ExoesqueletosExoesqueletos

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3 3 –– 6 de mayo de 20106 de mayo de 2010

Antonio J. del Ama

ÍNDICE.ÍNDICE.

•• Introducción histórica.Introducción histórica.

•• Aspectos en consideración.Aspectos en consideración.

��Aspectos clínicos.Aspectos clínicos.

��Aspectos tecnológicos.Aspectos tecnológicos.

•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.

•• Exoesqueletos de miembro superior.Exoesqueletos de miembro superior.

•• Nuevo horizonte.Nuevo horizonte.

Orígenes.Orígenes.

• Exoesqueleto: Esqueleto externo continuo que recubre toda la superficie de los animales filo-artrópodos. Cumple una función mecánica, proporcionando el soporte estructural necesario.

“La necesidad es la madre de la invención”

Orígenes (II)Orígenes (II)

• Exoesqueletos actuados:

� Introducción de actuación sobre la exo-estructura.

� Aumentar la capacidad física del cuerpo humano.

1961: 1961: Cornell Aeronautical Labs ManCornell Aeronautical Labs Man--AmplifierAmplifier

1948: 1948: N. A. Bernstein. N. A. Bernstein.

Orígenes (III)Orígenes (III)

1966: 1966: General Electric Hardiman IGeneral Electric Hardiman I

Orígenes (IV)Orígenes (IV)

19701970--2: 2: Exoesqueletos desarrollados por el prof. VukobratovicExoesqueletos desarrollados por el prof. Vukobratovic

1986: 1986: “LifeSuit” M. Reed (They Shall Walk)“LifeSuit” M. Reed (They Shall Walk)

Desarrollos contemporáneosDesarrollos contemporáneos

DARPADARPA

Raytheon

SARCOSSARCOS XOS

BleexBleex

SAPASSAPAS HALHAL HondaHonda

WalkingWalking assist BWSBWS

JapónJapón

ÍNDICE.ÍNDICE.

•• Introducción histórica.Introducción histórica.

•• Aspectos en consideración.Aspectos en consideración.

��Aspectos clínicos.Aspectos clínicos.

��Aspectos tecnológicos.Aspectos tecnológicos.

•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.

•• Exoesqueletos de miembro superior.Exoesqueletos de miembro superior.

•• Nuevo horizonte.Nuevo horizonte.

Biomecatrónica.Biomecatrónica.

� Bio-mecatrónica: Extensión de la mecatrónica: sistemas

�� biobio--compatibles.compatibles.

�� biobio--inspirados.inspirados.

� Mecatrónica: disciplina ingenieril a la que concierne el estudio, análisis, diseño e implementación de sistemas híbridos (mecánicos, eléctricos y control).

Pons et al. Wearable Robots. 2008

� 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 geneticos.

�� biobio--inspirados.inspirados.

Aspectos clínicos.Aspectos clínicos.

•• ¿Cuál es la patología?¿Cuál es la patología?

� MMSS, MMII.

� SNC, SNP…

� Número de articulaciones a compensar.

� Ausencia/presencia de voluntariedad de movimientos...

� Rigidez espontánea, espasmos...

•• Rehabilitación.Rehabilitación.

� Realización de terapias repetitivas.

� Es posible realizar sistemas fijos: peso, volumen.

� Es más importante la versatilidad en el tipo de tarea.

•• Compensar las funcionalidades debilitadas por alguna patología.Compensar las funcionalidades debilitadas por alguna patología.

� Realizar muy pocas (generalmente una) tareas.

� Deben ser ambulatorios: peso, volumen, autonomía, estética...

� ¿Cuántos modelos/tallas?

Aspectos tecnológicos.Aspectos tecnológicos.

•• Interacción física.Interacción física.

� Cinemática de los miembros.

� Compatibilidad cinemática.

� El aplicación de esfuerzos.

� Tolerancia a la presión.

� Caracterización de la transmisión de esfuerzos.� Caracterización de la transmisión de esfuerzos.

