Exoesqueletos

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Exoesqueletos

  1. 1. Exoesqueletos “Capacidades Humanas” Marcelo Merchán Serrano Ingeniera Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana Cuenca, Ecuador mmerchans@est.ups.edu.ecAbstract—El paper presenta una revisión sobre comienza y termina el momento en el que uno de losexoesqueleto y sus aplicaciones, prestando una especial pies entren en contacto con el suelo, y comienza laatención al área de la electrónica y fase de apoyo.medicina.Dependiendo de las estructuras relacionadas a Durante la marcha a velocidad normal, hay un cortolas diferentes partes del cuerpo a lo que se destina el período del soporte simultáneo de ambas piernas.exoesqueleto [2]. Como en cuestión de hecho, la duración Conforme aumenta la velocidad de un ciclo se alcanzadel ciclo de marcha de cada paciente debe ser diferente cuando no hay un apoyo bipodal. La marcha puedecuyos parámetros estén sintonizados mediante la ser caracterizado por un conjunto de parámetros:optimización de una función que tenga en cuenta la longitud de la zancada, la longitud del paso, ritmo ypotencia muscular de los pacientes y el error de la rodilla velocidad. [1], [3]con el ángulo de valor de referencia para lo cual se debe b) Aumento de rendimiento en losde tener un enfoque fisiológico de la optimización estática exoesqueletospara el diseño de las órtesis activa y su control En esta sección, se describe la investigación llevada aÍndex Terms— Exoesqueleto, Órtesis, Extremidades cabo en el desarrollo de exoesqueletos pensandoInferiores, Rehabilitación. principalmente para permitir que los individuos por demás sanos sirvan para llevar a cabo tareas difíciles I. INTRODUCCIÓN con mas facilidad para realizar tareas que en otroExisten numerosas causas que pueden afectar al modo serian imposibles usando puramente la fuerza ofuncionamiento del sistema locomotor humano. La habilidad humana.[4],[5]importancia de la investigación y desarrollo entecnologías de asistencia para compensar la marcha c) Los primeros exoesqueletospatológica han sido reconocidos desde principios del La mayor parte del trabajo inicial realizado en elsiglo XX, en la secciónel exoesqueleto de miembros desarrollo de exoesqueletos de rendimiento fueroninferiores, se presenta concebido como una aumentando estudios de concepto. Los prototipos decompensación y un sistema de evaluación de la algunos de estos conceptos iniciales fueronmarcha patológica, para su aplicación en condiciones construidos y probados en un mal desempeño, lareales. Los desafíos tecnológicos principales se primera mención es un dispositivo que consistía endiscuten con respecto a la detección, accionamiento y largos arcos y ballestas operativos en paralelo a lassubsistemas de control. Se hace especial hincapié en piernas y tenia la intención de aumentar sulos avances en robótica órtesis de extremidad inferior. funcionamiento, a finales de los 60 [6], se desarrollo[1] una enorme maquina accionada hidráulicamente II. DESARROLLO DE CONTENIDOS incluyendo componentes para amplificar la fuerza de los brazos, la intención del proyecto era aumentar a) Marcha humana normal y patológica drásticamente la capacidad de fuerza del usuario[7].En cuanto a la marcha debido a la discapacidadneurológica, ortopédica o condiciones traumáticas, Los aspectos más difíciles del exoesqueleto en diseñohay distintos enfoques robóticos, y es una como una fuente de alimentación, humano y unaclasificación de los exoesqueletos que los miembrosinferiores en robótica que han presentando en robots maquina de interfaz, así como convencer a lade rehabilitación, sistemas de evaluación y comunidad científica de que la creación deseguimiento, y la recuperación funcional de sistemas dispositivos eficaces exoesqueletos esportátiles El proceso cíclico de eventos durante la extremadamente difícil.[8]marcha se conoce como el ciclo de la marcha, y que
