Hexoesqueleto mecánico

Abstract

En el presente se muestra la investigación realizada de cómo funciona un exoesqueleto mecánico, sus partes funcionamiento. El diseño de exoesqueletos y las diferentes aplicaciones que estos pueden tener en la vida humana. Se exponen diferentes desarrollos, cada uno con sus ventajas, desventajas y avances de los mismos para que estos puedan ser usados por personas. Se presentan estudios que buscan utilizar las señales mioeléctricas como parte fundamental del sistema exoesqueletico.

Index Terms—exoesqueleto, mecánico, diseño, atrofiados, señales mioeléctricas.

Introducción

La tecnología de hoy se ha visto inmersa en casi todos los campos de trabajo, como el militar, la salud, el ocio, entre otros, siendo la medicina uno de los más beneficiados, debido a que estas tendencias impulsan el desarrollo de herramientas especializadas que facilitan el trabajo del médico y la recuperación de los pacientes. Una de las herramientas que buscan mejorar la calidad de vida de las personas, son los exoesqueletos.[3]

Un exoesqueleto es un tipo de amplificador de fuerza del sistema muscular humano.Un exoesqueleto es, básicamente, una estructura para ser usada sobre el cuerpo humano a manera de prenda de vestir, tal como lo describe el término inglés "wearable robots", que sirve como apoyo y se usa para asistir los movimientos y/o aumentar las capacidades del cuerpo humano.[5]

La gran mayoría de los exoesqueletos desarrollados para la medicina, se adaptan al cuerpo; cuentan con sistemas inteligentes de control donde, mediante el censado de señales mioeléctricas y su correspondiente procesamiento, se los utiliza para la ejecución de alguna función mediante la utilización de actuadores.[4]

Para dar solución a este problema se plantea la construcción de un exoesqueleto en donde se requiere un mecanismo aplicable a personas con invalidez total o parcial, y el paciente que lo utilice esté habilitado para mover el brazo, puesto que sus músculos no responden a las señales del cerebro impidiendo el movimiento de la extremidad. El diseño no es una prótesis que reemplaza al miembro; sino una estructura que rodea el brazo y le ayuda a moverse.[5]

Definición

Exo es una palabra griega que significa fuera. De manera opuesta al esqueleto humano normal, el cual sostiene el cuerpo desde adentro, un exoesqueleto sostiene al cuerpo desde afuera. Los exoesqueletos usualmente son diseñados para permitir caminar o aumentar la fuerza y resistencia a las personas con desordenes de movilidad.[1]

Es un armazón metálico externo que ayuda a moverse a su portador y a realizar cierto tipo de actividades, como lo es el cargar peso. Durante su funcionamiento, una serie de sensores biométricos detectan las señales nerviosas que el cerebro envía a los músculos de nuestras extremidades cuando vamos a comenzar a andar. La unidad de procesamiento del exoesqueleto responde entonces a estas señales, las procesa y hace actuar al exoesqueleto en una fracción de segundo. [2]

Elementos del exoesqueleto

A. Marco:

Usualmente hecho de materiales ligeros, el marco debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso del cuerpo así como el peso del exoesqueleto y sus componentes. El marco también debe poder sostener el cuerpo en su lugar de una manera segura sin el riesgo que quien lo usa se caiga o se lastime.[1]

B. Sensores:

Estos capturan la información sobre como el usuario desea moverse. Los sensores pueden ser manuales, como una palanca, o pueden ser eléctricos y detectar los impulsos fisiológicos generados por el cuerpo, o los sensores pueden estar combinados con dispositivos como un control remoto y un detector de movimiento que permite a quien lo usa cambiar el movimiento de caminar a subir gradas, o realizar algún movimiento. La información capturada por los sensores es enviada a la computadora para ser analizada.[5]

C. Controlador:

Actúa como el cerebro del dispositivo, el controlador es una computadora a bordo la cual toma la información capturada por los sensores y controla a los actuadores. La computadora coordina a los distintos actuadores en el exoesqueleto y permite al exoesqueleto y su usuario, pararse, caminar, moverse, subir o descender. [1][5]

D. Actuadores:

Si el marco es como los huesos del cuerpo y el controlador el cerebro, entonces los actuadores son como los músculos que ejercen el movimiento. Los actuadores son usualmente motores eléctricos o hidráulicos. Usando la energía de las baterías y la información enviada por la computadora, los actuadores mueven el exoesqueleto y la persona que lo usa.[1][5]

E. Baterías:

Deben poder hacer funcionar el exoesqueleto la mayor parte del día o ser fáciles de reemplazar para que las baterías agotadas puedan quitarse fácilmente y ser reemplazadas con baterías cargadas durante el día. Las baterías deben ser ligeras y pequeñas para que el exoesqueleto no sea ni pesado ni voluminoso. Las baterías también deben ser de recarga rápida para que el exoesqueleto esté listo para el siguiente día. [1][5]

Adquisición de señales

Para la adquisición de señales musculares se utilizan electrodos EMG (electromiográficos), puesto que se necesita conocer la posición de cada articulación, con el fin de asignar la nueva posición del exoesqueleto.[5]

A. Electromiografía (EMG)

La electromiografía (EMG) consiste básicamente en la adquisición, registro y análisis de la actividad eléctrica generada en nervios y músculos a través de la utilización de electrodos (superficiales, de aguja, implantados). Las mediciones extraídas de EMG proporcionan una información valiosa acerca de la fisiología y los patrones de activación muscular.

