Resumen de Desarrollo y análisis de actuadores basados en SMA enfocados a la robótica de asistencia y rehabilitación
En las últimas décadas se ha visto un desarrollo tecnológico muy importante en la robótica blanda comparable a la de los inicios del internet, que ha causado que los robots sean usados en diferentes aplicaciones desde sectores industriales hasta los relacionados con la medicina. Entre sus diferentes ramas, una de las más populares ha sido la robótica de asistencia y de rehabilitación. Los dispositivos de asistencia y de rehabilitación tienen la finalidad de ayudar a recuperar las capacidades motoras tras un trastorno y por ende la independencia del paciente. Entre estos dispositivos, en los últimos años, un principal interés lo representa los dispositivos blandos de tipo exo-trajes, que pueden adoptar diferentes morfologías del cuerpo humano, esto se debe gracias a su sistema de actuación. Aunque en los últimos años el desarrollo tecnológico de estos sistemas presentó un gran avance, actualmente existe una carencia centrada en los sistemas de actuación, que limita su progreso. Entre los últimos avances se distinguen los denominados exoesqueletos soft o los exo-trajes. Esto es un concepto de diseño basado en crear sistemas robóticos vestibles en los que el peso, ergonomía y eficiencia son decisivos. Estas características se consiguen tratando de evitar los mecanismos rígidos y pesados exigidos por sistemas de actuación convencionales tales como motores eléctricos, o sistemas de actuación neumáticos basados en cilindros. Para ello, es adecuado una mayor investigación de los métodos de actuación no convencionales para superar la precariedad de los sistemas actuales. Una de esas facetas es el desarrollo de actuadores blandos o músculos artificiales.
Los músculos artificiales son capaces de producir movimientos inspirados biológicamente, útiles para los sistemas robóticos, es decir, con una gran relación potencia-peso, una conformidad inherente y una amplia gama de movimientos, por lo que son muy atractivos como actuadores biomiméticos en diversas aplicaciones robóticas. Estos actuadores que van desde aleaciones con memoria de forma hasta elastómeros dieléctricos ofrecen ciertas ventajas con respecto a los actuadores rígidos convencionales (tal como, motores eléctricos), entre otras, alta relación fuerza-peso, alta relación potencia-peso y, todo sin estructuras complejas. A pesar de la naturaleza precisa de los actuadores rígidos, el rango de movimiento puede estar limitado en términos de sus grados de libertad. Esto da como resultado que los sistemas rígidos sean menos eficientes para poder adaptarse a diversas condiciones operativas. En cambio, los músculos artificiales son elásticos y flexibles, y por ende pueden funcionar sin necesidad de utilizar diseños complejos u otros mecanismos engorrosos, incluyendo interacción segura, una variedad de movimientos complejos, facilidad de fabricación y resistencia a una variedad de entornos.
En diferentes campos los músculos artificiales son prometedores. Estos pueden accionarse a través de diferentes estímulos externos, como presión, fotones, campos térmicos, magnético y/o eléctricos. No obstante, ciertos actuadores tienen la posibilidad de presentar mejor rendimiento de desempeño para un grupo específico de aplicaciones que otros; pongamos por caso, los actuadores activados por el espectro infrarrojo (Near-infrared NIR) son prometedores para aplicaciones médicas (donde los campos magnéticos afectarían la instrumentación médica), mientras que los actuadores activados por campos térmicos como las aleaciones con memoria de forma son prometedoras para dispositivos vestibles por su buena relación fuerza-peso del actuador. Sin embargo, para alcanzar todo el potencial, aún se necesitan estudios fundamentales que permitan analizar como estructurar (diseñar), modelar y controlar músculos artificiales para obtener movimientos suaves y precisos y lograr comportamientos robóticos similares a los seres humanos. Como investigadores se debe aprovechar los avances de la tecnología de accionamiento blando y aplicarlo a dispositivos vestibles. Con ello, se puede diseñar mejores exo-trajes que abre grandes perspectivas para el futuro, ya que puede ayudar a aquellas personas que padecen limitaciones de movilidad a recuperar su independencia, apuntando siempre a diseños que brinden al usuario buen funcionamiento y comodidad. Es así que, en el presente trabajo, se realizó una revisión sobre ciertas consideraciones de rendimiento, aplicaciones, ventajas y limitaciones de los actuadores flexibles agrupados de acuerdo al estímulo de activación como; músculos artificiales activados por presión: Neumáticos e hidráulicos; músculos artificiales por accionamiento eléctrico: elastómeros dieléctricos y piezoeléctricos y músculos artificiales por accionamiento térmico: polímeros superenrollados y aleaciones con memoria de forma. En esta revisión se destacan los músculos artificiales por su idoneidad para diferentes aplicaciones de robótica blanda. Además, se realizó una comparación general de músculos artificiales en términos de deformación, potencia específica, tensión, ancho de banda y eficiencia energética, se debe usar como una comparación de alto nivel entre los actuadores, teniendo en cuenta que puede cambiar ligeramente sus valores característicos a causa del diseño y tipo de material con el que se construya el actuador.
