Automatización en Medicina: Exoesqueletos - Presentación

Automatización en Medicina:
Exoesqueletos
Luis Moreno
Dpto. Ing. de Sistemas y Automática
Universidad Carlos III
Madrid
Dic 2021
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
1 / 102
Table of contents
1
Introducción
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
2 / 102
Introducción
Introducción
Fuente:
Exoesqueletos
Antonio J. del Ama
I Jornadas Sobre tecnologı́as aplicadas a la accesibilidad
3-6 de mayo 2010
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
3 / 102
Introducción
Índice
Introducción histórica.
Aspectos en consideración.
Aspectos clı́nicos.
Aspectos tecnológicos.
Exoesqueletos de miembro inferior.
Exoesqueletos de miembro superior.
Nuevo horizontes.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
4 / 102
Introducción
Historia
Definición Exoesqueleto:
Esqueleto externo continuo que recubre toda la superficie de los animales
filo-artrópodos. Cumple una función mecánica, proporcionando el soporte
estructural necesario.
Las primeras utilizaciones de un exoesqueleto corresponde a las armaduras
articuladas creadas en la edad de bronce griega (1400 AC)
Galeno, quien acuñó las expresiones escoliosis y lordosis, utilizó ortesis para
corregir estas deformidades de columna.
En el renacimiento estaba generalizado el uso de ortesis: Oplomoclion de
Gerónimo Fabrizio
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
5 / 102
Introducción
Historia
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
6 / 102
Introducción
Historia
Exoesqueletos actuados:
Introducción de actuación sobre la exo-estructura.
Aumentar la capacidad fı́sica del cuerpo humano: trabajo y rehabilitación.
1948: N. A. Bernstein.
Primer exoesqueleto que aporta potencia.
Bernstein en el Instituto de investigación en prostética, Moscú.
Hay dibujos de un exoesqueleto con motores eléctricos.
1961: Cornell Aeronautical Labs: Man-amplifier.
Diseáado por Neil J. Mizen
Terminó siendo un ejercicio conceptual.
Sólo se llevó a cabo un exoesqueleto pasivo para analizar la cinemática del
movimiento.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
7 / 102
Introducción
Historia
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
8 / 102
Introducción
Historia
Exoesqueletos actuados:
1966: General Electric Hardiman I.
Un encargo de la Armada y la Marina americana a GE.
Basado parcialmente en los resultados del exoesqueleto de Cornell.
Aumento de la capacidad del usuario x25
Problemas en el desarrollo:
La necesidad de reducir los GDL del exoesqueleto a 28+2 de agarre.
Las necesidades de potencia (45kW) fue el principal problema.
Sólo se realizó un modelo experimental: nunca fue mostrado en público.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
9 / 102
Introducción
Historia
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
10 / 102
Introducción
Historia
Exoesqueletos actuados:
1970-2: Exoesqueletos desarrollados por el Prof.Vukobratovic
Exoeskeleto 1970, Mihailo Pupin Institute.
El primer desarrollo fue neumático.
Posteriormente realizaron con actuadores electromecánicos.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
11 / 102
Introducción
Historia
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
12 / 102
Introducción
Historia
Exoesqueletos actuados:
1986: Lifesuit, M. Reed (They Shall Walk)
A mediados de los 80 comenzaron los desarrollos de M. Reed.
Exoeskeletos neumáticos.
Se desarrollaron 18 prototipos. Participa en las roboolimpiadas.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
13 / 102
Introducción
Historia
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
14 / 102
Introducción
Situación actual
Militar
Al amparo del proyecto DARPA:
Raytheon SARCOS XOS
Bleex, de la universidad de Berkley
Figure: SARCOS XOS - Bleex
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
15 / 102
Introducción
Situación actual
Civil
Debido al problema del envejecimiento de la población en Japón, y la
carencia de mano de obra para realizar trabajos de cuidado de ancianos, junto
con la aceptación de la población Japonesa a la tecnologı́a: gran impulso en
los exoesqueletos para aplicaciones de clı́nicas.
