Desarrollo de un exoesqueleto robótico para rehabilitación y asistencia del movimiento de pronosupinación de la muñeca

Alrededor de 80 millones de personas en la Unión Europea, aproximadamente un sexto de la población, sufre algún tipo de discapacidad. Según el artículo 9 de la Convención de las Naciones Unidas sobre los derechos de las personas con discapacidad firmado en 2010, la accesibilidad es un derecho básico para todas las personas discapacitadas. El propósito de esta accesibilidad no es otro que el de ofrecer independencia a las personas discapacitadas para poder participar en todos los aspectos de la vida. Actualmente, existe la ambición por parte de la comunidad científica de desarrollar una interfaz hombre-máquina capaz de adaptarse a las necesidades del usuario, según su grado de discapacidad, para permitirle llevar a cabo actividades de la vida diaria, así como dispositivos que les asistan en la realización de dichas actividades. En el presente trabajo de fin de máster se describe el proceso de desarrollo de un exoesqueleto robótico para facilitar el movimiento de pronación y supinación de la muñeca en tareas de rehabilitación y asistencia, con el fin de permitir al usuario realizar las actividades de la vida diaria. Dicho dispositivo introduce un GDL adicional a un exoesqueleto de brazo de 4 GDL dentro del marco del proyecto europeo AIDE (Adaptive Multimodal Interfaces to Assist Disabled People in Daily Activities)

Hybrid brain/neural interface and autonomous vision-guided whole-arm exoskeleton control to perform activities of daily living (ADLs)

[EN] Background The aging of the population and the progressive increase of life expectancy in developed countries is leading to a high incidence of age-related cerebrovascular diseases, which affect people's motor and cognitive capabilities and might result in the loss of arm and hand functions. Such conditions have a detrimental impact on people's quality of life. Assistive robots have been developed to help people with motor or cognitive disabilities to perform activities of daily living (ADLs) independently. Most of the robotic systems for assisting on ADLs proposed in the state of the art are mainly external manipulators and exoskeletal devices. The main objective of this study is to compare the performance of an hybrid EEG/EOG interface to perform ADLs when the user is controlling an exoskeleton rather than using an external manipulator. Methods Ten impaired participants (5 males and 5 females, mean age 52 +/- 16 years) were instructed to use both systems to perform a drinking task and a pouring task comprising multiple subtasks. For each device, two modes of operation were studied: synchronous mode (the user received a visual cue indicating the sub-tasks to be performed at each time) and asynchronous mode (the user started and finished each of the sub-tasks independently). Fluent control was assumed when the time for successful initializations ranged below 3 s and a reliable control in case it remained below 5 s. NASA-TLX questionnaire was used to evaluate the task workload. For the trials involving the use of the exoskeleton, a custom Likert-Scale questionnaire was used to evaluate the user's experience in terms of perceived comfort, safety, and reliability. Results All participants were able to control both systems fluently and reliably. However, results suggest better performances of the exoskeleton over the external manipulator (75% successful initializations remain below 3 s in case of the exoskeleton and bellow 5s in case of the external manipulator). Conclusions Although the results of our study in terms of fluency and reliability of EEG control suggest better performances of the exoskeleton over the external manipulator, such results cannot be considered conclusive, due to the heterogeneity of the population under test and the relatively limited number of participants.This study was funded by the European Commission under the project AIDE (G.A. no: 645322), Spanish Ministry of Science and Innovation, through the projects PID2019-108310RB-I00 and PLEC2022-009424 and by the Ministry of Universities and European Union, "fnanced by European Union-Next Generation EU" through Margarita Salas grant for the training of young doctors.Catalán, JM.; Trigili, E.; Nann, M.; Blanco-Ivorra, A.; Lauretti, C.; Cordella, F.; Ivorra, E.... (2023). Hybrid brain/neural interface and autonomous vision-guided whole-arm exoskeleton control to perform activities of daily living (ADLs). Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 20(1):1-16. https://doi.org/10.1186/s12984-023-01185-w11620

