Abstract This paper presents a synthesis of a spherical parallel manipulator for a shoulder of a seven-degrees-of-freedom prosthetic human arm using a multi-objective optimization. Three design objectives are considered, namely the workspace, the dexterity, and the actuators torques. The parallel manipulator is modelled considering 13 design parameters in an optimization procedure. Due to the non-linearity of the design problem, genetic algorithms are implemented. The outcomes show that a suitable performance of the manipulator is achieved using the proposed optimization.

Resumen El ritmo de vida actual, tanto sociocultural como tecnológico, ha desembocado en un aumento de enfermedades y padecimientos que afectan las capacidades físico-motrices de los individuos. Esto ha originado el desarrollo de prototipos para auxiliar al paciente a recuperar la movilidad y la fortaleza de las extremidades superiores afectadas. El presente trabajo aborda el diseño de una estructura mecánica de un exoesqueleto con 4 grados de libertad para miembro superior. La cual tiene como principales atributos la capacidad de ajustarse a la antropometría del paciente mexicano (longitud del brazo, extensión del antebrazo, condiciones geométricas de la espalda y altura del paciente). Se aplicó el método BLITZ QFD para obtener el diseño conceptual óptimo y establecer adecuadamente las condiciones de carga de servicio. Por lo que, se definieron 5 casos de estudio cuasi-estáticos e implantaron condiciones para rehabilitación de los pacientes. Asimismo, mediante el Método de Elemento Finito (MEF) se analizaron los esfuerzos y deformaciones a los que la estructura está sometida durante la aplicación de los agentes externos de servicio. Los resultados presentados en éste trabajo exhiben una nueva propuesta para la rehabilitación de pacientes con problemas de movilidad en miembro superior. Donde el equipo propuesto permite la rehabilitación del miembro superior apoyado en 4 grados de libertad (tres grados de libertad en el hombro y uno en el codo), el cual es adecuado para realizar terapias activas y pasivas. Asimismo, es un dispositivo que está al alcance de un mayor porcentaje de la población por su bajo costo y fácil desarrollo en la fabricación.

Abstract The pace of modern life, both socio-cultural and technologically, has led to an increase of diseases and conditions that affect the physical-motor capabilities of persons. This increase has originated the development of prototypes to help patients to regain mobility and strength of the affected upper limb. This work, deals with the mechanical structure design of an exoskeleton with 4 degrees freedom for upper limb. Which has the capacity to adjust to the Mexican patient anthropometry (arm length, forearm extension, geometry conditions of the back and the patient's height) BLITZ QFD method was applied to establish the conceptual design and loading service conditions on the structure. So, 5 quasi-static cases of study were defined and conditions for patient rehabilitation were subjected. Also by applying the finite element method the structure was analyzed due to service loading. The results presented in this work, show a new method for patient rehabilitation with mobility deficiencies in the upper limb. The proposed new design allows the rehabilitation of the upper limb under 4 degrees of freedom (tree degrees of freedom at shoulder and one at the elbow), which is perfect to perform active and passive therapy. Additionally, it is an equipment of low cost, which can be affordable to almost all the country population.

Fundación MAPFRE y otros han reportado que cada año mueren alrededor de 6.500 niños en Latinoamérica en accidentes de tránsito en [1]. Los datos de siniestralidad referidos a infantes fallecidos que no llevan un sistema de retención infantil que ofrezca la protección evidenciada por los actuales dispositivos de seguridad son alarmantes. Aunque los actuales sistemas de retención infantil presentan un buen nivel de protección es posible diseñar sistemas que mejoren las prestaciones de los actuales, siendo la mejora de la seguridad la motivación principal de este estudio. Esta investigación se organiza en dos fases: la primera se corresponde con el diseño de un prototipo de pretensor que se sujeta a una silla porta-bebes y la segunda etapa muestra el funcionamiento de este dispositivo mediante su verificación con ensayos realizados en el sentido de la marcha del vehículo. En la fase experimental se comprueba que este dispositivo consigue disminuir el recorrido hacia delante de la cabeza, los esfuerzos soportados por el cuello, los niveles de aceleración de la cabeza y del pecho durante una colisión. Además, los resultados muestran el aumento de los niveles de protección ofrecidos a los niños, así como la mejora de la capacidad de retención de una silla dotada del pretensor desarrollado en este trabajo.

