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ESTADO DEL ARTE BIOINGENIERIA: EXOESQUELETOS Christian Abel Espejo Quezada Ingeniería Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana
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Resumen—En el presente trabajo se presenta una revisión bibliográfica de los exoesqueletos robóticos ( como su nombre lo dice esqueletos externos) aplicados para potenciar las capacidades humanas en el caso de uso militar, ademas para rehabilitación y sobre todo para ayudar a personas con discapacidades en extremidades tanto superiores como inferiores. Se prestara mayor atención a la parte electrónica de estos dispositivos. Index Terms—Electromiografía, Bioingeniería, Exoesqueletos, Robótica, Háptico, Control, Anatomía„ Articulaciones, Falanges.
I.
I NTRODUCCIÓN .
En las ultimas décadas el avance de la tecnología se esta dando a pasos agigantados, lo que consideramos de ultima tecnología el día de hoy en pocas semanas puede considerarse tecnológicamente antiguo. Gracias a este avance de la tecnología ha sido posible que esta este inmersa en diferentes campos como el militar, medico, entretenimiento, e.t.c. La medicina ha sido uno de las beneficiaras mas grandes, con la aparición de herramientas que facilitan los trabajos que realizan los médicos y tambien ayudan a la rehabilitación de pacientes. De aquí sale la Bioingeniería que es una ciencia joven pero con grandes avances. Una aplicación de la bioingeniería que se esta desarrollando mucho en estos últimos meses son los exoesqueletos. Los exoesqueletos son dispositivos que se usan como si fuera un traje, y este puede ayudar a potenciar la capacidades de una persona, por ejemplo en el campo militar se esta creando exoesqueletos que ayudan al soldado a llevar cantidades grandes de peso sin la necesidad de esfuerzo. Pero por otro lado existen exoesqueletos que son usados para ayudar a personas con discapacidades y personas que necesitan rehabilitación. Si bien hay exoesqueletos para las extremidades superiores, los exoesqueletos para las extremidades inferiores son los que mas se están desarrollando, en especial para ayudar a personas que por diferentes razones no pueden caminar y dependen de una silla de ruedas para poder movilizarse, con estos dispositivos se da la oportunidad que una persona invalida o adultos mayores que están imposibilitados para caminar lo puedan volver a hacer. II.
ROBÓTICA Y T ELEASISTENCIA .
La robótica es una rama de la tecnología que ha sido utilizada para automatizar máquinas, haciendo que estas tengan inteligencia aplicada, las máquinas robóticas son utilizadas en
la industria para mejorar la producción, y tambien para realizar actividades que no son posibles que las realice un a persona.[1] La robótica combina diversas disciplinas como son el control, la electronica, la programación , la mecánica para todos los componentes, etc. Las aplicaciones de la robótica son innumerables, como se dijo anteriormente es utilizada en la industria, hogar, en exploraciones a otros planetas, medicina.[12] La Teleasistencia reúne tecnologías para poder realizar el cuidado y la asistencia a distancia de la salud de pacientes, por ejemplo hay implementos que permiten la monitorización de signos vitales de un paciente, diagnósticos por video conferencia, etc. Ademas existen equipos que se están desarrollando para poder realizar operaciones sin estar presente en la sala. El especialista tendrá un contacto visual y auditiva mediante una pantalla, entonces dará ordenes a un robot que se encuentra en la sala de operaciones. Este tipo de tecnologías se están probando en países desarrollados.[1]
Figura 1.
Teleasistencia médica.[2]
III.
S EÑALES E LECTROMIOGRÁFICAS .
Las señales electromiográficas son de naturaleza eléctrica y se producen cuando existe contracción o distensión en los músculos esqueléticos.[5] Es de gran interés identificar los músculos que actúan cuando se realiza un movimiento específico, con la ayuda de la señal electromiográfica, es de gran interés “relacionar las características eléctricas de la señal electromiográfica,
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con la fuerza o el momento que causa el músculo sobre la articulación”. [6]
Figura 2.
se puede tener una mejor experiencia virtual. Este tipo de dispositivos son muy utilizados por galenos e investigadores especializados en reconstrucción de rostros a partir de un cráneo.
Señales Electromiográficas.[6] Figura 3.
IV.
Exoesqueleto para discapacitados
A PLICACIÓN DE LA ROBÓTICA EN D ISCAPACIDADES .
Durante los años 70 se dan las primeras aplicaciones de robótica para ayudar a las discapacidades. Se construyeron elementos prostéticos1 y ortéticos2 .[3] En la actualidad ha un sinfín de aplicaciones de la robótica para ayudar en discapacidades, por ejemplo para la rehabilitación del codo, dedos„ rodillas. Pero tambien existen aplicaciones como los exoesqueletos de los cuales hablaremos a continuación.[4] V.
