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Lugo y col. Co-simulación del Diseño Biomecánico para un Exoesqueleto Robótico del Miembro Inferior. 1

Co-simulación del Diseño Biomecánico para unExoesqueleto Robótico del Miembro Inferior

E. LugoP. Ponce

A. MolinaS. Castro

Tecnológico de MonterreyCampus Ciudad de México

RESUMENEste trabajo muestra como la co-simulación incrementa las ventajasy decrementa las desventajas para el diseño del exoesqueleto. Lametodología propuesta tiene tres estados: el diseño de la partebiomecánica, el diseño mecánico y el sistema de control Para el análisisbiomecánico, OpenSim R© resuelve el sistema musculo-esquelético eincluye modelos para diferentes condiciones que pueden ser usados en eldiseño de procesos. SolidWorks R© que es aplicado en diseños asistidospor computadora evalúa la parte mecánica y Matlab R© resuelve elsistema de control del exoesqueleto. Esto permite conseguir un diseñopersonalizado, que simula los movimientos de una marcha completacubriendo las restricciones cinemáticas para lograr un movimientonatural y las limitaciones del usuario cuando tienen algún problemapara caminar. El resultado muestra como es aplicada la co-simulaciónpara hacer un prototipo virtual, como se unen y dependen los programasuno del otro. Aunque la simulación convencional de cada programapuede ahorrar dinero y tiempo, estos no resuelven completamente losproblemas de diseño del exoesqueleto; por lo tanto la co-simulación esuna excelente opción para la biomecánica, la mecánica y los sistemasde control que necesitan exactitud y rapidez en cada parte del procesode diseño.

Palabras clave: exoesqueleto, miembro inferior, diseño virtual,control, simulación.

2 Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica · volumen 35 · número 2 · Agosto, 2014

Correspondencia:Esther Lugo González

Calle del Puente # 222 Col.Ejidos de Huipulco, TlalpanC.P. 14380, México D.F. tel.5483 2020. D.R. c© InstitutoTecnológico y de EstudiosSuperiores de Monterrey,

México.Correo electrónico:

[email protected]

Fecha de recepción:1 de mayo de 2014 Fecha

de aceptación:29 de junio de 2014

ABSTRACTThis work shows how the co-simulation increases the advantagesand decreases the drawbacks for exoskeleton design. The proposedmethodology has three stages: the design of a biomechanical part,the mechanical design and the control system. For the biomechanicalanalysis, OpenSim R© solves the muscle-skeleton system and includesmodels for different conditions that can be used in the design process.SolidWorks R© that is applied in assistive computer design evaluates themechanical part of the exoskeleton and Matlab R© solves the controlsystem that takes over the exoskeleton. It allows getting a personalizeddesign which simulates the complete walking movements, covering thekinematic restrictions to achieve a natural human movement and theuser limitations when they have any problem for to walk. The resultsshow how the co-simulation is applied to complete a virtual prototypeand the programs are linked hand in hand. Although conventionalsimulation by one program can save money and time, it cannot solvethe entire exoskeleton design problem; as a result the co-simulation isan excellent option in biomechanical, mechanical and control systemsthat need accurate and swift results in each part of the design process.

Keywords: exoskeleton, movement simulation, control, lowers limbs.

INTRODUCCIÓN

En México al año 2010, las personas quetienen algún tipo de discapacidad son 5 millones739 mil 270, lo que representa 5.1% de lapoblación total [1]. La limitación de movilidades el mayor padecimiento entre la poblacióndel país; el 58.3% de las limitantes declaradasse refieren a caminar o moverse. Paradisminuir estas restricciones se utilizan equiposde asistencia tecnológica como sillas de ruedasmecánicas y electrónicas, andaderas, muletas obastones, que a pesar de ser funcionales tieneninconvenientes como el costo, la facilidad deuso y mantenimiento dependiendo la cantidadde tecnología con la que cuenten, el espacio ola infraestructura para desplazarse en cualquierlugar, el tiempo de vida de dichos dispositivosentre otras. Para disminuir estas desventajas,surgieron los exoesqueletos, que son dispositivoselectromecánicos diseñados para incrementar elrendimiento físico del usuario. Éstos sonestructuras capaces de transmitir la fuerzaejercida por el peso del torso del cuerpo hacia elsuelo sin la necesidad de que este sea soportadopor las piernas, permitiendo que la persona sepueda mover de un lugar a otro de forma erguida

y sin la necesidad de una silla de ruedas, pero sicon el uso de andaderas o bastones.

