Dossier sobre exoesqueleto robotico

DOSSIER SOBRE

EXOESQUELETO ROBOTICO

TIC Y CULTURA INVESTIGATIVA

Profesora Carmen E. Capote

ANÁLISIS CINEMÁTICO DE UN EXOESQUELETO DE PARTES SUPERIORES DE 7 GDL Elkin Veslin, Jules Ghislain Slama, Max Suell Dutra, Omar Lengerke

Actualmente algunas de las aplicaciones de los exoesqueletos de partes superiores son la rehabilitación y la amplificación de las habilidades del brazo humano. Nuestro estudio se enfoca en las aplicaciones de rehabilitación, en las cuales se busca restaurar las funciones de los miembros atrofiados. Como etapa esencial en el entendimiento de la movilidad del brazo, está el análisis cinemática, análisis hecho a partir de las mismas teorías que envuelven el estudio de actuadores robóticos industriales. Este estudio es la base para el objetivo final de una primera etapa: determinar del espacio de trabajo del brazo humano teniendo en cuenta los rangos de movilidad en las articulaciones a los cuales un exoesqueleto estaría sometido. Para este análisis se consideró un modelo de 7 GDL que describe los movimientos y las restricciones de cada una de las articulaciones del brazo (hombro, codo y muñeca) y con él se define el alcance real que tiene la muñeca a través del espacio de trabajo del sistema.

Los exoesqueletos de partes superiores forman parte de un grupo de sistemas robóticos denominados EXOESQUELETOS, que a su vez hace parte de un grupo denominado Werable Robots (Robots de vestir), estos son sistemas robóticos que visten el cuerpo humano para cumplir funciones específicas. Estas funciones los catalogan en los siguientes subgrupos: ROBOTS ORTÓPTICOS, que son sistemas cuya función es reemplazar las funciones un miembro perdido, ROBOTS PROSTÉTICOS, cuya función es la de rehabilitar un miembro que se encuentra atrofiado, sea por un accidente o por una deficiencia patológica, y finalmente, los ROBOTS EXTENSORES cuya función es la de aumentar las habilidades del miembro al que está unido, esta habilidades está relacionada con la fuerza.

Investigadores como Kazerooni prefieren dividir el estudio de los exoesqueletos en dos partes, en la primera, están los sistemas unidos a los brazos, denominados, exoesqueletos de partes superiores, y tema del cual está enfocado este documento, y finalmente están aquellos sistemas que están unidos a las piernas, denominados exoesqueletos de partes inferiores. De esta forma es posible visionar muchas aplicaciones para cada sistema por separado, enfatizando además, en que el exoesqueleto está en sus etapas iniciales y se necesitan fuertes investigaciones para asegurarse que ambos sistemas trabajen en óptimas condiciones por separado, para poder así, hacer una integración de ambos, como se ha visto en otros trabajos donde se aprecia una integración de ambos sistemas.

Pons define a una exoesqueleto como un sistema biomecatrónico, donde el mecanismo está adaptado a la estructura física del cuerpo humano, con un control que puede provenir de las mismas señales del cerebro, con sensores conectados a la piel humana y con actuadores que son analógicos a las funciones del cuerpo, todos estos elementos pueden actuar como un solo sistema integrado que puede desarrollar variadas actividades. Desde su concepción hace más de 60 años, las aplicaciones potenciales de los exoesqueletos de partes superiores están enfocadas en: recuperaciones terapéuticas como sistema de asistencia para labores de amplificación de la fuerza humana como dispositivo háptico para simulaciones virtuales y como dispositivo maestro para procesos de tele operación Además, de estos trabajos mencionados, existen más documentos relacionados con los exoesqueletos o Wearable Robots. El diseño mecánico de sistemas exoesqueletos están inspirados en el estudio de los sistemas biológicos, en particular del cuerpo humano, buscando de esta forma, la interacción robot y humano, donde se busca crear sistemas que sean obedientes a los movimientos del cuerpo, este estudio implica la obtención de un modelo que permita predecir el comportamiento del sistema. Otra necesidad radica en que estas inspiraciones biológicas permiten la creación de sistemas mecánicos más compactos y confiables y por supuesto, energéticamente viables.

