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SÍNTESIS EVOLUTIVA DE MECANISMOS APLICADA AL DISEÑO DE UN EXOESQUELETO PARA LA REHABILITACIÓN DE LOS DEDOS DE LA MANO Alex Bataller, Juan A. Cabrera, Juan Jesús Castillo, Fernando Nadal Área de Ingeniería Mecánica 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017
1. Introducción 2. Cadena cinemática de un dedo, variables de diseño y datos 3. Algoritmo evolutivo MUMSA 4. Planteamiento del problema de síntesis 5. Aplicación a un caso real 6. Diseño del exoesqueleto 7. Conclusiones y líneas futuras Índice 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017 1
Exoesqueletos activos para la rehabilitación de la mano: -Con sensores para ayudar al movimiento -Hasta 20 grados de libertad para los dedos -Caros, pesados, con control complejo -Para rehabilitación activa tras accidente cerebrovascular o lesión medular Introducción 2 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017
Propuesta: Exoesqueleto pasivo - Diseño de un exoesqueleto específicamente para para la rehabilitación con CPM. - Estructura rígida que permite ser utilizado como férula de inmovilización postquirúrgica. - Diseñado a medida para cada paciente. - Configurable para un solo dedo o para varios dedos según requerimiento. - Económico, fácil de fabricar y con un control sencillo. Introducción 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017 3
Cadena cinemática, variables de diseño y datos Variable Descripción θ0 Posición angular del eslabón 1 r1 Longitud del eslabón 1 (O2O4) r2 Longitud del eslabón 2 (O2A) r3 Longitud del eslabón 3 (AB) r4 Longitud del eslabón 4 (O4B) θAC Ángulo 𝐴𝑂2𝐶 rD Longitud del segmento O4D θBD Ángulo 𝐵𝑂4𝐷 r5 Longitud del eslabón 5 (DE) r6 Longitud del eslabón 6 (CE) rDF Longitud del segmento DF θEF Ángulo 𝐸𝐷𝐹 θEG Ángulo 𝐸𝐶𝐺 r7 Longitud del eslabón 7 (FH) r8 Longitud del eslabón 8 (GH) θHI Ángulo 𝐻𝐺𝐼 Variable Descripción θPH1 Posición angular de la falange proximal θPH2 Posición angular de la falange media θPH3 Posición angular de la falange distal L1 Longitud de la falange proximal L2 Longitud de la eslabón 2 L3 Longitud del eslabón 3 Tabla 1: Variables de diseño Tabla 2: Datos de entrada 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017 4
Parámetros del algoritmo: NP - Número de individuos de la población inicial F - Factor de perturbación del mejor individuo: 𝑽=𝝌𝒃𝒆𝒔𝒕 +𝑭∙ 𝝌𝒓𝟏 −𝝌𝒓𝟐 CP - Factor del operador de cruce MP - Factor de probabilidad de la mutación Range - Rango de la mutación de los genes xin :[xin - range , xin + range] Itermax - Máximo número de poblaciones Minerror - Mínimo error Algoritmo evolutivo MUMSA 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017 5
Planteamiento del problema de síntesis 𝒎𝒊𝒏 𝝌𝑴∙𝒇 𝝌 𝝌= 𝜽𝟎,𝒓𝟏,𝒓𝟐,𝒓𝟑,𝒓𝟒,𝜽𝑨𝑪,𝒓𝑫,𝜽𝑩𝑫,𝒓𝟓, ,𝒓𝟔,𝒓𝑫𝑭,𝜽𝑬𝑭,𝜽𝑬𝑮,𝒓𝟕,𝒓𝟖,𝜽𝑯𝑰 𝒇 𝝌 = 𝒊=𝟏 𝑵𝜽𝑷𝑯𝟐 𝒊−𝜽𝑷𝑯𝟐𝒈 𝒊𝟐+ 𝜽𝑷𝑯𝟑 𝒊−𝜽𝑷𝑯𝟑𝒈 𝒊𝟐 𝒍𝒊𝒊≤𝒙𝒊≤𝒍𝒔𝒊∀𝒙𝒊∈𝝌 Función objetivo: Límites de las variables y restricciones del problema: Planteamiento del problema de síntesis: 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017 6
Aplicación: dedo índice 𝝌= 𝜽𝟎,𝒓𝟏,𝒓𝟐,𝒓𝟑,𝒓𝟒,𝜽𝑨𝑪,𝒓𝑫,𝜽𝑩𝑫,𝒓𝟓, ,𝒓𝟔,𝒓𝑫𝑭,𝜽𝑬𝑭,𝜽𝑬𝑮,𝒓𝟕,𝒓𝟖,𝜽𝑯𝑰 Parámetros del algoritmo Límites de las variables Variables de diseño Tabla 3: Ángulos medidos para las falanges proximal, media y distal del dedo índice del paciente respecto a la horizontal. Posición PH1 [°] PH2 [°] PH3 [°] 1 -7.4 -10.0 -12.4 2 -12.7 -15.6 -17.7 3 -17.0 -20.0 -22.0 4 -19.7 -23.4 -25.4 5 -22.5 -27.0 -31.0 6 -28.5 -33.9 -38.7 7 -33.0 -43.0 -50.0 8 -40.0 -55.0 -64.5 9 -46.3 -68.0 -77.5 10 -51.2 -78.3 -92.0 11 -57.0 -90.0 -109.0 12 -61.0 -102.9 -128.0 13 -65.0 -118.0 -150.7 14 -69.0 -132.0 -172.0 15 -73.6 -146.0 -195.0 16 -76.8 -161.9 -219.7 Tabla 4: Longitudes de las falanges del dedo del paciente Falange Li [mm] 1 (Proximal) 50 2 (Media) 28 3 (Distal) 26 Parámetros de entrada Restricciones del problema 𝒓𝟏,𝒓𝟐,𝒓𝟑,𝒓𝟒∈𝟏𝟎,𝟒𝟎 𝒓𝑫,𝒓𝟓,𝒓𝟔,𝒓𝑫𝑭,𝒓𝟕,𝒓𝟖∈𝟏𝟎,𝟕𝟎 𝜽𝑨𝑪,𝜽𝑩𝑫,𝜽𝑬𝑭,𝜽𝑬𝑮 ,𝜽𝑯𝑰 ∈ 𝟎,𝟐𝝅 𝜽𝟎∈ 𝝅/𝟒,𝝅/𝟐 𝒓𝟏,𝒓𝟐,𝒓𝟑,𝒓𝟒∈𝟏𝟎,𝟒𝟎 𝜽𝟎∈ 𝝅/𝟔,𝝅/𝟐 NP=100, F=0.4, CP=0.6, MP=0.1, range= 1, itermax=10.000 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017 7
Aplicación: dedo índice Mecanismo obtenido: Posición angular Función objetivo 13º Congreso Ibero-americano de Ingeniería Mecánica –CIBEM XIII –23 a 26 de Octubre de 2017 8