Devolver la movilidad a un paciente oincrementar la fuerza del mismo, es unanecesidad que se ha estudiado desde 1960,obteniendo aplicaciones médicas e industriales[2]. Reinkensmeyer [3], describe el primerexoesqueleto robótico, “Lokomat c©”, que seutilizó para aplicaciones terapéuticas en 1960.A mediados de 1980, Jeffrey Moore de loslaboratorios Alamos Nacional [4], refiere que elexoesqueleto sirve para aumentar la capacidadde los soldados inspirados en el conceptode Heinlein. En esta misma década elprograma DARPA, nombrado “Aumento derendimiento humano” (EHPA, por sus siglasen inglés), tenía como objetivo incrementar lascapacidades de los soldados que estaban encampo, más que las de un humano común[5,6]. En 1993, en la Universidad de Berkeleyen California, construyeron un exoesqueleto decuerpo completo con accionamiento eléctricopara amplificar las capacidades humanas. Enel siglo 21 en Japón, el Instituto de Tecnologíade Kanagawa, desarrollo un exoesqueleto decuerpo completo, alimentado por un actuadorneumático con un control que produce una


compensación aproximada en el mecanismo yuna admitancia para compensar el peso y lafricción que puede existir [7,8]. Por otro ladoen [9] se presenta una revisión de diferentestecnologías aplicadas a los exoesqueletos para larehabilitación. En 2014, Nogueira [10] proponeun modelado colectivo de todos los sensoresinerciales unidos al exoesqueleto, combinadosen un modelo de estimación de Markov, paraobtener la mejor información de cada sensor.

De estos prototipos, al utilizarlos con elpaciente, se encontraron problemáticas comodiseños muy específicos al genotipo del país deorigen, los usuarios deben contar con buena saludde la cintura para arriba, ya que son pesados yel paciente necesita manipularlo, el consumo debatería en los robóticos es grande y el costo eselevado para su adquisición. Derivado de estassoluciones y problemáticas, surge el uso de laintegración de varios programas de cómputo parael diseño y simulación de prototipos virtualesantes de construir del prototipo.

Esta integración ha sido referida condiferentes nombres, como son datos y procesosde un modelo cooperativo [11], acoplamientoexterno [12], co-simulación [13], y simulacióndistribuida [14].

La co-simulación o simulación cooperativaes una metodología aplicada a la simulación,que permite a componentes individualesser simulados con diferentes herramientasejecutándose al mismo tiempo e intercambiandoinformación de forma colaborativa. El ambienteen la co-simulación debe recibir mínimo dosentradas que interactúan entre si y generarautomáticamente una salida [15]. Esta hademostrado su efectividad al ser aplicadasatisfactoriamente en diferentes campos como:computación de alto nivel, juegos en internet[16], dinámica de multi-cuerpos [17], mecatrónica[18], química [19] o mecánica estructural [20,21]entre otros. De estas investigaciones se hanencontrado varias ventajas para la co-simulación,como: la obtención del modelo de un prototipomás rápido, el uso y modelado en diversosambientes de herramientas especializadas, eldiseño colaborativo, el desarrollo de procesosque pueden ejecutarse de forma simultánea y ladisponibilidad inmediata del nuevo modelo entre

otras.En este estudio la co-simulación se aplicará

al desarrollo de un exoesqueleto que tienecomo objetivo sostener el cuerpo y mantenerla funcionalidad de los músculos afectadospor enfermedades, problemas de movilidad enmiembro superior e inferior o por accidentes. Sepropone el diseño virtual de un exoesqueletoaplicando la co-simulación para obtener unmodelo ligero, personalizado y de costo accesible.El trabajo inicia por determinar los factoresbiomecánicos, haciendo uso del programaOpensim R©, involucrando las variables demovimiento y la marcha humana, definiendoposturas específicas que el exoesqueletodebe hacer para ayudar al paciente en lageneración básica de movimiento de flexióny extensión. Posteriormente se presenta eldiseño del mecanismo aplicando la informaciónobtenida del programa Opensim R© con elprograma Solidworks R©, describiéndose laspiezas mecánicas y la simulación de movimientodel exoesqueleto. Al tener el mecanismofuncionando, el siguiente paso es el diseño delcontrol, en este caso se aplica el programaMatlab R© a la simulación de movimiento delexoesqueleto, para validar la funcionalidad delmismo.