ExoEpi: ankle exoskeleton for emergency personnel assistance

[Resumen] El objetivo principal del proyecto ExoEpi es desarrollar un equipo de protección individual de calzado para actividades de emergencia de larga duración, que incorpore un exoesqueleto integrado que ayude al usuario a desarrollar los movimientos de la marcha disminuyendo su fatiga y potenciando su rendimiento. En este trabajo se presenta el diseño, control y evaluación del exoesqueleto desarrollado. El dispositivo consta de un motor eléctrico y un sistema biela-manivela que permite ser anclado al calzado de seguridad. Asimismo, el sistema dispone de sensores inerciales que permiten detectar diferentes fases de la marcha con el fin de aportar asistencia en las fases de mayor esfuerzo. Finalmente, se ha realizado una evaluación del dispositivo tomando medidas de consumo de oxígeno para estimar la fatiga cuando se emplea el exoesqueleto en modo activo y en modo pasivo. Los resultados sugieren que la fatiga de los participantes disminuye cuando el exoesqueleto se encuentra en modo activo.[Abstract] The main objective of the ExoEpi project is to develop personal protective footwear for long-duration emergency response activities that incorporates an integrated exoskeleton to help the user develop gait patterns that reduce fatigue and improve performance. This work presents the design, control, and evaluation of the developed exoskeleton. The device consists of an electric motor and a crank system that allows it to be attached to safety shoes. In addition, the system has inertial sensors that allow the detection of different gait phases to support the phases of greater effort. Finally, the ExoEpi device was evaluated using oxygen consumption measurements to estimate fatigue when the exoskeleton is used in active and passive modes. The results suggest that fatigue decreases when the exoskeleton is in active mode.Generalitat Valenciana; INNEST/2021/29Ministerio de Universidades; FPU20/0513

Design of a hybrid actuator for aquatic rehabilitation

[Resumen] Muchos trastornos motores pueden provocar discapacidades crónicas limitando la calidad de vida de quienes las padecen. La robótica de rehabilitación ha demostrado ser eficaz como complemento a la terapia convencional, aunque muchos de los individuos que sufren estas enfermedades a menudo son excluidos de este tipo de terapias. El proyecto SPLASH pretende investigar un nuevo paradigma de rehabilitación que combine la rehabilitación robótica y la terapia acuática, lo que ha llevado al desarrollo de actuadores híbridos acuáticos. El proyecto NOHA profundiza en el estudio de estos sistemas para elaborar una prueba de concepto. En este artículo se resume el proceso de diseño de un actuador híbrido acuático, particularizando su aplicación en un dispositivo robótico de miembro superior. En primer lugar, se plantean las ecuaciones que modelizan el comportamiento del sistema. A continuación, se establecen los requisitos de diseñoo, se presenta un diseño conceptual y se seleccionan los componentes a utilizar. Por último, se proponen líneas de trabajo futuro en el desarrollo de este dispositivo.[Abstract] Many motor disorders can cause chronic disabilities that limit the quality of life of people who suffer from them. Rehabilitation robotics has proven to be effective in combination with conventional therapy, although many patients suffering from these conditions are often excluded from such therapies. The SPLASH project aims to investigate a new rehabilitation paradigm combining robotic rehabilitation and aquatic therapy, which has led to the development of new aquatic hybrid actuators. The NOHA project is further studying these systems to develop a proof of concept. This paper summarizes the design process of an aquatic hybrid actuator, with particular reference to its application in an upper-limb robotic device. First, the equations that model the behavior of the system are presented. Next, the design requirements are established, a conceptual design is presented and the components to be used are selected. Finally, lines of future work in the development of this device are proposed.Universidad Miguel Hernández; 2022/PER/00002Ministerio de Universidades; FPU20/05137Generalitat Valenciana; INNEST/2021/29Generalitat Valenciana; APOTIP/2021/02

Sistema robótico multimodal de miembro superior para interacción con entornos físicos

[Resumen] Este artículo describe el diseño de un sistema robótico multimodal enfocado a proporcionar a personas con movilidad reducida, la capacidades de interaccionar con objetos reales. Con este sistema se pretende cubrir todo el proceso de interacción, desde la selección del objeto con el que se quiere interactuar, pasando por alcanzar y agarrarlo, hasta volver a dejar el objeto. El sistema se compone de un robot diseñado para rehabilitación de miembro superior, de un exoesqueleto de mano, un sistema de seguimiento de mirada, un dispositivo de seguimiento de objetos, y un sistema de detección de intención de movimiento. Con este propósito, en este artículo se presenta la arquitectura del sistema, especificando los elementos particulares que serán utilizados en un escenario experimental para comprobar la viabilidad del sistema.Este trabajo ha sido financiado por la Comisión Europea (ICT-22-2014: Multimodal and Natural computer interaction) a través del proyecto AIDE: ”Adaptive Multimodal Interfaces to Assist Disabled People in Daily Activities” (Grant agreement no: 645322); y por el Ministerio de Economía y Competitividad a través del proyecto DPI2015-70415-C2-2-Rhttps://doi.org/10.17979/spudc.978849749808

Evaluation of Alternating Current in the Measurement of Galvanic Skin Response (GSR)