Dicha información refleja las fuerzas que son generadas por los músculos y la temporización de los comandos motores. Además, puede usarse en el diagnóstico de patologías que afectan al Sistema Nervioso Periférico, las alteraciones funcionales de las raíces nerviosas, de los plexos y los troncos nerviosos periféricos, así como de patologías del músculo y de la unión neuromuscular.[17]

El diagrama de bloques que se indica en la Figure 1 representa el sistema de adquisición de señales musculares para el control del exoesqueleto.

Diseño estructural

El diseño mecánico busca acoplar la cinemática del exoesqueleto a la cinemática del cuerpo humano, para determinar el rango de movimiento de las articulaciones.[5]

Para el diseño se toma en cuenta diferentes consideraciones:

A. Seguridad del paciente o usuario

Para seleccionar la arquitectura general del exoesqueleto que esté acorde con las extremidades inferiores del paciente y afín con el objetivo de rehabilitación, se realiza un estudio del modelo geométrico y de la cinemática de esta parte del cuerpo y se analiza el movimiento articular del paciente.[17]

B. Grados de libertad

El modelo geométrico de las extremidades inferiores del cuerpo humano está definido por dos cadenas seriales (pierna derecha y pierna izquierda) unidas en una base común. En cada pierna se define tres articulaciones (Derecha: A1, A2 y A3. Izquierda: A4, A5 y A6) y 3 eslabones (Derecha: M1, M2 y M3. Izquierda: M4, M5, M6) como se observa a continuación.[17]

El número de grados de libertad del exoesqueleto robótico viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen. Puesto que las articulaciones empleadas son únicamente de rotación (desplazamiento angular), con un solo grado de libertad cada una, el número de GDL del exoesqueleto coincide con el número de articulaciones que lo

componen.[17]

C. Posicionamiento de sensores

El posicionamiento de los sensores se lo realiza, en donde se pueda obtener mayor información, puede ser este del musculo, nervios para poder tener el movimiento adecuado con la articulación para de esta manera lograr adaptar de mejor manera el movimiento, y que no sea muy brusco.[17]

D. Posicionamiento de actuadores

La posición de los actuadores, se los coloca según el modelo mecánico que se realice, por lo general se los coloca a lo largo de las extremidades, de esa manera podemos tener la posibilidad de que mueva las extremidades con ayuda de un soporte, pudiendo desplegar al máximo su capacidad motora y física en las rutinas antes desarrolladas. [18]

E. Rangos de Movimiento

El modelo dinámico es indispensable para poder desarrollar la simulación del movimiento del robot, el dimensionamiento de los actuadores y con mayor importancia el diseño y evaluación del control dinámico del exoesqueleto robótico. En la obtención del modelo dinámico existen diferentes modelos tales como el formalismo de Lagrange–Euler, el formalismo Newton-Euler, las variables de estado y por medio del espacio de la tarea. Para nuestro caso de estudio se realizó por medio de la herramienta software SYMORO+ la cual maneja el formalismo de Newton-Euler [18], pero para la aplicación teórica y práctica del modelo dinámico de nuestro exoesqueleto robótico se analiza desde el formalismo de Lagrange-Euler.[18]

Control

El control del exoesqueleto es una de las partes más importantes debido a que el acople entre ésta y el diseño mecánico representan la eficiencia del mecanismo. Para el caso de un exoesqueleto autónomo es importante conocer términos como baja impedancia, señal de retroalimentación, señal de salida, diferencia de potencial, entre otras; debido a que el humano provee las señales de control para el exoesqueleto, mientras los actuadores bajo el efecto de control proveen la potencia y la señal correcta de control necesaria para realizar una tarea específica.[18]

El control realizado en este trabajo depende de las señales obtenidas del músculo del miembro superior derecho. Estas señales, previo al acondicionamiento respectivo, son manipuladas por la tarjeta de control que incluye un microcontrolador Arduino, el cual dependiendo de la diferencia de potencial que circule por el músculo va a activar los servomotores que controlan el exoesqueleto, logrando así solventar la perdida de movilidad parcial de la extremidad.[17]

Tipos de exoesqueletos

A. Lokomat

Ha sido ideado por el ingeniero eléctrico Gery Colombo y desarrollado gracias a una colaboración entre el Hospital Universitario de Balgrist, de Zurich (Suiza), y la empresa de ingeniería médica Hocoma. Es un dispositivo ortésico basado en la tecnología DGO, (driven gate ortosis o de conducción de la ortosis), simula y reproduce la marcha fisiológica del individuo. Las adaptaciones del Lokomat se acoplan a las extremidades inferiores del paciente y con ayuda mecánica, reproduce un patrón de marcha normalizado en el que el tronco queda suspendido de manera controlada.[19]