METODOLOGÍAComo principales características requeridas enla co-simulación para la ejecución de modelosque faciliten la generación automática y dar unaeficiente validación global de los resultados setiene:

Flexibilidad: Que sea un herramientadisponible a ser adaptable a modificacionesque puedan ocurrir durante el diseño, comoen el ambiente externo o tecnológicas.

Modularidad y escalabilidad: Debe tener laposibilidad de validar sistemas y losdistintos ambientes de trabajo en que seencuentren cuando nuevos componentes ofunciones se agreguen.

Precisión: Debe permitir al diseñador escogerlos niveles de precisión, y dependiendo


de estos puede dividirse en dosconsideraciones que deben existir: tiempode validación y validación funcional.

Partiendo de esto, se plantea la metodologíaa seguir para la construcción del diseño virtualdel exoesqueleto personalizado. En la Fig. 1se presenta el diagrama de flujo que representael proceso de diseño del exoesqueleto. En estepuede observarse la secuencia de actividades quese siguieron para el desarrollo del exoesqueleto,concluyendo en la evaluación del diseño dejandopara trabajos futuros la fabricación, las pruebascon el prototipo y el análisis de resultados.

Figura 1 Diagrama de flujo del proceso de diseñovirtual usando co-simulación.

Siguiendo las fases del diagrama de flujo,se presenta la biomecánica del cuerpo humano,

que es la base para el diseño del exoesqueleto,exponiendo los grados de libertad que tendrá ylos movimientos que debe realizar, presentandolos resultados en una simulación.

Respecto al tipo de diseño, se emplea unomecánico por extracción de tecnología [22],que toma como referencia la muestra físicade un producto para reproducirlo total oparcialmente, para este caso, se toma comoreferencia el exoesqueleto eLEGS R©, el prototipode Berkeley Bionics R© [23] y el simulador demarcha de Opensim R© [24], para comprenderel funcionamiento y hacer simulaciones demovimiento.

Biomecánica del cuerpo humano

Los factores biomecánicos críticos a consideraren el diseño de un exoesqueleto son [25,26]:Grados de libertad (GDL): Determinan elnúmero de actuadores para que el exoesqueletorealice el ciclo de marcha del ser humano y lasvariables a controlar para definir el tipo delsistema de control (SISO o MIMO). En la Tabla1 se presentan los grados de libertad para cadaarticulación en el miembro inferior en el planosagital.Rango de movimiento (RM): En los exoesqueletosdiseñados para caminar los RM son siempremayores que los que están en fase de estancia, porlo tanto deben ser grandes para evitar cualquierrestricción del miembro inferior durante la fasede locomoción.

En la Tabla 2 se presentan parámetros dela marcha en individuos normales, con basea trabajos de autores como [27,29], los cualesconstituyen un promedio para hombres y mujeressanos de edad entre 18 y 64 años.

Conociendo el tiempo que tarda la rodilla enel ciclo de la marcha en recorrer una determinadadistancia, puede saberse cuántos grados se movióen ese periodo de tiempo y así obtener lavelocidad angular (Tabla 3).


Tabla 1 Grados de libertad del miembro inferior en el plano sagital.Nombre GDL Características

Unión de cadera Tres Todos son de rotación. Permite los movimientos de las uniones como sonflexión/extensión, aducción/abducción y rotación interna y externa.

Unión de rodilla Dos Son de rotación. Se considera la unión del cóndilo. El movimiento de la uniónes flexión/extensión y la rotación interna/externa.

Unión de tobillo Uno La articulación del tobillo es considerada como una bisagra, con un grado delibertad que permite la rotación en el plano sagital (flexión/extensión).

Tabla 2 Parámetros de la marchaCadencia Velocidad Long.(p/min) (m/s) Zancada (m)

Fuente H M H M H M

Murray (1964, 1970) 117 117 1.53 1.30 1.57 1.33Chao (1983) 102 108 1.20 1.10 1.42 1.22

Kadaba (1990) 112 115 1.34 1.27 1.41 1.30Perry (1992) 111 117 1.43 1.28 1.46 1.28

Tabla 3 Intervalos de movimiento.Movimiento Intervalo (CM) Grados (◦) Tiempo (s) Velocidad angular (rad/s)

Flexión hasta 18◦ 0-15% 16 0.153 1.83Extensión hasta 5◦ 15-40 % 13 0.256 0.89Flexión hasta 65◦ 40-70% 60 0.308 3.4Extensión hasta 2◦ 70-97% 63 0.277 3.97

Momento de fuerza en las uniones: Para lalocomoción asistida del exoesqueleto, se aplicanmomentos pasivos [6] o activos [27] a las unionesde interés en el momento de fuerza, en ladirección y con la intensidad adecuada. Estees necesario para caminar y realizar actividadesque son características del movimiento de laspiernas y las uniones en el plano sagital [6,27].