Así, como parte esencial en el entendimiento de la movilidad del brazo, está el análisis cinemático, análisis hecho a partir de las mismas teorías que envuelven el estudio de actuadores robóticos industriales. Este estudio es la base para el objetivo final de una primera etapa: determinar del espacio de trabajo del brazo humano teniendo en cuenta los rangos de movilidad en las articulaciones a los cuales un exoesqueleto estaría sometido. Para este análisis se consideró un modelo de Análisis Cinemático de un Exoesqueleto de Partes Superiores de 7 GDL.

Diseño de un banco de pruebas para un exoesqueleto de miembro superior.

El objetivo de este proyecto es servir de apoyo a uno de los pequeños sub proyectos dentro del Proyecto Hyper. Este, trata de dar apoyo a la recuperación de la capacidad motora en diversas enfermedades. Para ello se está ideando un exorobot de cuerpo completo capaz de movilizar cualquier cadena muscular comprendida en el Proyecto Hyper.

El proyecto HYPER recibe su nombre del acrónimo en inglés de “Hybrid Neuroprosthetic and Neurorobotic Devices for Functional Compensation and Rehabilitation of Motor Disorders”.

“El proyecto HYPER pretende representar un avance significativo en la investigación de dispositivos neurorobóticos y neuroprotésicos en interacción cercana con el cuerpo humano, tanto en la rehabilitación como en la compensación funcional de trastornos motores en actividades de la vida diaria. El proyecto centrará sus actividades en nuevos neurorobots “vestibles” y neuroprótesis que combinarán estructuras biológicas y artificiales con el objetivo de superar las principales limitaciones de las actuales soluciones para rehabilitación.

Los principales objetivos del proyecto son restaurar de la función motora en pacientes con lesión medular a través de la compensación funcional y promover el re-aprendizaje del control motor en pacientes afectados por accidente cerebro vascular y parálisis cerebral, por medio de un uso integrado de neurorobots y neuroprótesis.

El proyecto validará funcional y clínicamente el concepto de desarrollo de sistemas híbridos Humano-Robot para la rehabilitación y/o compensación funcional de trastornos motores bajo el paradigma de asistencia bajo demanda. En la visión HYPER, asumimos que el avance en las terapias de rehabilitación física depende de la obtención de una comunicación más transparente entre los sistemas humanos y las máquinas, y por lo tanto, se explorarán diferentes niveles de actividad neural humana.

HYPER propone una interfaz multimodal cerebro-máquina, cuyo objetivo principal es explorar diferentes niveles de actividad neural, caracterizando las demandas específicas de apoyo y la participación del paciente, y así modificar la intervención a nivel periférico con los sistemas híbridos neurorobots y neuroprótesis.

Área de uso de la investigación (enfermedades comprendidas dentro del rango del proyecto) Accidente vascular cerebral (ACV) Es un tipo de enfermedad cardiovascular. Afecta a las arterias que conducen hacia el cerebro y dentro del mismo. Un accidente cerebro vascular sucede cuando el flujo sanguíneo de una parte del cerebro se interrumpe debido a que un vaso sanguíneo en dicho órgano se bloquea o se rompe.

Los dos tipos más importantes de ACV son: accidente cerebro vascular isquémico, en el que un vaso sanguíneo que irriga de sangre al cerebro queda bloqueado; y accidente cerebro vascular hemorrágico, que ocurre cuando un vaso sanguíneo en parte del cerebro se debilita y se rompe, provocando que la sangre se escape hacia el cerebro.

Lesión de la médula espinal (SCI) La lesión de médula espinal o mielopatía, es una alteración de la médula espinal que puede provocar la pérdida de control voluntario de las extremidades, la locomoción deteriorada, agarre débil, sensaciones alteradas, espasmos….