•• Interacción cognitiva.Interacción cognitiva.

� Intercambio bidireccional de información exoesqueleto – humano.

� Codificación de la información.

� Humano: EEG, EMG, Biomecánica.

� Exoesqueleto: física, visual.

Aspectos tecnológicos.Aspectos tecnológicos.

•• Actuadores.Actuadores.

� Potencia-Par por unidad de peso.

� Control.

� Alternativas

� Motores eléctricos: DC, Brusheless…� Motores eléctricos: DC, Brusheless…

� Actuadores hidráulicos.

� Actuadores neumáticos.

� Disipación de potencia: embragues de fricción, magnetoreológicos,

sistemas elásticos.

� Músculos neumáticos.

� Sistema muscular.

ÍNDICE.ÍNDICE.

•• Introducción histórica.Introducción histórica.

•• Aspectos en consideración.Aspectos en consideración.

��Aspectos clínicos.Aspectos clínicos.

��Aspectos tecnológicos.Aspectos tecnológicos.

•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.

•• Exoesqueletos de miembro superior.Exoesqueletos de miembro superior.

•• Nuevo horizonte.Nuevo horizonte.

Marcha humana.Marcha humana.

• Biomecánica de la marcha humana.

Marcha humana.Marcha humana.

• Potencia articular:

� Cadera: cercana a cero

� Rodilla: predominantemente

negativa (disipación).

� Tobillo: ambas.� Tobillo: ambas.

Marcha humana.Marcha humana.

• Los actuadores articulares de los exoesqueletos tienden a:

� Agregar par en la cadera

� ESBiRRO (CSIC), Bleex (Berkley)

� Disipar potencia en la rodilla.

� GAIT (CSIC), Goldfarb (Nashville),

� Almacenar y liberar energía en el tobillo

� AAFO (MIT), GAIT (CSIC).� AAFO (MIT), GAIT (CSIC).

• Sin embargo, las patologías hacen variar los requerimientos funcionales:

� Agregar par en la rodilla.

� Lokomat, LOPES.

� Agregar par en el tobillo.

� AFO (MIT)

AFO (AnkleAFO (Ankle--Foot Orthosis)Foot Orthosis)

MIT AAFOMIT AAFO • AFO para el control del pié equino o

flácido.

• Modula la impedancia de la

articulación.

� Posición articular.

� Estado de la marcha.

• Balanceo.• Balanceo.

� Control de la caída del pié

• Flexión plantar

� Ajuste de la impedancia aparente del

tobillo para evitar colisiones.

• Previo a la oscilación

� Minimización de la impedancia para

favorecer el impulso.

Blaya J, Et al. IEEE Trans. on Neural Syst & Reha. Eng. 2004;12

•• EvaluaciónEvaluación

� Análisis biomecánico con dos sujetos.

� Redujo la ocurrencia de tropiezos.

� La cinemática se asemejaba a la normal.

AFO (AnkleAFO (Ankle--Foot Orthosis)Foot Orthosis)

(Michigan) AFO(Michigan) AFO • AFO para el estudio del control neurmotor.

• Dispone de “músculos neumáticos”.

� Flexión plantar (50%)

� Flexión dorsal (400%)

Ferris D et al. J Appl Biomech. 2005;21

AFO (AnkleAFO (Ankle--Foot Orthosis)Foot Orthosis)

• Implementa un control mioeléctrico proporcional a la activación muscular.

• Sóleo.

• Tibial anterior.

AFO (AnkleAFO (Ankle--Foot Orthosis)Foot Orthosis)

• Estudio del control neuromotor.� Control mioeléctrico proporcional proporciona una cinemática normal.

� Control cinemático induce un trabajo negativo.

Cain M et al. J NeuroEng. & Rehab. 2007;21

KAFO (KneeKAFO (Knee--AnkleAnkle--Foot Orthosis)Foot Orthosis)

• Comparación con la inhibición del músculo antagonista.