La intensidad de los momentos de las unionesvaria durante el ciclo de la marcha [6,27]provocando que en muchos casos de diseñose requiera el uso de valores máximos en lostorques necesarios, afectando directamente a laselección de los actuadores, donde los motoresque pueden proporcionar los valores de par yvelocidad son muy grandes; ya que la relaciónentre dimensiones y par es proporcional, es decirque mientras mayor sea el par, mayor es eldiámetro y la longitud del motor [29].

Por otro lado ,para realizar el diseño del

exoesqueleto, además de conocer la biomecánicabásica del cuerpo humano, es necesario saberel comportamiento que tendrá este durante losmovimientos de flexión/extensión que se necesitarealizar durante la marcha. Para el equilibrioen bipedestación puede utilizarse el pénduloinvertido que compensa perturbaciones pequeñasen el sistema, manteniendo el torso paralelo ala fuerza gravitacional tanto en el plano sagitalcomo en el frontal.

Para visualizar la marcha en fase normal ycon alguna patología o anomalía en el paciente,existen varios tipos de programas como elSIMM R© (MusculoGraphics, Copyright c©2012-2014.), OpenSim R© y Sim TK R© [23], AnyBodysistema de modelado, LifeModeler R© , VirtualInteractive Musculoskeletal System R© (VIMS)de forma comercial. Por sus características, seeligió el programa OpenSim R©, el cual incluyeentre otras cosas ser más intuitivo y de libre


acceso, además de manipular los programaspredefinidos con que cuenta y tener toda lainformación necesaria disponible.

Simulación de la marcha humana

En Opensim R© [24] es posible conocer laspartes del sistema musculo-esquelético, ya quese muestra detalladamente la cinemática delcuerpo humano. Como caso de estudio sepresentan las características de un sujeto adultode aproximadamente 1. 80 mts de altura y75 kg de peso (datos que se consideran comobase para el diseño del exoesqueleto y queson proporcionados por Opensim R©). Con estainformación, en el simulador puede apreciarsela fase de posición y oscilamiento al generar lamarcha completa. También pueden obtenerselos ángulos de flexión/extensión del miembroinferior (Tabla 4), mostrándose los máximos ymínimos del movimiento de la cadera, la rodillay el tobillo, resaltando las uniones biológicas enel plano sagital. Walsh [28], explica que en la fasede estancia los músculos de la cadera, la rodillay el tobillo puede desacelerarse y estabilizar elcuerpo, y al final de esta fase, el tobillo tiene unmayor poder en la flexión plantar, donde se dala energía para el regreso del cuerpo a la posturainicial. Esto se ve reflejado en los ángulos demovimiento.

Los datos obtenidos fueron en condiciones demarcha normal, sin algún tipo de carga extra,solo el peso del paciente.

Tabla 4. Ángulos de movimiento biológicos dela cadera, rodilla y tobillo.

Descripción Ángulo(Grados)

Flexión de la cadera enel plano sagital

-11 a 95

Aducción de cadera -50 a 15Rotación de cadera -20 a 20Ángulo de rodilla -120 a 0Ángulo de tobillo -30 a 30

Para hacer un modelo cinemático funcionalpara el exoesqueleto, se toma cada segmentodel miembro inferior como un elemento rígidopara el cual las deformaciones y las masas no

son consideradas. El mecanismo debe seguirla línea del eje mecánico del miembro inferior,las articulaciones se consideran como miembrocinemático sin fricción; la articulación de larodilla se simplifica y se supone que su centrode rotación esta fijo en un punto durante todo elmovimiento. El de la rodilla se restringe a usarhiperextensiones y se ignora el miembro superior.El ciclo de marcha se considera simétrico y parael análisis y simulación solo se considera el ladoderecho. El tiempo de cada fase se asume enporcentaje. La marcha que se realiza ocurre ensuperficie plano horizontal.

