Actuación y control de un exo-traje para la rehabilitación y asistencia de miembro superior

En la sociedad actual española, existe un significativo número de personas dependientes debido a discapacidades congénitas y/o adquiridas. Estos pacientes enfrentan dificultades para llevar una vida independiente, ya que carecen de la suficiente autonomía. El accidente cerebro vascular es una de las principales causas de discapacidad física, afectando considerablemente la calidad de vida de los pacientes, por este motivo actualmente existen dispositivos para ayudar al paciente a recuperar/asistir la movilidad y la fuerza del miembro superior, entre estos dispositivos, se destacan las ortesis y los exoesqueletos de miembro superior y dentro de esta gama de dispositivos de rehabilitación similares a los exoesqueletos, se encuentra el exo-traje (exo-suit), dispositivos vestibles capaces de adaptarse a cualquier usuario, también conocido como exoesqueleto portátil suave que se caracteriza por ser más ligeros y versátiles de bajo consumo de energía, que cumple con su objetivo de aumentar la fuerza muscular y asistir en las actividades de la vida diaria. Este dispositivo se presenta como una solución eficiente y práctica para mejorar la movilidad y la autonomía de las pacientes con discapacidad en el miembro superior. En este proyecto, se busca avanzar en el diseño y desarrollo de un exo-traje para la rehabilitación del miembro superior. Con el cual se espera contribuir al campo de la rehabilitación y asistencia del miembro superior, mejorando la calidad de vida de las personas con discapacidad. Además, se espera que los resultados obtenidos impulsen futuras investigaciones y avances en el diseño de exo-trajes, brindando soluciones aún más efectivas y adaptadas a las necesidades de los pacientes

Estudio ergonómico del movimiento del brazo humano: identificación de patrones para la utilización de un exoesqueleto como ayuda en el puesto de trabajo

Se ha realizado un estudio ergonómico para obtener patrones de movimiento del miembro superior y poder aplicarlos para la generación de consignas de movimiento para IKO (Ikerlan's Orthosis). Además, se han programado trayectorias en IKO, teniendo en cuenta el modelo de cinemática inversa, y validando los movimientos experimentalmente.Gorosabel Mendicute, M. (2009). Estudio ergonómico del movimiento del brazo humano: identificación de patrones para la utilización de un exoesqueleto como ayuda en el puesto de trabajo. http://hdl.handle.net/10251/12037Archivo delegad

Desarrollo y análisis de actuadores basados en SMA enfocados a la robótica de asistencia y rehabilitación

Assistive and rehabilitation devices are intended to help recover motor skills after a disorder and thus the patient’s independence. Among these devices, a major interest in recent years has been represented by soft devices of the exo-suit type, which can adopt different morphologies of the human body, thanks to their actuation system. Although in recent years the development of these systems has made great progress, there is currently a shortage of actuating systems, which limits their progress. In this sense, emerging actuation solutions must be sought to overcome the shortcomings of conventional actuators. With this intention, new actuator structures based on bio-inspired shape memory alloys were developed in this thesis in order to mimic the flexibility and strain of human muscle by providing the necessary force to mobilize the joints. In order to carry out this study, different designs of SMA-based actuator structures of single and multi-wire types were implemented together with their control algorithms that improved the current performance of SMA actuators, in terms of operating frequency, power consumption and position error. On the other hand, the main features of the actuator such as simplicity and flexibility in a compact design were maintained with the structures. The results obtained were analyzed, showing that the working frequency of the SMA actuators improved by 0.1 Hz. Furthermore, the possible optimization of the actuator according to the final application, in order to improve its energy efficiency. In addition, in the case of antagonistic configuration, the number of continuous operation cycles of the system was doubled, limited due to the heating of the actuators. To demonstrate the feasibility of integrating actuators into rehabilitation systems, a new actuated exo-suit was designed and implemented for the rehabilitation of the elbow joint in flexion, where the improvements of the multi-wire actuator structure over the single-wire actuator structure were tested.Los dispositivos de asistencia y rehabilitación tienen la finalidad de ayudar a recuperar las capacidades motoras tras un trastorno y por ende la independencia del paciente. Entre estos dispositivos, en los últimos años, un principal interés lo representa los dispositivos blandos de tipo exo-trajes, que pueden adoptar diferentes morfologías del cuerpo humano, gracias a su sistema de actuación. Aunque en los últimos años el desarrollo de estos sistemas presento un gran avance, actualmente existe una carencia centrada en los sistemas de actuación, que limita su progreso. En este sentido, se deben buscar soluciones emergentes de actuación, que superen las carencias de los actuadores convencionales. Con esta intención, en esta tesis se desarrollaron nuevas estructuras de actuadores basados en aleaciones con memoria de forma, bio-inspiradas, con el fin de imitar la flexibilidad y deformación del músculo humano aportando la fuerza necesaria para movilizar las articulaciones. Para llevar a cabo este estudio, se implementaron diferentes diseños de estructuras de actuadores basados en SMA de tipo monofibra y multifibra junto con sus algoritmos de control que mejoró las actuales prestaciones de los actuadores de SMA, desde el punto de vista de frecuencia de trabajo, consumo y error en posición. Por otra parte, con las estructuras se mantuvieron las principales características del actuador como simplicidad y flexibilidad en un diseño compacto. Los resultados obtenidos fueron analizados, demostrando que la frecuencia de trabajo de los actuadores de SMA mejoró 0.1 Hz. Asimismo, la posible optimización del actuador de acuerdo con la aplicación final, para mejorar su eficiencia energética. Por otra parte, en el caso de la configuración antagonista, se duplicó el número de ciclos de funcionamiento continuo del sistema, limitado debido al calentamiento de los actuadores. Para demostrar la viabilidad de integración de los actuadores en los sistemas de rehabilitación, se diseñó e implementó un nuevo exo-traje actuado para la rehabilitación de la articulación del codo en flexión, donde se comprobaron las mejoras de la estructura del actuador multifibra frente a la estructura del actuador monofibra.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidenta: Cecilia Elisabet García Cena.- Secretaria: María Ángeles Malfaz Vázquez.- Vocal: Diego Fernando Ávila Pesante

