Ingeniería Electrónica · 2026
Diseño e implementación de un exoesqueleto para la asistencia en terapias de rehabilitación motriz de la mano
Este proyecto presenta el diseño e implementación de un exoesqueleto robótico para asistir terapias de rehabilitación motriz de la mano. El sistema integra servomotores MG995 controlados por microcontroladores ESP32, un guante sensorizado con sensores Flex para captura de movimiento, y una aplicación móvil para programación de rutinas. Se implementaron dos modos de operación: modo espejo, que replica movimientos de la mano sana en la mano afectada en tiempo real mediante comunicación Bluetooth, y modo guiado, que ejecuta terapias preprogramadas. El prototipo se validó mediante consulta con un profesional de fisioterapia y pruebas de usabilidad con voluntarios sanos mediante encuestas estructuradas, obteniendo calificaciones superiores a 4/5 en criterios de funcionalidad, comodidad y facilidad de uso. Los resultados confirman la viabilidad técnica del sistema como herramienta complementaria para rehabilitación neuromotora, con potencial para incrementar la intensidad terapéutica y la adherencia domiciliaria.
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Contenido
- Introducciónp. 14
- Capítulo 1: Descripción del problema y justificaciónp. 15
- 1.1 Planteamiento del problemap. 15
- 1.2 Justificaciónp. 16
- 1.3 Objetivosp. 17
- 1.3.1 Objetivo generalp. 17
- 1.3.2 Objetivos específicosp. 17
- Capítulo 2: Estado del artep. 18
- 2.1 Revisión de exoesqueletos de mano a nivel mundialp. 18
- 2.2 Análisis comparativo de soluciones existentesp. 20
- 2.3 Limitaciones Identificadas y diferenciadoresp. 22
- Capítulo 3: Marco teóricop. 23
- 3.1 Fundamentos de la rehabilitación y fisioterapia de la manop. 23
- 3.1.1 Principios de la rehabilitación motrizp. 23
- 3.1.2 Terapia espejo: fundamentos y aplicación de la manop. 24
- 3.1.3 Escalas de evaluaciónp. 25
- 3.2 Biomecánica de la manop. 25
- 3.2.1 Grados de libertad y articulacionesp. 25
- 3.2.2 Rangos de movimientos fisiológicosp. 27
- 3.2.3 Instrumentos de medición de ángulos articularesp. 28
- 3.2.4 Dimensiones y masa de la manop. 28
- rehabilitaciónp. 29
- 3.3 Robótica asistiva de rehabilitaciónp. 29
- 3.3.1 Exoesqueletos: definición y clasificaciónp. 29
- 3.3.2 Modos de operación (espejo y guiado)p. 30
- 3.3.3 Beneficios de la robótica en rehabilitación de la manop. 30
- 3.4 Fundamentos tecnológicos básicosp. 31
- 3.4.1 Sistemas embebidos y plataforma de desarrollop. 31
- 3.4.2 Software de simulación electrónicap. 31
- 3.4.3 Comunicación inalámbricap. 31
- 3.4.4 Sensores de flexión y servomotoresp. 32
- 3.4.5 Herramientas CAD para el diseño mecánicop. 32
- 3.4.6 Entornos para el desarrollo de aplicaciones móvilesp. 32
- 3.5 Marco normativo y consideraciones éticasp. 33
- 3.5.1 Normativa internacional aplicablep. 33
- 3.5.2 Marco normativo en Colombiap. 33
- 3.5.3 Consideraciones éticas en tecnologías asistencialesp. 34
- 3.6.1 Modelos cuantitativos en la detección de problemas de usabilidadp. 35
- 3.6.2 Modelos cuantitativos en enfoques contemporáneosp. 35
- 3.6.3 Saturación teórica y aplicación en contextos clínicosp. 35