DISEÑO DEL MECANISMO

Con base en la información obtenida del análisisde la marcha del programa Opensim R© y delas investigaciones de [27,29], se tienen lassiguientes características para el desarrollo delexoesqueleto:

• Será pseudo-antropomórfico, porque tienecadera, rodilla y tobillo como un humano,pero los detalles de las uniones de estos sondiferentes.

• El diseño mecánico del exoesqueleto debeajustarse con 90◦ en la cadera, -90◦ en larodilla y va de -15◦ a 25◦ en el pie (conbase en el plano sagital y en la posición deextensión).

• El centro de masa necesita ser alineado,se considera que el centro de rotación yel peso de las partes mecánicas debe serproporcional al cuerpo humano, para nogenerar un mayor esfuerzo o algún daño enel usuario.

• El exoesqueleto tendrá 7 grados delibertad: 3 en cada pierna y uno para elmovimiento de rotación en la cadera, queminimizará las restricciones cinéticas.


Tabla 5 Características de diseño delexoesqueleto.

Características Diseño delexoesqueleto

Rango de movimiento en launión de la cadera

0o a 90o

desde el planosagital

Momento de fuerza máximo defrenado en la unión de cadera.

150 N/m

Rango de movimiento en launión de rodilla.

0o a -65o


Momento de fuerza máximo defrenado en la unión de rodilla.

120 N/m

Rango de movimiento en launión del tobillo.

-25o to 15o


Momento de fuerza máximo defrenado en la unión del tobillo.

200 N/m

Las características del diseño mecánico sepresentan en la Tabla 5, en esta se tiene elmejor valor del momento de fuerza, para la unióndel tobillo, que soporta todo el peso del cuerpocuando el paciente camina. También se presentael valor máximo de ruptura de las uniones y elmomento de fuerza de la cadera, la rodilla y eltobillo [26].

Una problemática muy común en todos losmecanismos de exoesqueletos es la estabilidaden la postura, que se logra a través del controlde las fuerzas que actúan en los centros demasa del humano cuando este comienza agenerar un movimiento, ya que éste cambiacon las tareas que se realicen y las condicionesambientales. Para resolver esta problemáticaexiste una gran variedad de sistemas para elcontrol de postura (el reactivo, anticipatorio,sensorial, dinámico y límite de estabilidad), asícomo sistemas sicológicos (el vestibular, visual,proprioceptivo, fuerza muscular y tiempo dereacción), donde ambas categorías contribuyenal balance [30]. Para resolver el desbalance enel exoesqueleto que se propone, mecánicamentese colocan uniones rígidas y un tamaño de pieproporcional, además que se recomienda el uso debastones o caminadora para el control del centrode masa además del uso de fuerza muscular,

ya que este será usado por pacientes con algúnproblema de movimiento en el miembro inferior.Las pruebas que deben realizarse para el balanceson: las restricciones biomecánicas, límites deestabilidad, ajuste de postura anticipatorio,respuesta de postura, orientación sensorial yestabilidad en la marcha. Por ser un prototipovirtual que se encuentra en fase de diseñoconceptual, solo se consideran las restriccionesbiomecánicas [30]. Así el mecanismo delexoesqueleto se forma principalmente de 4partes:Soporte principal (SP): Se forma por 6elementos mecánicos unidos, a los cuales se lesacopla un arnés de seguridad como elementode sujeción al cuerpo y se colocan cojinetesfabricados en hule espuma, cubiertos con tela deNylon para mayor comodidad al usuario y cubrirlos requerimientos antropométricos del cuerpo,para evitar algún daño. La figura 2 muestra loselementos mecánicos que constituyen el SP.Soporte de la cadera (SC): Es un mecanismocon dos grados de libertad (figura 3), el primeroes considerado una bisagra que permite ajustar elmecanismo a la cintura, así como el movimientode rotación externa e interna. El segundopermite el movimiento de flexión/extensión queel cuerpo realiza de forma biológica al subiruna pierna, éste soporte está constituido por 8elementos mecánicos simétricos.Soporte de la rodilla (SR): Se tienen treselementos mecánicos, que asemejan elcomportamiento biológico de flexión/extensióndesarrollado por la rodilla (figura 4). Al igualque en la cadera, se colocan dos actuadoresen las articulaciones de la rodilla, uno para laderecha y uno para la izquierda. Para sujetaresta articulación al cuerpo, se utiliza un soportediseñado para ambas rodillas, el cual juntó concorreas de velcro, se fijan a la parte superior dela pantorrilla y de la parte anterior de la pierna.Soporte de tobillo (ST): Para sujetar estaarticulación al cuerpo, se utiliza un soportediseñado que se coloca con velcro en el tobillo.El mecanismo diseñado para la articulación deltobillo es similar al de una bisagra, debido a quetiene un grado de libertad en el plano sagital parahacer el movimiento de flexión/extensión (figura5).