B. HAL (hybrid assistive limb)

HAL es un traje motorizado que se acopla al cuerpo de las personas, como se observa en la figura 6, y consigue que éste se mueva sin esfuerzo. El traje ha sido desarrollado por la compañía japonesa Cyberdyne. Cuando la persona se lo coloca y piensa en un movimiento a realizar, las señales nerviosas se envían del cerebro a los músculos y son captadas en la superficie de la piel por unos detectores especiales. En este punto, el robot consigue transformar esta señal nerviosa en un movimiento real.[21]

C. Rewalk

La empresa israelita ARGO Medical Technologies ha desarrollado un exoesqueleto para personas con parálisis en las piernas llamado ReWalk; éste se puede observar en la figura. El aparato funciona gracias a un motor eléctrico con batería recargable que junto a una serie de sensores que mandan señales a un ordenador colocado en la mochila que es parte de la estructura, permite a las personas con este tipo de problemas físicos levantarse de la silla de ruedas y volver a caminar.[20][21]

D. Rex

En Nueva Zelanda, Rex Bionics, una empresa creada por los ingenieros Richard Little y Robert Irving crea a Rex, un exoesqueleto que funciona con una batería recargable que le permite trabajar por dos horas de uso ininterrumpido y es operado a través de un joystick. El usuario puede caminar sobre superficies estables y firmes, no así en lugares resbaladizos o de texturas accidentadas, como en nieve y terrenos pedregosos.[19]

Conclusiones

A partir de este artículo, se aporta unas bases teóricas de gran importancia en el momento que se desee realizar algún diseño o construcción de un sistema tipo exoesqueleto. Esta revisión, permite conocer y aprender varias técnicas aplicadas para la construcción y diseño de exoesqueletos, también las aplicaciones para las cuales los estos, pueden ser usados, sobre todo la importancia de optar por sistemas electrónicos para su uso en la industria y la salud.

Para el desarrollo de exoesqueletos involucra muchas ramas de la ingeniería electrónica, como los sistemas de comunicación, la instrumentación electrónica, el control y la potencia. Son sistemas completos de conocimiento, enriquecidos en teorías y técnicas con un marco muy grande de la investigación, además de que se involucran grupos interdisciplinarios que aportan otros conocimientos, como las áreas de la mecánica y la salud.

Bibliografía

REFERENCES

[1] http://www.exoesqueleto.com.es/iquestcoacutemo-funciona-unexoesqueleto.

html

[2] http://www.ecured.cu/index.php/Exoesqueleto_Mec%C3%A1nico

[3] Manuel Chávez C, Felipe Rodríguez S,Exoesqueletos para potenciar las

capacidades humanas y apoyar la rehabilitación, Universidad del Valle,

Colombia.

[4] Mena Nelson, Veloz Cristóbal, Exoesqueleto, Escuela Politécnica Nacional,

Ecuador.

[5] Cruz Juan, Exoesqueleto, Universidad San Juan, Argentina.

[6] Singaña Marco, Manjarres Félix, Diseño y Construcción de un exoesqueleto,

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[7] Lasso Ivan, Masso Marylin, Exoesqueleto para reeducación muscular,

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[8] Sira, "El robot traje HAL se comercializa en Japón", 2009. [Online].

Disponible: http://www.tecnologiablog.com/post/406/el-robot-traje-halya-

se-comercializa [Consultado marzo, 2010].

[9] M. Duran and J. María. "Anatomía y Biomecánica de la cadera".

[Online]. Disponible: http://www.hispatecno.net/1010/anatomia-ybiomecanica-

de-la-cadera/ [Consultado agosto, 2010].

[10] Izquierdo Sául, Diseño Industrial y Desarrollo de Producto, Universidad

de Zaragoza, España.

[11] Longarzo Julio, Maurin Gustavo, Carletti Eduardo, Un paso mas hacia

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[12] Díaz William, Velasco Nelson, Seleccionar materiales en Ingenieria,

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[16] http://www.dalcame.com/emg.html#.U8l05_l5Mqx

[17] Lasso Ivan, Masso Marylin, Exoesqueleto para reeducación muscular,

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[18] Sugar T.G., He J., Koeneman E.J., Koeneman J.B., HermanR., Huang H.,

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P., Ward J.A. Design and Control of RUPERT: A device for Robotic

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[19] Papadopoulos E., Patsianis G. Design of an exoskeleton mechanism for

the shoulder joint. 12th IFToMM World Congress, Besançon, France,

June18-21 2007.

[20] Molina J.E., González J.P. Desarrollo de un sistema de control de

un exoesqueleto para asistencia del movimiento del codo. Scientia et

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[21] Kazerooni H., Racine J.L., Huang L., Steger R. On the Control of the

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Libros

REFERENCES

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[14] Dailey, J. W., Taraci, J., Clement, T. "Vapor-liquid-solid growth of

germanium nanostructures on silicon". J. Appl. Phys. Vol.96, 2004.

[15] Sharma, V., Kamenev, B. V., Tsybeskov, L. "Optical Propierties of Ge

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Autor:

Adrián Mauricio Cabrera Paredes

Universidad Politecnica Salesiana