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

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Libros

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Autor:

Adrián Mauricio Cabrera
Paredes

Universidad Politecnica
Salesiana