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7/23/2019 Paper Legxos

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UNAB - Ingeniera Mecatrnica. J. Grosso y D. Tibaduiza. Exoesqueleto de piernas para rehabilitacin. 1

ResumenLa marcha bpeda es una caracterstica distintivadel ser humano que le brinda su autonoma fsica para la mayorparte de las actividades cotidianas que realiza; an as, dichaautonoma es afectada a diario por enfermedades, vejez, lesioneso accidentes. Por ello, en este artculo se presenta el diseo deun sistema mecatrnico que tiene por objeto facilitar larehabilitacin de personas con discapacidad parcial de suspiernas. En este sistema se incorpora un exoesqueleto robticode tipo maestro-esclavo que permite grabar patrones demovimientos de una pierna sana para inducirlos sobre una

pierna lesionada, a fin de automatizar las sesiones de terapia enlos centros de fisiatra y aprovechar las ventajas que ofrece eltratamiento con movimiento intensivo, que acelera larehabilitacin debido al movimiento cclico, reproducible,rtmico y fisiolgico que permiten los sistemas robticos. En esteartculo se describe el diseo mecatrnico del sistema, lainterfaz de operacin y una plataforma bpeda de validacin.

Palabras clave autonoma fsica, exoesqueleto, marchahumana, maestro-esclavo, plataforma bpeda, rehabilitacin,sistemas robticos, terapias con movimiento intensivo.

I. INTRODUCCIN

OS humanos presentan complejos y especializadosalgoritmos naturales de control que les brindan la

capacidad de realizar tareas complicadas en un amplio rangode condiciones y con rpidos tiempos de respuesta. Encontraste, los robots pueden desarrollar tareas que requierengrandes fuerzas o torques, dependiendo de la naturaleza de suestructura y de la potencia de sus actuadores. Es evidenteentonces, que combinando estas dos entidades, el humano y elrobot, en un slo sistema integrado, se pueden alcanzarsoluciones interesantes que se beneficiaran de las ventajasque aporta cada subsistema. As, la potencia mecnica de lasmquinas integrada con el sistema de control inherente alhumano, llevara a realizar tareas que necesitan aplicargrandes fuerzas de una manera eficiente, lo cual es el

Manuscrito recibido el 30 de mayo de 2008. El trabajo presentado en esteartculo fue desarrollado bajo el apoyo de la Universidad Autnoma deBucaramanga (Colombia).

J. M. Grosso es Ingeniero Mecatrnico y est con el Grupo de Investigacinen Control y Mecatrnica de la Universidad Autnoma de Bucaramanga,Colombia. (e-mail: [email protected]).

D. Tibaduiza es Mg.Ing. Electrnico y est con el Grupo de Investigacin enControl y Mecatrnica de la Universidad Autnoma de Bucaramanga,Colombia. (e-mail: [email protected]).

principio bsico del diseo de sistemas exoesquelticos.El desarrollo de plataformas robticas para aplicaciones de

rehabilitacin es actualmente un foco de investigacin a nivelmundial. Dentro de los principales avances se encuentran lossistemas exoesquelticos, denominados en este caso aplicadode bioingeniera como ortesis activas. Los exoesqueletosconsisten en un mecanismo estructural externo acoplado a la

persona y cuyas junturas y eslabones corresponden a las de laparte del cuerpo humano que emula. La principalcaracterstica de estas interfaces hombre-mquina, es que elcontacto entre el usuario y el exoesqueleto permite transferir

potencia mecnica y seales de informacin.En este artculo se presenta al diseo de un exoesqueleto de

tipo maestro-esclavo que busca facilitar la rehabilitacin delmovimiento de una pierna lesionada partiendo del patrngenerado por una pierna sana. El sistema se enfoca en asistirlos movimientos rotacionales de la cadera, rodilla y tobillo,dentro del plano sagital.

II. REQUERIMIENTOS Y METODOLOGA

Los requerimientos mnimos que se establecieron para eldiseo del sistema son:

Poder registrar el movimiento ejecutado en una piernasana, especficamente la rotacin del muslo, la

pantorrilla y el pie dentro del plano sagital, en referenciaa las junturas de la cadera, rodilla y tobillorespectivamente.

Reproducir el movimiento capturado de la pierna sanaen un entorno grfico de validacin para luego inducirloen un sistema esclavo.

El sistema debe ser flexible y permitir cambios en el

patrn de movimientos para lograr un entrenamientoeficiente. El hardware y software deben presentar fcil interaccin

con el usuario.

