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Exoesqueletos

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Descripción y funcionamiento de un exoesqueleto

Descripción y funcionamiento de un exoesqueleto

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  • 1. Exoesqueletos Fernando Chica Electrónica Analógica, Universidad Politécnica Salesiana jchica@est.ups.edu.ecAbstract—Los exoesqueletos o también llamados Werable usualmente son diseñados para permitir caminar oRobots(robots para vestir), actualmente tienen como objetivo la aumentar la fuerza y resistencia de las personas, losrehabilitación o la amplificación de las habilidades motrices del exoesqueletos tienes varios componentes clave:ser humano, dado que la tecnología avanza continuamente cadavez existen mejores diseños de exoesqueletos, especialmente en lo 1. Marco: Es la estructura del exoesqueleto,respecta a la fuente de energía porque en este momento este es un usualmente esta hecho de materiales ligeros losgran limitante si nos referimos al tiempo de uso que se le da, sin cuales deben soportar el peso del cuerpo asíembargo tomando en cuenta que están en sus etapas iniciales de como del exoesqueleto y sus componentes. [3]desarrollo se ha logrado grandes éxitos con los existen hasta elmomento tanto así que ya se los esta utilizando para fines 2. Baterías: Deben funcionar la mayor parte delmilitares y también en centros de rehabilitación. día, las baterías deben ser pequeñas y ligeras para que el exoesqueleto no sea ni pesado ni INTRODUCCIÓN voluminoso. [3] Los exoesqueletos forman parte de un grupo denominado 3. Sensores: Capturan información sobre como elWerable Robots o Robots para Vestir los cuales como su nombre lo usuario debe moverse, pueden ser manuales oindica visten al cuerpo humano y ayudan a cumplir diferentes bien eléctricos y detectar los impulsosfunciones como las siguientes: Robots Ortopticos, cuya función es fisiológicos del cuerpo, la información capturadareemplazar las funciones de un miembro perdido; Robots es enviada a la computadora para ser analizada.Protesteticos, cuya función es rehabilitar un miembro atrofiado sea [3]por accidente o por una deficiencia patológica, y finalmente RobotsExtensores cuya función es la de aumentar las habilidades del 4. Controlador: Es como el cerebro delmiembro al que esta unido [1], aunque investigadores como dispositivo, el controlador es una computadora aHomayoon Kazerooni (Profesor de la Universidad de California bordo la cual toma la información de los sensoresBerkeley) prefieren dividir su estudio en dos partes[1] , exoesqueletos y controla a los actuadores. [3]de partes superiores los cuales están unidos a los brazos y de partesinferiores los cuales están unidos a las piernas, dividirlos de estamanera hace que sea posible visionar aplicaciones para cada sistema 5. Actuadores: Los actuadores son los músculospor separado, y teniendo en cuenta que los exoesqueletos están en sus que ejercen el movimiento, usualmente sonetapas iniciales realizar fuertes investigaciones para asegurarse de motores eléctricos o hidráulicos, usando laque funcionen perfectamente separados y así poder hacer una información del controlador y energía de laintegración de ambos tipos de exoesqueletos. En cambio Pons dice batería los actuadores mueven el exoesqueleto.[3]que los exoesqueletos son sistemas biomecatronicos adaptados a laestructura del cuerpo humano con un control que reacciona a las Para lograr diseñar de una manera correcta un exoesqueleto seseñales del cerebro, por medio de sensores conectados a la piel debe realizar un estudio Cinematico sobre la morfología y elhumana, que a su vez controlan actuadores que son analógicos a las funcionamiento del miembro al que va a estar ligado, y luego de ellofunciones del cuerpo y todos estos elementos podrían actuar como un utilizar la matemática para aproximarse a un modelo reducido ysolo sistema integrado que puede desarrollar varias actividades. El análogo al real. Este estudio debe realizarse ya que existen variosdiseño de los exoesqueletos esta inspirado en el estudio de sistemas aspectos que se deben tomar en cuenta antes de construir elbiológicos, teniendo como objetivo la interacción robot humano exoesqueleto. [1]donde se busca crear un modelo que prediga el comportamiento delsistema, con el avance de la tecnología estos sistemas se vuelven más B. Partes Superiorescompactos, confiables y energéticamente viables. [1] En nuestro cuerpo el brazo va desde el hombro hasta los dedos de la mano, se puede dividir en 3 segmentos para su EXOESQUELETOS estudio el brazo, antebrazo y mano. [1]A. Funcionamiento Según E. Racoon luego de tener las características del sistema que se esta estudiando se deben tener en cuenta las Un exoesqueleto actúa de manera opuesta al esqueleto siguientes consideraciones: “Primero, el comportamiento humano normal el cual sostiene al cuerpo desde adentro, mecánico del brazo es independiente del resto del cuerpo. mientras que el exoesqueleto lo hace desde afuera, Segundo, todos los componentes de cada segmento incluidos los