[Resumen] Las terapias de rehabilitación asistidas por robot consiguen aumentar la motivación del paciente y la intensidad del ejercicio. Para ello, uno de los métodos con resultados muy prometedores es el uso de algoritmos de adaptación de la dificultad. Estos algoritmos se basan normalmente en parámetros de rendimiento del juego. Sin embargo, considerar el estado anímico del paciente podr´ıa mejorar la toma de decisiones en este tipo de estrategias. Una de las señales fisiológicas más utilizadas para la estimación del estado del paciente es el GSR. Los sensores de GSR utilizan corriente continua para realizar la medida de la conductancia de la piel. En este artículo, se propone el uso de corriente alterna a la hora de medir la conductancia de la piel. Este tipo de corriente puede aportar más información puesto que es capaz de penetrar a mayor profundidad en la piel del usuario. En este estudio se ha diseñado y evaluado un sensor de GSR de corriente continua y alterna para la estimación del estado del paciente durante un juego de rehabilitación con diferentes niveles de dificultad.Comunitat Valenciana; ACIF/2018/214Comunitat Valenciana; APOTIP/2020/014Comunitat Valenciana; APOTIP/2021/022Este estudio ha sido subvencionado por la Conselleria de Educación, Cultura y Deporte de la Generalitat Valenciana (GVA), a través de la ayuda ACIF/2018/214, de la ayuda APOTIP/2020/014 y de la ayuda APOTIP/2021/022 y por el Ministerio de Ciencia e Innovación, perteneciente a la Agencia Estatal de Investigación (AEI), a través del proyecto PID2019-108310RB-I00/AEI/10.13039/ 501100011033https://doi.org/10.17979/spudc.978849749804

Diseño de un sensor óptico de fuerza para exoesqueleto de mano

[Resumen] En este trabajo se presenta el diseño preliminar de un sensor de fuerza integrable en un dispositivo de rehabilitación y asistencia de la mano de tipo exoesqueleto. Como alternativa a las tradicionales células de carga, cuya miniaturización es económicamente costosa, se plantea el uso de un sistema óptico similar a los utilizados en micrometría. Para ello se diseña un tren de elementos ópticos que es sensible a pequeñas deformaciones del elementos estructural que los soporta, traduciendo desviaciones del orden de décimas de milímetro en variaciones milimétricas de la proyección de un haz de luz. En este artículo se plantea la integración del sensor en un exoesqueleto de mano, se detalla el modelado del sistema óptico utilizado para el dimensionamiento de los elementos y finalmente se exponen los resultados de las pruebas de concepto realizadas con un primer prototipo.Ministerio de Economía y Competitividad; DPI2015-70415-C2-2-RGeneralitat Valenciana.Conselleria d'Educació, Cultura i Esport; ACIF 2016/216 GeneralitatGeneralitat Valenciana.Conselleria d'Educació, Cultura i Esport; APOTIP 2016/02

Hybrid brain/neural interface and autonomous vision-guided whole-arm exoskeleton control to perform activities of daily living (ADLs)

Abstract Background The aging of the population and the progressive increase of life expectancy in developed countries is leading to a high incidence of age-related cerebrovascular diseases, which affect people’s motor and cognitive capabilities and might result in the loss of arm and hand functions. Such conditions have a detrimental impact on people’s quality of life. Assistive robots have been developed to help people with motor or cognitive disabilities to perform activities of daily living (ADLs) independently. Most of the robotic systems for assisting on ADLs proposed in the state of the art are mainly external manipulators and exoskeletal devices. The main objective of this study is to compare the performance of an hybrid EEG/EOG interface to perform ADLs when the user is controlling an exoskeleton rather than using an external manipulator. Methods Ten impaired participants (5 males and 5 females, mean age 52 ± 16 years) were instructed to use both systems to perform a drinking task and a pouring task comprising multiple subtasks. For each device, two modes of operation were studied: synchronous mode (the user received a visual cue indicating the sub-tasks to be performed at each time) and asynchronous mode (the user started and finished each of the sub-tasks independently). Fluent control was assumed when the time for successful initializations ranged below 3 s and a reliable control in case it remained below 5 s. NASA-TLX questionnaire was used to evaluate the task workload. For the trials involving the use of the exoskeleton, a custom Likert-Scale questionnaire was used to evaluate the user’s experience in terms of perceived comfort, safety, and reliability. Results All participants were able to control both systems fluently and reliably. However, results suggest better performances of the exoskeleton over the external manipulator (75% successful initializations remain below 3 s in case of the exoskeleton and bellow 5s in case of the external manipulator). Conclusions Although the results of our study in terms of fluency and reliability of EEG control suggest better performances of the exoskeleton over the external manipulator, such results cannot be considered conclusive, due to the heterogeneity of the population under test and the relatively limited number of participants

