Avances tecnológicos en la construcción de exoesqueletos para realizar tareas automatizadas

Abstract

El presente trabajo trata sobre los exoesqueletos y los avances tecnológicos usados en su construcción para realizar tareas automatizadas, en la actualidad son usados como herramientas para facilitar el estilo de vida de los humanos al potenciar sus capacidades y apoyar la rehabilitación.

Index Terms—Exoesqueleto, Automatización, Sensores, Sistemas de control.

Introducción

A lo largo de la historia, la medicina ha ido encontrando métodos más eficaces para la cura de enfermedades de diversos tipos y en todas las áreas se han logrado avances impresionantes. La Bioingeniería es una ciencia que estudia la solución de los problemas con respecto a la salud de los seres humanos. Un claro ejemplo de esto es el desarrollo de los exoesqueletos que es uno de los avances médicos más importantes del último siglo. Muchos campos se han visto beneficiados por los exoesqueletos, como en el ámbito militar, donde ha empezado a tomar forma gracias a los avances en esta área realizada por empresas como Boston Dinamics actualmente propiedad de Google. Los exoesqueletos mecánicos básicamente son estructuras mecánicas que se usan externamente. Estos facilitan el movimiento e incrementan las capacidades humanas.

Conceptos

• A. Bioingeniería

El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) define a la bioingeniería como: "La ciencia que estudia y busca la aplicación de principios y métodos de las ciencias exactas, en general, y de la ingeniería, en particular, a la solución de problemas de las ciencias biológicas y médicas" [1] [2]. Este instituto también clasifica a la Bioingeniería en tres grupos:

1) Bioingeniería o Ingeniería Biológica.- Esta rama trata sobre el descubrimiento de nuevos fenómenos e intenta dar una mejor visión de fenómenos ya conocidos. Se considera como la más general y básica.

2) Ingeniería Biomédica.- Está contenida en la Bioingeniería se orienta hacia el ser humano, con la finalidad de manejar las enfermedades, se investigan los problemas básicos y aplicados.

3) Ingeniería Clínica.- Está contenida en la ingeniería biomédica, se dirige tratar los problemas asistenciales de salud en hospitales y trabaja junto a la medicina con su misma jerarquía e integrada a ella.

• B. Exoesqueletos: mejoran las capacidades humanas

En la electrónica de exoesqueletos, existen varias maneras de adquirir información y de igual manera varias estrategias de control que se adaptan de acuerdo a cada desarrollo, teniendo en cuenta que lo imaginado y lo implementado siempre tienen que estar en concordancia con los desarrollos de las demás áreas aplicadas a la construcción del exoesqueleto.

El exoesqueleto es uno de los avances médicos más importantes y versátiles, ya que pueden ser usados en varias y distintas áreas. Básicamente están diseñados para ayudar y proteger al usuario que puede estar sano o no. Por ejemplo estos pueden ser diseñados, para ayudar y resguardar a los soldados y los trabajadores de la construcción, o para ayudar a la supervivencia de las personas en entornos riesgosos. En la medicina existe un amplio mercado en el futuro como prótesis para proporcionar ayuda a la movilidad para los ancianos y personas enfermas. [3]

Unos exoesqueletos tienen como objetivo dar apoyo o incrementar la fuerza humana. Como por ejemplo, Shingo Kariya, Keigo Watanabe, Kazuo Kiguchi, Kiyotaka Izumi y Toshio Fukuda, en su artículo "An exoskeletal robot for human elbow motion support-sensor fusion, adaptation, and control" [4], muestran el diseño de un exoesqueleto que ofrece soporte, apoyo y fuerza al codo, con la ayuda de sensores de fuerza ubicados en la mano y a las señales EMG.

Figure 1. Arquitectura del sistema del exoqueleto [5]

Los exoesqueletos tienen el objetivo de maximizar las habilidades físicas del ser humano, dotándolo de una gran fuerza, capaz de levantar hasta 10 veces su peso. Pero el concepto de los exoesqueletos viene desarrollándose desde hace más de 30 años, en sus inicios fueron diseñados para uso industrial y con el pasar del tiempo fueron evolucionando hasta llegar a lo conocemos actualmente. [6]

Si buscamos en libros, artículos, revistas o páginas web información sobre los exoesqueletos mecánicos en el mundo, nos daremos cuenta que gran parte de las estructuras son diseñadas para extremidades inferiores, dado que es en esta zona donde se concentra el mayor peso humano y al ser las más expuestas son más vulnerables a tener lesiones. [7]

Con el objetivo de dar apoyo o incrementar la fuerza humana, se destacan los siguientes exoesqueletos:

• C. Exoesqueletos antropomórficos

Estos suplementos mecánicos son de gran ayuda y permite a los combatientes correr más rápido, cargar arma y equipamiento más pesados, soportar impactos de balas y sortear obstáculos en el campo de batalla con mayor facilidad.