Para cumplir con lo anterior se adopt el proceso de diseomecatrnico, ya que en contraste con otras metodologas dediseo, ste integra diferentes dominios de la ingeniera conel fin de aprovechar las relaciones existentes entre lasdiversas perspectivas de diseo para optimizar as un modelorepresentativo del sistema en inters. La clave principal para

Diseo y Validacin de un ExoesqueletoMaestro-Esclavo para Rehabilitacin de Piernas.

J.M. Grosso,Miembro, IEEE, y D. Tibaduiza,Miembro, IEEE

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dar flexibilidad y robustez a este proceso de diseo es elmodelamiento sinrgico y la simulacin de los sistemas, que

permiten evaluar las respuestas ante diversos criterios ycondiciones de funcionamiento. En la figura 1 se puedeobservar un esquema general de la metodologa de diseoaplicada.

Fig. 1. Esquema general del proceso de diseo mecatrnico adoptado.

Como resultado de este proceso, la solucin presentada eneste proyecto busca integrar tres reas tecnolgicas de

reciente fortalecimiento como son: la robtica, lateleoperacin y el desarrollo de entornos virtuales.

III. SISTEMA DE MONITOREO Y REHABILITACIN

El sistema desarrollado se puede dividir en tres subsistemasde acuerdo a las acciones que se llevan a cabo en cada uno deellos (ver figura 2). A continuacin se describe de manerageneral el funcionamiento de cada uno de ellos:

Unidad central de

procesamiento

(PC)

Monitoreo y

Simulacin virtual

Unidad local de

procesamiento

Microcontroladores

(A/D y PWM)

Pierna sana

Captura de movimiento

(EXOS pasivo)

Transductores lineales de

posicin angular

Pierna lesionada

Reproductor de

movimiento

(EXOS activo)

Servomotores DC

Interfaz de

comunicacin

(RF)

RS-232

RS-232

(v) (pwm)

SISTEMA MAESTRO SISTEMA ESCLAVOPROCESOS

Fig. 2. Diagrama de bloques del sistema de monitoreo y rehabilitacin.

Sistema Maestro, es el encargado de generar losmovimientos articulares deseados a reproducir en la piernalesionada. Est conformado por la pierna sana y por unexoesqueleto pasivo acoplado a ella que permite monitorearla cinemtica articular de los movimientos de la piernadentro del plano sagital. La variacin angular es captada atravs de potencimetros rotacionales de respuesta linealque se encuentran acoplados dentro de las articulaciones delmecanismo.

Sistema Esclavo, es el encargado de reproducir lastrayectorias de movimiento registradas por el sistemamaestro. Est conformado por la pierna afectada y por unexoesqueleto activo acoplado a ella, encargado de aplicarlos torques necesarios en las junturas de la pierna a travsdel accionamiento y control de posicin de servomotores decorriente continua.

Unidad de Procesos, es la encargada del procesamiento dedatos a nivel central y a nivel local, as como de establecerla comunicacin entre el sistema maestro y el sistemaesclavo. En esta unidad se diferencian tres bloques

particulares que son: la unidad central de procesamiento, launidad de procesamiento local y la interfaz decomunicacin.- La unidad de procesamiento local est conformada por

dos etapas: una primera tarjeta desarrollada para laadquisicin de seales analgicas encargada demuestrear a una frecuencia determinada los niveles detensin de los potencimetros relativos a lasarticulaciones del sistema maestro y convertirlas enseales digitales de 8 bits para su posterior

procesamiento; y por otro lado una tarjeta desarrolladapara el accionamiento de los actuadores, la cualconvierte ordenes de posicin en una modulacin delancho de pulso de la seal de control de cadaservomotor. Ambas tarjetas manejan comunicacin por

protocolo RS-232.- La unidad central de procesamiento est basada en un

computador con plataforma Windows XP o WindowsVista. En esta unidad se ejecutan las aplicaciones deinterfaz grfica de usuario que involucran programacinde alto nivel desarrolladas en el software MATLAB deMathworks. Los procesos que se realizan incluyen: (a) elcontrol del muestreo y la recepcin de los paquetes de

bytes enviados por la unidad de procesamiento localrelativos a las posiciones angulares del sistema maestro;(b) el procesamiento de dichos paquetes para obtener unvalor numrico de los ngulos y graficarlos en tiemporeal; (c) la animacin del movimiento sobre un entornogrfico 3D; (d) el clculo de la dinmica para laactivacin y control de los actuadores del sistemaesclavo; (e) el manejo de una base de datos de pacientesy el registro de histricos de las sesiones de terapiarealizadas; (f) la comunicacin serial con las otrasunidades empleando el protocolo RS-232.