Del grupo de músculos artificiales estudiados se consideró que las aleaciones con memoria de forma son candidatos prometedores para el desarrollo de dispositivos vestibles como los exo-trajes. Esta consideración se efectúo debido a que presentan características similares a los músculos humanos, flexibilidad y biocompatibilidad, brindando oportunidades significativas para el desarrollo de aplicaciones robóticas de asistencia y rehabilitación. Además, su elevada relación potencia - peso (hasta 50 x 103 W/Kg), su alta tensión hasta 700 Mpa, son los parámetros principales que se deben considerar al momento de elegir un músculo artificial. Asimismo, su forma sencilla de activación (calentamiento por efecto Joule) frente a los músculos artificiales que necesitan campos magnéticos, fuentes de aire a presión, altos voltajes, etc, para ser accionados, supone ser un problema más complejo o inseguro para la rehabilitación y los dispositivos de asistencia.
De este modo el presente trabajo de investigación aborda el desarrollo y análisis de actuadores basado en aleaciones con memoria de forma, enfocados a dispositivos robóticos blandos asistenciales y de rehabilitación. Estos actuadores flexibles se ajustan a diferentes formas siendo más seguros y aportando la fuerza necesaria en los sistemas donde son integrados. Asimismo, son más robustos y adaptables debido a sus altos grados de libertad (DoF). Un actuador basado en aleaciones con memoria de forma (Shape Memory Alloy SMA) bien estructurado puede realizar fácilmente movimientos lineales y de rotación, proporcionando las ventajas de movilidad y adaptabilidad. Además, otras ventajas que ofrecen frente a sus homólogos rígidos convencionales (por ejemplo, los motores eléctricos) son la alta relación potencia-peso, alta relación fuerza-peso, y todo sin vínculos complejos. En este sentido, se deben buscar soluciones emergentes de actuación, que superen las carencias de los actuadores convencionales. Sin embargo, para que los actuadores basados en SMA y los dispositivos robóticos alcancen su potencial en rehabilitación y asistencia, deben superar sus actuales barreras. Por lo tanto, desde la perspectiva de las dificultades a la que este tipo de actuadores se enfrentan son: el control del actuador debido a la histéresis del material y dependiendo del sistema donde se integran su alto número de grados de libertad; la baja frecuencia de trabajo debido a la transformación lenta (tiempo de enfriamiento) entre la fase de austenita y martensita; la baja eficiencia energética para convertir la energía eléctrica en energía térmica y a su vez en trabajo mecánico, pueden restringir sus aplicaciones y usos.
