Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 7 (3): e359. Julio-Septiembre, 2024. https://doi.org/10.37636/recit.v7n3e359
1 ISSN 2594-1925
Artículo de investigación
Diseño, construcción y control de un novedoso dispositivo
de rehabilitación de tobillo
Design, construction and control of a novel ankle rehabilitation
device
Salomón Blanco-Figueroa1, Arturo Abúndez-Pliego1, Andrés Blanco-Ortega1,
Fernanda De Jesús-Ramírez1, Yunel Loeza de la Cruz2
1Tecnológico Nacional de México / Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET). Int.
Internado Palmira, C.P. 62490. Cuernavaca, Morelos, México.
2Universidad Tecnológica Emiliano Zapata del Estado de Morelos (UTEZ). Av. Universidad Tecnológica 1, Palo
Escrito, C.P. 62765. Emiliano Zapata, Morelos, México.
Autor de correspondencia: Salomón Blanco-Figueroa, Tecnológico Nacional de México / CENIDET, Interior
Internado Palmira S/N, Col. Palmira, C.P. 62490, Cuernavaca, Morelos. Correo electrónico:
m22ce070@cenidet.tecnm.mx. ORCID: 0009-0006-8599-9109.
Recibido: 4 de Junio del 2024 Aceptado: 23 de Julio del 2024 Publicado: 10 de Agosto del 2024
Resumen. - En este artículo se presenta un novedoso dispositivo para rehabilitación de tobillo, de dos grados de
libertad. El dispositivo se diseñó con base en las medidas antropométricas de la población mexicana y la cinemática
natural del tobillo durante la marcha, por lo tanto, es capaz de reproducir los movimientos de dorsiflexión –
plantarflexión y eversión – inversión. El prototipo virtual del rehabilitador de tobillo se simuló en MSC Adams®
para determinar la respuesta dinámica al implementar técnicas de control Proporcional - Integral para cada
movimiento. Los resultados de la simulación muestran que el prototipo alcanza una amplitud máxima y mínima de
movimiento que se ajusta de manera precisa a los parámetros antropométricos del tobillo. Este comportamiento se
observa manteniendo una velocidad constante en los motores impulsores, lo cual es crucial para garantizar la
estabilidad y la precisión en el desempeño del dispositivo. El rehabilitador, impulsado por dos motorreductores
que impulsan a mecanismos de cuatro barras, permite ejecutar movimientos simples, y también realizar
combinaciones de dorsi/plantarflexión e inversión/eversión de manera simultánea.
Palabras clave: Sistema de rehabilitación; Rehabilitador de tobillo; Prototipo virtual; Controlador PI.
Abstract. – A novel two-degree-of-freedom ankle rehabilitation device was designed and simulated in this work.
The device was designed based on both the anthropometric measurements of the Mexican population and the
natural kinematics of the ankle joint during walking; therefore, allows reproducing the dorsiflexion - plantarflexion
and eversion - inversion movements. The virtual prototype of the ankle rehabilitator was simulated in MSC Adams®
to determine the dynamic response by implementing Proportional - Integral control techniques for each movement.
The simulation results show that the prototype achieves a maximum and minimum range of motion that precisely
matches the anthropometric parameters of the ankle. This behaviour is observed by maintaining the motors
operating at a constant speed, which is crucial to ensure stability and accuracy in the performance of the device.
The rehabilitator, driven by two geared motors driving four-bar mechanisms, allows simple movements, as well as
dorsi/plantarflexion and inversion/eversion combinations to be performed simultaneously.
Keywords: Rehabilitation system; Ankle rehabilitator; Virtual prototype; PID controller.
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1. Introducción
En la actualidad, los dispositivos robóticos de
rehabilitación desempeñan un papel crucial en la
recuperación de las articulaciones y músculos
lesionados. Estos sistemas se basan en
proporcionar movimientos repetitivos, suaves y
progresivos en el proceso de rehabilitación de las
extremidades afectadas. La creciente necesidad
de estos dispositivos se hace evidente debido al
aumento constante de personas discapacitadas a
raíz de que sufren un accidente cerebrovascular
(ACV) o presentan una lesión como un incidente
traumático. El ACV es una condición causada
por el bloqueo del suministro de sangre a una
parte del cerebro, y es uno de los principales
problemas de atención médica tanto en Estados
Unidos como en el resto del mundo [1, 2].
