Desarrollo de un exoesqueleto modular de mano para rehabilitación o aplicaciones hápticas

Abstract

Los exoesqueletos de mano han demostrado ser herramientas valiosas tanto en procesos de rehabilitación motriz como en entornos de realidad virtual (RV) que requieren retroalimentación háptica. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos existentes se enfocan únicamente en una de estas aplicaciones, presentando limitaciones en términos de adaptabilidad, portabilidad y fidelidad en la interacción. En esta tesis se desarrolla Exo-Maitl, un exoesqueleto modular de mano diseñado para ser utilizado en ambas modalidades: rehabilitación e interacción háptica en RV. El diseño del dispositivo se fundamentó en el análisis del estado del arte y en una recopilación de requerimientos funcionales, lo que permitió establecer una arquitectura mecánica modular con componentes intercambiables.

Se evaluaron tres alternativas de diseño mediante la herramienta de la Casa de la Calidad, seleccionando la opción con un 94% de cumplimiento respecto a los requerimientos funcionales y del usuario. La fabricación del prototipo se realizó mediante técnicas de escaneo e impresión 3D, utilizando materiales ligeros para favorecer la movilidad y la portabilidad, obteniendo un peso total de 550 gramos (350 gramos sin cables ni brazalete). El sistema cuenta con una unidad electrónica portátil basada en un microcontrolador central, sensores de posición y actuadores, controlados mediante un algoritmo PID que permite movimientos de flexo-extensión en los dedos. Se validaron rangos de movimiento de 0°–78° para la articulación metacarpofalángica (MCF) y de 0°–60° para la interfalángica proximal (IFP), con errores absolutos medios de posición de 0.38° y 0.21°, respectivamente.

La comunicación con entornos de RV se logró mediante el uso de protocolos serial asíncrono y UDP, alcanzando una frecuencia estable de 125 Hz sin retardos perceptibles en interacción con realidad virtual. Las pruebas experimentales demostraron la capacidad del exoesqueleto para replicar movimientos naturales de la mano, generar fuerzas de hasta 9.28 N en rehabilitación y simular sensaciones hápticas de 2 N en RV. En conjunto, el sistema representa una solución versátil y viable, con potencial para ser aplica.da en futuros desarrollos de rehabilitación asistida o interfaces hápticas portátiles.