Control avanzado para robótica asistencial y sanitaria

El contenido de los capítulos 3 y 4 están sujetos a confidencialidad. 148 p.En las últimas décadas, observando la necesidad mejorar la calidad de vida de enfermos con movilidad reducida, y los progresos obtenidos gracias a la utilización de los robots en la industria, los dispositivos robóticos han sido propuestos para aplicaciones asistenciales y sanitarias, como la rehabilitación. Los robots de rehabilitación permiten emular los ejercicios de un fisioterapeuta obteniendo tratamientos de mayor precisión y frecuencia. Asimismo, funcionan como una herramienta de medición que permite cuantificar fuerzas y/o movimientos. Y con ayuda de un interfaz gráfico, construyen un entorno de realidad virtual facilitando e incentivando el proceso de rehabilitación.Sin embargo, debido a su reciente introducción al ámbito clínico, muchas de las áreas de la robótica de rehabilitación no han sido estudiadas en profundidad, existiendo varios aspectos a mejorar. Ante esta situación, en esta tesis doctoral se ha planteado indagar en el control de dispositivos robóticos para terapias de rehabilitación.Para lograr este objetivo, la tesis se ha estructurado en tres grandes bloques. En el primero, se ha planteado una metodología de modelado cinemático y dinámico para los dispositivo robóticos de rehabilitación. Esta metodología se ha implementado y validado en el robot de rehabilitación de los miembros superiores UHP (Universal Haptic Pantograph), consiguiendo el modelo del robot necesario para el diseño de controladores avanzadosEn el segundo bloque se ha analizado la problemática de control asociada a los robots de rehabilitación, deduciendo la necesidad de implementar controles avanzados adaptados a los requerimientos particularidades de la robótica de rehabilitación. Con el fin de dar respuesta a estas necesidades, se ha propuesto un algoritmo de control dividido en dos niveles: los de nivel de tarea, que generan una referencia de fuerza o de posición dependiendo del estado de recuperación del paciente y del ejercicio seleccionado; y los de nivel de dispositivo, que siguen a la referencia generada por los de nivel de tarea generando movimientos suaves y seguros. Asimismo, con el fin de simplificar las dificultades introducidas por los sensores, el algoritmo de control diseñado se ha dotado con estimadores que permiten calcular la posición y la fuerza de contacto entre el dispositivo robótico y el usuario.Por último, en el tercer bloque de la tesis se ha diseñado e implementado una plataforma de control y ejecución, que además de permitir la ejecución en tiempo real del algoritmo de control, sirve de puente de comunicación entre el robot de rehabilitación, el usuario y el controlador. Esta plataforma de control y ejecución ha permitido realizar diferentes pruebas experimentales del algoritmo de control propuesto, lo que ha posibilitado validar su funcionamiento en diferentes escenarios