Sawicki GS, Ferris DP at J NeuroEng. & Rehab. 2009;23

KAFO (KneeKAFO (Knee--AnkleAnkle--Foot Orthosis)Foot Orthosis)

Cinemática más aproximada a condiciones normales.

Sawicki GS, Ferris DP at J NeuroEng. & Rehab. 2009;23

KAFO (KneeKAFO (Knee--AnkleAnkle--Foot Orthosis)Foot Orthosis)

•• GAIT (CSIC, IBV, OSSUR, RRD)GAIT (CSIC, IBV, OSSUR, RRD)

• KAFO para la compensación unilateral.

• Monitorización biomecánica.

• Actuación: sistema elástico de rigidez dual en tobillo y rodilla.

� Marcha fisiológica.

� Herramienta ambulatoria de evaluación.

[Baydal et al, J Biomech 39, 2006]

Pons et al, App Bio & Biomech 2008

KAFO (KneeKAFO (Knee--AnkleAnkle--Foot Orthosis)Foot Orthosis)

• GAIT: Evaluación clínica

Moreno et al, Med Eng Bio Comp 2008

• Patrones cercanos a la normalidad en sujetos con síndrome post-polio.

• 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

EntrenamientoEntrenamiento

� Modificación de su estructura funcional:

� Nuevas conexiones en el cerebro.

� Reorganización de zonas motoras.

• Plasticidad neuronal:

� Capacidad plástica del SN para minimizar los efectos de las lesiones

• Marcha:• Marcha:

� Entrenamiento intensivo y progresivo.

BWS (Body Weight Support)BWS (Body Weight Support)

•• LOKOMATLOKOMAT

Colombo et al, JRRD 37, 2000; Veneman et al, IEEE Trans. Neural Syst. Rehab. Eng,

2007

• Control de posición en 3gdl.

• Biofeedback.• Aumento de VO2 [Hunt et al. Biomed. Signal Procc & control 2009;3]

• Comparado con terapia manual, mejoras en índices NIHSS [Schwartz et al.

Phys Med & Rehab. 2009;1]

• Cambios en activación muscular (cuádriceps y isquiotibial), se observan

disminución en las actividades de musculatura de tobillo [Hidler et al. Clin.

Biomech. 2009;20]

BWS (Body Weight Support)BWS (Body Weight Support)

•• LOPESLOPES

• Entrenamiento y evaluación de la marcha .

• 8 grados de libertad.

• Evaluación mediante EMG.

• Aplicación de esfuerzos:

� 4Hz altos.

� 12Hz pequeños.

• 2 Modos de funcionamiento

Veneman et al. IEEE Trans. On Neural Syst. & Rehab. Eng. 2007;15

BWS (Body Weight Support)BWS (Body Weight Support)

•• Evaluación preliminarEvaluación preliminar.

Veneman et al. IEEE Trans. On Neural Syst. & Rehab. Eng. 2007;15

• Impedancia cero.

• Cinemática.

� Diferencias en cadera.

• EMG.

� Bíceps femoral.

� Tibial anterior.

� Glúteo medio.

ÍNDICE.ÍNDICE.

•• Introducción histórica.Introducción histórica.

•• Aspectos en consideración.Aspectos en consideración.

��Aspectos clínicos.Aspectos clínicos.

��Aspectos tecnológicos.Aspectos tecnológicos.

•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.

•• Exoesqueletos de miembro superior.Exoesqueletos de miembro superior.

•• Nuevo horizonte.Nuevo horizonte.

Consideraciones anatómicas.Consideraciones anatómicas.

– Escapulohumeral.

– Acromioclavicular.

– Esternoclavicular.Tres

articulaciones

Pseudo articulación: Escápula-

tórax.• ¿Cual es la función del miembro superior?

Eje transversal:

Flexoestensión.

Eje anteroposterior:

Desviación ulnar-cubital. Eje transversal:

Flexoestensión.

Eje longitudinal:

Pronación-

supinación.