Después de haber presentado un ACV, los
pacientes generalmente experimentan una
pérdida significativa de movilidad en la mitad del
cuerpo, lo que hace que la rehabilitación
inmediata sea esencial para recuperar parte de su
función en las extremidades.
Por otra parte, los incidentes traumáticos pueden
causar lesiones en las extremidades superiores e
inferiores, limitando la capacidad de realizar
actividades cotidianas en algunas situaciones.
Además, esta problemática se agrava por la
insuficiencia de profesionales de la salud en
fisioterapia para satisfacer la creciente demanda
de rehabilitación [3] . Por tanto, el uso de
sistemas robóticos en la rehabilitación se ha
vuelto fundamental para mejorar la calidad de
vida de los afectados por ACV y otras lesiones en
las extremidades. Estos dispositivos permiten
una rehabilitación intensiva con movimientos
controlados y una mayor duración del
tratamiento, lo que los convierte en una
herramienta valiosa en el proceso de
recuperación [2, 4].
De manera más específica, el daño más común en
la articulación del tobillo es el estiramiento de los
ligamentos de la articulación, conocido como
esguince de tobillo. Ocurre cuando el tobillo gira,
se dobla o se flexiona de forma no natural;
presentándose principalmente en deportistas,
aunque también se presentan en personas que
realizan movimientos pasivos, es decir, llevan un
estilo de vida mayoritariamente sedentaria [5].
Desde una perspectiva mecánica, el tobillo puede
ser conceptualizado como un mecanismo con 3
grados de libertad (GDL). Para el diseño del
rehabilitador de tobillo, es fundamental
identificar los tipos de movimientos naturales
que contiene esta parte del cuerpo [6]: a)
abducción/aducción, el cual es el movimiento
externo e interno en el plano sagital; b)
dorsiflexión/plantarflexión, que consiste en el
movimiento hacia arriba y hacia abajo en el plano
transversal y, por último, c) la
eversión/inversión, los cuales son los
movimientos de rotación interna y externa en el
plano frontal.
Dentro de la alta gama de sistemas desarrollados
para la recuperación de tobillos, la mayoría de
estos sistemas proporcionan los movimientos de
inversión/eversión y dorsi/plantar flexión [7,8].
Esta amplia variedad de dispositivos y enfoques
ha revolucionado la forma en que se aborda la
rehabilitación de las extremidades, permitiendo
un enfoque más efectivo y personalizado para
cada paciente [9-12]. La evolución continua en
este campo promete seguir mejorando la calidad
de vida de quienes buscan recuperar su movilidad
y funcionalidad.
En las últimas décadas, se han realizado diversos
aparatos y sistemas destinados a la recuperación
de las extremidades superiores e inferiores. La
mayoría de estos dispositivos se fundamenta en
el principio del movimiento continuo pasivo
(MCP) (o CPM - Continuous Passive Motion)
[13], el cual se emplea en las fases iniciales del
proceso de rehabilitación con el propósito de
restaurar la movilidad, prevenir la rigidez y
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recuperar el rango de movimiento. Estas
máquinas se erigen como instrumentos
suplementarios en el arsenal de los terapeutas
físicos, dado que permiten ofrecer movimientos
suaves, ininterrumpidos y adaptados a las
particularidades de la lesión de cada paciente.
Blanco et al., [14,15] presentaron un prototipo
virtual de rehabilitación de tobillo con 3 GDL,
que proporciona los movimientos de
dorsiflexión, plantarflexión, abducción,
aducción, inversión y eversión. En este prototipo
implementaron controles de tipo Proporcional,
Integral, Derivativo (PID) y basado en par
calculado por separado para el seguimiento de
trayectorias, además desarrollaron modelos
matemáticos para uno y dos grados de libertad.
Otro rehabilitador de tobillo de 2 GDL basado en
una meza X-Y fue propuesto tanto por Gama [16]
como por Romeo et al., [17]; este rehabilitador
proporciona los movimientos de
abducción/aducción y
dorsiflexión/plantarflexión [18]. Para el control
con seguimiento de trayectorias, implementaron
controladores Proporcional-Derivativo (PD),
PID y proporcional integral generalizado (GPI),
logrando resultados satisfactorios. También,
propusieron un controlador generalizado robusto
diseñado específicamente para el seguimiento de
trayectorias predefinidas, basadas en polinomios
de Bézier.
