En la actualidad, la cuadriplejia resulta ser uno de los padecimientos más difíciles de afrontar, al ser una discapacidad irreversible, la cual implica la inmovilización de miembros superiores e inferiores, ocasionando un alto impacto en la vida de un ser humano. El resultado de esta patología influye en la dependencia de una segunda persona, generándole sentimientos de inferioridad, perdida de su intimidad y sobre todo aislamiento social. Dada la existencia de esta patología, diversas instituciones han desarrollado soluciones que a la actualidad han demostrado que una persona con padecimiento de cuadriplejia puede tomar el control de diversos dispositivos usando medios alternativos, como el movimiento ocular, señales electroencefalográficas u órdenes verbales resultando atractivo para su desarrollo tecnológico. El presente proyecto de investigación se centra en la creación de un sistema de asistencia robótica basado en el control por voz que, a diferencia de otros, tiene un óptimo funcionamiento sin la limitación de estar conectado a un ordenador y/o a internet, siendo un sistema fácilmente transportable y adaptable a cualquier entorno en el que se encuentre el discapacitado. Con la ayuda de este sistema, el usuario podrá tener el control de un mecanismo robótico, con el cual ejecutará acciones que normalmente son realizadas por una segunda persona. Adicionalmente, se presentará la simulación del sistema y sus resultados al evaluar su performance y su funcionalidad con respeto al ayudar a personas que padecen de cuadriplejia ya sea en la realización independiente de ciertas actividades de su vida cotidiana, como asearse o alimentarse. Este proyecto sumará también a la labor de diversos especialistas enfocados en ayudar psicológicamente a las personas con padecimiento de cuadriplejia, cuya esencia se basa en mejorar su autoestima, su inserción en la sociedad y sustancialmente su calidad de vida y de los que lo rodean.

En la presente tesis se propone, el diseño mecatrónico de una prótesis de mano, para pacientes con amputación transradiaL la cual pennitirá al usuario el control de esta nueva extremidad por medio de una mterfuz de electroencefulogra:fia que predecirá las acciones y deseos del usuario y comunicándose con el controlador de la prótesis llevará a cabo dicha tarea. El presente diseño ha sido basado en estudios antropomórficos y biomecánicos de la mano humana. Consideraciones, cálculos, comparaciones y justificaciones son presentados en el presente documento. Así se logró un diseño capaz de someterse hasta 1 O kgf de carga con sólo una masa de aproximadamente 800 gr. Además el tiempo de cerrado de la mano es de 0.33 s, siendo un prototipo rápido con una velocidad comparable a la mano humana . Así mismo, el sistema electrónico de la prótesis fue diseñado para optimizar el ahorro de energía y controlar sólo las variables necesarias para el buen funcionamiento del conjunto. Las variables a controlar son justificadas de acuerdo al diseño mecánico propuesto. Además, el sistema se divide en tres dispositivos independientes: una interfuz cerebro máquina, que adquirirá las señales eléctricas producidas en la superficie del cerebro para la interpretación de la acción a realizar; un dispositivo Smartphone de alto rendimiento, que procesará la señal adquirida, realizando el :filtrado y reconocimiento de patrones; y la prótesis propiamente dicha, la cual recibe los parámetros del anterior procesador y controla las salidas actuadas, por medio de un lazo de control realimentado con sensores de posición y fuerza. Finalmente, se proponen filtros digitales de orden ocho para el preprocesamiento de la señal los cuales otorgarán una atenuación de paso de 0.5 dB y una atenuación de corte de 40 dB, así como un algoritmo de reconocimiento de patrones basado en redes neuronales y aprendizaje autónomo. La presente tesis no desarrolla los parámetros exactos de este sistema de reconocimiento y aprendizaje, pero sí propone una secuencia de algoritmos que permitirá llegar al controlador óptimo de la prótesis. Esta limitante se debe a la necesidad de la obtención de estos parámetros por medio de iteraciones de prueba y error.

