DESIGN OF A CUSTOM FRAME AND FIXTURES FOR THE MARCH

Design of a custom frame and fixtures for the March exoskeleton
MII
DESIGN OF A CUSTOM FRAME AND FIXTURES FOR THE MARCH
EXOSKELETON
Autor: Isidoro Nieto, Ángel
Director: Miguel López, David.
Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas – TU Delft.
RESUMEN DEL PROYECTO
INTRODUCCIÓN
Actividades en nuestro día a día como levantarnos de un sofá o abrir una puerta pueden
suponer un gran obstáculo para gente con lesión en la médula espinal. La silla de ruedas
proporciona la movilidad necesaria a estas personas para poder desempeñar algunas de
sus tareas diarias. Sin embargo, tiene numerosas limitaciones.
Un nuevo sistema basado en un exoesqueleto aumenta la movilidad de la persona
parapléjica, simulando la forma de andar de una persona sana. Este tipo de tecnología
también es empleada en trabajos en los cuales existe una alta exigencia física: obreros,
trabajadores en fábricas, bomberos etc. Este proyecto se centrará en la aplicación de
exoesqueletos a personas parapléjicas.
En los últimos años, el desarrollo de estos dispositivos ha experimentado un gran
crecimiento. Numerosas compañías y universidades han invertido grandes cantidades de
dinero para construir exoesqueletos para pacientes con lesión en la médula espinal.
Algunos de los más conocidos son Mina [2], WPAL [3], Vanderbilt exoskeleton [4,5] o
el Rewalk [6] y Ekso [7].
En la interacción del exoesqueleto con el paciente se ha abierto un nuevo campo de
estudio. Este campo se denomina como la interacción humano-maquina y supone un
gran desafío debido a la complejidad de ambas partes. En este aspecto, los
exoesqueletos comerciales no consiguen satisfacer de forma plena las necesidades de las
personas que los llevan; continúan siendo mecanismos muy pesados, lentos, y originan
daños físicos en el contacto entre el exoesqueleto y la persona ( quebrantamiento de la
piel, puntos de presión, cambios en el flujo sanguíneo etc).
En este contexto, surge la necesidad de desarrollar un nuevo sistema más ligero y
eficiente que solucione alguno de los problemas anteriores. Este proyecto se centrará en
la conexión entre el paciente y el exoesqueleto teniendo en cuenta el estado fisiológico
de los huesos y músculos de una persona con lesión en la médula espinal. De esta forma
se podrá distribuir la presión a lo largo de las piernas de forma que no se produzcan
daños físicos como los citados anteriormente.
Para este propósito, el objetivo de este proyecto será desarrollar un nuevo sistema de
fijaciones entre la pierna de la persona y el exoesqueleto MARCH. Este exoesqueleto
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forma parte de un proyecto de la Universidad de Delft y que competirá en los primeros
juegos mundiales de biónica de la historia en Zurich el 8 de Octubre de 2016.
METODOLOGÍA
Se va a realizar un escáner 3D de la pierna de la persona con lesión en la médula para
asegurar que el dispositivo que se va a diseñar tiene la misma forma que el miembro
real. Tras el escáner y el diseño del dispositivo, se realizarán prototipos del mecanismos
y finalmente se fabricará el producto final.
La metodología a seguir en el proyecto, es la comúnmente empleada para el desarrollo
de un producto. A continuación se puede ver un esquema de la misma:
Figura 1: esquema del proyecto
RESULTADOS
Después del análisis de las partes involucradas en el movimiento y la transmisión del
exoesqueleto a la persona que lo lleva, se llega a la conclusión de que las fijaciones
inferiores ( por debajo de la rodilla ) son las encargadas de la transmisión del mismo,
mientras que las superiores tienen como única función la disipación de presión. Por ello,
se realizará el escáner 3D centrándose en la parte inferior de la pierna.
Figura 2: Escáner de la pierna inferior
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Una vez realizado el escáner se procede al diseño del mecanismo.
Figura 3: Fijación y hueso del exoesqueleto
Las fijaciones están diseñadas para ser impresas 3D en un material termoplástico (PET).
Por otra parte, el hueso del exoesqueleto, está hecho en alimunio (6061-T6). Tras la
selección de los materiales se procede al análisis estático y a fática del mecanismo. Las
fuerzas y pares utilizados en la simulación son extraídos de un análisis realizado con un
simulador del caminar humano en Matlab.
a)
c)
b)
d)
Figura 4: a) Simulador humano, b) Par en la rodilla durante un paso, c) Análisis estático, d) Análisis a fatiga
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Una vez validados los diseños mediante simulación se procedió a la fabricación de las
piezas. Puesto que la pieza más crítica del proyecto es la fijación inferior, ésta se
prototipó mediante impresora 3D repetidas veces hasta conseguir la pieza final.
Figura 5: De izquierda a derecha – Prototipo – test en laboratorio – test con el
exoesqueleto.
