Diseño y construcción de una pierna exoesquelética para la asistencia de la marcha

Abstract

El presente trabajo de título consiste en el diseño y construcción de una pierna exoesquelética para la asistencia de la marcha. La motivación del trabajo de título es el desarrollo de una pierna exoesquelética a un bajo costo, que pueda ser extendido y mejorado en un futuro, por ejemplo, con fines médicos. Además el desarrollo de un proyecto multidisciplinario que incluye diferentes áreas de ingeniería y ciencias. El trabajo de título se inició con en el estudio de exoesqueletos actuales y el estudio biomecánico de la marcha humana. Se realizaron diversos códigos en Matlab para el análisis cinemático y dinámico de un modelo simplificado de la pierna humana, donde se obtuvo los valores de los ángulos de la articulación de la cadera y rodilla, también se obtuvo las fuerzas y torques necesarios para el movimiento, en base a esto se seleccionaron los actuadores, los cuales son actuadores lineales eléctricos. Posteriormente se realizó el diseño CAD de los componentes del exoesqueleto. Los componentes fueron validados mediante una simulación de elementos finitos con el software Solidworks. Posteriormente se realizaron los planos y la compra de materiales con recursos obtenidos por el departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile. La manufactura de la pierna exoesqulética se realizó en el taller mecánico del Departamento de Ingeniería Mecánica. Posteriormente se realizó el desarrollo de la electrónica y la implementación del sistema de control del exoesqueleto, utilizando como microcontrolador una placa Arduino. Se realizaron dos códigos en Arduino, uno correspondiente al a cinemática directa, donde el operador del exoesqueleto selecciona los ángulos objetivos de la articulación de la cadera y rodilla y el exoesqueleto mueve la pierna a esa configuración, y un segundo código correspondiente al ciclo de la marcha, donde el operador puede seleccionar el movimiento correspondiente a una marcha de 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2 km/h. Posteriormente se realizaron las pruebas pertinentes al exoesqueleto. Se obtuvo los valores de los ángulos de las articulaciones de la cadera y rodilla en una marcha humana normal a bajas velocidades, los valores de la dinámica inversa del movimiento, el modelo CAD de la pierna exoesquelética, los planos de los componentes, el diseño del sistema electrónico y dos programas en Arduino que realizan el movimiento de la pierna. El exoesqueleto tuvo un costo aproximado de $340.000 y se desarrolló con la finalidad de ser replicable, ya que todos los programas utilizados son gratuitos o tienen su versión gratuita. Se concluye que es factible realizar exoesqueletos de rehabilitación y asistencia en Chile. Al ser un proyecto multidisciplinario se propone que se incluyan otros profesionales como ingenieros eléctricos y diseñadores industriales para la continuación del proyecto.