SAPAS
HAL
Walk assist
BWS
Figure: SAPAS - HAL - Walk assist - BWS
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
16 / 102
Introducción
Situación actual
Profesional
Debido al problema de manejo de grandes cargas en la industria y las
dificultades que los carros elevadores presentan para moverse en ciertos
entornos existe un interés en desarrollar exoesqueletos potenciadores de la
fuerza (no tanto de la velocidad).
Figure: PowerLoader
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
17 / 102
Introducción
Situación actual
Profesional
Figure: Human Power Extender U Berkeley
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
18 / 102
Introducción
Situación actual
Raros
Por ejemplo para potenciar el salto
Figure: MIT Hoping exoeskeleton
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
19 / 102
Introducción
Estructura
Idea general
Arquitectura
Figure: Hal
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
20 / 102
Introducción
Especificaciones
Idea general
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
21 / 102
Introducción
Funcionamiento
Idea general
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
22 / 102
Introducción
Chaquetas terapeúticas
Ideas en desarrollo
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
23 / 102
Introducción
Bio-mecatrónica
Mecatrónica: disciplina ingenieril a la que concierne el estudio, análisis,
diseño e implementación de sistemas hı́bridos (mecánicos, eléctricos y
control).
Bio-mecatrónica: Extensión de la mecatrónica: a sistemas
bio-compatibles.
bio-inspirados.
Actuadores, arquitecturas de control, etc.
Interacción cinemática entre el sistema y el humano.
Sistemas de control que interactúan con comandos de origen biológico.
Biomecatrónica adopta procedimientos de diseño y optimización
biológicamente inspirados.
Algoritmos genéticos.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
24 / 102
Introducción
Exoesqueletos para la compensación de la marcha
Exoesqueleto comercial para la compensación de la marcha.
Basado en la detección de eventos de la marcha.
Monitorización de la intención del usuario: ángulo del tronco
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
25 / 102
Introducción
Exoesqueletos para la compensación de la marcha
El primer Exoesqueleto comercial para compensar la marcha.
Tiene actuados la cadera y rodillas.
El tobillo tiene actuación elástica, para proveer foot clearance
El controlador se basa en la detección de fases de marcha mediante FRS junto
a un sensor de inclinación del tronco.
El paso se obtiene mediante la inclinación del tronco hacia delante, junto con
la actuación del motor de la cadera, lanza el paso hacia delante. Marcha
poco estética
Tiene una interfaz en para las intenciones principales: andar, subir/bajar
escalones, sentarse y levantarse. El inicio y paro de la marcha se realiza
mediante la inclinación del tronco.
El precio estimado es de 20.000 dolares USA, lo mismo que la silla de ruedas
más avanzada.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
26 / 102
Introducción
Entrenamiento
Plasticidad neuronal:
Capacidad plástica del SN
para minimizar los efectos de
las lesiones
Modificación de su estructura
funcional:
Nuevas conexiones en el
cerebro.
Reorganización de zonas
motoras.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
27 / 102
Introducción
Entrenamiento
Marcha:
Entrenamiento intensivo y progresivo.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
28 / 102
Introducción
Estructura
Estructura del control (a) y equivalente discreto del sistema (b).
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
29 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Diseño Mecánico: Estructura
Para el diseño de la estructura mecánica se utilizó una armadura unilateral,
con cuatro interfaces de carga en las superficies blandas, para la aplicación de
estrategias de compensación.
La configuración tiene articulaciones de rodilla y tobillo, barras laterales unidas
al muslo (proximal), pierna (distal) y pie (soporte y plantilla insertada en el
zapato) y cuatro bandas de sujeción a la extremidad. (ver figura).
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
30 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Diseño Mecánico: Rigidez del sistema exoesqueleto-pierna
Cuando se aplica una carga externa al sistema exoesqueleto-pierna, se
producen tensiones.
La magnitud y la relación entre estas tensiones determina la rigidez del
sistema, que puede definirse como la capacidad de estabilizar las fuerzas
internas con tensiones internas mı́nimas.