CONCLUSIONES
Tras el diseño y la fabricación del nuevo sistema de fijaciones al exoesqueleto March,
se ha probado de forma satisfactoria con una persona en su interior. El nuevo
mecanismo ofrece confort y una fijación óptima entre la pierna de la persona y el
exoesqueleto. Esto ayuda a evitar el daño en la piel y huesos mencionados en la
introducción.
El producto es robusto, duradero y barato de fabricar debido a que la parte principal del
mecanismo es impresa por una impresora 3D. Esto podría ser la antesala de un nuevo
sistema de fijaciones que los pacientes con lesión en la médula espinal pudieran
imprimir en casa teniendo una impresora 3D.
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INTRODUCTION
Every day activities such as standing up from a couch or opening a door, can be very
challenging for people that are physically handicapped. By making use of a wheelchair,
a large part of the users' mobility can be regained. However, this form of mobility can
still feel as a restriction. A new state-of-the-art solution to regain mobility is using a socalled exoskeleton: an external harness, which will simulate or stimulate the natural
motion of the human body.
Next to increasing mobility of paraplegics, exoskeletons can be used for people working
under extreme conditions, such as fire fighters or heavy construction workers. By using
an exoskeleton, these heavy loads can be alleviated [1]. Although exoskeletons can be
used in multiple ways, this assignment will focus primarily on the development of an
exoskeleton for paraplegic patients.
Over the last years, the development of exoskeletons for paraplegic patients has
experimented a big growth with companies and research labs designing and evaluating
different kind of exoskeletons such as Mina [2], WPAL [3], Vanderbilt exoskeleton
[4,5]. Others have been already launched to the market such as the ReWalk [6] and the
Ekso [7].
With the development of the exoskeletons and its interaction with the paraplegic
patients, new fields of study and research have appeared in order to face and solve the
new challenges that these new devices represent in a daily life use. One of those is the
interaction human-machine and the difficulties paraplegic patients have to deal with
while wearing the exoskeleton. In the current state, these devices are heavy (around
23,5 kg the commercial ReWalk [8]) and don’t fully satisfy the comfort and
physiognomic necessities of the patients while using it, originating pressure ulcers or
skin damages due to the use of inappropriate fixtures with a bad load distribution within
the patient’s legs.
In this context, it comes the necessity of developing a lighter and more efficient
exoskeleton design that achieves those problems and makes a better integration between
the exoskeleton and the patient by having into account the current state of the bones and
muscles of the paraplegic patient loading the leg’s part that are stiffer and unloading the
weaker ones.
For this purpose, the aim of this project will be to develop a custom frame and fixtures
for an exoskeleton that is currently being developed by a student team at the TU Delft,
that improves the existing design and faces the problems mentioned before.
Furthermore, this exoskeleton will compete in the first bionic world champion that will
take place in the 8th of October in Zurich [9].
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METHODOLOGY
In order to ensure the perfect fit of the fixtures and the SCI patient a 3D scan of the legs
will be performed. Once the shape is registered, the design of the device will be done in
Solidworks and then simulated with the same software. Finally, the prototyping stage
will proceed involving 3D printing.
The methodology that has been used for the project, is the classic one from a product
development process. In the following figure this is summarised.
Figure 1: outline of the project.
It can be seen that the design, simulation, prototyping and test stages are iterative. This
implies multiple iterations on those phases while making the product.
RESULTS
After the literature research, it was concluded that the lower leg fixtures and bones are
the most critical ones in the exoskeleton as they are in charge of the motion for a normal
gait. The upper fixture is just useful for spreading pressure in a bigger area and reduces
the peaks that can cause skin damage. Due to this fact, the 3D scan was performed
focusing in the lower leg. The results are the following:
Figure 2: Scans on the lower leg
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Once the leg’s shape is registered, the device is designed to get the perfect fit.
Figure 3: Fixture and lower bone
The fixture is designed to be 3D printed in a thermoplastic material (PET) and the lower
bone is made in aluminium 6061-T6. With this material and prior to the manufacturing
process, the mechanism is simulated in Solidworks by doing a static and fatigue
analysis. The torques and forces are extracted from a matlab simulator of a human gait.
a)
c)
b)
d)
Figure 4: a) Human simulator, b) normalized torque in the knee, c) static analysis, d) fatigue analysis.
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The simulations validated the designs and then the manufacturing process took place.
As the most critical part is the lower fixture, it was prototyped several times until the
perfect settings were found. The prototypes and the final products were made by a 3D
printer (Leapfrog HS XL).
Figure 5: Left to right: prototype of lower leg fixture, test set up of the lower fixture,
final product attached to the March exoskeleton lower leg.
CONCLUSIONS
After the design and manufacturing of a new system of fixation to the March
exoskeleton it has been successfully tested with a human inside. The new mechanism
ensures a perfect fit between the leg and the fixture thanks to the 3D scans and the
customized design. This system avoids skin damage and maintains a good blood flow in
the SCI’s limbs.
The product itself is stiff, durable and cheap to produce as the main parts, the fixtures,
are 3D printed. This could lead to a new generations of fixations systems that SCI
patients can print at home when having a 3D printer.
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