Figura 2 Ensamble SP (a) barra de sujeciónprincipal, (b) barras de soporte vertical, (c)barra de sujeción superior, (d) segmentos deconexión de la cadera.

a) b)

Figura 3 Soporte de la cadera a) EnsambleSpC lado derecho vista explosiva b) Movimientosde rotación externa e interna de la cadera delexoesqueleto.

a) b)

Figura 4 Soporte de la rodilla a) Ensamble SpRderecha, b) Movimientos de flexión/extensión dela rodilla lado derecho.

a) b)

Figura 5 Soporte del tobillo a) ensamble deltobillo b) Movimientos de flexión/extensión deltobillo.

Figura 6 Exoesqueleto con componentesmecánicos.

También se colocan unas barras entre lacadera -rodilla y la unión rodilla-tobillo, paraajustarse e incrementar 10 cm aproximadamenteo disminuir la longitud del exoesqueleto hasta 1cm según se requiera.

El principal sistema de sujeción delexoesqueleto esta sobre la espalda y la cadera,ya que debe ser colocado en el cuerpo deforma paralela. Un factor importante en eldiseño del exoesqueleto es la simetría queexiste con el cuerpo tanto en los elementosmecánicos que constituyen el lado derecho delexoesqueleto como el izquierdo (figura 6). Estemecanismo es puramente mecánico, por lo quesu accionamiento es totalmente manual.

Con base en el diseño, el exoesqueleto puedeser funcional para un paciente con las siguientescaracterísticas (Tabla 6):


Tabla 6 Condiciones del paciente para usar elexoesqueleto

Características Mínimo Máximo

Altura 1.70 m 1.80 mPeso 70 kg 100 kg

Extremidades Dos piernas Con prótesisBalance yequilibrio

Bastón Andadera ocaminadora

Fuerza Para soportarsu propio peso

Soportarsu propiopeso y el delexoesqueleto

Cabe mencionar que el diseño se realizó conestas características de altura y peso del pacientepara validar con el modelo del humano virtualde OpenSim R©, pero ya teniendo la metodologíay el conocimiento de cómo diseñar las piezas,es posible hacer un diseño personalizado conel fenotipo mexicano, solo es necesario conocerlas dimensiones del paciente, los ángulos demovimiento y los momentos de fuerza cuandorealiza la marcha.

Movimiento mecánico del exoesqueleto

Con base en la biomecánica del cuerpo humano,el movimiento del exoesqueleto es el siguiente(Figura 7):SP y SC: Para este diseño la articulación dela cadera tiene solo dos grados de libertad,flexión/extensión y aducción/abducción.SR: El movimiento que se realiza es de tipobisagra monocéntrico, este tiene un movimientode 0 a 90◦.ST: El rango de movimiento para estaarticulación también es de tipo bisagra de -25o

a 15o, medido con respecto al plano sagital.Se registra un movimiento -25o al finalizar laetapa de apoyo, que es cuando el pie comienza alevantarse del suelo y se registran 15o cuando eltobillo hace contacto con el suelo.

Para generar los movimientos de esteexoesqueleto, toda la activación es manual,hasta ahora solo funciona como apoyo a lapersona que aún tienen movilidad y fuerza ensus extremidades superiores y necesita reforzarlas inferiores, con ayuda de algún bastón o

Figura 7. Movimientos de los componentes delexoesqueleto.

caminadora para poder tener un centro degravedad y balance.

CONTROL Y SIMULACIÓNDEL EXOESQUELETO

Para realizar el modelado se utiliza el programaMatlab R©, en específico la sub-herramienta deSimmechanics (MathWorks R©), que es parte deSimscape de SimulinkT M .

