25, May, 2024

Exoesqueletos, la robótica que abraza a los humanos

Autores: Dr. Yukio Rosales Luengas, Dr. Jesús Ricardo López Gutiérrez

Correo electrónico:  yrosales@cinvestav.mx, jesusl.lopez@cinvestav.mx

Departamento: Laboratorio Franco Mexicano de Informática y Automática

Escuela: Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados, Mexico

Palabras clave (Hashtags): #Exoesqueletos #Robótica #Rehabilitación #Industria

Con un incremento mundial de la población que envejece, los malos hábitos cotidianos, el aumento de las enfermedades musculoesqueléticas relacionadas con el trabajo [1] y la proliferación de enfermedades de tipo neuromuscular degenerativas como la atrofia muscular espinal [2], la población de personas con trastornos del movimiento de las extremidades causados por un accidente cerebrovascular o enfermedad está creciendo rápidamente. Las personas que sobreviven a estos eventos tienen altas tasas de discapacidad [3] y para su recuperación se enfrentan a un tratamiento farmacológico seguido de un entrenamiento de rehabilitación. La terapia de rehabilitación tradicional es llevada a cabo por uno o varios fisioterapeutas que tienen contacto directo y prolongado con el paciente para ayudarlo a realizar movimientos repetidos de las extremidades. Estos movimientos son, muchas veces, difíciles y demasiado cansados de llevar a cabo, motivo por el cual la terapia es poco eficiente y el tratamiento costoso. Es por esto por lo que los exoesqueletos, u órtesis actuadas, han llamado la atención de los investigadores alrededor del mundo; con el uso de exoesqueletos de rehabilitación se puede hacer que el tratamiento de rehabilitación sea más accesible, más eficiente y se libera a los fisioterapeutas de cargas de trabajo pesadas.

Las áreas de aplicación de los exoesqueletos son muchas y muy variadas; en este sentido, se pueden clasificar en tres grandes categorías. La primera categoría son los exoesqueletos de aumento de capacidades humanas, los cuales se enfocan en incrementar la fuerza y la resistencia de los usuarios, lo que les permite realizar tareas peligrosas o que no pueden realizar eficientemente por sí mismos, reduciendo sus costos metabólicos y disminuyendo la fatiga (Figura. 1). Los exoesqueletos en esta categoría identifican la intención del usuario y mediante la transmisión de potencia mecánica ayudan al humano a soportar grandes pesos, completar largos viajes, moverse más rápidamente o mejorar algún aspecto específico de una tarea. Este tipo de exoesqueletos se utilizan principalmente en las áreas militares e industriales [4]. Dentro de esta categoría, se pueden clasificar en activos o pasivos, según el tipo de actuadores que utilicen: un exoesqueleto activo utiliza dispositivos que generan potencia mecánica, como motores eléctricos o músculos neumáticos, mientras que un exoesqueleto pasivo utiliza resortes y amortiguadores, y se basa en la transferencia de energía de una fase del movimiento a una fase posterior o de una articulación a otra [5]. 

Figura. 1. Exoesqueleto de aumento de fuerza, desarrollado para aplicaciones industriales. CINVESTAV, CDMX.

La segunda categoría son los exoesqueletos de asistencia, los cuales se utilizan para ayudar a pacientes ancianos o que, por algún motivo, tienen movilidad reducida o no pueden moverse por sí mismos [6]. Estos exoesqueletos brindan potencia mecánica suficiente para sustituir la función motora de los pacientes, o bien para completarla, regresando a los usuarios la capacidad de realizar sus actividades cotidianas de manera normal. Dentro de este grupo también se encuentran los bipedestadores móviles (Figura. 2), los cuales se encargan sólo de poner de pie a los pacientes y trasladarlos en una plataforma móvil a través de un ambiente doméstico. El sólo hecho de estar de pie trae muchos beneficios a este tipo de pacientes. 