En trabajos posteriores, Ruiz-Hidalgo et al., [19]
y Cobo-Viteri [20] llevaron a cabo la
implementación de un control mioeléctrico en un
rehabilitador de tobillo. Este enfoque es un
sistema de control que utilizan sensores
mioeléctricos de superficie adheridos al brazo del
paciente. Al realizar movimientos con un
joystick, el rehabilitador se activa al detectar el
movimiento del brazo, generando así un ejercicio
de movimiento. Este enfoque no sólo diversifica
las opciones de control, sino que también
introduce un método más intuitivo y directo de
interacción entre el usuario y el rehabilitador. La
integración de este sistema mioeléctrico en el
diseño de rehabilitador de tobillo de 2 GDL
marca un avance significativo en la mejora de la
experiencia de rehabilitación, al proporcionar un
control más preciso y adaptado a las necesidades
del paciente. Estas innovaciones prometen
contribuir a la eficacia y versatilidad de los
dispositivos de rehabilitación en el ámbito de la
ingeniería biomédica.
Observando una evolución en el ámbito físico,
García-Velarde [21] propuso un prototipo
rehabilitador de tobillo de 3 GDL. Este
dispositivo proporciona los 6 tipos de
movimientos básicos, así como dos
combinaciones de estos. Las rutinas propuestas
aseguran una mayor sincronización y
coordinación en los movimientos realizados con
el paciente, durante el proceso de rehabilitación
[22]. Por otro lado, Guzmán Valdivia et al., [23]
presentaron el diseño y control de un sistema
interactivo (TobiBot) de 1 GDL para pacientes
que requieran de una rehabilitación de tobillo. Se
presenta un análisis biomecánico de los
movimientos básicos del tobillo de
dorsiflexión/plantarflexión. El control de los
movimientos se lleva a cabo mediante un control
de tipo proporcional-integral-derivativo (PID),
con la adición de un control de impedancias para
ejercicios que involucran resistencia. Este
enfoque considera un videojuego con niveles
bajo, mediano y alto, en el rehabilitador se
presentan efectos de oposición en los
movimientos que el paciente debe realizar.
Para realizar la rehabilitación de tobillo, es
necesario que el terapeuta genere un plan de
entrenamiento de acuerdo a su experiencia
clínica, sin embargo, es imposible garantizar con
seguridad que la rehabilitación se está
desarrollando adecuadamente, ya que es difícil
que los mismos terapeutas puedan controlar con
una alta precisión los movimientos, parámetros y
fuerzas complejas que la rehabilitación necesita.
Por ello, se volvió de gran importancia la
fabricación de robots de asistencia que mejoren
la rehabilitación tradicional, proporcionando
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movimientos precisos y adaptativos a largo plazo
[24].
En el último siglo se han propuesto diversas
arquitecturas de robots asistentes rehabilitadores
de tobillo. Los robots paralelos son estructuras
mecánicas con al menos dos cadenas cinemáticas
conectadas a una base fija y a una base móvil,
mientras que los mecanismos solo cuentan con
una cadena cinemática. Un ejemplo de un robot
paralelos es el rehabilitador de “Rutgers”
presentado por Alvarez-Perez et al., [25], el cual
es un dispositivo basado en la plataforma
Stewart, que lo hace capaz de realizar 6
diferentes movimientos (dorsi - plantarflexión,
eversión - inversión, aducción - abducción). Los
movimientos son accionados por pistones
neumáticos útiles para ejercicios resistivos y que,
a través de un sistema de control inteligente se
interconecta a una guía con interfaz para realidad
virtual (VR) y una interacción háptica en el
dispositivo para navegar en un juego de
simulación en 3D. D. Cioi et al., [26], utilizaron
actuadores neumáticos en el rehabilitador de
Rutgers. Realizando pruebas con niños con
epilepsia, utilizando un sistema de control que
conecta a la máquina con un videojuego de
aviación de realidad virtual.
Otros tipos de rehabilitadores proponen usar sólo
2 movimientos del tobillo (dorsi/plantarflexión),
enfocándose en terapias de tipo activa-resistiva.