MAPFRE foundation and others have reported that every year around 6,500 children in Latin America in traffic accidents result in death [1]. The accident data related to infant deaths that do not carry a child restraint system that offers the protection levels as evidenced by the current safety devices are alarming. Although current child restraints systems have a good level of protection it is possible to design others that improve the performance of the current ones, being the improvement of child safety the main motivation for this study. This study is divided into two phases: the first one corresponds to the design of a pretensioner prototype which is attached to a baby chair holder and the second stage shows the operation of this device with simulated crash tests in vehicle forward facing direction. In the experimental phase is found that this device is able to decrease the forward excursion of the head, the neck efforts supported, the head and chest acceleration levels during a collision. Moreover, the results show the increased levels of protection offered to children, as well as the improved retention capacity for a chair restraint system equipped with the pretensioner developed in this work

En este trabajo se presentan los resultados obtenidos para el establecimiento de los criterios en el diseño de herramientas para la manufactura, mediante la conformación en frío, de elementos mecánicos en acero inoxidable tipo 304. Además, se reportan los valores de dureza que adquieren estas piezas cuando se obtienen por trabajo en frío. Los resultados que se muestran corresponden al rendimiento de herramientas previamente diseñadas y a la manufactura de elementos mecánicos automotrices. El punto de partida para el desarrollo de este trabajo fue la aplicación de criterios de diseño de herramientas que se emplean para la conformación en frío de aceros al Carbón. Como antecedente, este tipo de acero incrementa su dureza cuando es trabajado en frío, lo cual dificulta la fabricación de componentes en serie.

This paper presents results for the establishment of criteria in the design of manufacturing tools by means of cold conformation of mechanical components made of stainless steel type 304. In addition values of hardness acquired by these pieces when they are obtained by cold working are reported. The results presented correspond to the performance of the designed tools and to the manufacture of self-propelling mechanical components. The starting point for the development of this work was to apply design criteria of tools for conformation in cold steels. It is important to keep in mind, that this type of steel increases its hardness when it is worn out in cold, this impedes the manufacture of components in series.

Este trabajo describe la metodología utilizada para obtener el prototipo funcional de una mano robótica considerando características antropométricas, a partir del análisis y procesamiento de imágenes Tomográficas Computarizadas (TC), que aportan información para el desarrollo del estudio analítico de la síntesis de un mecanismo sub-actuado de cuatro barras, adecuado para la generación de trayectorias óptimas para efectuar la operación de sujeción de objetos en forma puntual, palmar, lateral, cilíndrica y esférica. En este sentido, la relevancia científica y tecnológica que se obtiene de este trabajo, se basa en la diversidad de movimientos que ejecuta el dispositivo además de su capacidad para adaptarse a diversos componentes auxiliares, mismos que realizan la función de unión con el muñón del miembro amputado, por lo que es posible que el sistema diseñado sea aplicable como prótesis. En este sentido, con esta propuesta se obtiene un prototipo funcional con características versátiles óptimas para la manipulación de objetos con diferentes geometrías que tomando en cuenta la funcionalidad del sistema, aportan también apariencia y simetría con el cuerpo humano.

This paper describes the methodology applied to obtain a functional prototype of a robotic hand considering anthropometric characteristics. An analysis by image processing is made from computerized tomographics (CT) to generate a model of the prototype which is then utilized for the development of the analytical study for the synthesis of a four bar sub-mechanism suitable to generate optimal trajectories to grasp objects in a manner such as puntual, palmar, lateral, cylindrical and spherical. In this sense, the scientific and technological relevance obtained from this work is based on the diversity of the device executed movements in addition to its ability to adapt different auxiliary components to perform some function with the amputated trunnion member, so that the system is designed to be applicable as a prosthesis. In this sense, this proposal aims to get a working prototype with versatile features to handle objects with different geometries considering the system functionality, appearance and symmetry for the human body.

Desde los años sesenta se utilizan las señales electromoigráficas (EMG) como señales de control para prótesis actuadas por servomotores, así como en la estimulación de músculos que sufren de parálisis o de atrofia parcial. Mediante el avance tecnológico se ha logrado mejorar el diseño, así como la fabricación de sistemas protésicos, que funcionan como extensiones de algún miembro del cuerpo humano, agregando además con los nuevos diseños, características básicas como: flexibilidad, estética morfológica, incremento de la relación resistencia/peso así como multifuncionalidad. Una prótesis mioeléctrica es una estructura desarrollada con el fin de reemplazar una parte o la totalidad de un miembro del cuerpo humano, lo mismo que suplir las funciones perdidas de este, sin dejar de lado la imagen corporal del paciente. Estas prótesis son accionadas por actuadores que se controlan a través de señales EMG, las cuales se obtiene mediante agujas intramusculares superficiales o por medio de electrodos colocados en el muñón del paciente. Este tipo de prótesis es cada vez más aceptado por personas con amputación de mano, ya que proporciona un mejor desempeño y permite el incremento de funcionalidad para el paciente que la utiliza, debido a que su control es más sencillo. En este trabajo se realizó el diseño personalizado de un encaje protésico para un implante de miembro superior a nivel pluridigital, el cual se controla mioeléctricamente. También se diseñó la interfaz para captar, manipular y procesar las señales EMG provenientes de los músculos a nivel superficial. Por otro lado, se efectuó la caracterización de las señales mioeléctricas, las cuales se envían a un sistema embebido que interpreta y produce las señales de salida hacia los elementos electromecánicos de un prototipo de implante que simula los principales tipos de agarre de la mano natural. Los resultados obtenidos muestran un avance considerable sobre el control mediante señales EMG de un prototipo, lo cual es consecuencia del mejoramiento en el filtrado y amplificación de las señales EMG. Finalmente, esta investigación logró establecer los parámetros de control personalizados para los diferentes tipos de agarre de un paciente específico.

