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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y LA
MECÁNICACARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE
PRÓTESIS DE RODILLA CON CONTROL DE TORQUE ACTIVO
MEDIANTE LA INVESTIGACIÓN DE LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS DE MATERIALES MAGNETOREOLÓGICOS BAJO
LA ACCIÓN DE DIFERENTES CAMPOS MAGNETICOS”
DIEGO OMAR CAMACHO FRANCO
ALVARO PATRICIO VELASCO VASCO
TUTOR: ING. OSCAR ARTEAGA
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INTRODUCCIÓN
Amputaciones externas
Naturales
Accidente
Fluidos Magnetoreológic
os (FMR)Propiedades
Implementación
Prótesis con Limitador de
Torque
Estabilidad
Regulador de torque
Control mediante campo magnético
Emulación de la marcha Humana
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ANTECEDENTES
(5,6%)
Discapacidad Física (23%)
193520
Recuperación ComodidadPrótesis (rígidas)
Fluidos Magnetoreológicos
Jacob Rabinov 1940
Fluido newtoniano
Campo MagnéticoViscosidad
Resistencia al flujo
Partículas micrométricas magnetizables
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JUSTIFICACIÓN
Amputación Extremidades
Inferiores
Sustitución de la extremidad perdida
Evitar Discriminación
Promover
Correcta Caminata
Mecanismo de Rotación
ConfortEstabilidad
Costo Beneficio
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PROPUESTA
Investigación Fluidos
Magnetoreológicos
Implementación Prótesis de
Rodilla
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OBJETIVO GENERAL
• Investigar las propiedades mecánicas de materiales Magnetoreológicos
bajo la acción de diferentes campos magnéticos para el diseño e
implementación de un prototipo de prótesis de rodilla con un control activo
de torque activo.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Construir un prototipo de prótesis de rodilla con control de torque para
emular la oscilación de la articulación amputada.
• Implementar fluidos Magnetoreológicos en el prototipo construido, afín de
generar un control de torque activo durante la caminata y reemplazar la
función del músculo perdido.
• Proponer un esquema de control que permita maniobrar el actuador del
prototipo de prótesis para replicar la marcha humana.
• Realizar evaluaciones experimentales del prototipo de prótesis
desarrollada para comprobar la incidencia del esquema de control en el
control activo del torque
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TRABAJOS PREVIOS
Prótesis de rodilla
policéntricaOssur
Canadá
Prótesis de rodilla Rheo Knee 3
Estados Unidos Rodilla Adaptive Endolite
Estados Unidos
Prótesis de rodilla con pistón magnetoreológico
México
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DISEÑO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES
Materiales Protésicos
BiocompatiblesResistentes
Aluminio C330R
• Buena Resistencia• Tratable Térmicamente• Apto para el
mecanizado• Resistencia a la
corrosión
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PARAMETROS DE DISEÑO
Medidas antropométricas
Altura = 165-170 cm.Masa= 65 70 Kg.
Peso: 686 [N]
Peso de la prótesis
3,57 Kg.Modelo Dempster
y Clauser
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Torque flexión y extensión
TORQUE MÁXIMO
7,1 [Nm]
Torque máximo caminata
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PROPIEDADES FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO
MRF 140 CG
Anton Para Physica MRC-50I
MRD 70/IT
Ensayos Reológicos
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0 100 200 300 400 500 600 700 8000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5x 10
4
Campo magnético (mT)
Um
bra
l de c
izalla
dura
(P
a)
20 ºC
30 ºC
40 ºC
50 ºC
Umbral de CizalladuraViscosidad
Viscosidad= 21,51 [Pa.s] 800 [mT] 41,7 [Kpa]
RESULTADOS
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PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Viscosidad
Viscosidad intrínseca
Fracción volumétrica de las partículas
Campo Magnético
Umbral de Cizalladura
Par de torsión
Temperatura
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DISEÑO MECÁNICO
Tipos de Limitadores
Disco
r2= radio del discor1= radio del eje del limitadorrt= radio exterior de limitadora= ancho del limitador
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TENSIÓN DE CORTE DEL LIMITADOR
Fluidos Magnetoreológicos
Fluido de Bingham
𝜏 𝑟2, 𝜔, 𝐻 = 𝜏𝑦 𝐻 + 𝜂𝜔𝑟
ℎ
𝑇 = 𝑇𝑀𝑅 + 𝑇𝜂
𝑇 =4𝜋
3𝜏𝑦 𝐻 𝑟2
3 − 𝑟13 +
𝜂𝜔𝜋
ℎ𝑟24 − 𝑟1
4
Saturación 800 [mT] 121 KA/m
T= 7,2 [Nm]
Torque requerido 7,14 [Nm]
𝝉 𝒓𝟐,𝝎, 𝑯 es la fuerza de cizallamiento
𝝉𝒚 𝑯 es el límite de cedencia dinámico
𝜼 es la viscosidad del fluido
𝝎 es la velocidad angular del disco rotatorio
𝒉 (gap) es el intervalo en donde se
encuentra el fluido
𝒓𝟐 es la posición en la superficie del disco.