En éstos, la rehabilitación se realiza por medio de
ejercicios que activan los músculos del paciente,
por ende, este tiene que generar un esfuerzo para
mantener una recuperación gradual siguiendo
una rutina planificada. S. Pittaccio et al., [27],
desarrollaron un rehabilitador de tobillo de 1
GDL donde la activación se hace por medio se
señales electromiografías provenientes del
esfuerzo del paciente, desencadenando la
activación de actuadores eléctricos (motores)
para que el rehabilitador se mueva. También se
presentan otras aplicaciones [28-30] que se
centran en evaluar accidentes cerebrovasculares,
donde la máquina interactúa con juegos virtuales
y un control de impedancia que ayuda a mejorar
el rango de movimiento dorsi/plantarflexión, así
como el torque que genera resistencia en la
terapia conforme existe una mejora.
Para los procesos de rehabilitación de tobillo se
recomiendan trayectorias definidas con
movimientos combinados o complejos, Algunos
ejercicios que se llevan a cabo son:
flexión/extensión, inversión/eversión,
aducción/abducción. Así como, la aplicación de
protocolos para llevar una adecuada
recuperación. En 2003, Zoch et al., [31]
mencionaron que es importante establecer un
programa en la rehabilitación del tobillo, así
como, una combinación de diferentes ejercicios
que conduce a mejores resultados y permite un
pronto retorno a las actividades de la vida diaria.
En 2012, Canosa [32] propuso que los protocolos
de recuperación tienen que ser específicos para la
persona lesionado y responder a las demandas
específicas de las actividades que desempeñan.
En estos protocolos recomiendan ejercicios de
flexión dorsal/plantar e inversión/eversión, así
como, el número de repeticiones según el grado
y tipo de lesión. En 2018, Monteiro et al., [33]
mencionaron que el objetivo de un protocolo de
rehabilitación es fortalecer los músculos del pie
y aumentar la flexibilidad para mejorar la función
de las extremidades inferiores, prevenir
complicaciones adicionales y mejorar la
autonomía para las actividades de la vida diaria.
En 2018, Jansen et al., [34] hicieron mención que
los movimientos controlados en fracturas de
tobillo a diferentes rangos de amplitud conducen
a mejores resultados clínicos y funcionales,
obteniendo un regreso más temprano al trabajo.
En 2019, Nakao et al., [35] mencionaron que los
movimientos de dorsiflexión y plantar flexión
realizados en un tiempo de cinco minutos
disminuyen la rigidez de los tobillos lesionados y
aumentan considerablemente en movimiento y
los rangos de amplitud.
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Tabla 1: Resumen del estado del arte
Movimientos
GDL
Rehabilitació
n
Control
Descripción del sistema
Ref.
D/P
I/E
A/A
3
Pasiva
PID
Conformado por una serie de eslabones rígidos que
permiten la rotación en los tres ejes para
proporcionar los movimientos
[14]
(2013)
D/P
1
Pasiva
N/E
Visión artificial para el seguimiento del rostro,
utilizando librería facetracking.
[16]
(2018)
A/A
D/P
2
Pasiva
PID
Configuración de mesa XY, utiliza dos
motorreductores de CD.
[18]
(2014)
D/P
1
´Pasiva
Control
Mioeléctrico
Un actuador lineal que actúa con un voltaje de
referencia de 0 a 4V.
[19]
(2014)
D/P
I/E
A/A
3
N/E
N/E
Dos plataformas móviles, a su vez alojadas en una
estructura de soporte y asistencia.
[20]
(2018)
D/P
A/A
I/E
3
pasiva
N/E
Basado en un robot paralelo, Cuenta con dos
actuadores lineales, un poste de soporte.
[22]
(2019)
D/P
1
Pasiva/activa
PID
Utiliza una tarjeta de control, la interfaz y el
controlador.
[23]
(2014)
D/P
1
Activa
N/E
Un zapato tipo sandalia con una placa de prototipos
Arduino y un acelerómetro.
[7]
(2021)
I/E
COM
FD/P
2
Pasiva
PID
Con estructura de robot paralelo tipo 2-RRSP.
[8]
(2017)
D: dorsiflexión, P: plantarflexión, I: inversión, E: eversión, A: abducción, A: aducción. FD: flexión dorsal, COM: combinado,
NE: no especifica, PID: proporcional integral derivativo, GDL: grados de libertad.