Exoesqueletos MMSS.Exoesqueletos MMSS.

•• WOTASWOTAS

• Exoesqueleto para la supresión del temblor.

• Estudio del temblor.

• 3gdl actuados.

� Estudio del antebrazo

• Sensorización:

� Fuerza.

� Giróscopos.

• Motores CC Brusheless

• Reductores planos.

Rocón E. et al. IEEE Trans. On Neural Syst. & Rehab. Eng. 2007;15

Exoesqueletos MMSS.Exoesqueletos MMSS.

• Supresión del temblor. Resultados.Estrategias de supresión de

temblor.

Evaluación del temblor.

Rocón E. et al. IEEE Trans. On Neural Syst. & Rehab. Eng. 2007;15

Entrenamiento MMSSEntrenamiento MMSS

• ARMEO

� ARMEO Spring.

HOCOMA 2006

� ARMEO Power (ARMin)

Nef et al. Neurodeger. Dis. 2009;6

• Evaluación en ACV

� Aumento en la puntuación en la escala Fugl-Meyer.

� Mejorías mantenidas 8 semanas tras el alta.

ÍNDICE.ÍNDICE.

•• Introducción histórica.Introducción histórica.

•• Aspectos en consideración.Aspectos en consideración.

��Aspectos clínicos.Aspectos clínicos.

��Aspectos tecnológicos.Aspectos tecnológicos.

•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.•• Exoesqueletos de miembro inferior.Exoesqueletos de miembro inferior.

•• Exoesqueletos de miembro superior.Exoesqueletos de miembro superior.

•• Nuevo horizonte.Nuevo horizonte.

Estimulación Eléctrica Funcional.Estimulación Eléctrica Funcional.

• Estimulación eléctrica funcional (FES)

• Beneficios psicológicos.

• Beneficios fisiológicos

� Trofismo � Trofismo

muscular.

� Forma física.

• Principales inconvenientes:

� Aparición de fatiga.

� Inadecuado control del par articular.

SISTEMAS HÍBRIDOS.SISTEMAS HÍBRIDOS.

Vanderbilt Univ. Nashville.Vanderbilt Univ. Nashville.

• Vanderbilt Univ. Nashville.

• 4 GDL:

� 2 cadera (1 actuado).

� Rodilla.

� Tobillo.

• Frenos articulares controlables.

Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4

• Frenos articulares controlables.

� Libera la articulación en la fase de balanceo

� Bloquea en la fase de apoyo.

• Estimulación eléctrica funcional.

� Fuente de movimiento.

Vanderbilt Univ. Nashville.Vanderbilt Univ. Nashville.

• Estrategia de control híbrido:

� Control de posición mediante la disipación de potencia.

� V: Considera la musculatura como un sistema irregular de generación de potencia.

• Fatiga muscular.

� Ajustar la estimulación para

proporcionar la estimulación

necesaria.

� Control de posición:

excesivo estimulación.

� Control de par: insuficiente

estimulación.

Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4

Vanderbilt Univ. Nashville.Vanderbilt Univ. Nashville.

• Resultados.

• Disminución de 85% a 10% del ciclo de carga de cuádriceps.

• Mejora el patrón cinemático.

Goldfarb et al. IEEE Trans. On Rehab. Eng. 1996;4

Vanderbilt Univ. Nashville.Vanderbilt Univ. Nashville.

•• Nuevo conceptoNuevo 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

Vanderbilt Univ. Nashville.Vanderbilt Univ. Nashville.

• Resultados preliminares.

• 3x 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

• Tremor• Supresión de temblor (FES):

� Postural.

� Reposo.

� Intención.

• Definir y validar tecnologías y métodos para salvar las limitaciones de los robots autoportados en el ámbito de la rehabilitación:

� Estimulación eléctrica funcional.

� Desarrollo de Unidades de Medida Inercial

RehaBotRehaBotRehaBotRehaBot

• Proyecto Coordinado:

� I.A.I. (C.S.I.C.) coordinador.

