Sistema portable de sensores integrados para la adquisición de datos hacía el diseño de exoesqueletos
- Autores: Iñigo Sanz Peña
- Directores de la Tesis: Julio Blanco Fernández (dir. tes.), Joo H. Kim (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de La Rioja ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Félez Mindán (presid.), Alpha Verónica Pernía Espinoza (secret.), Jorge Luis García Alcaraz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Innovación en Ingeniería de Producto y Procesos Industriales por la Universidad de La Rioja
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Dialnet
- Resumen
- español
Introducción En la última década, las investigaciones han llevado a desarrollar diferentes tipologías de exoesqueletos. Exoesqueletos de asistencia al movimiento permiten a pacientes con lesiones de médula espinal caminar con la asistencia de muletas. Sin embargo, aspectos como el coste de adquisición, mantenimiento y las exigentes validaciones como dispositivo médico (FDA y EU MDR), limitan su uso a investigaciones y terapias de rehabilitación. Esto plantea la necesidad de incrementar la eficiencia en costes del proceso de diseño. Los sistemas convencionales de caputra del movimiento implican un alto coste y personal cualificado, traduciéndose en el coste final del diseño del exoesqueleto. Además, presentan limitaciones para su uso en ambientes exteriores. Lo cual indica la necesidad de mejora en la eficiencia en costes y versatilidad de los Sistemas de Adquisición de Datos para la captura del movimiento.
Metodología Esta investigación muestra el desarrollo de un novedoso Sistema Portable de Sensores Integrados para la Adquisición de Datos que reemplazan la necesidad de empleo de sistemas convencionales. Se trata de un diseño evolutivo que permite dotar al exoesqueleto la capacidad de asistencia al movimiento de las extremidades inferiores en una segunda fase. Basado en una estructura fabricada mediante impresión 3D, mide los datos cinemáticos en el plano sagital a través del uso de encoders integrados en cada articulación. Los datos cinemáticos de las extremidades superiores, se adquieren a través de IMU de bajo coste. La fuerza de contacto con el suelo se mide mediante el empleo de suelas sensitivas. Una herramienta de visualización en línea y un modelo de segmentos multi-cuerpo completan el sistema, para obtener los pares articulados a través del método de dinámica inversa (inverse dynamics).
Resultados Los resultados mostraron trayectorias similares de los datos cinemáticos a las obtenidas en otras investigaciones previas mediante el uso de sistemas convencionales de cámaras y marcadores. Las fuerzas de contacto también mostraron trayectorias similares a las obtenidas en investigaciones previas mediante el uso de plataformas dinamométricas. Los resultados cinemáticos y cinéticos obtenidos por el sistema mostraron una precisión y desviación estándar similar a la de sistemas convencionales. El empleo de métodos de corrección desarrollados, mostró resultados determinantes en el uso de suelas sensitivas con 9,12 y 14 sensores. Obteniendo para el empleo de 9 sensores, desviaciones inferiores a 0,1 del valor normalizado con respecto al uso de plataformas dinamométricas en otras investigaciones de la componente vertical de la fuerza. Los resultados en el entorno Matlab-Simulink, demostraron la aplicación del sistema como base para el desarrollo de una herramienta de software para simulación.
Conclusiones El Sistema Portable de Adquisición de Datos desarrollado permite reemplazar el uso de sistemas convencionales para los estudios de movimiento, independientemente del ambiente. Proporcionando un sistema portable para la adquisición de datos en ambientes exteriores, a un coste accesible. El uso de sensores integrados en el exoesqueleto para las extremidades inferiores, ofrece una herramienta física para el diseño y simulación de exoesqueletos. Su diseño evolutivo permite convertirlo acorde a las especificaciones de la investigación. Proporcionando así una herramienta eficiente en costes a investigadores implicados en el diseño de exoesqueletos para las extremidades inferiores.
- English
Introduction Biomechanical research has led to the development of different types of exoskeletons in the last decade. Assistive exoskeletons allow patients with different levels of spinal cord injuries to walk with the assistance of crutches. However, aspects such as the retail price, maintenance cost, and the medical device demanding requirements (FDA and EU MDR), limit its use to research and hospitals (therapy-based). This proposes the need to increment the efficiency of the design process. Conventional motion-capture systems based on cameras and markers involve high investment for research labs and qualified staff, tranlating into the exoskeleton design costs. In addition, these systems present limitations in outdoor environments, due to its stationary equipment. Indicating the need to improve the cost efficiency and the versatility of Motion Capture Data Acquisition Systems.
Methodology This research focuses on the design and development of a novel Wearable Sensor-Integrated System for Data Acquisition and online visualization tools that replace the need of conventional equipment. It has an evolutionary design that allows the exoskeleton structure to transform into an assistive lower limb exoskeleton in a second phase. It is based on a 3D printed lower body exoskeleton that measures the kinematics with integrated encoders at each joint in the sagittal plane, for the upper body motion, low cost IMUs where used. The ground reaction force is acquired through sensitive insoles. An online visualization software tool was developed to do motion analysis and a full body segment model was used, creating a system capable of obtaining the joint torques through inverse dynamics.
Results The results showed trajectories of the kinematic data similar to those obtained in previous studies by conventional systems of cameras and markers. The ground reaction forces also follow similar trajectories to those obtained in previous research with the use of force plates. Kinematic and kinetic results obtained by the system showed similar accuracy and standard deviations to that of conventional systems based on cameras, markers and force plates. The developed correction methods for the vertical component of the ground reaction force, showed promising results in the use of sensitive insoles using 9, 12 and 14 sensors. The vertical ground reaction force results showed deviations lower than 0,1 for the normalized values of the total subject weight, using 9 sensor insoles. The results using Matlab-Simulink as a simulation environment, proved the application of the system as a base for the development of software simulation tools.
Conclusions The Wearable Sensor-Integrated System for Data Acquisition Systems allows replacing the use of conventional motion capture systems, regardless of the environment of application. It provides a portable system for Data Acquisition in outdoor environments, at an affordable cost. The use of integrated sensors in the lower body exoskeleton offers a physical device for the design and simulation of exoskeletons. The system has an evolutionary design; therefore it can be easily evolved according to the researcher specifications. It provies a cost efficient tool for researchers involved in the design of lower body exoskeletons.
- español