Si MMR es el momento externo en la rodilla y ∆φMR la variación en el ángulo
de la rodilla debido a tensiones, la rigidez total del sistema exoesqueleto se
puede definir como
MMR
K0 =
∆φMR
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
31 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Diseño Mecánico: Rodilla 1
Rodilla:
Para caminar, la rodilla requiere aproximadamente 70 grados de flexión, un
rango considerablemente más bajo que el rango total de movimiento.
También requiere la extensión o incluso una ligera hiperextensión en el
momento anterior al contacto con el talón.
El lugar geométrico del centro instantáneo de rotación de la rodilla en el plano
sagital no es un punto especı́fico sino una curva, .
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
32 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Diseño Mecánico: Rodilla 2
Articulación de la rodilla, mecanismo de 4 barras que simula los ligamentos
cruzados y reproduce el movimiento combinado de deslizamiento y balanceo
de la rodilla
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
33 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Diseño Mecánico 1
Rodilla:
Implementación.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
34 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Biomimetismo: análisis funcional de las articulaciones 1
Se busca diseñar actuadores que imiten la funcionalidad muscular basándose
en principios de funcionamiento alternativo.
Rodilla.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
35 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Biomimetismo: análisis funcional de las articulaciones 2
Tobillo.
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
36 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Biomimetismo: análisis funcional de las articulaciones 3
Parámetros.
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
37 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Rodilla
Dado el funcionamiento de la articulación para algunas fases del ciclo de la
marcha, el funcionamiento del actuador de rodilla viene dado por:
Un elemento elástico K2 que se activa al contacto con el talón, con bloqueo en
B1, en la fase de apoyo inicial, aplicando rigidez K2 en la rodilla con una
trayectoria longitudinal máxima correspondiente a una restricción del ángulo de
flexión.
Un elemento elástico K1 (resorte de compresión) se activa en la fase de apoyo
terminal, utilizando el desbloqueo en B1 para liberar la articulación y permitir el
libre balanceo, dado que K 2 >> K 1.
El elemento presenta un desplazamiento longitudinal máximo, que corresponde
a la restricción de flexión de la rodilla. Bloqueo total en B1 para mantener la
extensión completa de las piernas y brindar seguridad al pararse o al subir o
bajar escaleras o pendientes.
El elemento elástico K2, configurado mediante discos Belleville apilados, tiene
una trayectoria máxima de 13 mm correspondiente a 15 grados de flexión, lo
que permite una respuesta segura de la carga y la consiguiente extensión antes
del balanceo.
El elemento elástico K1 presenta un desplazamiento máximo de 55 mm, lo que
corresponde a una flexión de rodilla de 95 grados.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
38 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Rodilla
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
39 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Rodilla Locking/Unlocking
Locking/Unlocking mechanism:
A locking/unlocking mechanism was designed.
In extension the linear displacement of the internal cylinder of the actuator is
restricted.
The unlocking is produced with the rotation of a piece that covers the actuator
and this activation is done via a linear solenoid.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
40 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Tobillo
Dado el funcionamiento de la articulación del tobillo para algunas fases del
ciclo de la marcha, el funcionamiento del actuador de tobillo viene dado por:
El sistema pasivo que actúa sobre el tobillo contiene resortes dimensionados
según las relaciones lineales dadas por K3 y K4 que modelan el funcionamiento
articular.
El principio de funcionamiento del actuador de tobillo (ver Figura siguiente)
viene dado por:
Un elemento elástico K3 que se comprime almacena energı́a y controla la
flexión dorsal en la fase de apoyo. En compresión, K3 tiene una trayectoria
longitudinal máxima equivalente a una restricción de flexión dorsal del tobillo.
La energı́a almacenada en la flexión dorsal se recupera hacia una trayectoria de
flexión plantar antes del swing con la extensión K3.