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Efecto GAP
Efecto r2 sobre el torque
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DISEÑO MAGNÉTICO
Según el fabricante
𝐵 = 2.645𝐻3 − 0.07035𝐻2 + 0.2654𝐻 + 1.013
800 [mT] 121 KA/m
Circuito magnético analogía eléctrica
𝑁𝐼 = (ℛ𝑀𝑅 +ℛ𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜)Φ
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DISEÑO MAGNÉTICO
𝐻𝑀𝑅 =Φ
𝜇𝑀𝑅𝐴𝑀𝑅=
𝑁𝐼
൰𝑔𝑀𝑅 + 𝑙𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜(𝜇𝑀𝑅𝜇𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜
)(𝐴𝑀𝑅𝐴𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜
𝑁 El número de vueltas del cable𝐼 Corriente = 0.8 [A]𝑔𝑀𝑅 (gap) intervalo donde se encuentra el fluido= 1[mm]𝑙𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 longitud magnética del acero = 0.213 [m]𝜇𝑀𝑅 coeficiente de permeabilidad magnética del fluido MR = 5.26𝜇𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 coeficiente de permeabilidad magnética del acero = 100 (Olmo, 2012)𝐴𝑀𝑅 Área del fluido = 0.131 [m]𝐴𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 Área del acero = 0.444 [m]𝐻𝑀𝑅 Intensidad de campo magnético del fluido = 121000 A/m
𝑁 = 215.91 ≈ 216 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 0,8 A 24 (AWG)
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SELECCIÓN DEL LIMITADORDispositivos del Mercado
Condiciones geométricas y mecánicas
TDF Steering Unit LORD 5 Nm
7 Nm Flexión y extensión
Sistema de transmisión
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DISEÑO DEL EJE
Masa 70 kg.Factor de seguridad= 1,2
Masa 84 Kg.Teoría de deformación
∅ = 7,491[𝑚𝑚] ∅ = 12,7 [𝑚𝑚]
Criterio de Goodman
Factor de Seguridad n= 1,13
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SELECCIÓN SERVOMOTOR
Marcha Humana
Movimiento Continuo
Actuador Pasivo
Motor DC
Servomotor
Torque 3,9 [Nm]Precio 150
Torque 4 [Nm]Precio 60
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DISEÑO SISTEMA DE TRANSMISIÓN
Marcha 10 a 25 [Nm]
Relación de Transmisión 6,25: 1
Torque máximo
26 [Nm] + 5 [Nm]
31 [Nm]
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Deformación 0,00214 [mm] Factor de seguridad 3,27
Giro 90 Bloqueo de movimiento
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DISEÑO CORTANTE PERNOS DE LA MANZANA
F perno 266,64 N
F soporta 1170 N
RodamientoSKF 6001
C 3,9 KN
C soporta 5,1 N
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DISEÑO SOPORTE DEL LIMITADORAluminio C330
Deformación 0,006472 [mm]
Factor de seguridad 9,9
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DISEÑO ELECTRÓNICO
Marcha Humana Matlab
Variación angular en grados de la
articulación de la prótesis de la rodilla.