La interfaz de comunicacin es la encargada de realizar altransporte de datos digitales entre la unidad central de

procesos y las unidades locales de cada subsistema. Estbasada en comunicacin serial inalmbrica por mdulos deradio frecuencia para dar mayor libertad al usuario delexoesqueleto en la realizacin de los movimientos.

Sistema /

Requerimientos

Diseo

Electrnico

Diseo

Mecnico

Hardware /

Software

Control

Modelo

Virtual

Validacin /

PrototipadoDiseo Final

Modelo

Matemtico


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IV. MODELAMIENTO DEL SISTEMA MUSLO-PANTORRILLA

Dado que el sistema de inters en este trabajo es el miembroinferior, se model una pierna asumindola como una cadenacinemtica de dos eslabones y dos articulaciones rotacionales,con pivote en la cadera. En la figura 3 se sealan las variablesgeomtricas e inerciales a incluir en los anlisis dinmicos dela pierna, y se asignan los sistemas de referencia a emplear.

Fig. 3. Modelo de una pierna con dos grados de libertad.

Donde:

Para el clculo de las variables involucradas se emplearon

datos antropomtricos por tratarse de una interfaz hombre-mquina. Para ello se emplearon las relaciones establecidaspor Winter [1], Drillis y Contini [2], donde se expresan laslongitudes y masas de los cuerpos en funcin de la altura y el

peso total de la persona. En la figura 4 y en la tabla 1 seestablecen dichos parmetros.

Fig. 4. Longitudes de los segmentos de la pierna en funcin de la altura total.

Tabla 1. Relaciones de masa y localizacin de centros de masa en funcin de laaltura y la masa total de la persona.

El modelamiento dinmico inverso a fin de hallar los torquesmotores para una trayectoria de movimiento deseada sedesarroll bajo el entorno de trabajo Simulink del softwareMATLAB, empleando la herramienta SimMechanicspara eldiseo y simulacin de sistemas dinmicos de cuerposrgidos. Esta herramienta permite una reduccin importanteen los tiempos de modelamiento y una validacin virtual delsistema sin necesidad de mayores algoritmoscomputacionales, lo cual es una gran ventaja ante las

formulaciones dinmicas de Lagrange y de Newton-Euler,que a pesar de ser descripciones matemticas fieles delsistema, requieren de tiempos de modelado mayores y sucomplejidad depende del nmero de grados de libertad delsistema, mientras que el modelamiento implementadomantiene su versatilidad y facilidad an si el sistemaincorporara mayor nmero de elementos. En la figura 5 seobserva el diagrama de bloques del modelo del sistemamuslo-pantorrilla.

Fig. 5. Modelado del sistema muslo-pantorrilla en SimMechanics.

V. DISEO DEL EXOESQUELETO

A. Estructura

Para el diseo final del exoesqueleto se ha seleccionado elaluminio como material principal de la estructura pues a

pesar de ser ms costoso que otros metales como el latn y el

acero, el aluminio es de menor densidad, de mayor facilidadpara ser maquinado, es resistente a la corrosin, ycomercialmente disponible.

El exoesqueleto consta de: una estructura pasiva consensores para grabar las trayectorias de una pierna, y de unaestructura activa encargada de inducir dichos movimientossobre la otra pierna con el uso de actuadores. En la figura 6 seobservan algunas vistas del diseo final concebido, donde la

pierna derecha es el sistema activo y la pierna izquierda elsistema pasivo.


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Fig. 6. Exoesqueleto de piernas.

Dentro de la clasificacin de los motores de corrientecontinua se encuentran los denominados servomotores, queestn diseados principalmente para el control preciso de la

posicin de su eje y para aplicaciones que requieren un altopar motor. El mecanismo propuesto se basa en servomotores,y tiene la ventaja principal de brindar independencia a cadaarticulacin, adems de facilitar las estrategias de controldebido a que presentan un circuito interno para la regulacin

de posicin del eje de acuerdo a la seal de consigna. Otroaspecto a resaltar es que su par mecnico alto se logra conuna potencia elctrica baja (


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Fig. 8. Interfaz Grfica de Usuario del Sitema LEGXOS para el monitoreo yasistencia de la marcha humana.