Un elemento elástico K4 que agrega rigidez a la extensión para controlar la
flexión plantar en la postura y evitar la caı́da del pie durante el swing. El
elemento tiene una trayectoria longitudinal máxima equivalente a una
restricción de flexión plantar del tobillo equivalente a una restricción de flexión
dorsal del tobillo. La energı́a almacenada en la flexión dorsal se recupera hacia
una trayectoria de flexión plantar antes del swing con la extensión K3.
Un elemento elástico K4 que añade rigidez a la extensión para controlar la
flexión plantar en la postura y evitar la caı́da del pie durante el swing. El
elemento tiene una trayectoria longitudinal máxima equivalente a una
restricción de flexión plantar del tobillo.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
41 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Tobillo
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
42 / 102
Introducción
Diseño de una ortesis activa
Tobillo/Rodilla esquema mecánico
Taken from: Lower-Limb Wearable Exoskeleton. J.L. Pons, J.C. Moreno, F.J. Brunetti, E. Rocon. Rehabilitation Robotics, Chapter 26, Book edited by
Sashi S Kommu,, pp.648, August 2007, Itech Education and Publishing, Vienna, Austria
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
43 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Estructura electro-mecánica
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo bortole. 2014
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
44 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Estructura de control 1
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo bortole. 2014
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
45 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Estructura de control 2
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo bortole. 2014
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
46 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Estructura de control 3
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo bortole. 2014
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
47 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Estructura de los buses
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo bortole. 2014
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
48 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Estrategia de control Assist-as-Needed
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo bortole. 2014
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
49 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Drivers 1
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo bortole. 2014
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
50 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Drivers 2
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo bortole. 2014
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
51 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de bajo nivel
Cierre los lazos de control con la información recibida de los sensores.
Esta capa de control puede controlar el exoesqueleto de forma independiente en:
Posición.
Par.
Rigidez (stiffness).
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
52 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de posición
El control de posición debe de ser suave y no tener oscilaciones en la trayectoria ni
sobreoscilaciones en su respuesta.
Se usa un control PID.
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo Bortole.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
53 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de par
Para el control de par existen dos posibilidades, controlar el par de interacción entre
el exoesqueleto y el usuario o controlar el par del motor.
Se usa un control PID en ambos casos aunque con ajustes de ganancias distintos.
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo Bortole.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
54 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de par 2
Cuando se activa el control del par de interacción entre el exoesqueleto y el usuario
,el controlador mantiene el nivel de par en cada articulación en base a la interacción
entre el exoesqueleto y el usuario.
La impedancia mecánica es la relación que existe entre la fuerza ejercida en los
actuadores del exoesqueleto y el movimiento resultante.
Una nivel de impedancia baja es lo que se conoce como backdriveability. Una buen
nivel de backdriveability es importante en sistemas terapúticos, incluyendo la
habilidad de actuar como un actuador pasivo para captar movimientos.
Si la impedancia es cero el usuario no siente ninguna resistencia por parte del
exoesqueleto cuando mueve la pierna. Debido a las inercias y fricciones la
impedancia cero no existe salvo en teorı́a.
No obstante una impedancia baja puede obtenerse si los controladores tienen en
cuenta dicha impedancia en el control.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
55 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de par 3
Una aplicación importante de este contril de impedancia con el usuario es es en el
aprendizaje por parte del exoesqueleto mediante la captura de los movimientos del
usuario.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
56 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de rigidez
La rigidez se define como la deformación de un objeto en respuesta a una fuerza
aplicada. En un exoesqueleto es lo que una articulación se desvı́a de su posición de
referencia cuando se aplica una cierta cantidad de par en la articulación.
El control de rigidez busca que el exoesqueleto tenga más compliance con los
movimientos del usuario y que no sea tan rı́gido como un control de posición para
no hacer daño al usuario.
Se usa un control PD.
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo Bortole.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
57 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de rigidez 2
La rigidez va de 0 al 100 %. Una rigidez del 100 % equivale a un control de
posición.
Una rigidez 0 implica que el controlador no hace nada y la articulación puede
moverse libremente, limitada sólo por las impedancia mecánica intrı́nseca de la
articulación.