En el presente estudio se realizó la modelación y simulación dinámica de un novedoso sistema actuado para tobillo para la asistencia del movimiento de flexión plantar durante la caminata. Es así que, en la primera parte, se describe la anatomía funcional y biomecánica del sistema pierna-pie, y además se detalla el comportamiento de los principales elementos del sistema músculo esquelético. Posteriormente, se realiza el estado del arte sobre tecnologías portátiles asistenciales de tobillo, y se presentan los principales métodos de modelación y simulación computacional para la evaluación del desempeño de dichos dispositivos. En base al marco teórico presentado, se desarrollan los requerimientos y la conceptualización del diseño preliminar de un sistema actuado cuasi pasivo que contiene un accionamiento controlable capaz de almacenar y liberar energía elástica y así asistir a la marcha. Luego se realiza la modelación del cuerpo humano empleando el modelamiento “linksegmento”, ampliamente usado para análisis biomecánico del movimiento, y se implementa virtualmente el dispositivo propuesto a fin de analizar el comportamiento de su interacción durante la caminata a través de simulaciones dinámicas. El cálculo de la simulación se realiza de manera computacional empleando el software MATLAB a través de la técnica de dinámica inversa. Finalmente, estos resultados permiten entender el comportamiento dinámico del sistema actuado propuesto, así como los parámetros del accionamiento controlable para un desempeño óptimo en la asistencia de la marcha. Este conocimiento aporta al entendimiento de la interacción biomecánica de dispositivos asistenciales y además sienta las bases para el futuro diseño e implementación del dispositivo.

El Va’a o canotaje polinésico es un deporte de aventura practicado en el mar y el Para Va’a es la práctica adaptada del Va’a por personas con discapacidad. En el Perú, solo el 2,5% de las personas con discapacidad realizan actividades deportivas. Pese a esto, existe una gran cantidad de inscritos en los procesos selectivos para competencias oficiales. Sin embargo, se ha incluido, por primera vez, el Va’a en los Juegos Paralímpicos de Tokio 2020, lo cual facilita la participación de nuevos atletas. Por lo tanto, se presenta la oportunidad de incentivar la práctica deportiva y brindar una mejor calidad de vida a las personas con discapacidad en el Perú. En ese contexto, el objetivo del presente trabajo de investigación es desarrollar el diseño conceptual de un simulador biomecánico de Va’a en el tipo de canoa V1 dirigido a personas con discapacidad motora inferior clasificados en la categoría VL3. El documento inicia con un estudio teórico del deporte del Va’a y sus componentes, la clasificación deportiva, el análisis de la técnica de remado, entre otros. Posteriormente, se recopila el estado de la tecnología entorno a simuladores de canotaje en los deportes de Va’a, remo y kayak. Finalmente, a través de los principios básicos de ingeniería y el desarrollo de la metodología de diseño (lista de exigencias, estructura de funciones, matriz morfológica, conceptos preliminares) basada en la norma VDI 2221 se logra obtener el diseño conceptual del simulador de canotaje polinésico. El diseño es innovador: existen escasas referencias bibliográficas; es versátil: puede ser implementado en cualquier espacio abierto; y permite un entrenamiento accesible: el atleta no necesita retirar, ensamblar ni trasladar la canoa. Asimismo, se halla que el simulador permitiría recaudar información de la técnica de remado para un posterior estudio cualitativo y cuantitativo, lo cual complementa una preparación deportiva óptima.

En la presente tesis se realiza el diseño de un exoesqueleto para asistir la articulación de la rodilla al correr. Una característica importante de este diseño es la fuerza que puede generar teniendo en cuenta que tiene una masa de 4.2 kg (con una masa de 1.3 kg en cada pierna y 1.6 kg cargados en una mochila), con lo cual se puede considerar ligero en comparación a otros exoesqueletos con funciones similares. Esto es posible gracias al uso de métodos de optimización de forma y materiales ligeros, pero al mismo tiempo resistentes. El diseño se basa en un concepto de solución, así como en una serie de consideraciones, y aborda la selección y el dimensionamiento de los componentes del exoesqueleto, además de simulaciones mediante el método de elementos finitos para verificar el funcionamiento de estos e incluso diseñar algunos de ellos. También se presentan los planos de ensamble y despiece para su fabricación, así como el diagrama esquemático para la fabricación y conexión de las tarjetas electrónicas diseñadas. El exoesqueleto presentado en este trabajo es capaz de generar un momento de hasta 71 Nm (aproximadamente) mediante el uso de un resorte de torsión, un innovador mecanismo de transmisión y un freno electromagnético. Por otro lado, utiliza un motor sin escobillas de rotor externo, sensores de efecto Hall y codificadores de anillo para realizar un control de fuerza, en base a la deformación del resorte de torsión, con el fin de que el usuario pueda mover su pierna sin impedimentos, tanto al correr como al caminar. Así, al utilizar este motor con el freno electromagnético mencionado anteriormente, se alcanza una alta eficiencia del sistema, lo que permite que este tenga una autonomía de aproximadamente una hora utilizando un par de baterías. Por último, es importante mencionar que el costo de fabricación estimado del dispositivo es de S/. 9880 aproximadamente, incluyendo la importación de ciertos elementos que no se pueden encontrar en el país. Así mismo, el costo de diseño se estima en S/. 38,000.