- Capítulo 4: Metodologíap. 37
- Fase 1. Diseño mecánico del exoesqueleto:p. 37
- Fase 2. Implementación del sistema electrónico:p. 37
- Fase 3. Integración del sistema de comunicación y la aplicación móvil:p. 38
- Fase 4. Validación funcional y evaluación del prototipo:p. 38
- Capítulo 5: Desarrollo del prototipop. 42
- 5.1 Diseño mecánico del exoesqueletop. 43
- 5.1.1 Soporte del antebrazop. 44
- 5.1.2 Columna estructural y plataforma de soporte de servomotoresp. 45
- 5.1.3 Estructura del dedo pulgarp. 47
- 5.1.4 Hubs de transmisiónp. 48
- 5.1.5 Conectores de alineaciónp. 49
- 5.1.6 Piezas Intermediasp. 50
- 5.1.7 Bielasp. 50
- 5.1.8 Soportes Dedosp. 51
- 5.1.9 Brazalete del Guantep. 52
- 5.2 Implementación del sistema electrónicop. 54
- 5.2.1 Guante sensorizadop. 55
- 5.2.2 Exoesqueleto actuadorp. 57
- 5.3 Desarrollo de software y comunicaciónp. 59
- 5.3.1 Código Guante Sensorizadop. 60
- 5.3.2 Código Exoesqueletop. 61
- 5.3.3 Código Aplicación Móvilp. 63
- Capítulo 6: Resultados y validaciónp. 66
- 6.1 Prototipo final implementadop. 66
- 6.1.1 Exoesqueleto actuadorp. 57
- 6.1.2 Guante sensorizadop. 55
- 6.1.3 Aplicación móvil para programación de terapiasp. 68
- 6.1.4 Modos de operación del sistemap. 68
- 6.2 Validación funcional y usabilidad del prototipop. 69
- 6.2.1 Impresiones y recomendaciones clínicasp. 69
- 6.2.2 Justificación de la validación con voluntarios sanosp. 70
- 6.3 Análisis de resultadosp. 71
- 6.3.1 Validación angular del sistema de replicación de movimientop. 72
- 6.3.2 Tiempo de respuesta de la comunicación inalámbricap. 75
- 6.3.3 Resultados generales de usabilidad y funcionamientop. 75
- 6.3.4 Análisis de comodidad y ajuste ergonómicop. 78
- 6.3.5 Análisis de naturalidad del movimiento y respuesta del sistemap. 79
- 6.3.6 Análisis de facilidad de uso, seguridad y utilidad clínicap. 79
- 6.3.7 Limitaciones del estudiop. 81
- 6.3.8 Discusión generalp. 81
- Capítulo 7: Conclusiones y recomendacionesp. 82
- 7.1 Conclusiones generales del trabajop. 82
- 7.1.1 Logros y participaciones académicasp. 83
- 7.2 Limitaciones del prototipo actual y recomendaciones para escalamientop. 84
- 7.2.1 Limitaciones ergonómicas y de adaptabilidadp. 84
- 7.2.2 Limitaciones de materiales y durabilidad mecánicap. 84
- 7.2.3 Limitaciones electrónicas y de controlp. 85
- 7.2.4 Limitaciones del guante sensorizadop. 85
- 7.2.5 Limitaciones de la aplicación móvilp. 86
- 7.2.6 Limitaciones de validación y escalamiento clínicop. 86
- 7.3 Proyección académicap. 87
- 7.3.1 Impacto social: mejora en calidad de vida y autonomía de pacientesp. 87
- 7.3.2 Impacto tecnológico: avance en exoesqueletosp. 88
- Referencias bibliográficasp. 89
- Anexosp. 97
- Fig 1. Exoesqueleto para la rehabilitación de la Universidad Carlos III [13]p. 18
- Fig 2. Exo-Glove Poly [14]p. 19
- Fig 3. Exoesqueleto Universidad del Rosario [16]p. 19
- Fig 4. assist-as-needed [25]p. 20
- Fig 5. Representación gráfica de la anatomía de la mano [31]p. 23
- Fig 6. Terapia en espejo tradicional [36]p. 24
- Fig 7. Áreas cerebrales de neuronas espejo [38]p. 25
- Fig 8. Principales movimientos articulares de la mano [44]p. 26