El controlador no debe tener ni oscilaciones ni sobreoscilaciones.
El controlador tiene dos entradas, una es el porcentaje de rigidez de referencia y la
otra la referencia de posición.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
58 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de alto nivel: Assist-as-Needed
La idea detrás de la estrategia Assist-as-Needed es que la asistencia del robot sea
suficiente para guiar y completar los movimientos fisiológicos deseados pero
buscando que los usuarios hagan el máximo esfuerzo. Esto estimula la
neuroplasticidad y el aprendizaje motor.
En el exo H2 se genera un patrón de marcha simétrico y se adapta
automáticamente a esta referencia cada sujeto mediante un control de campo de
fuerzas que asiste los movimientos del paciente cuando realiza esta trayectoria.
Las desviaciones de la trayectoria dan lugar a fuerzas correctoras cuya magnitud
depende de la extensión de la desviación de la trayectoria.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
59 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de alto nivel: Assist-as-Needed
Pre-recorded gait Pattern. Se usa trayectorias predefinidas basadas en simulaciones
off-line o datos de marcha capturados de individuos sanos (patrones normales de
marcha). Tı́picamente con trackers que reflejan infrarrojo y múltiples cámaras. Se
almacenan en una tabla los 6 ángulos para un paso de marcha.
Force Field Controller. En general se han usado ámpliamente los controles de
posición y trayectoria. Pero para la recuperación de los pacientes con el exo estas
estrategias no estimulan a esforzarse lo suficiente a los pacientes, por lo que se ha
usado el Force Field Control.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
60 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de alto nivel: Force Field Controller.
Force Field Controller.
Gint es una ganancia normalizada entre 0 y 1. Para 1 no permite desviaciones de la
trayectoria de referencia y para 0 permite una trayectoria totalmente libre. Es el
terapeuta el que ajusta este valor según las necesidades del paciente.
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo Bortole.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
61 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de alto nivel: Force Field Controller.
La trayectoria de salida ajustada se convierte en la entrada al controlador de par.
El controlador da un par de salida a los actuadores proporcional a la desviación
respecto a la trayectoria de referencia.
Esto crea un campo de fuerza de control que guı́a la pierna del paciente al patrón
correcto, asistiéndolo sólo cuando se desvı́a de la trayectoria .
Como cada articulación tiene su controlador especı́fico, puede controlarse
independientemente cada actuador. Esto permite la asistencia especı́fica en cada
articulación de forma independiente.
Esto es importante debido a que las afectaciones no son simétricas en los pacientes,
y permite adaptarse a sus necesidades.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
62 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de alto nivel: Force Field Controller
Idea de funcionamiento.
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo Bortole.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
63 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Control de alto nivel: Una solución usada previamente
Idea de funcionamiento.
Taken from: Tesis de Master, Design and Control of a robot exosskeleton for gait rehabilitation. Magdo Bortole. 2013 .
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
64 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Resultados 1
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo Bortole.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
65 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Resultados 2
Taken from: Tesis doctoral Robotic Exoskeleton with an Assist-as-needed Strategy for Gait Rehabilitation after Stroke. Magdo Bortole.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
66 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Diseño Mecánico 2
Longitud del exo:
Debe ser adaptable.
Mecanismo para su ajuste a
diferentes estaturas.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
67 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Actuadores
Motores/reductores
Brushless 90 W DC motor (Maxon EC90-90W) en cadera, 24 VDC, nominal torque
of 390 mNm, gear ratio of 100:1
Brushless 70W DC motors (Maxon EC45-70W) en rodilla y tobillo, 130mNm, gear
ratio of 160:1:
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
68 / 102
Introducción
Diseño del exo H2
Estructura del hardware
Control Bilateral / Coordinado
Centralizado
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
69 / 102
Introducción
BWS (Body Weight Support)
LOKOMAT
Control de posición en 3 gdl.
Biofeedback.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
70 / 102
Introducción
BWS (Body Weight Support)
LOKOMAT
Entrenamiento robótico de la marcha.
Reproducción de patrones de marcha fisiológica.