En este Proyecto de tesis se realizó el diseño de mejoras para el sistema mecánico del Exoesqueleto PUCP para rehabilitación de miembros inferiores. El resultado ha sido planos de fabricación y de ensamble que se basan en el método de diseño en ingeniería de acuerdo a la norma VDI 2221, así como una estimación de costos para la realización de estas mejoras. El costo de realización de este Proyecto es de aproximadamente S/. 72,600.00, lo cual incluye el costo de fabricación de los componentes (aprox. S/. 54,600.00), el costo de los componentes comerciales que se necesitarían comprar (aprox. S/. 3,000.00), los costos de logística y montaje, así como el costo de diseño (S/. 15,000.00). El diseño se realizó tomando como punto de partida las necesidades de los pacientes que requieren de terapias para la rehabilitación de la marcha, así como las exigencias mecánicas que se deben cumplir para el funcionamiento del Exoesqueleto. La metodología seguida fue, descrita a grandes rasgos: se revisaron los fundamentos para la rehabilitación de la marcha humana y las tecnologías existentes para apoyarla, luego se evaluaron los problemas y limitaciones que presenta el sistema mecánico del Exoesqueleto PUCP, para así elaborar las principales propuestas de mejora, y finalmente, se realizaron los cálculos de ingeniería y los planos correspondientes, así como una estimación del costo de implementación. En el capítulo 3 de este Proyecto se exponen los cálculos realizados para la ingeniería de detalle. Se realizaron análisis de cargas, así como análisis de esfuerzos en las secciones críticas de los elementos y verificación de rigidez por deflexión. Las fuentes de las teorías utilizadas para el análisis están referenciadas a lo largo de este capítulo. En base a las piezas diseñadas se realizó también una estimación de costos de este Proyecto. Finalmente se hizo una auto evaluación del trabajo realizado de modo que se pudieran identificar mejoras que no se pudieron abordar en este Proyecto y limitantes generadas por los alcances del mismo. También se evaluaron los resultados obtenidos durante la realización del Proyecto y su impacto en el contexto actual.

En este trabajo se desarrolló el diseño de un mecanismo del tipo exoesqueleto de miembros inferiores que permita reproducir patrones de movimiento. Se enfocó en aquellas personas con deficiencia del sistema nervioso referido a la parálisis de extremidades inferiores. Para poder realizar este prototipo, se contempló temas como la biomecánica. Además, se realizó el estudio de los diferentes tipos de dispositivos de asistencia, particularmente del tipo exoesqueleto, que existen en el mercado, permitiendo así tener una idea de las características que debe poseer el prototipo. Con la ayuda de la metodología de diseño, se planteó un prototipo que incluye un subsistema de suspensión de peso corporal que permite a la persona suspender para poder realizar otros tipos de movimientos de asistidos dirigidos para la rehabilitación; sin embargo, por temas de extensión del documento y porque no contempla el objetivo principal de la tesis, para este sub-sistema solo se realizó el diseño conceptual y los planos de sub-ensamble; centrándose el desarrollo de la ingeniería de detalle solo en el sub-sistema tipo exoesqueleto. A lo largo del capítulo de la ingeniería de detalle se verificó que las piezas que van a ser fabricadas soporten las cargas de trabajo para un ciclo de marcha normal; además de la selección de los principales componentes que darán energía al mecanismo o servirán para el sensado y control del sub-sistema. Luego de tener claro el dimensionamiento y características de los componentes se generaron los planos y costos, obteniéndose un costo aproximado de fabricación de 16,000.00 soles. Al final de este trabajo se habrá diseñado un primer acercamiento de un mecanismo para personas adultas jóvenes con altura entre 1,60 y 1,70 metros; peso entre 60 a 80 kilogramos; sus movimientos controlados estarán restringidos en el plano sagital; sin embargo, los rangos de movimientos en los otros planos permitirán recrear el ciclo de marcha normal entre 70 y 90 pasos por minutos, entre otros movimientos para rehabilitación. Finalmente se obtuvo algunas observaciones y recomendaciones para el mejoramiento del prototipo a futuro, además de las conclusiones sobre las lecciones aprendidas en el desarrollo de la tesis.