Con esta intención, en esta tesis se desarrollaron nuevas estructuras de actuadores basados en aleaciones con memoria de forma, bio-inspiradas, con el fin de imitar la flexibilidad y deformación del músculo humano aportando la fuerza necesaria para movilizar las articulaciones. Por ello, con el presente trabajo se pretende dar soluciones novedosas a las principales limitaciones de los actuadores basados en SMA para su viabilidad e integración en dispositivos robóticos asistenciales blandos y de rehabilitación. En este sentido se desarrollarán diferentes estructuras de actuadores basados en SMA con sus algoritmos de control para mejorar la frecuencia de trabajo y, por otra parte, se evaluarán estas estructuras en términos de su consumo energético. El actuador propuesto mantiene una estructura compacta y su característica de flexibilidad, siendo posible optimizarlo dependiendo de la aplicación final. Este estudio finaliza con la integración del sistema de actuación propuesto en un nuevo exo-traje para la rehabilitación del codo. Esta tesis de investigación forma parte del proyecto multidisciplinario Discover2Walk (D2W), titulado Desarrollo de una plataforma robótica para ayudar a niños con Parálisis Cerebral a descubrir cómo caminar (PID2019-105110RB-C32). Este proyecto combina herramientas y conocimientos de robótica, neurociencia y rehabilitación para acelerar la aplicación de la tecnología robótica emergente. El objetivo principal de la propuesta es diseñar un nuevo sistema robótico y comprender cómo las tecnologías robóticas pueden promover y modular el aprendizaje motor en el contexto de la promoción de la marcha en niños pequeños con parálisis cerebral. En concreto esta tesis trata de desarrollar tecnologías emergentes de actuación suave (actuadores SMA) que interactúa sin problemas con los niños pequeños y les ayuda a descubrir cómo caminar de forma natural y adaptativa.
Con base en lo mencionado anteriormente, la tesis tiene como objetivo principal desarrollar y analizar actuadores basados en SMA enfocados a la robótica de asistencia y rehabilitación. Para cumplir el objetivo, este estudio se divide en ocho capítulos como se detalla: En el capítulo 1, se presenta la principal motivación del desarrollo de esta tesis como también los objetivos de la investigación.
En el capítulo 2 se da a conocer diversas investigaciones encontradas en la literatura con relación al objeto de estudio. Se hace una revisión detallada de trabajos para analizar las características y consideraciones importantes en la selección, el diseño y la implementación de varios músculos artificiales destacados y únicos para los robots biomiméticos poniéndose en evidencia sus principales características como también dando ejemplo de diferentes aplicaciones del campo de la robótica de rehabilitación donde fueron integrados. Este estudio es clave para una buena elección del actuador a la hora de integrarlo en un sistema como es el caso de la robótica asistencial y de rehabilitación. Además, se presentan y evalúan diferentes estrategias de control aplicadas a los actuadores basados en tecnología blanda.
Conociendo que existen diversas tecnologías de accionamiento bioinspiradas que fueron previamente evaluadas en el capítulo 2 (entre ellas las aleaciones con memoria de forma), en el capítulo 3 se estudia de forma profunda las aleaciones con memoria de forma con base en su principio de funcionamiento y su posible uso como actuador en diferentes aplicaciones. En este capitulo se presenta de forma detallada el principio de funcionamiento de una fibra SMA, y el actuador basado en SMA y su control desarrollado por el grupo de investigación RoboticsLab de la Universidad Carlos III de Madrid, de la cual diseño se parte para el desarrollo de las estructuras de actuadores propuestas en esta tesis. En el capítulo 4, se detallan las estrategias de control propuestas que a posteriori van a ser implementadas para el control de los actuadores basados en tecnología SMA desarrollados. Por otra parte, en este capítulo se detallan las pruebas experimentales a las que se someten estas estructuras de actuadores propuestas para caracterizar su comportamiento y analizando los resultados obtenidos. Para comprobar y evaluar los algoritmos de control y las estructuras de actuadores propuestas, se diseñó y construyó un banco de pruebas. Este banco permite la evaluación de estructuras de actuadores en configuración lineal con el objetivo de caracterizar actuadores monofibra y actuadores multifibra basados en tecnología SMA como