Las dos principales causas de lesión medular son por: traumas por accidente de coche, caídas, disparos, rotura de disco intervertebral, y enfermedades como la poliomielitis, la espina bífida, tumores primarios o metastáticos, la ataxia de Friedreich, osteítis hipertrófica de la columna,...

Es importante señalar que la médula espinal no tiene que ser seccionada completamente para sufrir una pérdida de función. De hecho la mayoría de médulas espinales permanecen intactas tras una lesión de médula espinal. La lesión medular no siempre guarda relación con una lesión de espalda o de cuello como pueden ser roturas de discos, estenosis de la columna, etc. Es posible lesionarse el cuello o la espalda y que la médula espinal no sufra ningún daño.

Parálisis cerebral (PC) La parálisis cerebral es un grupo de trastornos que afecta la capacidad de una persona para moverse, mantener el equilibrio y la postura. Los trastornos aparecen durante los primeros años de vida. Por lo general, no empeoran con el tiempo. Las personas con parálisis cerebral pueden tener dificultades para caminar. También pueden tener problemas realizando tareas como escribir o usar tijeras. Algunas tienen otras afecciones médicas, como trastornos convulsivos, o discapacidad mental. No existe una cura para la parálisis cerebral, pero el tratamiento puede mejorar las vidas de quienes la sufren. El tratamiento incluye medicinas, aparatos y terapia física, ocupacional y del habla Los médicos usan el término parálisis cerebral para referirse a cualquiera de un número de trastornos neurológicos que aparecen en la infancia o en la niñez temprana y que afectan permanentemente el movimiento del cuerpo y la coordinación de los músculos pero que no evolucionan, en otras palabras, no empeoran con el tiempo. El término cerebral se refiere a las dos mitades o hemisferios del cerebro, en este caso al área motora de la capa externa del cerebro (llamada corteza cerebral), la parte del cerebro que dirige el movimiento muscular; parálisis se refiere a la pérdida o deterioro de la función motora

Sistema robótico multimodal para análisis y estudios en biomecánica, movimiento humano y control neuromotor

Actualmente existe una emergente necesidad en disponer de sistemas y plataformas que potencien estudios en diferentes ámbitos de investigación, que permitan establecer y configurar una serie de experimentos para explorar en aspectos relativos al movimiento humano, de control neuromotor o al análisis biomecánica, entre otros. La presente tesis doctoral abarca tres vertientes: científica, tecnológica y experimental. La componente tecnológica se refiere a la implementación física de una plataforma robótica multimodal para análisis neuromotor. La componente científica está centrada en el modelado de la dinámica de las articulaciones humanas (específicamente el codo) y con la relación de dicha dinámica (en términos de visco elasticidad) con la información EMG del grupo muscular asociado a la articulación. Finalmente, la componente experimental se centra en la elaboración de un protocolo y la realización de una serie de medidas con sujetos. La tesis se orienta a diseñar, implementar y evaluar un sistema, compuesto por un exoesqueleto robótico de miembro superior y otros módulos independientes, que al actuar de forma integrada dan una solución multimodal al estudio neuromotor humano. De este modo, se han desarrollado tanto el exoesqueleto como las diversas herramientas y se han integrado dentro de una estructura común, en un esquema multimodal, para llevar a cabo mediciones simultáneas de variables biomecánicas y bioeléctricas. Como evaluación del sistema, éste ha sido usado para modelar el comportamiento dinámico (en términos de impedancia mecánica) de la articulación del codo y determinar la viabilidad de estimar la impedancia mecánica asociada a la misma partir de los patrones de activación de los músculos asociados al movimiento de dicha articulación, específicamente bíceps y tríceps braquial.

Referencias http://revistas.unab.edu.co/index.php?journal=mecatronica&page= article&op=viewArticle&path%5B%5D=1230

http://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/13065/PFC_Marcos_Martin ez_Redondo.pdf?sequence=1

https://www.google.co.ve/search?q=IMAGENES+DE+EXOESQUELET O+ROBOTICO&newwindow=1&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa= X&ei=DyTIU9qUMO3ms

http://e-archivo.uc3m.es/handle/10016/5636