Exoesqueletos

Fernando ChicaElectrónica Analógica, Universidad Politécnica Salesiana

jchica@est.ups.edu.ec

Abstract—Los exoesqueletos o también llamados Werable Robots(robots para vestir), actualmente tienen como objetivo la rehabilitación o la amplificación de las habilidades motrices del ser humano, dado que la tecnología avanza continuamente cada vez existen mejores diseños de exoesqueletos, especialmente en lo respecta a la fuente de energía porque en este momento este es un gran limitante si nos referimos al tiempo de uso que se le da, sin embargo tomando en cuenta que están en sus etapas iniciales de desarrollo se ha logrado grandes éxitos con los existen hasta el momento tanto así que ya se los esta utilizando para fines militares y también en centros de rehabilitación.

I. INTRODUCCIÓN

Los exoesqueletos forman parte de un grupo denominado Werable Robots o Robots para Vestir los cuales como su nombre lo indica visten al cuerpo humano y ayudan a cumplir diferentes funciones como las siguientes: Robots Ortopticos, cuya función es reemplazar las funciones de un miembro perdido; Robots Protesteticos, cuya función es rehabilitar un miembro atrofiado sea por accidente o por una deficiencia patológica, y finalmente Robots Extensores cuya función es la de aumentar las habilidades del miembro al que esta unido [1], aunque investigadores como Homayoon Kazerooni (Profesor de la Universidad de California Berkeley) prefieren dividir su estudio en dos partes[1] , exoesqueletos de partes superiores los cuales están unidos a los brazos y de partes inferiores los cuales están unidos a las piernas, dividirlos de esta manera hace que sea posible visionar aplicaciones para cada sistema por separado, y teniendo en cuenta que los exoesqueletos están en sus etapas iniciales realizar fuertes investigaciones para asegurarse de que funcionen perfectamente separados y así poder hacer una integración de ambos tipos de exoesqueletos. En cambio Pons dice que los exoesqueletos son sistemas biomecatronicos adaptados a la estructura del cuerpo humano con un control que reacciona a las señales del cerebro, por medio de sensores conectados a la piel humana, que a su vez controlan actuadores que son analógicos a las funciones del cuerpo y todos estos elementos podrían actuar como un solo sistema integrado que puede desarrollar varias actividades. El diseño de los exoesqueletos esta inspirado en el estudio de sistemas biológicos, teniendo como objetivo la interacción robot humano donde se busca crear un modelo que prediga el comportamiento del sistema, con el avance de la tecnología estos sistemas se vuelven más compactos, confiables y energéticamente viables. [1]

II. EXOESQUELETOS

A. Funcionamiento

Un exoesqueleto actúa de manera opuesta al esqueleto humano normal el cual sostiene al cuerpo desde adentro,

mientras que el exoesqueleto lo hace desde afuera, usualmente son diseñados para permitir caminar o aumentar la fuerza y resistencia de las personas, los exoesqueletos tienes varios componentes clave:

1. Marco: Es la estructura del exoesqueleto, usualmente esta hecho de materiales ligeros los cuales deben soportar el peso del cuerpo así como del exoesqueleto y sus componentes. [3]

2. Baterías: Deben funcionar la mayor parte del día, las baterías deben ser pequeñas y ligeras para que el exoesqueleto no sea ni pesado ni voluminoso. [3]

3. Sensores: Capturan información sobre como el usuario debe moverse, pueden ser manuales o bien eléctricos y detectar los impulsos fisiológicos del cuerpo, la información capturada es enviada a la computadora para ser analizada. [3]

4. Controlador: Es como el cerebro del dispositivo, el controlador es una computadora a bordo la cual toma la información de los sensores y controla a los actuadores. [3]

5. Actuadores: Los actuadores son los músculos que ejercen el movimiento, usualmente son motores eléctricos o hidráulicos, usando la información del controlador y energía de la batería los actuadores mueven el exoesqueleto.[3]

Para lograr diseñar de una manera correcta un exoesqueleto se debe realizar un estudio Cinematico sobre la morfología y el funcionamiento del miembro al que va a estar ligado, y luego de ello utilizar la matemática para aproximarse a un modelo reducido y análogo al real. Este estudio debe realizarse ya que existen varios aspectos que se deben tomar en cuenta antes de construir el exoesqueleto. [1]

B. Partes Superiores

En nuestro cuerpo el brazo va desde el hombro hasta los dedos de la mano, se puede dividir en 3 segmentos para su estudio el brazo, antebrazo y mano. [1]

Según E. Racoon luego de tener las características del sistema que se esta estudiando se deben tener en cuenta las

siguientes consideraciones: “Primero, el comportamiento mecánico del brazo es independiente del resto del cuerpo. Segundo, todos los componentes de cada segmento incluidos los huesos y las partes suaves forman parte del mismo cuerpo. Tercero las deformaciones de las partes suaves no afectan significativamente las propiedades mecánicas de todo el segmento.” Y finalmente definidos los segmentos se debe ver los grados de libertad de movimiento que tiene la juntas (hombro, codo, muñeca) [1]. Teniendo en cuenta todos estos parámetros se puede proceder a diseñar un modelo que explique los movimientos del brazo.