Since 60’s electromiographical signals (EMG’s) are used like a control signals for prostheses acted by servomotors, as well as stimulation of muscles that are affected due to partial or total paralysis. By means of technological advance, it has been possible to improve the design as well as the production of prosthetic systems that work as extensions of some member of human body, adding with the new designs also basic characteristics as: flexibility, aesthetic morphology, and superior strength/weight relationship, as well as multi-functionality. Mioelectric prosthesis is a structure developed with the purpose of replacing a part or the entirety member of human body, same as to replace the lost functions of this, without leaving aside patient's corporal image. These prostheses are acted by actuators that are controlled through EMG signals, which are obtained by means of intramuscular or superficial needles, or by means of electrodes placed in patient's stump. This class of prostheses is more and more accepted by people with hand amputation since it provides a better acting, that which allows a superior functionality for patient that uses it, because its control is simpler. In this work a customized prosthetic socket was carried out, to be used as a base of an implant of superior limb, which have a mioelectrical control. Interface was designed to capture, to manipulate and to process the EMG signals at superficial level coming from muscles. On the other hand, characterization of mioelectrical signals was made, which are sent to an absorbed system that interprets and produces the exit signals toward the electromechanical elements of an implant prototype that simulates the main types of grabs of biological hand. Obtained results show a significant advance on control of prototype by means of EMG signals, that which is consequence of improvement in filtrate and amplification of EMG signals. Finally, this investigation was able to establish customized control parameters for different types of grabs of a specific patient.

En México, la mortalidad debido a enfermedades bronco-respiratorias se ubica en el sexto lugar según datos estadísticos dados por el Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias (INER). Esto genera la necesidad de incrementar la eficiencia en la aplicación de los tratamientos usados para este tipo de patología. Algunos de los métodos utilizados con mayor frecuencia para el tratamiento de estas dolencias hacen uso de micro dispositivos, también conocidos como válvulas endobronquiales. Este es un sistema alternativo que evita cirugías invasivas y logra prolongar e incrementar la calidad de vida de los pacientes. En este trabajo se presenta el análisis del desempeño de la válvula IBV®. Para el desarrollo del estudio numérico se determinaron las dimensiones y propiedades mecánicas del modelo a partir de catálogos del fabricante. Se desarrolló un modelo para el cual se consideraron las propiedades del Nitinol® y Silastic®. Asimismo, se propusieron dos condiciones de operación para la válvula, una anclada en el bronquio y la otra en la condición en la que se encuentra plegada dentro del broncoscopio. Se utilizó el Método del elemento finito (MEF) para simular las condiciones de trabajo de la válvula. Los resultados encontrados muestran el funcionamiento estructural y el nivel de los esfuerzos generados en el implante durante el ciclo de respiración forzada del individuo. Además, se proporcionan las bases para generar un nuevo dispositivo que pueda emular el funcionamiento de este tipo de implantes y aumente la eficiencia del tratamiento de dicha patología.

In Mexico, the mortality rate due to bronchial respiratory sickness is placed in the sixth position, according to statistics from the National Institute of Breathing Sickness (INER), so it is convenient to increment the efficiency of treatments for those pathologies. The intrabronchial valve is a recommended alternative method; being it main objective to avoid invasive surgery and increase the time and quality of patient´s life. Within this work a biomechanical analysis of an IBV® valve is carried out. Regarding the numerical analysis, the dimensions and mechanical properties of the valve were proposed based on catalogues published by the manufacturer as more reliable information was not available in the open literature. As a result, a new model was developed in which both materials Nitinol® and Silastic® are considered as the main valve materials. The proposed working conditions assume that the valve is implanted in folded form at the bronchus and then anchored when it is unfolded. Finite Element Method (FEM) was used to simulate the proposed working conditions. Results obtained show the structural performance and the level of stress generated in the implant during the breathing cycle. In addition, it provides the knowledge to generate a new device that could emulate the performance of these implants and develop a more efficient treatment this disease.