La simulación inicial del modelo mecánicopara hacer el control, es simplificar el modeloen eslabones, es decir solo considerar el modelovectorial, además del peso y la altura enla simulación. El modelo simplificado de larepresentación de la pierna es con tres eslabones:la unión cadera-rodilla, rodilla-tobillo y tobillo-pie, incluyendo sus respectivas uniones. Todaslas uniones son de revolución y tienen sensoresque van con el actuador.

El exoesqueleto es de múltiples entradasmúltiples salidas, es decir un sistema MIMO,ya que todas las uniones actúan de formaseparada, pero al mismo tiempo siguen la mismatrayectoria, para dar los movimientos necesariosque permiten el ciclo de la marcha. Por estarazón, el sistema de control necesita un sensor yun actuador en cada unión.

El modelo de control es un sistema de lazocerrado con un seguidor de referencia, éste


emplea un bloque PID, para un control constanteen un proceso dinámico. Su objetivo es permitirque la planta se acerque lo más posible al puntode referencia y se elimine el error. En este casose utiliza el seguidor de referencia como puntode entrada de la trayectoria del movimiento,que debe ser seguido por todas las uniones paragenerar el ciclo de marcha.

El controlador PID corrige las señales deerror emitidas por el sensor al ser generadasen diversos puntos de la trayectoria durantela simulación de la marcha. La marca dereferencia puede ser enviada en forma de paro de fuerza observándose al realizar la co-simulación entre Opensim R© y Matlab R©. Sise quiere simular la velocidad y aceleración,se debe agregar un factor de ganancia enla posición de los acopladores, para que elcontrolador PID realice la acción de controlcorrespondiente. Si se deja un lazo abierto, esnecesario establecer el signo del acoplador en laentrada de la articulación que realiza la acción yla simulación, para verificar que el movimiento dela trayectoria generada sea similar a la obtenidapor los simuladores Opensim R© y SolidWorks R©.El PID permite que los controladores envíenuna posición similar del ciclo de marcha a launión mecánica y a la articulación del usuario,que permanece conectada de forma dinámicaa las condiciones biológicas, cumpliendo asílas restricciones cinemáticas del usuario. Elbloque PID tiene dos entradas y una salida,las entradas son como referencia y señales deretroalimentación para generar una señal deerror y las salidas son señales de control aplicadasa los actuadores. La señal de retroalimentaciónllega desde el sensor de unión conectado aSimMechanicT M . Un ejemplo de aplicaciónes donde las trayectorias de par obtenidas delprograma OpenSim R©, son preestablecidas yenviadas como referencia al controlador tipoPID. En la Fig. 8 se muestra la imagenque es creada por el programa SimMechanicT M

tras ejecutar la simulación de la importaciónrealizada. A cada una de estas articulaciones se

le configura una señal de entrada (1 actuación)del tipo primitiva de revolución de par y unsensor de posición.

Figura 8 Izquierda ventana de exploraciónSimmechanics y derecha ventana de SoftwareSolidWorks R©.

Con la información del par, la velocidadde un ciclo de marcha normal y uno conaceleración normal, se generó el prototipo virtualdel exoesqueleto, teniendo un peso de 32.25 Kgcon base en los valores proporcionados por elprograma de SolidWorks R© y a las característicasde los materiales especificados. El par que senecesita para la unión de la cadera es de 90 Nmy para la rodilla es de 70 Nm.

Evaluación del diseño

Se obtuvieron gráficas de movimiento en elplano sagital del lado izquierdo y derechode un humano simulado, para trasladarse alexoesqueleto y así generar un movimientoparalelo. La prueba se generó en condicionesnormales, sin alguna carga extra, deficienciao patología del paciente simulado. Esto paragenerar el diseño conceptual del mecanismodel exoesqueleto. La simulación del ciclo demarcha en SolidWorks R© (figura 9) compruebael movimiento descrito en OpenSim R©, estoverifica la parte de co-simulación, donde ambosprogramas presentan resultados similares, dondela cinemática y dinámica del humano sonimitadas por el exoesqueleto.


Movimiento de la unión lado derecho de (a) cadera, (b) de rodilla y de (c) tobillo por SolidWorks R©.

Movimiento de la unión lado derecho de (a) cadera, (b) de rodilla y de (c) tobillo por Opensim R©.

Movimiento de la unión lado izquierdo de (a) cadera, (b) de rodilla y de (c) tobillo por SolidWorks R©.

