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Title:	Diseño de un exoesqueleto de miembros inferiores energéticamente eficiente
Authors:	Garcia Velarde, Miguel Angel%814569
Issue Date:	2023-01-20
Publisher:	Tecnológico Nacional de México
metadata.dc.publisher.tecnm:	Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Description:	En esta tesis se presenta el desarrollo de un sistema mecánico diseñado para implementarse en exoesqueletos de miembro inferior. Dicho sistema consiste de un mecanismo tipo embrague, un trinquete frontal y un mecanismo para sincronizar los dos primeros. El objetivo del sistema es permitirle al exoesqueleto obtener un ahorro energético considerable. Inicialmente, se modeló matemáticamente el miembro inferior de una persona sana durante el ciclo de marcha. Este modelo se extendió a la estructura del exoesqueleto, por ser análoga al miembro inferior, y, posteriormente, se combinaron los modelos matemáticos del miembro inferior y del exoesqueleto para obtener los momentos necesarios para poner en marcha al sistema. En el diseño del sistema se consideraron una transmisión de potencia de engranes, así como un sistema de elementos elásticos. Sin embargo, ambos se descartaron. La transmisión aumentaba en gran magnitud el peso, y las dimensiones, del sistema. Por otro lado, el sistema de elementos elásticos no aportaba realmente a la disminución del consumo energético. El sistema mecánico consiste en un mecanismo pasivo estabilizador, el cual tiene la función de sostener el peso del usuario mientras éste se encuentre de pie, para permitirle hacer tareas manuales en esta posición, sin tener que usar andadera o muletas. El mecanismo consiste en un eslabonamiento de tres barras tipo manivela-corredera. La “corredera” del mecanismo es un trinquete frontal, que es el elemento que bloquea el movimiento del usuario, proveyéndole de estabilidad. También se implementó un mecanismo tipo embrague, el cual permite desconectar el motor de la cadera, lo cual se haría durante la fase de apoyo, y cuando el usuario esté de pie. Esto permite obtener un ahorro energético mayor al 40%, al considerar el gasto energético que se obtendría sin el embrague. Adicionalmente, se implementó un mecanismo sincronizador, el cual tiene la función de desconectar el embrague en la fase de apoyo y, al mismo tiempo, conectar el mecanismo estabilizador, y viceversa. Después de realizar el diseño mecánico, se implementó una estrategia de control para seguimiento de trayectoria. El sistema de control de simuló en ADAMS y se obtuvieron correlaciones, entre las trayectorias deseadas y las seguidas, superiores al 90%. Además, de estas mismas simulaciones, y con apoyo de los modelos matemáticos, se midió el gasto energético del sistema, considerando al sistema con motores de cadera, rodilla y tobillo siempre actuados, y considerando al sistema sin motor de tobillo y con el de la cadera actuado sólo durante la fase de oscilación, y se obtuvo un ahorro energético superior al 40%. Finalmente, se realizó un análisis en el cual se consideró una estructura antropomorfa arbitraria y el gasto energético tanto de la estructura, como del usuario, durante el ciclo de marcha. En este análisis, se emplearon datos obtenidos de las simulaciones del sistema, además de datos obtenidos de referencias bibliográficas, para determinar el consumo energético. Con tales consideraciones, se determinó que implementar el sistema de embrague le permitiría a un amplio grupo de exoesqueletos de miembros inferiores obtener el mismo ahorro energético que el diseñado aquí. Esta tesis está estructurada de la siguiente forma: En el Capítulo 1 se aborda el impacto que tienen los padecimientos que merman la movilidad del miembro inferior sobre quienes las sufren, así como la importancia de implementar mecanismos que le permitan a estas personas tener una mejor calidad de vida, y algunos retos que se presentan en el desarrollo de exoesqueletos.En el Capítulo 2 se presentan conceptos importantes, mencionados con frecuencia en capítulos posteriores. Se identifican los músculos del miembro inferior, así como los movimientos que realizan; se describe el ciclo de marcha humano; y se aborda procesamiento de señales mioeléctricas. El Capítulo 3 es una revisión de sistemas de asistencia de miembros inferiores. Aquí se presentan exoesqueletos, exotrajes y ortesis orientadas a asistir de alguna manera el movimiento del miembro inferior. Se presentan sistemas recientes que tienen aportes importantes en el diseño mecánico. Los Capítulos 4 y 5 presenta la hipótesis sobre la cual se desarrolló el sistema, así como los objetivos planteados. En el Capítulo 6 se presenta el diseño mecánico del sistema en cuestión. Este capítulo está divido en siete subcapítulos: en los primeros dos se desarrollan y analizan los modelos matemáticos del miembro inferior y el sistema usuario-exoesqueleto; el tercer subcapítulo es el diseño de- mecanismo de trinquete frontal; en el cuarto se describe el diseño de la estructura antropomorfa del sistema y algunos elementos complementarios a ésta; en el quinto y sexto subcapítulos se diseña el elemento tipo embrague y el mecanismo sincronizador; el último presenta un análisis del modelo matemático del sistema y del prototipo desarrollado. En el Capítulo 7 se desarrolla la estrategia de control en espacio de estados para seguimiento de trayectoria. Dado que el modelo es no-lineal, primero se realizó su linealización mediante el método de linealización aproximada. Finalmente, en los Capítulos 8 y 9 se discuten los resultados y se dan las conclusiones del proyecto, respectivamente.
metadata.dc.type:	info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Appears in Collections:	Tesis de Doctorado en Ingeniería Mecánica

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