Analysis and design of a flexible exoskeleton for the upper limbs
- Autores: José Luis Samper Escudero
- Directores de la Tesis: Manuel Ferre Pérez (dir. tes.), Miguel Ángel Sánchez-Urán González (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Materias:
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- Resumen
Los exoesqueletos son robots que circunscriben la anatomía del usuario para asistir su locomoción. Durante los últimos años, el concepto se ha aplicado a distintas áreas de la vida cotidiana, siendo las aplicaciones de rehabilitación médica la más consolidadas. Ejemplos como Marsi Bionics, Gogoa, Able o Hocoma demuestran la revolución que suponen estos robots para rehabilitar y restaurar la movilidad de una persona. Para ello, los exoesqueletos de rehabilitación poseen una estructura rígida y, por lo general, voluminosa capaz de mover el cuerpo del paciente. Sin embargo, estas grandes estructuras no son adecuadas para tareas cotidianas en las que se requiere destreza y una amplia variedad de movimientos. Por ello, los exoesqueletos pasivos y activos mono articulares han tenido mayor aplicación en industria durante los últimos años; dispositivos como los de las empresas Skelex y Verve Motion ofrecen un punto de acuerdo en el que el robot mejora el rendimiento y salud postural del trabajador. Los problemas musculoesqueléticos son, de hecho, una gran carga para empresas y trabajadores. Estas afecciones del sistema locomotor están catalogadas entre los principales motivos de baja laboral y deterioro de la calidad de vida. Tanto es así que la Organización Mundial de la Salud ha alertado, reiteradamente, sobre la gravedad de su creciente impacto socioeconómico. Estos informes también señalan ineficiencias en los protocolos y herramientas actuales que pueden derivar en la saturación de los sistemas sanitarios. Así, desde los distintos organismos de salud como el OHSR se promueve el desarrollo de métodos con los que combatir la fatiga muscular, malas posturas y distracción. En este contexto, los exoesqueletos tienen un gran interés al reducir el estrés muscular y fatiga asociados a una tarea. No obstante, su aplicación a entornos cotidianos plantea una serie de retos relacionados con la capacidad del robot para adaptarse y reproducir movimientos humanos. Durante los últimos años, los investigadores se han lanzado a buscar formas de mejorar la interacción humano-robot. Entre ellas, destaca la adición de grados de libertad pasivos y el uso de mecanismos de rigidez variable que imitan la respuesta dinámica de las articulaciones. En los últimos años también han surgido nuevas tendencias que abandonan las estructuras rígidas y voluminosas para optar por diseños flexibles y blandos. El exotraje del Harvard Biodesign Lab es uno de los ejemplos más icónicos y tempranos de esta nueva tendencia. Este exoesqueleto flexible de Harvard usa unas mallas para distribuir cables por las piernas y asistir la marcha. El reducido peso, tamaño y simplicidad de estos exotrajes ha revolucionado la asistencia de tareas con cargas medias o bajas. No obstante, la deformabilidad de su estructura requiere investigar en detalle la eficiencia y robustez de esta estrecha cooperación entre humano y robot. Esta tesis estudia el diseño de exoesqueletos flexible que asistan codo y hombro evitando restringir el resto de movimientos articulares. La motivación de la investigación surge de la escasez de soluciones activas y flexibles para el tren superior, así como de la alta incidencia de lesiones en los brazos. La metodología planteada minimiza la estructura robótica mediante el estudio histológico y anatómico del tren superior. A partir de este análisis, se analizan zonas de baja movilidad por las que guiar la actuación cableada. La fijación de estos elementos se ha conseguido mediante el estudio de técnicas de costura y composición textil, lo que ha permitido obtener un diseño compacto y ligero. Para ello, la dirección de la urdimbre y el patrón de costura deben coincidir con las fuerzas que se desea propagar por las telas y transferir al usuario. La configuración de los tejidos para la propagación de fuerzas ha permitido desarrollar un nuevo método para acoplar el exoesqueleto al cuerpo humano que reduce la presión aplicada en la piel. La libertad de movimiento es una de las premisas del diseño estudiado; concretamente, el exoesqueleto contempla la libre abducción horizontal del brazo, la rotación glenohumeral y la pronación-supinación del antebrazo. Para ello, el mecanismo de flexión del codo analiza la utilidad de un esquema de polea móvil, mientras que la elevación del hombro y extensión del codo estudia el uso de mecanismos deformables (compliant mechanisms). De forma complementaria, la tesis profundiza en aspectos de actuación y sensado. En materia de sensado se ha realizados dos aportaciones: un sensor para medir la tensión del cable y una matriz vestible de sensores flexibles resistivos para estimar la posición del hombro. Por otra parte, las aportaciones de actuación se resumen en el estudio del diseño de una estructura portable y varios módulos de actuación.