Incluso volar. Son conocidos como exoesqueletos mecánicos exotrajes o exoesqueletos robot, ya que recuerdan la estructura externa que presentan los artrópodos, como las arañas o los insectos.

Muchos de estos equipos presentan una ventaja operativa única, a tal manera que un exoesqueleto se podría implementar entre los requerimientos básicos para ir a una guerra.

Las principales empresas contratistas de seguridad en Estados Unidos tienen como meta la construcción de exoesqueletos con este fin. Con los exoesqueletos se pretende sustituir en parte el trabajo de los músculos del tronco, brazos y piernas por diferentes dispositivos hidráulicos que reaccionan mediante sensores y reciben la instrucción de un microprocesador de acompañar, de forma solidaria y con la fuerza necesaria, al operador humano que lo porta mientras el mismo realiza sus movimientos naturales.

También, con el propósito de ayudar a las personas a realizar trabajos fuertes brindando un soporte adicional, Skil Mate [8] pretende ayudar a los trabajadores calificados, dádoles mayor habilidad y potencia. Se pretende realizar un prototipo robótico para un traje espacial, que consiste en un montaje de la parte superior del torso y un par de brazos con guantes.

Así aunque dicho operador coja del suelo un pesado objeto él tan solo siente una mínima parte del mismo ya que es el exoesqueleto el que realmente soporta el resto de la carga. Se están construyendo en materiales como el acero y el titanio, si bien en el futuro todo apunta a que los mismos se fabricarán con grafeno puesto que este material es mucho más ligero y resistente. [9]

Figure 2. Soldado usando un exoesqueleto antropomórfico [10]

• D. Exoesqueletos destacados

Uno de los exoesqueletos más importantes desarrollados es el "Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)" propuesto por Homayoon Kazerooni, un ingeniero mecánico de la Universidad de California. Este exoesqueleto, tiene un enfoque militar y es capaz de aumentar la fuerza del piloto, ayudándolo así a cargar herramientas pesadas. Se sensan todas las variables externas como la fuerza de reacción del suelo, por sensores de tipo on-off, la velocidad angular, la aceleración angular y los ángulos de las articulaciones que son medidos con dos acelerómetros y encoders en los motores. Esta información, la describen Ryan Steger, Sung Hoon Kim y H. Kazerooni, en el artículo "Control scheme and networked control architecture for the Berkeley lower extremity exoskeleton", y Andrew Chu, Adam Zoss y H. Kazerooni, en el artículo "On the biomimetic design of the Berkeley lower extremity exoskeleton" [11, 12].

En un artículo "On the mechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton", se describe los aspectos significativos de diseño de los componentes principales, la selección de los grados de libertad y sus rangos de movimiento para el exoesqueleto BLEEX [13].

Dada la gran importancia del BLEEX y cada una de sus etapas de desarrollo, se presenta un análisis del sistema en el artículo "Exoskeletons for human power augmentation" [14]. Aqui aclaran que el proyecto fue diseñado especialmente para el uso de soldados, rescatistas, bomberos y otro personal de emergencia, para proveer la habilidad de llevar cargas pesadas como equipos de rescate, equipos de comunicación y equipos de primeros auxilios.