En este artículo se reporta el diseño, control y
resultados de simulación a través de prototipo
virtual de un novedoso dispositivo para
rehabilitación de tobillo, el cual está basado en la
antropometría de la población mexicana, en la
cinemática del tobillo y en rutinas de las terapias
de rehabilitación. El dispositivo proporciona los
movimientos de dorsiflexión-plantarflexión y
eversión/inversión y movimiento combinado (2
GDL) con ejes de rotación que cruzan por la
articulación del tobillo. Además, los
movimientos oscilatorios de dorsiflexión-
plantarflexión y eversión - inversión se logran
con un movimiento continuo del motor a
velocidad constante gracias al diseño de
mecanismos de 4 barras. Estos mecanismos
transforman el movimiento angular de los
motores eléctricos en movimientos oscilatorios
en el soporte del pie (base móvil). Su capacidad
para ejecutar movimientos precisos de
dorsiflexión - plantarflexión y eversión -
inversión de manera continua, armónica y a la
misma frecuencia del ciclo de marcha,
proporciona una experiencia de rehabilitación
más efectiva y cómoda para los usuarios.
Además de estos movimientos individuales, se
resalta su versatilidad al permitir la realización de
movimientos combinados, lo cual amplía su
utilidad en diversos contextos clínicos. En
consecuencia, este dispositivo emerge como una
herramienta prometedora en el ámbito de la
rehabilitación, ofreciendo soluciones avanzadas
y personalizadas para mejorar la calidad de vida
de los pacientes.
Este artículo se estructura de la siguiente manera:
en la Sección 2 se presentan la máquina de
rehabilitación de tobillo, se determina el modelo
matemático para los dos movimientos y se diseña
una estrategia de control para la velocidad de
cada motor. En la Sección 3, se presentan los
resultados de simulación, para ambos
movimientos, dorsiflexión-plantarflexión y
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abducción-aducción, con la estrategia de control.
En la sección 4 se presentan las conclusiones.
2. Rehabilitador de tobillo de 2 GDL
En la Figura 1 se presenta el rehabilitador de
tobillo de 2 grados de libertad. Utiliza dos
motorreductores (Motor de engranaje helicoidal,
12 V, 34 RPM); un motor (E1) va acoplado
mediante unos eslabones (mecanismo de 4
barras) para actuar el movimiento de
dorsi/plantarflexión y el otro motor (E2) va
acoplado a otro mecanismo de 4 barras para
proporcionar el movimiento de
inversión/eversión. En el diseño mecatrónico del
rehabilitador de tobillo se implementaron
metodologías de diseño concurrente tales como:
diseño para manufactura y diseño para ensamble,
lo que resulta en un prototipo de bajo costo al
minimizar las piezas (15 piezas), utilizar
componentes estándar (ejes, rodamientos,
sujetadores) y piezas fáciles de manufacturar y
ensamblar.
Figura 1. Componentes del rehabilitador de tobillo. A)
Base móvil, B) Soporte D/P, C) Soporte I/E, D) Soporte
fijo, E) Motorreductores, F) Base motor, G) Mecanismo de
4 barras, H) Base secundaria, I) Base principal.
Los motorreductores proporcionan la potencia
para impulsar los movimientos del tobillo. Por
otra parte, se sintetizó el mecanismo de 4 barras
para convertir el movimiento rotativo a velocidad
constante de los motorreductores en
movimientos de oscilación (balancín) requeridos
para reproducir los movimientos naturales de
dorsiflexión/plantarflexión e inversión/eversión
de manera continua. En la Figura 2 se muestra el
prototipo en las posiciones máximas de inversión
y eversión, y en la Figura 3 en las posiciones
máximas de dorsiflexión y plantarflexión. La
configuración del rehabilitador, permite
proporcionar también movimientos combinados
entre ellos al activar los motorreductores
simultáneamente.
Figura 2. Movimiento de inversión/eversión en el
rehabilitador de tobillo.
Figura 3. Movimiento de dorsi/plantarflexión en el
rehabilitador de tobillo.
2.2 Modelado matemático
Considere la Figura 4 , donde θ1 representa el
ángulo de giro del motor para el movimiento de
dorsiflexión - plantarflexión, J1 representa el
momento de inercia equivalente, respecto al eje
de giro del motor, y τ1 es la entrada de control del
motorreductor.
