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

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Engineers (IEEE); Disponible en la página de Internet URL:
ieee.org

[2] Valentinuzzi, Máximo Eugenio.
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José. Introducción a la Bioingeniería.
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http://ronycruz.jimdo.com/programas-deeducacion/

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

[7] Manuel Alejandro Chávez Cardona,
Felipe Rodríguez Spitia, Asfur Baradica López,
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Disponible en: http://revistabme.eia.edu.co/numeros/7/art/07-
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[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-
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[10] Imagen exoesqueleto, Disponible en:
http://www.elmulticine.com/imagenes-fotos-peliculas-
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[11]Steger R., Kim S.H., Kazerooni H.
Control Scheme and Networked Control Architecture for the
Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. IEEE International
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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
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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
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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