Captura de movimiento utilizando el Kinect para el control de una plataforma robótica controlada de forma remota por medio de seguimiento de los puntos de articulación del cuerpo

La apertura de mercados y la visualización de una calidad de vida más amena y accesible a todos, hace que cada día crezcan las líneas de tecnología con miras a convertirse en aliadas del ser humano para toda actividad y más si esta coloca en riesgo la preservación de la especie humana como tal. Situaciones donde se liberen gases, espacios confinados, terrenos minados y desastres naturales; es ahí donde la interacción natural entre el hombre y la máquina se hacen necesaria; se convierte el robot en una aplicación moderna para interactuar en diversas circunstancias. A lo largo del tiempo se han desarrollado métodos de captura de movimiento los cuales han sido empleados en áreas como la medicina, la educación, la seguridad entre otros. De esta manera se presenta en el mercado el sensor Kinect, dispositivo diseñado con tal propósito inicialmente, lo cual se fue diversificando a lo largo que fueron presentándose códigos abiertos para acceder y focalizar más aplicaciones con él

Efectividad de la terapia robótica en la función de la mano espástica del adulto con hemiplejía. Revisión sistémica

En este trabajo se presenta el desarrollo de una revisión sistemática, acerca del uso de la terapia robótica para el tratamiento de la mano espástica. La mano del hombre, en su complejidad, es una estructura perfectamente lógica y adaptada a sus funciones las que después de un ECV adquirido se ven francamente afectadas. Objetivo: Evaluar la efectividad de la Terapia Robótica en la función de la mano espástica del adulto con hemiplejía. Metodología: Se realizó una búsqueda sistemática de literatura científica en PubMed, registro Central Cochrane de Ensayos Clínicos Controlados – CENTRAL, LILACS, Scielo, así como, en las bibliotecas virtuales, ScienceDirect, Proquest, Springerlink, Biomed Central, Occupational Therapy Systematic Evaluation of Evidence (OTSEEKER), Physiotherapy Evidence Database (PEDro), dichas búsquedas se realizaron en el periodo comprendido entre el 24 de julio al 16 de diciembre del 2015. La calidad metodológica de los estudios se evaluó con la estrategia CONSORT (Consolidated standars of reporting trials group) versión 2010, manejado con el software Review Manager versión 5.3. la calidad metodológica de los estudios fue analizada utilizando la escala de PEDro Resultados: Se encontraron 22 estudios que cumplieron con los requisitos para el análisis cualitativo, y 12 para la realización de análisis de tipo cuantitativo. Conclusión: los estudios muestran efectividad de la terapia robótica en la intervención de la mano espástica, aunque no se evidencien estudios que muestren gran poder estadístico en relación con la efectividad de la terapia robótica frente a la terapia convencional, ni prácticas exclusivas del uso de la robótica en neurorehabilitación.This work presents the development of a systematic review about the use of robotic therapy for the treatment of the spastic hand. The hand of man, in its complexity, is a perfectly logical structure adapted to its functions, which after an acquired CVD are frankly affected. Objective: To evaluate the effectiveness of Robotic Therapy in the function of the spastic hand of the adult with hemiplegia. Methodology: A systematic search of scientific literature was performed in PubMed, the Cochrane Central Register of Controlled Clinical Trials - CENTRAL, LILACS, Scielo, as well as, in virtual libraries, ScienceDirect, Proquest, Springerlink, Biomed Central, Occupational Therapy Systematic Evaluation of Evidence (OTSEEKER), Physiotherapy Evidence Database (PEDro), these searches were carried out in the period from July 24 to December 16, 2015. The methodological quality of the studies was evaluated with the CONSORT strategy (Consolidated standards of reporting trials group ) version 2010, managed with Review Manager version 5.3 software. The methodological quality of the studies was analyzed using the PEDro scale. Results: 22 studies were found that met the requirements for qualitative analysis, and 12 for quantitative analysis. Conclusion: the studies show the effectiveness of robotic therapy in the intervention of the spastic hand, although there are no evidence of studies that show great statistical power in relation to the effectiveness of robotic therapy compared to conventional therapy, nor exclusive practices of the use of the robotics in neurorehabilitation

