Resumen de Exoesqueleto para rehabilitación de la flexión/extensión de la articulación del tobillo

José Luis Sarmiento Ramos, Juan Camilo Suárez Galvis, Valentina Grisales Muñoz

• español

  Este trabajo presenta el modelado, diseño, construcción, y control de un exoesqueleto para rehabilitación de la flexión/extensión de la articulación del tobillo. El modelo dinámico de la flexión/extensión del tobillo es obtenido por medio de la formulación de Euler-Lagrange y es construido en Simulink de MATLAB usando la ecuación diferencial no-lineal derivada del análisis dinámico. Un controlador PID de realimentación del desplazamiento angular, representando el control neuromusculoesquelético humano, es implementado en el modelo dinámico para estimar el torque articular requerido durante los movimientos del tobillo. Se realizan simulaciones en el modelo para el rango de movimiento (ROM) de la flexión/extensión del tobillo, y los resultados son usados para seleccionar el actuador más adecuado para el exoesqueleto. El exoesqueleto para rehabilitación del tobillo es diseñado en el software CAD SolidWorks, construido por impresión 3D en ácido poliláctico (PLA), accionado por dos servomotores que entregan juntos un torque continuo máximo de 22 [kg∙cm], y controlado por una placa Arduino que establece comunicación Bluetooth con un aplicativo móvil desarrollado en MIT App Inventor para la programación de los parámetros de las terapias de rehabilitation. El resultado de este trabajo es un exoesqueleto liviano de tobillo, con una masa total de 0.85[kg] incluyendo actuadores (servomotores) y electrónica (microcontrolador y baterías), el cual puede ser usado en prácticas de telerehabilitación garantizando errores de seguimiento del desplazamiento angular por debajo del 10%.

• English

  This work presents the modelling, design, construction, and control of an exoskeleton for ankle joint flexion/extension rehabilitation. The dynamic model of the ankle flexion/extension is obtained through Euler-Lagrange formulation and is built in Simulink of MATLAB using the non-linear differential equation derived from the dynamic analysis. An angular displacement feedback PID controller, representing the human neuromusculoskeletal control, is implemented in the dynamic model to estimate the joint torque required during ankle movements. Simulations are carried out in the model for the ankle flexion/extension range of motion (ROM), and the results are used to select the most suitable actuators for the exoskeleton. The ankle rehabilitation exoskeleton is designed in SolidWorks CAD software, built through 3D printing in polylactic acid (PLA), powered by two on-board servomotors that deliver together a maximum continuous torque of 22 [kg∙cm], and controlled by an Arduino board that establishes Bluetooth communication with a mobile app developed in MIT App Inventor for programming the parameters of the rehabilitation therapies. The result of this work is a lightweight ankle exoskeleton, with a total mass of 0.85 [kg] including actuators (servomotors) and electronics (microcontroller and batteries), which can be used in telerehabilitation practices guaranteeing angular displacement tracking errors under 10%.