  2. 2. que asistido en la flexión, extensión del tobillo. También se incluyo un diseño especial de unión que permitía la libre circulación del tobillo. La órtesis se controlaba basándose en la información de interruptores en las plantas del pie o suelas. a) MIT Órtesis tobillo-pie En Biomecatronica del grupo MIT preparo un AFO de potencia para ayudar a andar al pie caído, un déficitFigura1.- Yang Funcionamiento [4], Hardiman de General Electric que afecta a muchas personas que han sufrido un [9], BLEEX exoesqueleto [10] derrame cerebral, o han sufrido esclerosis múltiple o parálisiscerebral entre otros Fig. 3 [12]. El dispositivo d) Exoesqueletos inferiores de extremidades consta de un AFO pasiva modificada con la acción de completas una EAE para permitir la variación de la impedancia dirección de flexión, extensión del movimiento delEl trabajo comenzó con un dispositivo pasivo para la tobillo, controlado en base a datos de ángulo y demedición de la cinemática de marcha y a posición. El uso de la SEA, dispositivo que varia lacontinuación, progreso rápidamente al desarrollo de impedancia del tobillo en flexión durante la postura ylos exoesqueletos de potencia. Mas tarde fue ayuda con la flexión dorsal durante la fase demodificada el “exoesqueleto completa” extiende el oscilación al caminar. En los ensayos clínicos, el MITaccesorio en el torso para encerrar todo el pecho del activo AFO ha demostrado mejorar la marcha de lospaciente, proporcionando un mayor apoyo del tronco pacientes con pie caído al aumentar la velocidad aleste dispositivo esta interconectado con el usuario a caminar, la reducción de los casos de “pie caído”, unatravés de enlaces con los zapatos y con puños mejor simetría con la pierna sana, y la prestación dealrededor de las pantorrillas y los muslos. Sin asistencia durante la flexión motorizada plantar. Elembargo, un conjunto de tres sensores de fuerza dispositivo es relativamente compacto y de bajopiezo-ceramicos se incorporaron en la planta del pie consumo por lo que se están centrando en elpara su uso en la determinación de la localización y desarrollo de un sistema energéticamente autónomo ymagnitud de la fuerza de reacción del suelo que, a su una versión de dispositivo portátil.vez, se utiliza en el control del dispositivo. Esteesquema ofrece mejoras tales como un movimientomás suave y una mejor capacidad de seguimiento.[11] Figura 3. Clasificación de las órtesis de extremidad inferior III. ÓRTESIS ACTIVAS Figura 3. MIT AFO activo [13], Órtesis de tobillo Michigan [14] y la rodilla de la Universidad del Noroeste [15]. Créditos de lasÓrtesis individual activa de las articulaciones imágenes Prof. HughHerr, Laboratorio de Biomecatronica 1) Órtesis Activo tobillo-pie (AFO):El dispositivo consistía de un motor de corrientecontinua montado delante de la espinilla del usuario
  3. 3. e) ÓRTESIS DE LA UNIVERSIDAD DE MICHIGAN las tareas de que otro modo no son posibles realizar por el usuario al cual nos reducen fatiga o tiempoEl laboratorio neuromecanica humana ah producido [19], incluyendo la reducción de la fuerza a cargo deluna serie de órtesis activas, centrándose especialmente sistema musculo-esquelético.en dispositivos de rehabilitación para ser utilizadosdurante el tratamiento [16], [14]. Por consiguiente, En lugar de reducir los logros realizados nos lleva a laestos dispositivos no están diseñados para ser falta de resultados cuantitativos con exoesqueletostotalmente portátil, y en su mayoría de accionamiento que destacan las numerosos desafíos asociados conneumático con correa de sujeción. Los actuadores crearlos por lo que se generan muchos desafíos comoneumáticos usados son músculos artificiales desalinea miento de las articulaciones entre operadorneumáticos (músculosMckibbon) que están montados y hardware, restricciones cinemáticas, soporte deen fibra de carbono y conchas de polipropileno, lo carga al andar. [20]resultante es que son dispositivos extremadamenteligeros además de exhibir alta potencia a sus salidas. El campo de la Biomedicina ha madurado en lasLas órtesis de la universidad de Michigan están últimas décadas, proporcionando diseños, cienciadiseñadas principalmente para la pierna, con ambos necesaria para dispositivos que imitan la dinámica del movimiento del humano.dispositivos de tobillo y pie y la rodilla-tobillo-pie, loque elimina la necesidad de que los mecanismos la Como un trabajo a futuro la labor se centra en lasnecesidad de los mecanismos de ajustes sean habilidades tales como alimentación, actuadores másmecánicamente complejos. [14] ligeros y eficientes por la gran parte de que los a) ÓRTESISTOBILLO PIE exoesqueletos están siendo impulsados por la comunidad de investigación y aplicaciones que llevanEn la Universidad Estatal de Arizona, los a la evolución.investigadores presentaron un nuevo diseño de unAFO activo con dos “resortes sobre el musculo”actuadores conectados a la izquierda y lado derechodel pie debajo de los dedos formando un trípode conel talón [17]. Estos actuadores son sencillamente AGRADECIMIENTOSmúsculos neumáticos con un resorte interno que tiene El Autor dese agradecer a Paúl Fernando Lucero G, ya extender el