseño\Prototipo\union_actuador.SLDPRT
Fri Nov 18
21:33:28
2011
Study Properties
Study name Study 1
Analysis type Static
Mesh Type: Solid Mesh
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Thermal Effect: Input Temperature
Zero strain temperature 298.000000
Units Kelvin
Include fluid pressure effects from SolidWorks Flow
Simulation
Off
Friction: Off
Ignore clearance for surface contact Off
Use Adaptive Method: Off
Units
Unit system: SI
Length/Displacement mm
Temperature Kelvin
Angular velocity rad/s
Stress/Pressure N/m^2
Material Properties
No. Body Name Material Mass Volume
1 SolidBody
1(Redondeo2)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
0.638861 kg 0.000228165 m^3
Casting (SS)
2 SolidBody
1(CirPattern1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.137504 kg 4.91087e-005 m^3
3 SolidBody
1(CirPattern1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.137504 kg 4.91087e-005 m^3
4 SolidBody
1(CirPattern1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.137504 kg 4.91087e-005 m^3
5 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
6 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
7 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
8 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
9 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
10 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
11 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
12 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
13 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
14 SolidBody
1(Extrude1)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.0225189 kg 8.04248e-006 m^3
15 SolidBody
1(Fillet2)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.503628 kg 0.000179867 m^3
16 SolidBody
1(Fillet3)
[SW]201.0-T43
Insulated Mold
Casting (SS)
0.328439 kg 0.0001173 m^3
Material name: [SW]201.0-T43 Insulated Mold Casting (SS)
Description:
Material Source:
Material Model Type: Linear Elastic Isotropic
Default Failure Criterion: Unknown
Application Data:
Property Name Value Units Value Type
Elastic modulus 7.1e+010 N/m^2 Constant
Poisson's ratio 0.33 NA Constant
Shear modulus 2.3e+010 N/m^2 Constant
Mass density 2800 kg/m^3 Constant
Tensile strength 2.73e+008 N/m^2 Constant
Yield strength 2.25e+008 N/m^2 Constant
Thermal expansion
coefficient
1.9e-005 /Kelvin Constant
Thermal conductivity 121 W/(m.K) Constant
Specific heat 963 J/(kg.K) Constant
Hardening factor (0.0-
1.0; 0.0=isotropic;
0.85 NA Constant
1.0=kinematic)
Loads and Restraints
Fixture
Restraint name Selection set Description
Fixed-1 <Aro_antebrazo-1> on 2 Face(s) fixed.
Load
Load name Selection set Loading type Description
Force-1
<union_actuador-1>
on 2 Face(s) apply
force 400 N normal to
reference plane with
respect to selected
reference Edge< 1 >
using uniform
distribution
Sequential Loading
Force-2 <union carga
muñeca-2>
on 2 Face(s) apply
force -1000 N normal to
reference plane with
respect to selected
reference Top Plane
using uniform
distribution
Sequential Loading
Connector Definitions
No Connectors were defined
Contact
Contact state: Touching faces - Free
Global Contact Contact component: Bonded on
Prototipo_Antebrazo
Description:
Mesh Information
Mesh Type: Solid Mesh
Mesher Used: Standard mesh
Automatic Transition: Off
Smooth Surface: On
Jacobian Check: 4 Points
Element Size: 6.2879 mm
Tolerance: 0.31439 mm
Quality: High
Number of elements: 79194
Number of nodes: 124693
Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:01:07
Computer name: PCCITO
Study Results
Default Results
Name Type Min Location Max Location
Stress1 VON: von
Mises Stress
21033 N/m^2
Node: 116252
(-56.124 mm,
71.7093 mm,
-44.9867 mm)
9.97293e+007
N/m^2
Node: 19561
(90.0112 mm,
-20.0015 mm,
56.708 mm)
Displacement1 URES:
Resultant
Displacement
0 mm
Node: 492
(100 mm,
0 mm,
50 mm)
0.527585 mm
Node: 111838
(-178.027 mm,
14.7976 mm,
63.1537 mm)
Strain1 ESTRN:
Equivalent
Strain
5.82483e-007
Element: 75090
(-58.074 mm,
86.4426 mm,
-9.64875 mm)
0.000812745
Element: 14379
(83.3313 mm,
8.19862 mm,
51.4225 mm)
Prototipo_Antebrazo-Study 1-Stress-Stress1
Prototipo_Antebrazo-Study 1-Displacement-Displacement1
Prototipo_Antebrazo-Study 1-Strain-Strain1
70
10.3 Cálculos y diagramas Filtros Electrónicos
10.3.1. Filtro Notch 60 Hz
Design Name: Bandstop, Sallen Key, Chebyshev 1 dB Part: Ideal Opamp Order: 2 Stages: 1
Gain: 1.333 V/V ( 2.49660298827718 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 60 Hz
Corner Frequency Attenuation: 2.497 dB Passband Bandwidth: 80 Hz
FilterPro Design ReportSchematic
-1-sábado, 29 de octubre de 2011 05:30:30 p.m.