Utilidad del uso del robot de mano y la realidad virtual en la rehabilitación del ictus en personas mayores de 40 años: Una revisión

Introducción: El Ictus es una enfermedad cerebrovascular, siendo una de las principales causas de discapacidad grave en el adulto y de dependencia. Existen varios tipos dependiendo de la causa de la lesión que lo produce. La recuperación del mismo depende de varios factores, por ello, es necesario realizar una rehabilitación.Objetivos: El objetivo principal de esta revisión es valorar la eficacia y efectividad de la realidad virtual y la mano robótica en la rehabilitación de personas mayores de 40 años que han presentado un ictus.Metodología: Se siguió la estrategia PICO. Se realizaron búsquedas en diferentes bases de datos aplicando diversos filtros en inglés y en español. Finalmente se revisaron 13 artículos, que cumplían con los criterios de inclusión y exclusión pautados.Desarrollo: Se analizaron y clasificaron en tablas los artículos teniendo en cuenta los objetivos propuestos.Conclusiones: Tras realizar el análisis completo, los resultados obtenidos ponen en manifiesto la eficacia y efectividad de la mano robótica y la realidad virtual en la rehabilitación del Ictus, pero es necesario realizar más ensayos clínicos en un futuro.Palabras claves: "neurorehabilitación", "ictus", "terapia ocupacional", "realidad virtual", "mano robótica", "terapia de espejo", "terapia de movimiento por restricción del lado sano".<br /

Control avanzado para robótica asistencial y sanitaria

El contenido de los capítulos 3 y 4 están sujetos a confidencialidad. 148 p.En las últimas décadas, observando la necesidad mejorar la calidad de vida de enfermos con movilidad reducida, y los progresos obtenidos gracias a la utilización de los robots en la industria, los dispositivos robóticos han sido propuestos para aplicaciones asistenciales y sanitarias, como la rehabilitación. Los robots de rehabilitación permiten emular los ejercicios de un fisioterapeuta obteniendo tratamientos de mayor precisión y frecuencia. Asimismo, funcionan como una herramienta de medición que permite cuantificar fuerzas y/o movimientos. Y con ayuda de un interfaz gráfico, construyen un entorno de realidad virtual facilitando e incentivando el proceso de rehabilitación.Sin embargo, debido a su reciente introducción al ámbito clínico, muchas de las áreas de la robótica de rehabilitación no han sido estudiadas en profundidad, existiendo varios aspectos a mejorar. Ante esta situación, en esta tesis doctoral se ha planteado indagar en el control de dispositivos robóticos para terapias de rehabilitación.Para lograr este objetivo, la tesis se ha estructurado en tres grandes bloques. En el primero, se ha planteado una metodología de modelado cinemático y dinámico para los dispositivo robóticos de rehabilitación. Esta metodología se ha implementado y validado en el robot de rehabilitación de los miembros superiores UHP (Universal Haptic Pantograph), consiguiendo el modelo del robot necesario para el diseño de controladores avanzadosEn el segundo bloque se ha analizado la problemática de control asociada a los robots de rehabilitación, deduciendo la necesidad de implementar controles avanzados adaptados a los requerimientos particularidades de la robótica de rehabilitación. Con el fin de dar respuesta a estas necesidades, se ha propuesto un algoritmo de control dividido en dos niveles: los de nivel de tarea, que generan una referencia de fuerza o de posición dependiendo del estado de recuperación del paciente y del ejercicio seleccionado; y los de nivel de dispositivo, que siguen a la referencia generada por los de nivel de tarea generando movimientos suaves y seguros. Asimismo, con el fin de simplificar las dificultades introducidas por los sensores, el algoritmo de control diseñado se ha dotado con estimadores que permiten calcular la posición y la fuerza de contacto entre el dispositivo robótico y el usuario.Por último, en el tercer bloque de la tesis se ha diseñado e implementado una plataforma de control y ejecución, que además de permitir la ejecución en tiempo real del algoritmo de control, sirve de puente de comunicación entre el robot de rehabilitación, el usuario y el controlador. Esta plataforma de control y ejecución ha permitido realizar diferentes pruebas experimentales del algoritmo de control propuesto, lo que ha posibilitado validar su funcionamiento en diferentes escenarios