Sólo hace un control de trayectoria de las articulaciones, completando lo que el
sujeto no realiza.
Dispone de transductores de fuerza en las articulaciones para medir las fuerzas de
interacción entre el usuario y la ortesis: ver la evoluciona del paciente.
Se está combinando con sistemas de RV para mejorar la calidad y cantidad de la
terapia.
Al ser el único sistema comercial, existen una gran cantidad de estudios de su
eficacia y eficiencia, información muy útil a la hora de entender la dirección que han
de tener estos sistemas de rehabilitación robótizados.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
71 / 102
Introducción
BWS (Body Weight Support)
LOKOMAT
Resultados:
Aumenta el VO2, explicado por la participación activa del paciente [Hunt et al.
Biomed. Signal Procc and control 2009, 3]
Comparado con terapia manual, en post-acute stroke, se han descrito mejoras en el
ı́ndice ambulación funcional y en el estado neurológico, según la escala National
Institutes of Health Stroke Scale (NIHSS) [Schwartz et al. Phys Med and Rehab.
2009, 1]
Aunque existen cambios en activación muscular (cuádriceps y isquiotibial), se
observa una disminución en las actividades de musculatura de tobillo [Hidler et al.
Clin. Biomech. 2009, 20]
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
72 / 102
Introducción
BWS (Body Weight Support)
LOPES
Entrenamiento y evaluación
de la marcha .
8 grados de libertad.
Evaluación mediante EMG.
Aplicación de esfuerzos:
4Hz altos.
12Hz pequeños.
2 Modos de funcionamiento
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
73 / 102
Introducción
BWS (Body Weight Support)
LOPES
Aspectos constructivos:
Pelvis móvil en 2D.
Exoesqueleto de pierna con
3GDL: 2 en cadera, 1 en rodilla.
Arquitectura de control: control
de impedancia articular.
El control de la interacción
humano robot se basa en la
relación posición-fuerza.
Los gdl actuados permiten:
Modo de seguimiento
Modo de actuación.
la inestabilidad
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas Mantener
y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
74 / 102
Introducción
BWS (Body Weight Support
LOPES
Veneman et al. IEEE Trans. On Neural Syst. and Rehab. Eng. 2007;15
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
75 / 102
Introducción
BWS (Body Weight Support)
LOPES
Resultados
Impedancia cero.
Cinemática.
Diferencias en cadera.
Diferencias en la pelvis: debido a movimientos secundarios de los marcadores por las
contracciones musculares.
Diferencias en rodilla: pocas, no remarcables.
EMG.
Bı́ceps femoral: Hacia finales de la oscilación, debido a el incremento de la inercia por
el exo.
Tibial anterior: Tb por el aumento de inercia por el exo, además de la necesidad de
asegurar un extra toe-clearance.
Glúteo medio: Disminución de la actividad hacia finales de la oscilación, debido a la
menor presencia del efecto de despegue de pié, dado que la progresión se asegura
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
76 / 102
Introducción
BWS (Body Weight Support)
LOPES
Resultados
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
77 / 102
Introducción
Exoesqueletos de miembro superior.
Exoesqueletos de miembro superior.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
78 / 102
Introducción
Exoesqueletos de MMSS
WOTAS
Exoesqueleto para la supresión
del temblor.
Estudio del temblor
3 gdl actuados.
Estudio del antebrazo
Sensorización:
Fuerza.
Giróscopos.
Motores CC Brusheless
Reductores planos.
Rocón E. et al. IEEE Trans. On Neural Syst. and Rehab. Eng. 2007, 15
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
79 / 102
Introducción
Exoesqueletos de MMSS
WOTAS
Rocón E. et al. IEEE Trans. On Neural Syst. and Rehab. Eng. 2007, 15
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
80 / 102
Introducción
Exoesqueletos de MMSS
WOTAS
Resultados
Supresión del temblor
Evaluación del temblor.
