Propuesta de diseño y desarrollo de un equipo de asistencia para rehabilitación de flexo-extensión de rodilla

Abstract

El presente trabajo aborda la fundamentación, el diseño y el desarrollo de un prototipo innovador de Movilizador Pasivo Continuo (CPM) de rodilla. Este desarrollo responde a la necesidad de superar las limitaciones en la oferta comercial de dispositivos CPM, específicamente el alto costo y la ausencia de sistemas de monitoreo objetivo y control remoto en las terapias de rehabilitación. La investigación se basa en tres pilares conceptuales fundamentales. Primero, se establece el Marco de Requerimientos Críticos mediante un análisis exhaustivo del mercado para identificar las brechas de costo y funcionalidad, y la caracterización biomecánica de la rodilla para determinar las especificaciones cinemáticas y dinámicas precisas (Rango de Movimiento de 0◦ a 120◦ y requerimientos de carga). Segundo, se define la Arquitectura de Diseño, optando por un mecanismo de conversión lineal-rotacional de alta precisión para replicar la cinemática natural de la articulación. Finalmente, se desarrolla la Prueba de Concepto Funcional, centrada en la integración de un Sistema de Control Inteligente. Este sistema emplea un microcontrolador ESP32 para ejecutar un algoritmo de control PID en lazo cerrado basado en retroalimentación indirecta (conversión lineal-angular). La principal contribución técnica del diseño reside en la capacidad de monitoreo y programación remota a través de la comunicación inalámbrica, lo cual permite la trazabilidad de los parámetros de la terapia. El prototipo desarrollado sienta las bases para una solución de rehabilitación de rodilla que es costo-efectiva y compatible con los rigurosos estándares de seguridad y usabilidad requeridos para dispositivos médicos de terapia física.

Abstract This document focuses on the theoretical foundation, design, and development of an innovative knee Continuous Passive Motion (CPM) prototype. This work addresses the need to overcome limitations in commercial CPM devices, specifically high acquisition costs and the lack of integrated objective monitoring and remote control capabilities for rehabilitation therapies. The research is structured around three core conceptual pillars. First, the Critical Requirements Framework is established through an exhaustive market analysis to identify cost and functionality gaps, alongside the biomechanical characterization of the knee to define precise kinematic and dynamic specifications (Range of Motion from 0◦ to 120◦ and defined load requirements). Second, the Design Architecture is defined, opting for a high-precision linear-rotational conversion mechanism to accurately replicate the joint’s natural kinematics. Finally, the Functional Proof of Concept is developed, centered on the integration of an Intelligent Control System. This system utilizes an ESP32 microcontroller to execute a closed-loop PID control algorithm based on indirect feedback (linear-to-angular con version). The main technical contribution of the design lies in the capability for remote monitoring and programming via wireless communication, enabling traceability of therapy parameters. The resulting prototype establishes the foundation for a knee rehabilitation solution that is cost-effective and compliant with the rigorous safety and usability standards required for physical therapy medical devices.