Intelligent system for the assessment of joint movements in motor and cognitive rehabilitation based on wearables with applications to telerehabilitation services

[Resumen] En este artículo se propone un novedoso sistema de medición y evaluación de la calidad de los gestos de las extremidades superiores. Mediante tres dispositivos llevables se estiman los movimientos de las articulaciones y posteriormente un modelo OIESGP clasifica el gesto que el sujeto está ejecutando. Entonces, la combinación de la predicción del modelo con la medición de la distancia DTW mejora la valoración de los movimientos articulares, pudiendo decidir la calidad del gesto realizado. En este artículo, se muestran los resultados de la evaluación del movimiento del miembro superior con un sujeto sano y dos pacientes con accidente cerebrovascular. Los resultados demuestran que la fusión del modelo de predicción, con cinco movimientos articulares, y la distancia DTW ofrece un sistema inteligente para evaluar la calidad de un movimiento ejecutado, teniendo en cuenta cada variable de forma independiente. Al final del artículo, se muestra el estado actual del proyecto de valorización de la patente P202130072 que protege el sistema anteriormente comentado.[Abstract] This article proposes a novel measurement and evaluation system of the quality of the gestures of the upper extremities. Through three wearable devices, the movements of the joints are estimated and subsequently an OIESGP model classifies the gesture that the subject is executing. Then, the combination of the model prediction with the DTW distance measurement improves the assessment of joint movements, being able to decide the quality of the gesture performed. In this article, the results of upper limb motion assessment with a healthy subject and two stroke patients are shown. The results demonstrate that the fusion of the prediction model, with five joint movements, and the DTW distance offers an intelligent system to evaluate the quality of an executed movement, taking into account each variable independently. At the end of the article, the current status of the patent P202130072 appraisal project that protects the aforementioned system is shown.Agencia Valenciana de Innovación; INNVA1/2021/7

Jornadas Nacionales de Robótica y Bioingeniería 2023: Libro de actas

Las Jornadas de Robótica y Bioingeniería de 2023 tienen lugar en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la Universidad Politécnica de IVIadrid, entre los días 14 y 16 de junio de 2023. En este evento propiciado por el Comité Español de Automática (CEA) tiene lugar la celebración conjunta de las XII Jornadas Nacionales de Robótica y el XIV Simposio CEA de Bioingeniería. Las Jornadas Nacionales de Robótica es un evento promovido por el Grupo Temático de Robótica (GTRob) de CEA para dar visibilidad y mostrar las actividades desarrolladas en el ámbito de la investigación y transferencia tecnológica en robótica. Asimismo, el propósito de Simposio de Bioingeniería, que cumple ahora su decimocuarta dicción, es el de proporcionar un espacio de encuentro entre investigadores, desabolladores, personal clínico, alumnos, industriales, profesionales en general e incluso usuarios que realicen su actividad en el ámbito de la bioingeniería. Estos eventos se han celebrado de forma conjunta en la anualidad 2023. Esto ha permitido aunar y congregar un elevado número de participantes tanto de la temática robótica como de bioingeniería (investigadores, profesores, desabolladores y profesionales en general), que ha posibilitado establecer puntos de encuentro, sinergias y colaboraciones entre ambos. El programa de las jornadas aúna comunicaciones científicas de los últimos resultados de investigación obtenidos, por los grupos a nivel español más representativos dentro de la temática de robótica y bioingeniería, así como mesas redondas y conferencias en las que se debatirán los temas de mayor interés en la actualidad. En relación con las comunicaciones científicas presentadas al evento, se ha recibido un total de 46 ponencias, lo que sin duda alguna refleja el alto interés de la comunidad científica en las Jornadas de Robótica y Bioingeniería. Estos trabajos serán expuestos y presentados a lo largo de un total de 10 sesiones, distribuidas durante los diferentes días de las Jornadas. Las temáticas de los trabajos cubren los principales retos científicos relacionados con la robótica y la bioingeniería: robótica aérea, submarina, terrestre, percepción del entorno, manipulación, robótica social, robótica médica, teleoperación, procesamiento de señales biológicos, neurorehabilitación etc. Confiamos, y estamos seguros de ello, que el desarrollo de las jornadas sea completamente productivo no solo para los participantes en las Jornadas que podrán establecer nuevos lazos y relaciones fructíferas entre los diferentes grupos, sino también aquellos investigadores que no hayan podido asistir. Este documento que integra y recoge todas las comunicaciones científicas permitirá un análisis más detallado de cada una de las mismas