Rocón E. et al. IEEE Trans. On Neural Syst. and Rehab. Eng. 2007, 15
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
81 / 102
Introducción
Exoesqueletos de MMSS
WOTAS
Estrategias de supresión del temblor:
Monitorización: no ofrece resistencia alguna al movimiento del paciente, ni voluntario
ni tembloroso.
Modo pasivo: se amortigua mecánicamente los movimientos de temblor, simulando la
aplicación de viscosidad o inercia sobre el miembro para disipar las vibraciones.
Modo Activo: cancelación mediante la monitorización del temblor y actuación en
contrafase.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
82 / 102
Introducción
Entrenamiento MMSS
ARMEO
Armeo es un conjunto de sistemas para la rehabilitación de MMSS.
ARMEO Spring: sistema de compensación de la gravedad mediante elementos
pasivos elásticos
Junto con un sistema de monitorización biomecánico para introducir al usuario en
RV.
Aumento de la cantidad y calidad de la terapia. Mejora de ı́ndices funcionales.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
83 / 102
Introducción
Entrenamiento MMSS
ARMEO Spring
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
84 / 102
Introducción
MMSS
ARMEO Power (ARMin)
Evaluación en ACV
Aumento en la puntuación en la escala Fugl-Meyer.
Mejorı́as mantenidas 8 semanas tras el alta.
Basado en el exoesqueleto ARMIn (Univ. de Zurich)
GDL:
Hombro: Flexión / Extensión; Abd-Add horizontal; Rot int-ext.
Codo: Flex-Ext.; Pronación-Supinación.
Muñeca: Flexión/extensión.
Generación de campos de fuerza: movimientos resistivos.
Nef et al. Neurodeger. Dis. 2009, 6
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
85 / 102
Introducción
MMSS
ARMEO Power (ARMin)
Nef et al. Neurodeger. Dis. 2009, 6
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
86 / 102
Introducción
MMSS
ARMEO Power (ARMin)
Nef et al. Neurodeger. Dis. 2009, 6
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
87 / 102
Introducción
Nuevas lı́neas de investigación
Nuevas lı́neas de investigación
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
88 / 102
Introducción
Estimulación Eléctrica Funcional (FES).
FES consiste en la aplicación de corrientes eléctricas a determinados músculos con
el objetivo de conseguir movimientos que realicen una determinada función.
Para conseguir estos objetivos, el tipo de trenes de pulsos que se aplican a los
músculos deben diseñarse para que se consiga generar par articular.
Existen dos factores que impiden la generalización del uso de este sistema:
Rápida aparición de la fatiga muscular.
Inadecuado control de los pares articulares generados, con lo que la marcha generada
no es normal.
Esto es debido fundamentalmente a:
La naturaleza ası́ncrona con la que se estimulan los grupos musculares, llegando a la
tetanización del músculo y a la disminución de la capacidad de ejercer trabajo por
parte del músculo.
sobre todo en los sistemas de estimulación superficial, genera par en el plano sagital,
con lo que los movimientos de add-.abd no son controlables.
Por todo ello se esta investigando en Sistemas Hı́bridos.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
89 / 102
Introducción
Estimulación Eléctrica Funcional (FES).
Beneficios psicológicos.
Beneficios fisiológicos
Trofismo muscular.
Forma fı́sica.
Principales inconvenientes:
Aparición de fatiga.
Inadecuado control del par
articular
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
90 / 102
Introducción
Vanderbilt Univ. Nashville.
Vanderbilt Univ. Nashville.
4 GDL:
2 cadera (1 actuado).
Rodilla.
Tobillo.
Frenos articulares controlables.
Libera la articulación en la fase
de balanceo
Bloquea en la fase de apoyo.
Estimulación eléctrica funcional.
Fuente de movimiento.
Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
91 / 102
Introducción
Vanderbilt Univ. Nashville.
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
La add-abd de la cadera se deja libre para proporcionar estabilidad durante el
movimiento de la fase de apoyo, pero dispone de un tope mecánico para prevenir el
cruce de piernas durante la fase de balanceo.
Al realizar el bloqueo mecánico en la fase de apoyo, se logra evitar la estimulación y
se disminuye la fatiga.