musculo, lo que le permite fuerza que a los miembros de la organización IEEE por susdebe aplicarse tanto en dirección plantar y laflexióndorsal. conocimientos y debates sobre el tema.La configuración del trípode permite que el tobillo seaaccionado en flexión/ extensión (caoactivacion) y lainversión (activación único). Además, el grupotambién ha explorado el uso de EAE a las REFERENCIASarticulaciones de órtesis de poder. [18] [1] J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. BioengineeringGroup, Instituto de Automática Industrial - CSIC Spain IV. CONCLUSIONESLos retos asociados con la construcción funcional del [2] M. A. Chávez, F. R. Spitia, A. B. López, Exoesqueletos paraexoesqueleto ortopédico siguen reapareciendo con potenciar las capacidades humanas y apoyar la rehabilitación,todo tipo de implementosmás actuales pero de los Colombia 2010.cuales han tenido muchos problemas en lasinvestigaciones en esta zona que han tenido que [3] Baten, C., de Vries, W., Moreno, J. &Freriks, B (2004). Use ofenfrentar. Se ha hecho evidente en particular a inertialsensing in anintelligentorthosis. - A feasibilitystudy,aquellas etapas mas avanzadas de desarrollo del EsmacConference, Warswaw, 2004.exoesqueleto que para muchos no cumplen con los [4] N. Yagn, ―Apparatusforfacilitatingwalking, running, andcriterios necesarios para llevar a cabo su diseño. jumping,‖U.S. Patents 420 179 and 438 830, 1890.Aunque estas cuestiones se sigan teniendo en cuentase ah logrado un gran avance en las áreas relacionadas [5] S. J. Zaroodny ―Bumpusher—A poweredaidtolocomotion,‖con las órtesis. U.S. ArmyBallistic Res. Lab., Aberdeen ProvingGround, MD,Hasta este punto existe una marcada falta de Tech. Note 1524,1963.rendimiento en resultados para los dispositivosteniendo en cuenta cuales son las ventajas reales de [6] R. A. Heinlein, StarshipTroopers. New York: Putnam, 1959.estos costosos sistemas, sin embrago losexoesqueletos nos han sido destinados para facilitar
  4. 4. [7] R. S. Mosher, ―HandymantoHardiman,‖ Soc. Autom. Eng. Int. Marcelo Eduardo Merchán Serrano.- Nació(SAE), Detroit MI, Tech. Rep. 670088, 1967. enCuenca, Ecuador. Estudios Primarios: Escuela Federico Proaño, estudios Secundarios: Colegio[8] J. A. Moore, ―Pitman: A Daniel Córdova Toral, estudios Superiores:poweredexoskeletonsuitfortheinfantryman,‖Los AlamosNat. Lab., Universidad Politécnica Salesiana. Es miembroLos Alamos, NM, Tech. Rep. LA-10761-MS,1986. de la sociedad del IEEE[9] B. R. Fick and J. B. Makinson, ―Hardiman I prototypefor AdvancingTechnologyforHumanity, sección WIEmachine augmentation of human strength and endurance: Finalreport,‖ General Electric Company, Schenectady, NY, GE Tech.Rep. S-71-1056, 1971.[10] H. Kazerooni and R. Steger, ―The BerkeleyLowerExtremityExoskeleton,‖ Trans. ASME, J. Dyn. Syst., Meas.,Control, vol. 128, pp. 14–25, Mar. 2006.[11] M. Vukobratovic and B. Borovac, ―Zero-momentpoint—Thirtyfiveyears of itslife,‖ Int. J. Hum. Robot., vol. 1, no. 1, pp.157–173, 2004.[12] J. A. Blaya and H. Herr, ―Adaptive control of a variable-impedanceankle–footorthosistoassistdrop-footgait,‖ IEEE Trans.Neural Syst.Rehabil. Eng., vol. 12, no. 1, pp. 24–31, Mar. 2004.[13] G. S. Sawicki, K. E. Gordon, and D. P. Ferris,―Poweredlowerlimborthoses: Applications in motor adaptationand rehabilitation,‖ in Proc. 2005 IEEE Int. Conf. Rehabil. Robot.(ICORR), pp. 206–211.[14] C. Mavroidis, J. Nikitczuk, B. Weinberg, G. Danaher, K.Jensen, P. Pelletier, J. Prugnarola, R. Stuart, R. Arango, M.Leahey, R. Pavone,[15] A. Provo, and D. Yasevac, ―Smart portablerehabilitationdevices,‖ J. Neuroeng. Rehabil., vol. 2, no. 18, 2005[16] ] D. P. Ferris, J. M. Czerniecki, and B. Hannaford,―Anankle–footorthosispoweredbyartificialmuscles,‖ J. Appl.Biomech., vol. 21, pp. 189–197,2005[17] K. W. Hollander, R. Hg, T. G. Sugar, and D. Herring,―Anefficientrobotictendonforgaitassistance,‖ Trans. ASME, J.Biomech. Eng., vol. 128, pp. 788–791, 2006.[18] K. Bharadwaj, T. G. Sugar, J. B. Koeneman, and E. J.Koeneman, ―Design of aroboticgaittrainerusingspringovermuscleactuatorsforanklestrokerehabilitation,‖ Trans. ASME, J. Biomech. Eng., vol. 127, pp. 1009–1013, 2005.[19] H. Kazerooni and R. Steger, ―The BerkeleyLowerExtremityExoskeleton,‖Trans. ASME, J. Dyn. Syst., Meas., Control, vol. 128, pp. 14–25,Mar. 2006.[20] T. M. Griffin, T. J. Roberts, and R. Kram, ―Metaboliccost ofgeneratingmuscular force in human walking: Insightsfrom loadcarrying and speedexperiments,‖ J. Appl. Physiol., vol. 95, pp.172–183, 2003.

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