FilterPro
Figura 10-1: Reporte de cálculos para el ltro Notch de 60 Hz[20].
71
Design Name: Bandstop, Sallen Key, Chebyshev 1 dB Part: Ideal Opamp Order: 2 Stages: 1
Gain: 1.333 V/V ( 2.49660298827718 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 60 Hz
Corner Frequency Attenuation: 2.497 dB Passband Bandwidth: 80 Hz
FilterPro Design ReportFrequency and Phase Responses
-2-sábado, 29 de octubre de 2011 05:30:30 p.m.
FilterPro
72
Design Name: Bandstop, Sallen Key, Chebyshev 1 dB Part: Ideal Opamp Order: 2 Stages: 1
Gain: 1.333 V/V ( 2.49660298827718 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 60 Hz
Corner Frequency Attenuation: 2.497 dB Passband Bandwidth: 80 Hz
FilterPro Design ReportBill of Materials
-3-sábado, 29 de octubre de 2011 05:30:30 p.m.
FilterPro
Element ID Quantity Part Number Value Tolerance Description ManufacturerR1 (Stage 1) 1 Standard 2.7K E24: 5% Resistor
R2 (Stage 1) 1 Standard 2.7K E24: 5% Resistor
R3 (Stage 1) 1 Standard 1.3K E24: 5% Resistor
R4 (Stage 1) 1 Standard 2K E24: 5% Resistor
R5 (Stage 1) 1 Standard 680 E24: 5% Resistor
C1 (Stage 1) 1 Standard 1uF E96: 1% Capacitor
C2 (Stage 1) 1 Standard 1uF E96: 1% Capacitor
C3 (Stage 1) 1 Standard 2uF E96: 1% Capacitor
OpAmp (Stage 1) 1 Standard Ideal OpAmp
73
74
10.3.2. Filtro Notch 120 Hz
Design Name: Bandstop, Sallen Key, Chebyshev 1 dB Part: Ideal Opamp Order: 2 Stages: 1
Gain: 1.958 V/V ( 5.83625374934238 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 120 Hz
Corner Frequency Attenuation: 5.836 dB Passband Bandwidth: 10 Hz
FilterPro Design ReportSchematic
-1-sábado, 29 de octubre de 2011 05:31:46 p.m.
FilterPro
Figura 10-2: Reporte de cálculos para el ltro Notch de 120 Hz[20].
75
Design Name: Bandstop, Sallen Key, Chebyshev 1 dB Part: Ideal Opamp Order: 2 Stages: 1
Gain: 1.958 V/V ( 5.83625374934238 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 120 Hz
Corner Frequency Attenuation: 5.836 dB Passband Bandwidth: 10 Hz
FilterPro Design ReportFrequency and Phase Responses
-2-sábado, 29 de octubre de 2011 05:31:46 p.m.