Entre las acciones y operaciones que permite realizar lainterfaz desarrollada se tienen:

- Manejo de base de datos de pacientes y administracinde histricos de sesiones de terapia en los cuales sereportan las variables articulares de un patrn demovimiento ejecutado junto con las observaciones delfisioterapeuta.

- Representacin visual de los resultados, tanto en grficasen tiempo real como en animacin de un entorno virtual3D de un humanoide a fin de observar el movimientoreal que representan las curvas.

- Interaccin con las grficas a travs de funciones dezoom, paneo, sealizacin de valores sobre las curvas.

- Imprimir, abrir y guardar resultados.- Activacin del exoesqueleto con tres modos de

operacin. El primero es en simultneo, de tal maneraque el sistema activo es accionado al mismo instante queel sistema pasivo registra movimiento. El segundo modoes en desfase temporal, que permite controlar larespuesta del exoesqueleto activo tsegundos despus deejecutar un movimiento. Esto permitira asistir lamarcha sincronizando el desfase entre los ciclos de la

pierna sana y la pierna servoactuada. El tercer modo de

operacin es repetitivo, el cual permite grabar un patrnde movimiento determinado e inducirlo sobre la piernalesionada en sesiones de nrepeticiones.

VI. RESULTADOS

Para la validacin del sistema desarrollado, se construyuna plataforma bpeda servo actuada a fin de evidenciar quela estructura activa respondiera con el movimiento de piernasregistrado por la estructura pasiva, y evaluar elfuncionamiento de la aplicacin computacional desarrollada.

En la figura 9 se pueden observar los resultados obtenidos porla interfaz en una animacin en tiempo real del entornovirtual y del modelo establecido en SimMechanics.

Fig. 9. Visualizaciones grficas de los movimientos en la interfaz.


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En la figura 10 se puede observar la estructura desarrolladapara la captura de movimiento. El sistema respondesatisfactoriamente en cuanto a la trayectoria que debe seguir.Se logr una distancia aproximada de 10 m para lacomunicacin entre la unidad local y el computador central,lo cual es favorable teniendo en cuenta las dimensiones de uncentro de rehabilitacin.

Fig. 10. Estructura de captura de movimiento y plataforma bpeda de validacin.

VII. CONCLUSIONES

El beneficio de esta propuesta es aprovechar los resultadosmdicos que aseguran que las terapias con repeticin demovimientos permiten establecer ms rpidamente lasconexiones entre las neuronas que se encuentran afectadas.

Este sistema permitira automatizar y optimizar las terapiashacindolas ms intensivas, y desplazara el papel delterapeuta hacia uno donde la principal tarea sea el correctodiagnstico y anlisis de la patologa.

Errores de alineamiento o dimensiones del exoesqueletorespecto al miembro que emula, pueden causar molestias en elusuario y hasta lesiones debido a fuerzas de reaccininducidas por desajustes geomtricos.

Es necesario incluir en la etapa de diseo a un profesionalde la medicina para que plantee los parmetros importantes atener en cuenta de acuerdo al funcionamiento correcto de las

partes del cuerpo y de las patologas de la marcha, quepueden afectar la concepcin de la estructura.

Los sistemas exoesquelticos hoy en da aun son muyrobustos, se hace necesario el desarrollo de actuadores degran potencia y bajas dimensiones.

Respecto a la interfaz desarrollada, se puede concluir quelos resultados obtenidos en el proceso de monitoreo demovimientos y accionamiento de motores fueron

satisfactorios, sin embargo es necesario que el diseo grficode la misma sea un poco ms amigable, por ello se plantea laopcin de fusionar la versatilidad grfica de LabView para eldiseo de paneles de control, con la fortaleza numrica y desimulacin de sistemas que permite realizar Simulink. Estaintegracin ya se ha empezado a desarrollar para mejorar el

primer modelo funcional del sistema presentado en estetrabajo. Es necesario tambin desarrollar un modelo de

animacin ms completo que brinde mayor realidad al avatar.La tarjeta de adquisicin y control desarrollada en este

proyecto es un dispositivo sencillo de bajo costo cuyo uso sepuede ampliar a otras aplicaciones de adquisicin demovimientos. Aunque la principal aplicacin que se persiguien este proyecto fue la teleoperacin, la adquisicin de lacinemtica de la pierna se podra ampliar a otras partes delcuerpo o a otros sistemas con enfoques diferentes queactualmente son bastantes comerciales, sobre todo en lorelacionado con animaciones de personajes computacionales.

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