RP-respuesta al peso,
AY-apoyo intermedio,
AF-apoyo final,
PB-pre balanceo,
BI-balanceo inicial,
BIT- balance intermedio,BF-balanceo final
𝜃 𝑡= 23.06 − 18.24𝑐𝑜𝑠 3.057𝑡 + 13.2𝑠𝑒𝑛 3.057𝑡+ 3.936𝑐𝑜𝑠 6.114𝑡 − 21.35𝑠𝑒𝑛 6.114𝑡
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Proporcional Rapidez
DISEÑO ELECTRÓNICO
Integral Estabilización
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Buje
CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN
Sistema de transmisión
Tapa del Limitador
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Manzana
CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN
Soporte del servomotor
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Estructura
CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN
Soporte del Limitador
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CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN
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SISTEMA DE CONTROL
Sensor Arduino SabertoothLimitador
Servomotor
Comunicación Serial
Mapeo y Acondicionamiento
420 a 800 175 a 90
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SISTEMA DE CONTROL
Control PI
Condiciones de Seguridad
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SISTEMA DE CONTROL
Activación del Limitador
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SISTEMA DE CONTROL
Activación del Limitador
Implementación circuito eléctrico
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ENSAMBLAJE FINAL
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ANÁLISIS DE RESULTADOS
SIN CARGA SISTEMA DERODILLERAS
Limitador de Torque
Datos Obtenidos
Datos Fabricante
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IMPLEMENTACIÓN
Estructura de la
prótesis
Limitador de torque y
servomotor
Sistema de transmisión
Prótesis completa(pruebas)
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RESPUESTA PROTESIS A LA MARCHAInterfaz
Arduino Matlab
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RESPUESTA PROTESIS A LA MARCHA
Marcha Humana Prótesis
Marcha Humana Normal
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PRUEBAS CON CARGA
FlexiónCarga Aplicada
Peso de la persona
Soporte
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CONCLUSIONES
Mediante la investigación de las propiedades mecánicas de materiales
Magnetoreológicos bajo la acción de diferentes campos magnéticos se lleva a cabo
el diseño e implementación de un prototipo de prótesis de rodilla con un control
activo de torque activo.
Con la implementación de los fluidos Magnetoreológicos en el prototipo
construido, se logra generar un control de torque activo durante la caminata y
reemplazar la función del músculo perdido.
El esquema de control se permite controlar el actuador del prototipo de prótesis
para replicar la marcha humana y mediante evaluaciones experimentales del
prototipo de prótesis desarrollada se verifica la incidencia del esquema de control
en el control activo del torque
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CONCLUSIONES
Para el correcto diseño del limitador de torque se consideran tres parámetros
importantes: el número de vueltas, el límite de saturación magnética y el gap o
cavidad en donde se encuentra el fluido MR, deben considerarse simultáneamente
para el diseño del limitador.
Los dispositivos de fluido MR, gracias a sus numerosas ventajas (compacidad,
altas fuerzas o pares, bajo consumo de energía, suavidad y seguridad de
funcionamiento), pueden utilizarse en una amplia variedad de campos que van
desde automoción a la rehabilitación. El reciente interés creciente del mercado por
los fluidos magnetoreológicos deriva principalmente de la capacidad de emplear
interfaces rápidas y sencillas entre una señal de control eléctrico y una respuesta
mecánica.
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CONCLUSIONES
Estos materiales tienen el potencial de cambiar radicalmente el diseño de las
máquinas en las que su implementación es posible. Sin embargo, este escenario
sólo es posible si los dispositivos que explotan estas características son capaces
de garantizar el accionamiento mediante un movimiento preciso y rápido. Esta
consideración es aún más relevante cuando se tiene en cuenta su costo. Como los
dispositivos magneto-reológicos son controlables electrónicamente, es posible usar
algoritmos de control de realimentación para mejorar su funcionalidad; sin
embargo, este tipo de control requiere conocimiento de la respuesta del dispositivo
mucho más allá de la disponible en la hoja de datos proporcionada por el
fabricante.
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RECOMENDACIONES
Comunicación Inalámbrica
Limitador de toque mas compacto
Medidas ajustables