Figure 3. Soldado usando el exoesqueleto "Berkeley Lower Extremity

Exoskeleton" (BLEEX) [15]

Otro prototipo destacado es el XOS 2 que es un equipo de robótica de segunda generación desarrollado por Raytheon para el Ejército de EE.UU. La compañía demostró públicamente las capacidades del exoesqueleto, por primera vez en su centro de investigación en Salt Lake City, en Utah, en septiembre de 2010. El traje robótico portátil aumenta las capacidades de la fuerza humana, agilidad y resistencia de los soldados en su interior. El XOS 2 utiliza el sistema hidráulico de alta presión para permitir que el portador para levantar objetos pesados en una proporción de 17:01 (peso real con el peso percibido). Esto permite la elevación repetida de la carga sin agotamiento o lesiones. [16]

Figure 4. Soldado usando un exoesqueleto XOS 2 [16]

Desarrollo como parte del programa de DARPA exoesqueleto

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE.UU. (DARPA) inició el desarrollo de los exoesqueletos en 2001 bajo los exoesqueletos para el programa de Aumento de Rendimiento Humano. La agencia financió 50 millones de dólares a varios participantes en el marco del programa de cinco años. Sin embargo, sólo dos de ellos han estado activos en el desarrollo de los prototipos exoesqueleto para los militares de EE.UU.

El sistema XOS fue desarrollado originalmente por la Wearable Energetically Autonomous Robot (WEAR) de Sarcos Research of Salt Lake City, Utah. La empresa, fundada en 1983, fue adquirida por el contratista de defensa Raytheon en noviembre de 2007.

Características de XOS 2 traje robótico de Raytheon Sarcos Utiliza un material ligero y se trata de un 50% más eficiente energéticamente que el XOS 1. Se espera que el exoesqueleto pueda pesar solo 95kg. Se utiliza una combinación de controladores, sensores, de aluminio de alta resistencia y de acero que permiten que las estructuras y los actuadores puedan realizar las tareas.

El sistema de XOS 2 es accionado por un motor hidráulico de combustión interna con los sistemas eléctricos. El prototipo está atado a la fuente de energía hidráulica por un alambre. El motor acciona los accionamientos hidráulicos. Los diversos sensores equipados en todo el sistema especifican la posición y la fuerza requerida.

Procesadores del ordenador se encuentran en todas las articulaciones del traje. Sensores envían señales a los procesadores a través de Ethernet. Esto incita aún más los actuadores para entregar alrededor de 200 kg de fuerza por centímetro cuadrado usando el sistema hidráulico a presión. Permite que el soldado de levantar 50 libras con cada brazo.

Raytheon Sarcos planea desarrollar una mochila que transportaba combustible-con servos hidráulicos personalizada para proporcionar la resistencia de unas ocho horas. Esto permitirá a la movilidad y la marcha del robot en entornos de combate. Necesita el uso de la hidráulica como fuente de alimentación, en lugar de las baterías de iones de litio, con lo que elimina los riesgos de incumplimiento y explosión. [17]

Exoesqueleto HULC

Otro prototipo que se está desarrollando es el Human Universal Load Carrier (HULC, por sus siglas) de la empresa de defensa y aviónica Lockheed Martin. Creado originalmente por Berkley Bionics. El HULC es un exoesqueleto antropomórfico completamente un-tethered, hidráulicos para que proporciona a los usuarios la capacidad de transportar cargas de hasta 200 libras por largos períodos de tiempo y en todos los terrenos. Su diseño flexible permite sentadillas profundas, rastreos y levantar la parte superior del cuerpo. Un micro-ordenador de a bordo asegura el exoesqueleto se mueve en concierto con el individuo. Modularidad del HULC permite principales componentes sean reemplazados en el campo. Además, su diseño de ahorro de energía única permite al usuario operar con la batería durante misiones de larga duración. Cuando la batería está baja, el sistema HULC sigue apoyando las cargas y no restringe la movilidad. HULC también puede soportar una carga máxima, con o sin electricidad. [18]

Figure 5. Soldado usando un exoesqueleto HULC [19]

E. Exoesqueletos y Electromiografía

La mayor parte de los exoesqueletos construidos, no consideran a las señales electromiográficas como parte de su sistema de control. Sin embargo, algunos usan las señales EMG como parte fundamental de su sistema, y los diferentes estudios alrededor de este tema podrían ser útiles para futuros desarrollos.

Es muy importante saber cómo usar las señales electromiográficas en exoesqueletos y poder realizar una clasificación y caracterización de las mismas. El trabajo de pregrado presentado por el ingeniero John Jairo Villarejo [20], muestra el desarrollo de un sistema software para procesar y realizar la caracterización y la clasificación de señales electromiográficas, con el propósito de determinar las funciones que debe realizar una prótesis transfemoral por medio de la detección de intención, resultado del análisis de estas señales.