Desde años atrás, la mayoría de las personas han sufrido de diversos problemas de salud que han podido ser resueltos mediante medicamentos, descansos o algunas indicaciones de personas expertas en determinado rubro de la medicina. Actualmente, los problemas de columna vertebral reflejados en el dolor de espalda, se presentan como una de las principales patologías que pueden afectar a las personas de cualquier condición sin importar si se trata de niños, jóvenes, mujeres, hombres o ancianos. El problema principalmente se da por el desgaste del disco intervertebral que es un problema inevitable debido a la vejez. Se presenta el diseño de un equipo de ensayo de fatiga que permite al usuario el poder probar un implante para disco intervertebral utilizando una interfaz útil para el encendido, apagado y visualización de indicadores (fuerza aplicada y desplazamientos durante la prueba) de todo el sistema. El equipo de ensayo de fatiga consiste en un actuador lineal que se desplaza hasta una velocidad de 5,7 mm/s. Dicho actuador generará una fuerza de presión de 75 N (carga necesaria para realizar el ensayo sobre un implante, según Norma ISO 18192-1). Variando el posicionamiento del vástago del actuador lineal, se podrá introducir y retirar el implante según le convenga al usuario. Además, el equipo cuenta con un sensor de fuerza que puede medir magnitudes de hasta 20 kg, motores con reducción con torque nominal de 1,6 Nm. para generar cada uno de los movimientos presentes en un disco intervertebral. El ensayo se realiza mediante una interfaz para que el usuario ingrese información necesaria con el fin de lograr el mejor análisis del comportamiento. El control estará a cargo de un Arduino UNO. El costo aproximado considerando el diseño, fabricación y armado del equipo es de aproximadamente S/. 4,900.00, siendo el concepto de mayor costo por el diseño del mismo, el cual alcanza los S/.3,000.00.

La presente tesis consiste en el diseño del prototipo del mecanismo de un exoesqueleto posicionador de espalda enfocado en contribuir con el entrenamiento deportivo del tiro con arco. Un exoesqueleto es un implemento mecánico, accionado generalmente por actuadores electrónicos o neumáticos, el cual es portado por una persona a fin de guiar su movimiento y a su vez mejorar habilidades físicas como la fuerza o motrices como la precisión del usuario. Respecto a esto se vienen realizando estudios que indican que estos mecanismos también permiten a personas con problemas o lesiones motoras acelerar la recuperación de sus habilidades motrices, por ello estos mecanismos vienen demostrando su eficacia en terapias de rehabilitación. El principio de las terapias de rehabilitación consiste en la repetición continua de determinados movimientos en el miembro afectado y precisamente estos mecanismos pueden programarse a fin de repetir infinidad de veces estos movimientos con una gran precisión. Por otro lado en el caso de personas sin problemas motores se ha demostrado que estos mecanismos contribuyen con acelerar el aprendizaje de movimientos nuevos y a su vez contribuir con la mejora de habilidades motrices como la precisión del movimiento. Igual que en el caso anterior esto se logra mediante la repetición continua del movimiento nuevo que se quiere aprender o mejorar. El tiro con arco es un deporte con gran potencial de masificación en el país, se puede practicar a cualquier edad y no requiere un biotipo en especial. Si bien esta disciplina requiere pocos movimientos durante su ejecución deben realizarse con gran precisión. Habilidad que puede desarrollarse con el uso de un exoesqueleto. Para el diseño del mecanismo se tuvieron que realizar visitas a centros deportivos de tiro con arco a fin de reconocer los movimientos característicos para dirigir el movimiento de la flecha. Se pudo reconocer que al mantener los brazos tensados al apuntar era la espalda la que permitía controlar la dirección final de la flecha. Posteriormente se realizó un modelo matemático para obtener los parámetros inerciales de un individuo con las medidas del peruano promedio. Se planteó un diseño preliminar, se reconoció la distribución de cargas sobre el mecanismo y se realizó la ingeniería de detalles para finalmente obtener los planos de fabricación del mecanismo propuesto

En el cuerpo humano a veces se presentan alteraciones en el esqueleto tanto en el crecimiento como en el desarrollo del mismo en diversos grados, actualmente se practican técnicas que tiene por objetivo la corrección de los crecimientos anormales que se presentan en el esqueleto. El objetivo del presente trabajo es la corrección de los crecimientos anormales que se presentan en el maxilar inferior, la técnica a utilizar es la denominada distracción osteogénica, esta técnica ha demostrado que la tracción gradual de los tejidos vivos crea fuerzas que estimulan el crecimiento y la regeneración de los huesos. Se diseñó y construyó un dispositivo, el cual logrará de manera satisfactoria una tracción gradual sobre mandíbula inferior, ocasionando que esta modifique su geometría. El diseño del dispositivo utilizó una “Metodología del diseño”, ésta es una técnica reconocida, la cual nos garantiza que el dispositivo cumpla con todos los requerimientos y restricciones necesarias para lograr la distracción osteogénica. Los cálculos de las piezas del dispositivo denominado Distractor fueron verificados utilizando el Método de los Elementos finitos (CAE). También se presentan los planos del Distractor, los cuales sirvieron para la fabricación y ensamble del mismo, las piezas se fabricaron en talleres nacionales. / Tesis