- Fig 9. Anatomía de los dedos (meñique,anular,medio,índice) [45]p. 26
- Fig 10. Anatomía del dedo pulgar [47]p. 27
- [58] y (c) exoesqueleto híbrido [59]p. 30
- Fig 12. (a) Sensor de flexión o flex [73], (b) Actuador tipo servomotor [75]p. 32
- Fig 13. Curva de rendimientos de Nielsen-Landauer [89]p. 35
- Fig 14. Diagrama de bloques del sistemap. 43
- Fig 15. Base de caja: Vista frontal y vista traserap. 45
- Fig 16. Tapa superior: Vista diagonal y vista superiorp. 45
- Fig 17. Soporte del antebrazo: Vista frontal y vista traserap. 45
- Fig 18. Base de soportep. 46
- Fig 19. Columna verticalp. 46
- Fig 20. Plataforma horizontal: Vista diagonal y vista traserap. 47
- Fig 21. Columna final: Vista lateral y vista trasera con modelo 3D servomotoresp. 47
- Fig 22. Estructura del pulgarp. 48
- Fig 23. Diseño de hub: Vista superior y vista inferiorp. 49
- Fig 24. Conectores únicos: (a) Meñique, (b) Anular, (c) Pulgar, (d) Medio, (e) Índicep. 50
- Fig 25. Piezas intermediasp. 50
- Fig 26. Bielas: (a) Conjunto de bielas diseñadas y (b) Piezas individuales de la bielap. 51
- Fig 27. Soporte dedo: (a) Anular, (b) Medio, (c) Índice, (d) Meñique, (e) Pulgarp. 52
- Fig 28. Pieza superior brazaletep. 53
- Fig 29. Pieza inferior brazaletep. 53
- Fig 30. Brazalete para el guantep. 53
- Fig 31. Pruebas de funcionamiento sensor flexp. 55
- Fig 32. Esquemático electrónico del guante sensorizadop. 56
- Fig 33. PCB guante sensorizado: (a) Diseño PCB, (b) PCB Finalp. 57
- Fig 34. Pruebas de funcionamiento servomotoresp. 57
- Fig 35. Esquemático electrónico del exoesqueletop. 58
- Fig 36. PCB Servomotores: (a) Diseño PCB, (b) PCB Finalp. 59
- Fig 37. Diagrama de flujo guante sensorizadop. 61
- Fig 38. Diagrama de flujo exoesqueletop. 63
- Fig 39. Logo aplicaciónp. 63
- Fig 40. Pantallas introductoriasp. 64
- terapias, (c) Pantalla de ejecución modos, (d) Pantalla repositorio de terapiasp. 65
- Fig 42. Diagrama de flujo de appp. 65
- Fig 43. Esqueleto implementado: (a) Vista frontal y (b) vista traserap. 66
- Fig 44. Soporte de antebrazo: (a) Vista diagonal y (b) vista superiorp. 67
- Fig 45. Guante sensorizado: (a) Vista superior y (b) Vista lateralp. 67
- Fig 46. Vista del guante sensorizado en usop. 68
- Fig 47. Aplicación MirrorMovp. 68
- Fig 48. Reunión con profesional en fisioterapiap. 69
- Fig 49. Medidas en el guante y el exoesqueleto con el goniómetrop. 72
- Fig 50. Gráfico radar de los criterios evaluadosp. 77
- Fig 51. Gráfico barras de los criterios evaluadosp. 77
- Fig 52. Pruebas de uso con voluntariop. 80
- Tabla 1. Tabla comparativa con soluciones existentesp. 21
- (índice,medio,anular,meñique)p. 27
- Tabla 3. Rangos de movimiento fisiológico de las articulaciones del dedo pulgarp. 27
- Tabla 4. Tabla resumen resultados dedo índicep. 73
- Tabla 5. Tabla resumen resultados dedo mediop. 73
- Tabla 6. Tabla resumen resultados dedo anularp. 73
- Tabla 7. Tabla resumen resultados dedo meñiquep. 73
- Tabla 8. Tabla resumen resultados dedo pulgarp. 74
- Tabla 9. Tabla resumen resultados dedosp. 74
- Tabla 10. Tabla resumen resultados evaluadosp. 76
- Tabla 11. Tabla resumen resultados cualitativosp. 77