Figura. 2. Exoesqueleto bipedestador móvil, CINVESTAV, CDMX 

La tercera categoría son los exoesqueletos de rehabilitación [7]. Estos, como se mencionó anteriormente, asisten a los pacientes en las terapias de rehabilitación, mejorando la eficiencia de esta y acelerándola, de manera que el paciente pueda recuperar su movilidad lo antes posible (Figura. 3). Dentro de esta categoría, se pueden clasificar de varias formas. Por ejemplo, se clasifican en exoesqueletos de miembro superior e inferior, según la extremidad que rehabilitan. Por otro lado, se pueden clasificar en exotrajes y exoesqueletos rígidos. Los exotrajes son suaves, ligeros, compactos, flexibles y fabricados de textiles, generalmente manejados a través de cables, mientras que los exoesqueletos rígidos son más pesados y están fabricados en materiales rígidos como aluminio o tubos de fibra de carbono. Se pueden clasificar también en exoesqueletos de rehabilitación pasiva y de rehabilitación activa: los primeros se encargan de mover la extremidad del paciente realizando ejercicios mientras la extremidad se queda completamente floja, se usan en etapas tempranas de la rehabilitación y para prevenir atrofia muscular [8]; los exoesqueletos de rehabilitación activa requieren de la participación del paciente para llevar a cabo los ejercicios, con la ayuda de distintos sensores detectan e identifican la intención del paciente de realizar el movimiento y el exoesqueleto apoya al paciente para completarlo. Este apoyo puede variar, empezando por aportar casi toda la fuerza para ejecutar el movimiento y disminuyéndolo gradualmente, conforme evoluciona el paciente. 

Figura. 3. Exoesqueleto de rehabilitación de marcha sobre caminadora, CINVESTAV, CDMX

La seguridad de los usuarios es un tema primordial cuando se trata de exoesqueletos, ya que pocas son las situaciones en las que existe una unión tan íntima entre un usuario y un robot, puesto que literalmente el usuario está dentro del robot y cualquier falla puede lesionarlo. Por lo tanto, realizar pruebas de seguridad en el exoesqueleto para garantizar la seguridad de los usuarios es completamente esencial.

Actualmente la investigación sobre exoesqueletos, no solo de rehabilitación, está en aumento tanto en el país como en el extranjero. Estas investigaciones están enfocadas en diversos temas, entre los que destacan el control, la morfología, la eficiencia y el rendimiento de la seguridad. Entender cómo el uso de los exoesqueletos beneficia a la sociedad en general, es importante porque es muy probable que estas tecnologías se incorporen, en un futuro cercano, a nuestra vida diaria. 

Referencias

[1] Fritzsche, L.; Wegge, J.; Schmauder, M.; Kliegel, M.; Schmidt, K.-H. Good ergonomics and team diversity reduce absenteeism and errors in car manufacturing. Ergonomics 2014, 57, 148–161.

[2]. Wang, C. H., Finkel, R. S., Bertini, E. S., Schroth, M., Simonds, A., Wong, B., … Trela, A. (2007). Consensus statement for standard of Care in Spinal Muscular Atrophy. Journal of Child Neurology, 22(8), 1027–1049. 

[3]. Rana, J.S.; Khan, S.S.; Lloyd-Jones, D.M.; Sidney, S. Changes in Mortality in Top 10 Causes of Death from 2011 to 2018. J. Gen. Intern. Med. 2020, 36, 2517–2518.

[4]. Y. Sankai; HAL: Hybrid Assistive Limb Based on Cybernics; in: Robotics Research – The 13th International Symposium; ISRR; 2010; pp. 25-34.

[5]. R. Nasiri, A. Ahmadi, and M. N. Ahmadabadi, “Reducing the energy cost of human running using an unpowered exoskeleton,” IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng., vol. 26, no. 10, pp. 2026–2032, Oct. 2018

[6] F. Chen; Y. Yu; Y. Ge; Y. Fang; WPAL for human power assist during walking using dynamic equation; in: 2009 International Conference on Mechatronics and Automation; IEEE; 2009; pp. 1039-1043.

[7]. S. K. Banala; S. H. Kim; S. K. Agrawal; J. P. Scholz; Robot assisted gait training with active leg exoskeleton (ALEX); IEEE T. Neur. Sys. Reh. 17(1) (2009) 2-8.

[8] Q. Wu, X. Wang, F. Du, and Q. Zhu, «Fuzzy sliding mode control of an upper limb exoskeleton for robot-assisted rehabilitation,’’ in Proc. IEEE Int. Symp. Med. Meas. Appl. (MeMeA), May 2015, pp. 451456.

ANEXO

Resumen: Los exoesqueletos son un tipo de robot “vestible”, estos sistemas deben ser portados por el usuario y, por lo tanto, su diseño debe considerar la biomecánica de las articulaciones del cuerpo humano para realizar diferentes actividades, que pueden ir desde incrementar hasta auxiliar sus movimientos. En este artículo presentamos una clasificación de diferentes tipos de exoesqueletos, destacando los aplicados a la rehabilitación, y la importancia de seguir aportando en esta línea de investigación.

Importancia de investigación: Es importante entender la función y uso de los exoesqueletos porque es una tecnología que día a día nos rodea cada vez más.

Disciplina: Robótica

Área de aplicación: Rehabilitación, industria, milicia, robots domésticos.

Industria mayormente relacionada: Rehabilitación

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