Fig.1 Movimientos del Brazo, Imagen extraída del libro, Whearable Robots: Biomechatronical

Exoesqueleton, J.L Pons, 2005

C. Partes Inferiores

Para realizar un estudio Cinematico de la pierna se la modela asumiéndola como una cadena cinemática de dos eslabones y dos articulaciones con un pivote que representa la cadera.

Fig.2 Movimiento de la Pierna [4]

Teniendo en cuenta todos los movimientos que puede realizar la pierna y las posiciones en función de su grado de libertad se puede realizar un modelado análogo del movimiento de la pierna.

Fig.3 Movimiento de la Pierna con 2 grados de libertad [4]

III. EXOESQUELETOS

Al estudiar por separado las partes del exoesqueleto (superiores e inferiores) se puede realizar un estudio con mayor profundidad de cada uno de ellos hasta que funcionen en oprimas condiciones, y así finalmente integrar ambos sistemas en un solo exoesqueleto, es decir uno de cuerpo completo, actualmente existen muchos modelos de exoesqueletos y son utilizados en el área militar o bien para la rehabilitación de personas. Uno de los exoesqueletos que existen en el área militar es el HULC [5] que tiene la finalidad de ayudar a los soldados a llevar cargas pesadas (200lb) o bien aumentar su resistencia al momento de recorrer varias distancias.

Fig.4 Soldado con exoesqueleto HULC [5]

En la rehabilitación de personas existe una gran variedad de exoesqueletos tales como el ReWalk, Berckley, Cyberdyne o el REX, los cuales en su mayoría han sido destinados a la rehabilitación de personas que sufren algún tipo de discapacidad [6]. Entre este grupo nombrado anteriormente existen dos en especial que tienen tipo de control que resulta muy interesante y que vale la pena recalcarlos, el primero es el ReWalk [7] que a diferencia de otros exoesqueletos este es manejo por medio de una palanca y no por sensores, lo que quiere decir que no es necesario ningún movimiento o funciones nerviosas para operar el mismo.

Fig.5 Exoesqueleto ReWalk [7]

Y el segundo es el HAL de la empresa Cyberdyne el cual usa sensores adjuntos a la piel de quien los usa para leer los impulsos eléctricos de los nervios, según las señales obtenidas, la unidad es controlada para moverse junto con la persona que los usa. En el caso de que no existieran señales HAL también tiene un sistema de control autónomo que ofrece movimientos similares al de los humanos. [8]

Fig.6 Exoesqueleto HAL [8]

IV. CONCLUSION

Los exoesqueletos fueron diseñados con la finalidad de amplificar las habilidades motrices de las personas o bien ayudar en la rehabilitación de alguna extremidad atrofiada; actualmente los exoesqueletos están en sus etapas iniciales de desarrollo lo que hace que se limite demasiado el tiempo de su uso, ya que por razones de espacio no se puede llevar una batería que pueda abastecer la demanda de energía que tiene un exoesqueleto, por lo que la mayoría de exoesqueletos funcionan solamente por algunas horas, la tecnología de las baterías esta mejorando continuamente pero no esta a un nivel donde tenga la densidad de poder que se requiere; con la finalidad de solucionar este problema algunos exoesqueletos son híbridos, esto quiere decir que poseen actuadores eléctricos y resortes los cuales guardan una energía elástica que ayuda a economizar energía aunque esto ayuda mucho no es lo suficiente, incluso los que son mencionados con mayor énfasis en los medios no ofrecen el

desempeño deseado, además los exoesqueletos solamente están empezando a ser mercadeados en la actualidad por lo que los costos son demasiado altos para las personas, por lo que definitivamente son un proyecto a largo plazo.

REFERENCIAS ELECTRÓNICAS

[1] E. Veslin, Jules Ghislain Slama, Max Suell Dutra, Omar Lengerke. Análisis Cinematico de un Exoesqueleto de Partes Superiores de 7 GLD.PDF [3] http://www.exoesqueleto.com.es/iquestcoacutemo-funciona-un-exoesqueleto.html[4] J.M. Grosso, Miembro, IEEE , y D. Tibaduiza, Miembro, IEEE: Diseño conceptual de un exoesqueleto para asistir la rehabilitación de Miembro Inferior [5] http://www.engadget.com/2010/07/21/hulc-exo-skeleton-ready-for-testing-set-to-hit-the-ground-runni/[6] http://www.exoesqueleto.com.es/index.html[7] http://www.exoesqueleto.com.es/rex-bionics.html[8] http://www.exoesqueleto.com.es/cyberdyne.html

REFERENCIAS

[2] J. L. Pons, Whearable Robots: Biomechatronic Exoesqueleton, Jhon Whiley & Sons, Ltd, 200