De manera similar, considerando la
Figura 5, θ2 representa el ángulo para el
movimiento de inversión-eversión, J2 representa
el momento de inercia equivalente de la
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plataforma móvil, respecto al eje de giro del
motor, y τ2 es la entrada de control del
motorreductor. Para ambos movimientos se
considera amortiguamiento viscoso denotados
por b1 y b2.
Tomando en cuenta las Figuras 4 y 5, se utiliza la
segunda ley de Newton para obtener los modelos
matemáticos que rigen la dinámica del sistema,
para cada movimiento, dados por:
(1)
(2)
Figura 4. Diagrama cinemático para el movimiento de
dorsiflexión-plantarflexión.
Figura 5. Diagrama cinemático para el movimiento de
inversión-eversión.
Haciendo un cambio de variables:
, se
representa en modelo en espacio de estados:
(3)
2.3 Sistema de control
Se propuso un control Proporcional - Integral
(PI) para la regulación de las velocidades y
, las cuales gobiernan la cadencia de los
movimientos de dorsiflexión – plantarflexión o
inversión – eversión.
(4)
(5)
Donde se propone que para las velocidades
angulares (frecuencia), para estas simulaciones,
los valores deseados sean:
(6)
En ambas ecuaciones, (1) y (2), las ganancias se
definen por asignación de polos para que la
dinámica en lazo cerrado sea asintóticamente
estable, (ganancia proporcional), (ganancia
integral) quedando definidas como:
(7)
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2.4 Construcción del prototipo virtual:
El prototipo virtual se importó en el software
MCS Adams® para realizar un análisis dinámico.
Una vez que se tuvo el prototipo virtual en el
entorno de MSC Adams®, se procedió a colocar
las uniones en cada pieza, considerando si era
una conexión fija o articulada. Además, se
asignaron los materiales, siendo el ácido poli
láctico (PLA) para varias piezas (soportes, base
móvil y eslabones), como se fabricaron para el
sistema físico. Una vez que el prototipo virtual ya
cuenta con las uniones, materiales y torques, se
implementó un sistema de control específico para
cada movimiento. En este caso, se emplearon los
controladores PI para asegurar la precisión y
estabilidad necesarias en los movimientos y
ángulos deseados del rehabilitador. El uso de
estos controladores permite ajustar
dinámicamente las respuestas del sistema,
contribuyendo a un buen desempeño durante el
proceso de rehabilitación. Este enfoque integral,
desde el diseño virtual hasta la implementación
del control en el prototipo físico, garantiza una
integración efectiva de la tecnología en el
dispositivo de rehabilitación.
3. Resultados y Discusiones
En esta sección se presentan los resultados de
simulación, del prototipo rehabilitador de tobillo,
en el software de MSC Adams®, ver
Figura 6 . Para las simulaciones que se presentan,
solo se consideran movimientos de
dorsi/plantarflexión y de inversión/eversión de
manera independiente con la implementación de
las estrategias de control (4) y (5). Sin embargo,
en el prototipo se pueden realizar ambos
movimientos de manera simultánea. En la tabla
II se muestran los valores máximos de los
movimientos de dorsiflexión, plantarflexión,
eversión e inversión.
Tabla 2. Valores mínimos y máximos de los movimientos
del tobillo.
Tipo de movimiento
Valor máximo
Dorsiflexión
20.3º a 29. 8º
Plantarflexión
37.6º a 45. 8º
Inversión
Eversión
14.5º a 22. 0º
10.0º a 17. 0º
Figura 6. Prototipo virtual en el entorno del software MSC
Adams®.
La Figura 7 muestra los resultados de la
simulación para el movimiento de dorsiflexión-
plantarflexión (). La amplitud de este
movimiento es de 27.5°, con una frecuencia de
180°/s. La amplitud del torque es de
aproximadamente 0.186 Nm, y se relaciona con
la velocidad de giro del motor (). El valor
deseado para la velocidad es de 180°/s; sin
embargo, debido a la incertidumbre paramétrica
en la estrategia de control, oscila alrededor de
este valor. En la Figura 8A) se muestra el
prototipo virtual en las posiciones máximas de
dorsiflexión, 8B) posición neutral, 8C)
plantarflexión.
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Figura 7. Resultados de simulación para el movimiento de
inversión-eversión.