Por su parte, el ingeniero Álvaro Ernesto Ríos, en su tesis de pregrado [21], presenta un trabajo en el cual se pretende, mediante el desarrollo de un sistema microcontrolado para el control de prótesis mioeléctricas con realimentación sensorial, solucionar parte del problema de sensación de miembro perdido a personas que hayan sufrido de amputación. [22]

Exoesqueleto HAL-5

El sistema HAL 5, mostrado por el profesor Yoshiyuki Sankai de la Universidad de Tsukuba es un sistema que ejecuta un comportamiento de marcha, basándose en las señales biológicas EMG, para identificar la intencionalidad de la persona y poder realizar el movimiento deseado. Utiliza motores DC Harmonic Drive, para asistir con el torque requerido.

La información relacionada a la construcción de esta estructura se encuentra en el artículo "Power assist method for HAL- 3 using EMG-based feedback controller", realizado por Yoshiyuki Sankai junto con Hiroaki Kawainoto, Siiwoong Lee y Shigehiro Kanbe. Este artículo, describe el sistema de sensado de las señales electromiográficas en los trabajos previos al HAL-5(HAL-3), los sistemas de instrumentación usados para medir otras variables y las partes que componen la plataforma de control. Finalmente "Embedded control system for a powered leg exoskeleton" es de los trabajos más completos con respecto al control necesario en estos sistemas que usan señales mioeléctricas. Éste, presenta un control embebido para una órtesis, que es usada para brindar soporte a los músculos durante la flexión y extensión de la rodilla. El control es implementado usando señales EMG para detectar la intencionalidad de movimiento de la persona, buscando encontrar la activación del músculo y las enfermedades que pueda tener el mismo. [23]

Básicamente la estructura de HAL-5 consiste en un marco hecho de molibdeno níquel y super duraluminio extra, una aleación de aluminio utilizada en las alas de los famosos aviones de combate de la Segunda Guerra Mundial Cero de Japón.

Además fortalecido por carcasa de plástico, la estructura metálica es atado para el cuerpo y apoya el portador externamente, su varios eléctrica motores actúan como músculos del traje de proporcionar asistencia powered a los miembros de la usuaria [ver foto, "Bionic Body"].

Este nuevo modelo mejora en las versiones anteriores del exoesqueleto en varias maneras. Prototipos anteriores ayudaron a los humanos enfermos para ponerse de pie, caminar, subir escaleras y realizar una serie de movimientos-otra pierna un usuario pudo pierna-press 180 kg (casi 400 libras). HAL-5 va un paso más allá mediante la incorporación de un upperbody adicional sistema que ayuda a los usuarios levantar hasta 40 kg más de lo que normalmente podía. Vistiendo el traje, un macho adulto sano puede levantar 80 kg, más o menos el doble de su típico 30 – a 40-kg de capacidad. [24]

Figure 6. Exoqueleto HAL-5 [24]

Conclusiones

• Los avances tecnológicos probado en el campo de la construcción de exoesqueletos por ahora están orientados a satisfacer las necesidades de las grandes potencias para proteger sus ejércitos tanto a nivel de cadencia de combate como de rendimiento, esta tecnología con el tiempo se llegará a estandarizar en el mundo de la misma manera que resultó en la historia con internet. Por ahora quien está explotando esta tecnología para incluirla en el mercado empresarial y posiblemente en ámbitos médicos además de los contratos con el estado para fines militares es Google a través de las recientes adquisiciones de empresas dedicadas a la robótica entre ellas Boston Dynamics.

• La construcción de exoesqueletos es un campo que en la actualidad está en fase de investigación y desarrollo experimental por lo tanto quien primero logre crear algo realmente innovador y de un costo aceptable para el mercado será el que tenga mayor ganancias.

• Al adquirir mayor conocimiento acerca de que son y cómo funcionan los exoesqueletos y las áreas en las que pueden ser aplicados, concluyo que son de gran importancia ya que facilitan y mejoran la vida de los seres humanos, ya que son capaces de dar movilidad a gente que la perdió por severas lesiones o simplemente por la edad.

Bibliografía

[1] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE); Disponible en la página de Internet URL: ieee.org

[2] Valentinuzzi, Máximo Eugenio. Objetivos de la bioingeniería. En: Mompin Poblet, José. Introducción a la Bioingeniería. España: Boixareu editores, 1998.