  • 2. huesos y las partes suaves forman parte del mismo cuerpo. Tercero las deformaciones de las partes suaves no afectan significativamente las propiedades mecánicas de todo el segmento.” Y finalmente definidos los segmentos se debe ver los grados de libertad de movimiento que tiene la juntas (hombro, codo, muñeca) [1]. Teniendo en cuenta todos estos parámetros se puede proceder a diseñar un modelo que explique los movimientos del brazo. Fig.3 Movimiento de la Pierna con 2 grados de libertad [4] EXOESQUELETOS Al estudiar por separado las partes del exoesqueleto (superiores e inferiores) se puede realizar un estudio con mayor profundidad de cada uno de ellos hasta que funcionen en oprimas condiciones, y así finalmente integrar ambos sistemas en un solo exoesqueleto, es decir uno de cuerpo completo, actualmente existen muchos modelos de exoesqueletos y son utilizados en el área militar o bien para la Fig.1 Movimientos del Brazo, rehabilitación de personas. Uno de los exoesqueletos que existen en Imagen extraída del libro, Whearable Robots: Biomechatronical el área militar es el HULC [5] que tiene la finalidad de ayudar a los Exoesqueleton, J.L Pons, 2005 soldados a llevar cargas pesadas (200lb) o bien aumentar su resistencia al momento de recorrer varias distancias.C. Partes Inferiores Para realizar un estudio Cinematico de la pierna se la modelaasumiéndola como una cadena cinemática de dos eslabones y dosarticulaciones con un pivote que representa la cadera. Fig.4 Soldado con exoesqueleto HULC [5] En la rehabilitación de personas existe una gran variedad de exoesqueletos tales como el ReWalk, Berckley, Cyberdyne o el REX, los cuales en su mayoría han sido destinados a la rehabilitación de personas que sufren algún tipo de discapacidad [6]. Entre este grupo nombrado anteriormente existen dos en especial que tienen tipo de Fig.2 Movimiento de la Pierna [4] control que resulta muy interesante y que vale la pena recalcarlos, el Teniendo en cuenta todos los movimientos que puede realizar la primero es el ReWalk [7] que a diferencia de otros exoesqueletos estepierna y las posiciones en función de su grado de libertad se puede es manejo por medio de una palanca y no por sensores, lo que quiererealizar un modelado análogo del movimiento de la pierna. decir que no es necesario ningún movimiento o funciones nerviosas para operar el mismo.
  • 3. son mencionados con mayor énfasis en los medios no ofrecen el desempeño deseado, además los exoesqueletos solamente están empezando a ser mercadeados en la actualidad por lo que los costos son demasiado altos para las personas, por lo que definitivamente son un proyecto a largo plazo. REFERENCIAS ELECTRÓNICAS [1] E. Veslin, Jules Ghislain Slama, Max Suell Dutra, Omar Lengerke. Análisis Cinematico de un Exoesqueleto de Partes Superiores de 7 GLD.PDF [3] http://www.exoesqueleto.com.es/iquestcoacutemo-funciona-un- exoesqueleto.html [4] J.M. Grosso, Miembro, IEEE , y D. Tibaduiza, Miembro, IEEE: Diseño conceptual de un exoesqueleto para asistir la rehabilitación de Miembro Inferior [5] http://www.engadget.com/2010/07/21/hulc-exo-skeleton-ready-for- testing-set-to-hit-the-ground-runni/ Fig.5 Exoesqueleto ReWalk [7] [6] http://www.exoesqueleto.com.es/index.html [7] http://www.exoesqueleto.com.es/rex-bionics.html Y el segundo es el HAL de la empresa Cyberdyne el cual usa [8] http://www.exoesqueleto.com.es/cyberdyne.htmlsensores adjuntos a la piel de quien los usa para leer los impulsos REFERENCIASeléctricos de los nervios, según las señales obtenidas, la unidad escontrolada para moverse junto con la persona que los usa. En el caso [2] J. L. Pons, Whearable Robots: Biomechatronic Exoesqueleton, Jhonde que no existieran señales HAL también tiene un sistema de Whiley & Sons, Ltd, 200control autónomo que ofrece movimientos similares al de loshumanos. [8] Fig.6 Exoesqueleto HAL [8] CONCLUSION Los exoesqueletos fueron diseñados con la finalidad deamplificar las habilidades motrices de las personas o bien ayudar enla rehabilitación de alguna extremidad atrofiada; actualmente losexoesqueletos están en sus etapas iniciales de desarrollo lo que haceque se limite demasiado el tiempo de su uso, ya que por razones deespacio no se puede llevar una batería que pueda abastecer lademanda de energía que tiene un exoesqueleto, por lo que la mayoríade exoesqueletos funcionan solamente por algunas horas, latecnología de las baterías esta mejorando continuamente pero no estaa un nivel donde tenga la densidad de poder que se requiere; con lafinalidad de solucionar este problema algunos exoesqueletos sonhíbridos, esto quiere decir que poseen actuadores eléctricos y resorteslos cuales guardan una energía elástica que ayuda a economizarenergía aunque esto ayuda mucho no es lo suficiente, incluso los que

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