FilterPro
76
Design Name: Bandstop, Sallen Key, Chebyshev 1 dB Part: Ideal Opamp Order: 2 Stages: 1
Gain: 1.958 V/V ( 5.83625374934238 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 120 Hz
Corner Frequency Attenuation: 5.836 dB Passband Bandwidth: 10 Hz
FilterPro Design ReportBill of Materials
-3-sábado, 29 de octubre de 2011 05:31:46 p.m.
FilterPro
Element ID Quantity Part Number Value Tolerance Description ManufacturerR1 (Stage 1) 1 Standard 13K E24: 5% Resistor
R2 (Stage 1) 1 Standard 13K E24: 5% Resistor
R3 (Stage 1) 1 Standard 6.8K E24: 5% Resistor
R4 (Stage 1) 1 Standard 2K E24: 5% Resistor
R5 (Stage 1) 1 Standard 2K E24: 5% Resistor
C1 (Stage 1) 1 Standard 100nF E96: 1% Capacitor
C2 (Stage 1) 1 Standard 100nF E96: 1% Capacitor
C3 (Stage 1) 1 Standard 200nF E96: 1% Capacitor
OpAmp (Stage 1) 1 Standard Ideal OpAmp
77
78
10.3.3. Filtro Pasabanda 20 a 500 Hz
Design Name: Bandpass, Sallen Key, Butterworth Part: Ideal Opamp Order: 4 Stages: 2
Gain: 1 V/V ( 0 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 260 Hz
Corner Frequency Attenuation: -3 dB Passband Bandwidth: 480 Hz
FilterPro Design ReportSchematic
-1-sábado, 29 de octubre de 2011 05:48:04 p.m.
FilterPro
Figura 10-3: Reporte de cálculos para el ltro Pasabanda de 20 a 500 Hz[20].
79
Design Name: Bandpass, Sallen Key, Butterworth Part: Ideal Opamp Order: 4 Stages: 2
Gain: 1 V/V ( 0 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 260 Hz
Corner Frequency Attenuation: -3 dB Passband Bandwidth: 480 Hz
FilterPro Design ReportFrequency and Phase Responses
-2-sábado, 29 de octubre de 2011 05:48:04 p.m.
FilterPro
80
Design Name: Bandpass, Sallen Key, Butterworth Part: Ideal Opamp Order: 4 Stages: 2
Gain: 1 V/V ( 0 dB) Allowable PassBand Ripple: 1 dB Center Frequency: 260 Hz
Corner Frequency Attenuation: -3 dB Passband Bandwidth: 480 Hz
FilterPro Design ReportBill of Materials
-3-sábado, 29 de octubre de 2011 05:48:04 p.m.
FilterPro
Element ID Quantity Part Number Value Tolerance Description ManufacturerR1 (Stage 1) 1 Standard 2.7K E24: 5% Resistor
R2 (Stage 1) 1 Standard 2.4K E24: 5% Resistor
R3 (Stage 1) 1 Standard 1.2K E24: 5% Resistor
C1 (Stage 1) 1 Standard 1uF E96: 1% Capacitor
C2 (Stage 1) 1 Standard 1uF E96: 1% Capacitor
R4 (Stage 1) 1 Standard 330 E24: 5% Resistor
R5 (Stage 1) 1 Standard 1K E24: 5% Resistor
OpAmp (Stage 1) 1 Standard Ideal OpAmp
R1 (Stage 2) 1 Standard 620 E24: 5% Resistor
R2 (Stage 2) 1 Standard 620 E24: 5% Resistor
R3 (Stage 2) 1 Standard 300 E24: 5% Resistor
C1 (Stage 2) 1 Standard 1uF E96: 1% Capacitor
C2 (Stage 2) 1 Standard 1uF E96: 1% Capacitor
R4 (Stage 2) 1 Standard 360 E24: 5% Resistor
R5 (Stage 2) 1 Standard 1K E24: 5% Resistor
OpAmp (Stage 2) 1 Standard Ideal OpAmp
81
10.4 Fotografías y diseños nales
82
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