� H.N.P.T. (RehaBot-Paraplegic): sistema de rehabilitación y estudio neuromotor en el

ámbito de la paraplejia.

� I.B.V. (RehaBot-Tremor): sistema textil activo para la supresión robótica del temblor

de MMSS.

� U.A.M. (RehaBot-Knee): robot autoportado para la estabilización de la rodilla tras

cirugía de ligamento cruzado.

• Sistema de rehabilitación y estudio neuromotor en el ámbito de la paraplejia.

� Uso tradicional de EEF para rehabilitación:

� Recuperar funcionalidades.

– MMSS: mejorar prensión.

– MMII: capacidad de marcha.

� Beneficios secundarios.

Grupo H.N.P.: EEF EN MMIIEEF EN MMII.

RehabotRehabot--ParaplegicParaplegicRehabotRehabot--ParaplegicParaplegic

Popovic et al. Spinal Cord 2001;39

• Grupo H.N.P.: EEF EN MMIIEEF EN MMII.� Capacidad de marcha: estima del paciente.

� Grupo relativamente numeroso.

� Experiencia sobre marcha en la unidad de Biomecánica.

• Sujetos: experiencias previas poco exitosas (muy ambiciosas).� Reducir el número de articulaciones a 2

� Flexores de cadera >3 (escala Daniels)

� Nivel medular ↓L3-L4

� Espasticidad Asworth<2

� Afectación de musculatura estabilizadora y extensora de cadera: marcha con bastones.

CONO MEDULAR O CAUDA EQUINA

• Objetivos:

� Facilitar / restaurar la función de marcha.

� Estabilizar rodilla y tobillo en el apoyo.

� Controlar rodilla y tobillo en balanceo.

� Facilidad de uso.

� Monitorizar la evolución.

RehabotRehabot--ParaplegicParaplegicRehabotRehabot--ParaplegicParaplegic

• Actuación en las articulaciones

� Tobillo: actuación elástica.

� Rodilla: actuación híbrida FES+motor.

� Cadera: actuación FES (e.s.c.)

• Actuación híbrida:

� Superar inconvenientes de EEF

� Fatiga, dolor

EEF MulticanalEEF MulticanalEEF MulticanalEEF Multicanal

UNAFET8

Unidad de control

5 x 5 = 25 electrodos pequeñosde tamaño de un 1cm2

• Matriz de electrodos multiconfigurable:

• Frente a estimulación local, generar un campo eléct rico.

• Disminuirá la fatiga muscular.

• Mejoraría la selectividad muscular.

Sustrato Textil: soft robot.

• Sistema textil activo para la supresión robótica de temblor de MMSS:

� Postural.

� Reposo.

� Intención.

RehabotRehabot--TremorTremorRehabotRehabot--TremorTremor

• Robot autoportado para la estabilización de la rodilla tras

cirugía de ligamento cruzado.

� Promover el entrenamiento del control neuromuscular de la rodilla.

� Ortesis+EEF

RehabotRehabot--KneeKneeRehabotRehabot--KneeKnee

• EMG 16 canales: Isquiotibiales, cuadriceps, gastrocnemios.

• Extensometría

• Giróscopos y accelerómetros

• Programa Consolider-INGENIO

� Desarrollo de híbridos NR + MNP

� L.M. + A.C.V.

� Restaurar la función motora mediante la compensación funcional.

� Re-aprendizaje motor.

• Proyecto Coordinado:

HyperHyperHyperHyper

• Proyecto Coordinado:

� I.A.I. (C.S.I.C.) coordinador.

� HNPT

� FATRONIK-TECNALIA

� CIDETEC.

� VICOMTECH.

� IBEC

� UNiZar.

� UC3M.

� URJC

• Investigación:� Biomecánica

� Control neuromotor.

� Tecnologías de control (híbridos)

� Tecnologías actuadores, sensores, energía.

� BNCI

Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.Muchas gracias.