también permitiendo la evaluación de estructuras de actuadores en configuración antagonista, imitando un par de músculos antagonistas bíceps-triceps. El banco de prueba propuesta presenta diferentes sensores como de posición, temperatura, corriente para facilitar la caracterización del actuador, como también la etapa de potencia y electrónica necesaria para el control y gestión de las diferentes señales como las de los sensores. En el capítulo 5, se analiza el comportamiento de un nuevo diseño de actuador basado en tecnología SMA, en configuración antagonista (un actuador flexor junto con un actuador extensor), tanto monofibra como multifibra. Los experimentos realizados para la evaluación del actuador antagonista propuesto se realizaron en el banco de pruebas en configuración antagonista. En este sentido, se evaluaron las respuestas en posición de los actuadores, como también el número máximo de ciclos de funcionamiento continuo del actuador antes de ser parado para evitar la rotura de las fibras de SMA debido a sobrecalentamiento. En el capítulo 6, se aborda otra de las limitaciones que presentan los actuadores con memoria de forma, su eficiencia energética. Para ello, se pretenden evaluar desde el punto de vista de su consumo energético, diferentes configuraciones de actuadores basados en SMA propuestos para ayudar a minimizar este inconveniente. En este capítulo, se muestran las pruebas experimentales de seis configuraciones de actuadores basados en SMA y un servomotor y se analizan los resultados obtenidos desde el punto de vista energético. Por otra parte, se demuestra el efecto del pretensado de la fibra de SMA, que puede influir en el consumo energético y en la respuesta en posición.
En el capítulo 7 se presenta la integración de la estructura del actuador propuesta de tipo multifibra en una aplicación práctica, su integración en un nuevo dispositivo de rehabilitación blando para la articulación del codo en el movimiento de flexión. Durante el estudio presentado en este capítulo, se van a comparar las dos estructuras de actuadores propuestos multifibra y monofibra, comparando y analizando sus respuestas. En el último capítulo de esta tesis, capitulo 8, se recompilan las principales conclusiones de la tesis y se presentan las futras líneas de trabajo resultantes de este estudio. Los resultados obtenidos con las estructuras de actuadores basados en SMA propuestas de tipo monofibra y multifibra junto con sus algoritmos de control demostraron la mejora de las actuales prestaciones de los actuadores de SMA, desde el punto de vista de frecuencia de trabajo, consumo y error en posición. Por otra parte, con estas estructuras se mantuvieron las principales características del actuador flexible basado en SMA, como simplicidad y flexibilidad en un diseño compacto. Los resultados obtenidos fueron analizados, demostrando que la frecuencia de trabajo de los actuadores de SMA, en el caso del actuador multifibra, mejoró 0.1 Hz en comparación con el actuador monofibra. Asimismo, se demostró la posible optimización del actuador de acuerdo con la aplicación final, para mejorar su eficiencia energética. Por otra parte, en el caso de la configuración antagonista, los resultados obtenidos demostraron que el número de ciclos de funcionamiento continuo del sistema fue duplicado, previamente siendo limitado debido al calentamiento de las fibras, lo que era necesario parar el sistema por su enfriamiento, para evitar su rotura. Para demostrar la viabilidad de integración de los actuadores en los sistemas de rehabilitación, se diseñó e implementó un nuevo exo-traje actuado para la rehabilitación de la articulación del codo en flexión, donde se comprobaron las mejoras de la estructura del actuador multifibra frente a la estructura del actuador monofibra. Los resultaos obtenidos, demostraron la mejora de la respuesta del exo-traje en el caso en cual se uso una estructura de actuador de tipo multifibra. Los algoritmos de control propuestos para las estructuras de actuadores diseñadas en esta tesis permitieron seguir referencias en posición de forma suave y precisa debido a su complejidad como en el caso del actuador multifibra, donde se debe gestionar la activación y desactivación independiente de cada fibra de SMA.
Los resultados obtenidos con este estudio amplían un abanico de uso de los actuadores basados en SMA en diferentes aplicaciones como por ejemplo las de robótica de asistencia y de rehabilitación, superando ciertas limitaciones como su frecuencia de trabajo y su eficiencia energética.