[3] Rony Omar Cruz Estrada, "Exoesqueletos", Disponible en: http://ronycruz.jimdo.com/programas-deeducacion/

[4] Kiguchi K., Kariya S., Watanabe K., Izumi K., Fukuda T. An exoskeletal robot for human elbow motion supportsensor fusion, adaptation, and control. IEEE Transactions On Systems, Man, And Cybernetics-Part B: Cybernetics, 31(3), 353-61, June 2001.

[5] Jacob Rosen Ph.D., Bionics Lab, Wearable Robotics, Exoesqueleton Project 4, Disponible en:

http://bionics.soe.ucsc.edu/research/exoskeleton_project_5.html

[6] Exoesqueletos – Evolución de los trajes robóticos – Ing. Fabricio Urgilez – El Internetes.com

http://www.discapacidadonline.com/exoesqueletos-evoluciontrajes-roboticos.html

[7] Manuel Alejandro Chávez Cardona, Felipe Rodríguez Spitia, Asfur Baradica López, Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Grupo de Investigación PSI, Universidad del Valle, "Exoskeletons to enhance human capabilities and support rehabilitation: a state of the art", Disponible en: http://revistabme.eia.edu.co/numeros/7/art/07- Articulo%208.pdf

[8] Umetani Y., Yamada Y., Morizono T., Yoshida T., Aoki S. "Skil Mate", Wearable Exoskeleton Robot. IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics proceedings, 4, 984-988, 1999.

[9] Fernando Ruiz – www.ieee.es/…/DIEEEO73- 2013_Misiones_HA-DR_FernandoRuiz.pdf

[10] Imagen exoesqueleto, Disponible en: http://www.elmulticine.com/imagenes-fotos-peliculas- 2.php?orden=443910

[11]Steger R., Kim S.H., Kazerooni H. Control Scheme and Networked Control Architecture for the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. IEEE International Conference On Robotics And Automation, Orlando, Florida, May 2006.

[12] C hu A., Kazerooni H., Zoss A. On the biomimetic design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain , April 2005

[13] Zoss A., Kazerooni H., Chu A. On the mechanical design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. IEEE International Conference on Robotics and Automation, August 2005.

[14] Kazerooni H. Exoskeletons for Human Power Augmentation. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, August 2005.

[15] Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, Disponible en: http://bleex.me.berkeley.edu/

[16] Army-technology, Raytheon XOS2 exoskeleton.

Disponible en: http://www.army-technology.com/projects/raytheon-xos-2-exoskeleton-us/r

[17] Lockheed Martin, Martin"s HULC Robotic Exoskeleton Enters Biomechanical Testing at U.S. Army Natick Soldier Systems Center

[18] Villarejo J.J. Detección de la intención de movimiento durante la marcha a partir de señales electromiográficas. Tesis de Grado. Universidad del Valle, Ingeniería Electrónica, 2007.

[19] HULC Robotic Exoskeleton Enters Biomechanical Testing at U.S. Army Natick Soldier Systems Center, Photos courtesy of Lockheed Martin. Disponible en: http://www.lockheedmartin.com/us/products/hulc.html

[20] Ríos A.E. Sistema microcontrolado para el desarrollo de prótesis mioeléctricos con realimentación sensorial. Tesis de Grado. Universidad Javeriana, Ingeniería Electrónica, 2001.

[21] Manuel Alejandro Chávez Cardona, Felipe Rodríguez Spitia, Asfur Baradica López, Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Grupo de Investigación PSI, Universidad del Valle, "Exoskeletons to enhance human capabilities and support rehabilitation: a state of the art", Disponible en: http://revistabme.eia.edu.co/numeros/7/art/07-Articulo%208.pdf

[22] Department of Defense, United States of America, Federal Bussiness Opportunities, Proyecto TEMP, disponible en: http://bionics.soe.ucsc.edu/publications/Spectrum_Body_Bot.pdf pagina 4

[23] Revista Ingeniería Biomédica ISSN 1909-9762, volumen 4, número 7, enero-junio 2010, págs. 63-73 Escuela de Ingeniería de Antioquia-Universidad CES, Medellín, Colombia

[24] Kawainoto H., Lee S., Kanbe S, Sankai Y. Power assist method for HAL-3 using EMG-based feedback controller. Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 1648-1653, 2003.

Autor:

María Fernanda Mena