Estudio y análisis de diferentes actuadores basados en SMA

La aleación de memoria de forma o shape memory alloy (SMA) es una aleación capaz de recordar su memoria de forma después de realizar una deformación aparentemente plástica gracias a un calentamiento sobre su superficie, la más destacada es la aleación de níquel y titanio. Pueden utilizarse como alternativa a los actuadores convencionales gracias a las siguientes características: peso bajo (permite realizar grandes fuerzas con cierta limitación), pequeño tamaño, coste económico menor y actuación sin ruido. El principal problema es su comportamiento no lineal teniendo un difícil control. El objetivo de este trabajo es la realización de un banco de pruebas para actuadores basados en SMA, la realización de experimentos y su análisis mediante comparaciones. Para obtener una eficiencia óptima se ha realizado el estudio de actuadores basados en SMA con diferentes características y configuraciones frente a diferentes señales de referencia, y en función de sus características desplazará ciertas cargas manteniendo los mismos parámetros de control. Se ha realizado el diseño, fabricación y montaje de un banco de pruebas para actuadores basados en SMA donde se llevarán a cabo todos nuestros experimentos cumpliendo las siguientes especificaciones: conectar hasta 4 actuadores simultáneamente, longitudes hasta 1,2m, pesos hasta 10 kg., realizar múltiples configuraciones como puede ser añadir un ventilador, una fácil conexión, y donde se pueden implementar, probar y analizar diferentes algoritmos de control. Para su diseño se ha utilizado el software SolidEdge®. Las pruebas han sido realizadas con diferentes hilos de SMA variando: dimensiones, diámetros, número de hilos, fundas y la temperatura de activación. Entre las configuraciones que modifican su comportamiento destacan la funda Bowden y la ventilación. Para llevar a cabo los experimentos y su análisis nos ayudamos del software Matlab Simulink® junto a la programación anteriormente realizada por el grupo de investigación RoboticsLab de la UC3M. Finalmente, se analizan los resultados sacando las conclusiones pertinentes para un comportamiento óptimo en función de los diferentes actuadores y configuraciones. Se recomienda el uso de actuadores basados en SMA de alta temperatura de activación (90°C), y si hubiera que añadir alguna configuración se añadiría la funda Bowden.Ingeniería Electrónica Industrial y Automátic

Desarrollo de controladores modulares de posición/fuerza basados en ROS2 para robots paralelos de rehabilitación de miembro inferior

[ES] Con el presente trabajo se pretende llevar a cabo el desarrollo de controladores usando una arquitectura modular basada en software libre de código abierto. Para ello en la controladora se ejecutará el sistema operativo Linux. Además, se utilizará el middleware de robótica ROS2, el cual corresponde a la nueva generación del middleware ROS, en creciente expansión entre los fabricantes de robots. En esta nueva generación se han mejorado aspectos del ROS originales relacionados con la implementación en tiempo real, el asegurar calidad de servicio cuando se trabaja con redes no ideales y que se use ROS para aplicaciones comerciales. En la arquitectura hardware de control dispondrá de las tarjetas de adquisición de datos industriales para medir las variables de estado del robot (posición de las articulaciones activas, fuerzas y pares ejercidos por el elemento terminal del robot), y de los convertidores digital/analógico para proporcionar las acciones de control a los motores eléctricos de la unidad mecánica del robot. Además, de los sensores de posición y fuerza, en el entorno del robot de rehabilitación se dispone de un sistema de cámaras mediante el sistema Optitrack que permite determinar la posición y orientación de la plataforma. La información proporcionada por este sistema se usará para la detección de puntos singulares durante el movimiento de la plataforma y se integrará con el sistema de control para poder evitarlos.[EN] The objective of this project is the development of position and force controllers for rehabilitation parallel robots, which have 3 and 4 degrees of freedom. Firstly, the software ROS2 has been selected due to the modular programming it provides and because it has been designed to meet real time requirements. The modularity has made that once the position controllers have been validated, external control loops have been easily incorporated. These external control loops include a controller to escape from singularities thanks to feedback from OptiTrack and force controllers. After that, a web based graphical interface has been developed and finally, position controllers based on deep reinforcement learning algorithms have been implemented.Ferrándiz Alarcón, J. (2021). Desarrollo de controladores modulares de posición/fuerza basados en ROS2 para robots paralelos de rehabilitación de miembro inferior. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/174980TFG