Modelado y Control de un Exoesqueleto para la Rehabilitación de Extremidad Inferior con dos grados de libertad

Resumen

Los exoesqueletos mecánicos son robots acoplados a las extremidades del cuerpo humano enfocados en el incremento de su fuerza, velocidad y rendimiento principalmente. Las principales aplicaciones son en la milicia, en la industria y en la medicina. El exoesqueleto se puede utilizar para la rehabilitación de las extremidades cuando por causas de algún accidente o enfermedad se tiene una actividad muscular reducida o nula. En este artículo se presenta un exoesqueleto de dos grados de libertad para realizar ejercicios de rehabilitación para tobillo y rodilla. El diseño y fabricación del exoesqueleto está basado en la instrumentación de una ortesis del miembro inferior derecho. El Exoesqueleto utiliza sensores que estiman la fuerza producida por el humano y se encuentran incorporados en los actuadores de tipo SEA (Series Elastic Actuator) que se utilizan para amplificar la fuerza humana. Además mediante sensores se estima la posición y velocidad angular de las articulaciones, que se utilizan para controlar el movimiento de la pierna. En el artículo se presentan: un estudio del modelo dinámico del exoesqueleto y de los actuadores acoplados por medio del método de perturbaciones singulares, el diseño de un control basado en la suma de fuerzas generadas por el humano y el exoesqueleto, el diseño y fabricación del prototipo experimental y sus actuadores. Se realizaron simulaciones que muestran el buen desempeño del controlador propuesto. Los resultados experimentales muestran que existe una amplificación de la fuerza generada por el portador y amplificada por la mecánica del exoesqueleto, ofreciendo una disminución en el esfuerzo del usuario para mantenerse de pie y realizar ejercicios de flexión y extensión de las articulaciones. De manera que la amplificación de la fuerza puede aumentarse o disminuirse según se necesite, permitiendo al usuario una mejora evolutiva hasta llegar a la rehabilitación completa.

Abstract

Exoskeletons are robots attached to the extremities of the human body focused on increasing their strength, speed and performance primarily. The applications are in the military, industry and medical. The exoskeleton can be used for the rehabilitation of limbs because of accident or illness that can cause little muscle activity or null. This article presents an exoskeleton of two degrees of freedom that is used to ankle and knee exercise rehabilitation. The design and manufacture of the exoskeleton is based on the instrumentation of a right lower limb orthoses. The exoskeleton contains sensors to estimate the force produced by a human and contains SEA actuators (Serial Elastics Actuators) that used to amplify the human force. Also contains sensors to estimate the position and angular velocity in joints. This paper presents in general: a study of the dynamic model of the exoskeleton and actuators coupled through the singular perturbation method, the design of a control based on the sum of forces generated by the human and the exoskeleton, and the design and manufacture of an experimental prototype. The simulation result shows that the sum of forces between the human and the exoskeleton is controlled to obtain a desired angular position of the joints (knee and ankle). Experimental results show that exist a human force amplification generated by the exoskeleton, providing a reduction in the patient's effort to remain standing and bending exercises. Then force amplification can be increased or decreased as needed in different workouts that will allow the user an evolutionary improvement to achieve a full rehabilitation.

Referencias no citadas

Bharadwaj and Sugar, 2006, Bouri et al., 2009, Bouri et al., 2006, Bullimore and Burn, 2007, Derrick et al., 2000, Ding et al., 2010, Feldman, 1974, Ferris et al., 2005, Glynn and Fiddler, 2009, Goffer, 2006, Hogan, 1980, Hogan, 1984, Hogan, 1985, Homma and Usuba, 2007, Hoppenfeld and Murthyr, 2001, Huston, 2012, Hwang et al., 2006, Kawamoto and Sankai, 2002, Kawamoto et al., 2009, Kelso and Holt, 1980, Khalil, 2002, Khanna et al., 2010, Kikuchi et al., 2010, Krebs et al., 2008, Nichols and Houk, 1976, Nikitczuk et al., 2010, Nikooyan and Zadpoor, 2011, Peshkin et al., 2005, Pratt and Williamson, 1995, Pratt et al., 2002, Pratt et al., 2004, Robinson et al., 1999, Rocon et al., 2008, Roy et al., 2007, Satici et al., 2009, Sawicki and Ferris, 2009, Schmitt et al., 2004, Seo and Lee, 2009, Spong and Vidyasagar, 1989, Sui et al., 2009, Vidyasagar, 1993, Wyeth, 2006 and Yoon et al., 2010.