La ortesis y los frenos se encargan únicamente de bloquear la articulación, con lo
que la función estructural la realiza únicamente el esqueleto.
Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
92 / 102
Introducción
Vanderbilt Univ. Nashville.
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
En este desarrollo se revisaron las opciones para realizar los frenos articulares, los
criterios de elección fueron:
Par necesario 50Nm rodilla, 30 Nm cadera.
Ancho de banda
Tamaño, consumo
Fricción residual.
Tomaron en consideración
Frenos hidraúlicos (cilindros)
Motores DC
Frenos magnéticos.
Se decidieron por los frenos magnéticos: Simple control del par de frenado (lineal
con la señal de control), mejor relación par-peso que el motor DC, menor consumo,
silencioso.
No obstante, era necesario una transmisión, debido a que trabajan mejor en
aplicaciones de bajo par y alta velocidad angular. 16:1
Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
93 / 102
Introducción
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
Estrategia de control hı́brido:
Control de posición mediante la disipación de potencia.
Considera la musculatura como un sistema irregular de generación de potencia.
Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
94 / 102
Introducción
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
Estrategia de control hı́brido:
El controlador de posición actúa como un PD únicamente cuando se da disipación
de potencia.
Las prestaciones del controlador se ven afectadas por:
La rigidez de la interfase de transmisión de esfuerzos esqueleto-exoesqueleto.
Ancho de banda del freno.
La ventaja de este enfoque es que es compatible con la acción muscular como una
fuente irregular de potencia, siempre que se alcance el mı́nimo de potencia para
generar el movimiento deseado.
Fatiga muscular.
Ajustar la estimulación para proporcionar la estimulación necesaria.
Control de posición: excesiva estimulación.
Control de par: insuficiente estimulación.
Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
95 / 102
Introducción
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
Resultados
Disminución del 85% al 10% del
ciclo de carga de cuádriceps.
Mejora el patrón cinemático.
Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
96 / 102
Introducción
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
Nuevo concepto
Farris et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 2009;13
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
97 / 102
Introducción
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
Nuevo concepto
Estimulación 2 canales (D-I)
Movimiento de cadera y rodilla acoplados mecánicamente.
Accionamiento elástico.
Frenos articulares (fricción)
Farris et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 2009;13
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
98 / 102
Introducción
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
Nuevo concepto
Estimulación en los cuádriceps derecho e izquierdo.
El movimiento de la cadera está acoplado al de la rodilla: gracias a un mecanismo
de cables, la extensión de rodilla se acopla para generar la extensión de cadera.
La flexión de la rodilla se genera mediante un elemento elástico que almacena
energı́a en la extensión de la rodilla en la fase de balanceo.
El cuádriceps se estimula únicamente para extender rodilla y cadera antes de la fase
de apoyo.
Los frenos en este caso se han cambiado por frenos de disco paralelos, por motivos
de seguridad (normalmente cerrado) y por una mejor densidad de par de frenado
(x45 VS magnéticos)
El tobillo se incorpora un AFO pasivo que prevenga la caı́da del pié (15Nm/rad)
El peso final de la ortesis es de 6Kg aprox., la mitad ubicados en la zona de la pelvis.
Inercias: 5% a nivel de la rodilla, 10% a nivel de la cadera.
Farris et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 2009;13
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
99 / 102
Introducción
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
Nuevo concepto
Resultados preliminares
Farris et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 2009;13
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
100 / 102
Introducción
Exoesqueleto de la Vanderbilt Univ. Nashville
Nuevo concepto
Resultados preliminares
3 × 5 Min.-3 Min.
ROM de rodilla.
1: −13%.
2: −10%.
3: +1%.
85% de la amplitud en 1.
Farris et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 2009;13
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
101 / 102
Introducción
Fin Exoesqueletos.
Luis Moreno ( Dpto. Ing. de Sistemas y Automática Universidad
Curso
Carlos
de Automatización
III Madrid )
en Medicina
Dic 2021
102 / 102