Figura 8. Prototipo virtual en posiciones máximas. A)
dorsiflexión), B) posición neutral, C) plantarflexión.
La Figura 9 muestra los resultados de simulación
para el movimiento de inversión-eversión (),
tiene una amplitud de 35°. La amplitud del torque
oscila con un valor máximo de aproximadamente
0.45 Nm. Con la ley de control PI, se sigue la
trayectoria deseada (6), como se muestra en
la gráfica de la Figura 9, para la velocidad del
movimiento de dorsi/plantarflexión () de
71.9°/s. En la Figura 10 se muestra el prototipo
virtual en las posiciones máximas de inversión y
eversión, así como la posición neutral.
Figura 9. Resultados de simulación para el movimiento de
dorsiflexión-plantarflexión.
Figura 10. Prototipo virtual en posiciones máximas A)
inversión, B) posición neutral, C) eversión.
En primer lugar, el rehabilitador ofrece la
posibilidad de alcanzar una amplitud de 27° para
ambos movimientos de inversión/eversión. Se
considera rehabilitar el pie derecho, lo que
implica girar el pie hacia adentro y es esencial
para fortalecer los músculos y ligamentos
involucrados en esta acción, mejorando así la
estabilidad y el rango de movimiento del tobillo.
En el movimiento de plantarflexión se tiene al
apuntar los dedos hacia abajo, y alcanza una
amplitud notable de 35°.
Es importante destacar que todos estos
movimientos se ejecutan a una velocidad
A)
B)
C)
B)
C)
A)
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constante, lo que permite un entrenamiento
controlado y progresivo. Esta metodología de
entrenamiento suave y controlada es fundamental
para evitar lesiones adicionales y promover una
rehabilitación efectiva del tobillo. Además, se
pueden generar movimientos combinados y
variar la amplitud máxima y mínima de estos
movimientos ajustando la longitud de los
eslabones del mecanismo de cuatro barras. Esto
ayudará al paciente a realizar movimientos
pequeños hasta llegar al movimiento natural del
tobillo.
4. Conclusiones
En este artículo se presentan los resultados de
simulación de un sistema novedoso de
rehabilitación diseñado específicamente para el
tobillo. El rehabilitador, impulsado por dos
motorreductores que impulsan a mecanismos de
cuatro barras, es de dos grados de libertad y
permite no sólo ejecutar movimientos alternados,
sino también realizar combinaciones de
dorsi/plantarflexión e inversión/eversión de
manera simultánea.
Los resultados de simulación, obtenidos a través
del software MSC Adams®, muestran el
desempeño de los controladores PI utilizados
para proporcionar los movimientos de
dorsiflexión-plantarflexión e inversión-eversión.
La configuración de los elementos del
rehabilitador permite que los motorreductores
trabajen a velocidad angular constante y este
movimiento se convierte en oscilante a través de
un mecanismo de cuatro barras, contribuyendo a
la durabilidad y confiabilidad al evitar los
arranques y paros que exhiben los motores en las
propuestas de rehabilitadores reportados en la
literatura, además que reproducen la cadencia del
movimiento de la articulación en condiciones de
caminata.
Los resultados de la investigación demuestran
que los movimientos proporcionados por el
rehabilitador son armónicos y continuos. Con
estos movimientos es posible automatizar las
rutinas de rehabilitación y liberar al terapeuta de
una actividad manual repetitiva, además de que
la rutina de rehabilitación se puede realizar en
casa con la asistencia remota del terapeuta.
5. Agradecimientos
Salomón Blanco Figueroa agradece al Consejo
Nacional de Humanidades, Ciencias y
Tecnología (CONAHCYT) por el apoyo
otorgado a través de la beca para estudios de
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica
6. Reconocimiento de autoría
Salomón Blanco-Figueroa: Análisis formal,
metodología, escritura, discusión de resultados,
preparación del borrador, revisión y edición.
Arturo Abúndez-Pliego: conceptualización,
administración del proyecto, supervisión y
redacción del borrador original. Andrés Blanco-
Ortega: supervisión, preparación del borrador, y
discusión de resultados. Fernanda De Jesús-
Ramírez: preparación del borrador y discusión de
resultados. Yunel Loeza de la Cruz: preparación
del borrador y discusión de resultados.
Referencias
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