Resumen de Musculoskeletal modeling of the lower limb. Exoskeleton development
Un modelo musculoesquelético es una herramienta útil para evaluar problemas biomecánicos complejos, simular y evaluar lesiones, estimar las fuerzas en los músculos y determinar el par en las articulaciones durante el movimiento y predecir los efectos de las cirugías ortopédicas. Además, el modelo musculoesquelético es una rica fuente de información para desarrollar un exoesqueleto robótico con el objetivo de restaurar la marcha normal después de algunas lesiones. Esta tesis presenta un modelo musculoesquelético completo utilizando una plataforma de software abierto para realizar análisis biomecánicos de la extremidad inferior humana con el fin de simular la marcha tanto sana como patológica.
Se modelaron catorce huesos, 88 segmentos músculo-tendón de tipo Hill, 10 segmentos de ligamentos para cada rodilla y 6 articulaciones para cada miembro inferior. El modelo nos permite simular diferentes lesiones del miembro inferior, enviando diferentes perfiles de señal a segmentos músculo-tendón, emulando la estimulación eléctrica funcional (FES).
Al mismo tiempo, se pueden calcular fuerzas y pares para músculos y articulaciones. Por lo tanto, el modelo propuesto puede ser adecuado no solo para realizar un análisis biomecánico completo con fines médicos, sino también para el diseño de controladores de exoesqueleto y dimensionamiento de actuadores. Para validar el modelo, se exportó al entorno de Simulink para simular el rango de movimiento de las articulaciones, el brazo de momento muscular y el torque articular, luego estos datos se compararon con la literatura médica. Todos los resultados de las simulaciones muestran que los datos del modelo están de acuerdo con trabajos publicados anteriormente.
Además, el modelo fue validado utilizando datos reales obtenidos por nuestro propio sistema de captura de la marcha y por el software de movimiento CODA para la marcha normal y patológica. Finalmente, la bondad de ajuste de nuestro modelo se evaluó utilizando el Error cuadrático medio (RMSE) y el Error cuadrático medio normalizado (NMSE), los valores de estos índices sugieren que el modelo estimó la cinemática y los parámetros cinéticos de la marcha normal y patológica satisfactoriamente.
Por otro lado, se presenta el desarrollo conceptual de una plataforma robótica, denominada ALICE (Assistive Lower Limb Controlled Exoskeleton), para la caracterización cinética y cinemática de la marcha. La plataforma ALICE tiene en promedio un nivel TRL 5, e incluye un exoesqueleto portátil robótico y un simulador a bordo para estimar los parámetros cinéticos del usuario. Incluso cuando los patrones cinemáticos de la marcha humana están bien estudiados y reportados en la literatura, existe una considerable variabilidad intraindividual en la cinética de los movimientos. ALICE pretende ser un sensor mecánico avanzado que nos permita determinar información en tiempo real de datos tanto cinéticos como cinemáticos, abriendo un nuevo concepto de rehabilitación personalizado.
Además, se realiza un análisis cinemático completo de ALICE. Se presenta la cinemática directa e inversa utilizando la teoría de tornillos, el método de Denavit Hartenberg y el enfoque geométrico. Luego, se describe el análisis jacobiano y se determina el espacio de trabajo. A continuación, se estudian los índices de condición y Yoshikawa para analizar el desempeño del manipulador con el fin de validar las dimensiones elegidas. Además, utilizando cuaternios de Hamilton, se realiza un análisis dinámico a través de la formulación de Euler-Lagrange y se expresa en variables de estado. Por otra parte, la dinámica también se analiza utilizando la formulación de Newton-Euler y las ecuaciones generalizadas de D`Alembert.
Finalmente, se evaluó la arquitectura de un controlador PD adaptativo con el fin de personalizar la terapia a cada paciente y mejorar su marcha al máximo. Los datos de la prueba se tomaron de nuestro propio sistema inalámbrico de captura de la marcha para voluntarios sanos y pacientes diagnosticados con enfermedad de esclerosis múltiple. Toda la información, los datos del sensor y la información proporcionada por los modelos están disponibles para el personal médico.
ALICE podría servir como base para desarrollar exoesqueletos robóticos de rehabilitación. De hecho, el siguiente paso en nuestro desarrollo es llegar a TRL 6, donde se prototipará un exoesqueleto utilizando la electrónica y control, así como los actuadores eléctricos seleccionados en el análisis presentado en esta tesis. Este avance en TRL permitirá validar los componentes de hardware, aspectos ergonómicos, estrategias de control y capacidades de medición de la plataforma propuesta.