Movimiento de la unión lado izquierdo de (a) cadera, (b) de rodilla y de (c) tobillo por SolidWorks R©.Figura 9 Comparación entre resultados gráficos de Opensim R© y SolidWorks R©.

DISCUSIÓN

Se presenta un estado del arte que muestrala evolución que ha tenido la co-simulaciónasí como los avances en los exoesqueletosque ya existen, determinándose como ventajaspermitir al paciente moverse de una maneraindependiente, además de evolucionar hacia larobótica para que el usuario aplique menoresfuerzo al desplazarse o pasar de la fase deflexión a extensión, estos dispositivos los puedeusar casi cualquier paciente, considerando sucondición física y financiera. Comparándolos conel que se presenta en este trabajo, este tiene laposibilidad de ser un exoesqueleto personalizado,

puede obtenerse el diseño y generar los ajustesde una manera más rápida, puede adecuarse alas necesidades del paciente, puede simularse conun tipo de material específico y verificar si esadecuado para las características del paciente yal cubrir los requerimientos puede trasladarseel diseño en CAD a alguna máquina CNC querealice el maquinado de las piezas necesarias.

Se presenta la simulación con Opensim R©obteniéndose como datos de referencia lasgráficas de movimiento de cadera, rodilla ytobillo.

Se simuló en SolidWorks R© un prototipopara manipular el par, movimientos, cambiardimensiones o tipos de los materiales en los


eslabones; que pueden realizarse en programasespecializados como Autocad R©, Inventor R©,Ansys R©, etc, pero que no se obtendría laco-simulación tan rápida y eficiente como conSolidWorks R©, además de ser un programa delibre acceso para estudiantes, considerándoseóptimo para este estudio.

Con respecto al análisis de movimiento delexoesqueleto, primero se realiza la simulaciónpara cada articulación, es decir movimiento decadera, rodilla y tobillo, así como la simulacióncompleta. El análisis de movimiento se realizópara comprobar que el diseño mecánico fueelaborado con base en las restricciones, asímismo se efectuó la simulación correspondientedel dispositivo mecánico y el de control,observándose que en ambos casos se cumplió lanecesidad de generar un ciclo de marcha, puestoque se respetó el que fuera el exoesqueleto de 7GDL y trabajara en paralelo con los movimientosdel humano.

La comprobación de la base mecánica, sirviópara realizar el control del mismo, este essimulado en Simmechanics (MathWorks R©), aquíse muestra una propuesta de control con undispositivo PID seguidor de la trayectoria,pero como se mencionó, el control aún puedeoptimizarse para mejores resultados.

El prototipo se presenta en la fase de diseñoconceptual y la base del diseño de detalle,quedando para trabajos futuros los detallesde construcción, equipo de control y pruebasespecíficas del exoesqueleto.

CONCLUSIÓN

Se utilizó la metodología del diseño virtuala través de la co-simulación para diseñarun exoesqueleto personalizado, considerando lainformación obtenida del estado del arte yde los tres programas especializados que seutilizaron, como son Opensim R©, Solidworks R© yMatlab R©. Los programas mencionados en estetrabajo permiten establecer una plataforma deco-simulación que ofrece:

1. Hacer un rediseño sin costo en un tiemporelativamente corto dependiendo de lahabilidad del programador.

2. Hacer un exoesqueleto personalizado conbase a las necesidades de cada pacientecomo por ejemplo personas con distrofiamuscular, lesiones en la columna vertebralo alguna enfermedad de miembro inferior.

3. Hacer modificaciones y evaluaciones sinnecesidad de construir el prototipo.

4. Se pueden simular pruebas demantenimiento y desgaste a las piezasmecánicas, para que al tener el prototipose establezcan un calendario adecuado.

5. Se pueden establecer diferentes tipos demateriales para construcción del prototipo.

Con la co-simulación se obtiene ahorro detiempo, en costos y en pruebas al prototipo. Eneste trabajo se presenta como resultados apartedel prototipo virtual, las gráficas obtenidas enOpensim R© que sirven de entrada para generalel movimiento del exoesqueleto en Solidworks R©,y que al comparar las gráficas de ambosprogramas, se tiene una similitud del 90% en lasfases de la marcha.

Reconocimientos

Este trabajo fue soportado por investigadores delInstituto Tecnológico y de Estudios Superiores deMonterrey Campus Ciudad de México (ITESM-CCM).

Declaración pública: Los autores declaran notener algún conflicto de intereses.

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