E XOESQUELETO .
Podemos decir que un exoesqueleto es una especie de traje robótico que puede ser utilizado por una persona, el exoesqueleto tiene la capacidad de intercambiar información, humano-maquina.[7]El intercambio de las señales se da mediante sensores que en muchos casos no son invasivos, esto quiere decir que no afectan a la persona, las señales medidas son electromiográficas, y se las detecta con el fin de predecir la intensión de movimiento que tendrá la persona que usa el traje.[8] El exoesqueleto esta compuesto de partes mecánicas y electrónicas. Para poder realizar un exoesqueleto se necesita de un estudio primero sabiendo para que tipo de discapacidad o de objetivo será aplicado. Los exoesqueletos son dispositivos de tipo órtesis, quiere decir que es un apoyo externo aplicado a un cuerpo para modificar distintos aspectos.[9] Los exoesqueletos pueden ser activos o pasivos, los activos son usados en exoesqueletos militares (aumento de fuerza) y para discantados en cambio los pasivos se utilizan para telepresencia.[10], [11] También podemos encontrar exoesqueletos que son implementados como dispositivos hápticos, estos sirven para interactuar con entornos virtuales. Simulan texturas, formas, etc, de los elementos que el usuario opera, de esta manera 1 prótesis es una extensión artificial que reemplaza una parte del cuerpo que no existe 2 órtesis son definidas por la ISO como un apoyo u otro dispositivo externo aplicado al cuerpo para modificar los aspectos funcionales o estructurales del sistema
V-A.
HAL.
El nombre HAL quieres decir hybrid assistive limb, este es un exoesqueleto motorizado que se acopla al cuerpo, ayudando a la persona a moverse sin ningún esfuerzo, este traje como se puede ver en la figura 4 es para todo el cuerpo no se limita a un solo tipo de extremidades. Este exoesqueleto cuenta con sensores que ayudan a detectar las señales nerviosas que envía el cerebro a los músculos y de esta manera se anticipa al movimiento que el usuario va a realizar. [13] HAL fue diseñado por la compañía japonesa Cyberdyne.
Figura 4.
V-B.
Exoesqueleto HAL
Lokomat.
Es un exoesqueleto basado en tecnología DGO, (driven gate ortosis o de conducción de la ortosis), es capaz de imitar el
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caminar fisiológico del usuario, a diferencia del HAL este exoesqueletos se acopla solamente a las extremidades inferiores. El tronco del usuario se queda suspendido mientras el exoesqueleto reproduce un caminar normalizado. Es utilizado principalmente para rehabilitación de pacientes con problemas en sus extremidades inferiores.[14] Fue diseñado por un ingeniero eléctrico Grey Colombo y se desarrollo en Suiza gracias al hospital universitario Balgrist.
VI.
C ONCLUSIONES .
Los exoesqueletos son trajes robotizados que en un principio fueron creados para fines militares (mejorar fuerza, rapidez), hace unos pocos años simplemente podíamos ver este tipo de tecnología en películas como iron-man, y en videojuegos como crysis en donde estos trajes son utilizados para brindar capacidades que un humano por si solo no las podría realizar. En la actualidad los exoesqueletos están siendo usados y desarrollados dentro del campo de la medicina para mejorar las condiciones de vida humana en especial para personas que sufren de discapacidades en sus extremidades superiores o inferiores.Estos implementos brindad la posibilidad de volver a caminar por ejemplo a personas que dependían de una silla de ruedas R EFERENCIAS [1] [2]
Figura 5.
Exoesqueleto Lokomat
[3] [4]
V-C. Rewalk. El Rewalk es un exoesqueleto desarrollado para ayudar a personas con parálisis en las extremidades inferiores (piernas) Al igual que el HAL cuenta con sensores, estoas mandan señales al procesador que esta ubicado en la espalda. Gracias a este exoesqueleto las personas que usan silla de ruedas pueden volver a caminar.[15] Desarrollado por la empresa israelita ARGO Medical Technologies. Podemos ver el exoesqueleto en la figura 3. V-D. Rex. Exoesqueleto desarrollado en Nueva Zelanda, por la empresa Rex Bionics. Este exoesqueleto usa baterias y tiene una dependencia de 2 horas sin interrupción. Es operado a través de un joystick. Tiene una limitación ya que solo puede ser usado en superficies estables y firmes, no en de texturas accidentadas por ejemplo en nieve o terrenos pedregosos. Al igual que Rex fue diseñado para personas co parálisis en la piernas.[16]
[5]
[6] [7]
[8]
[9] [10] [11]
[12] [13] [14] [15] [16] Figura 6.
Exoesqueleto Rex
D. Miguel Carballeda, “Tecnologías con Sentido”, presentado en II Congreso Domótica y Teleasistencia para Todos, España, 2007. iRobot Corporation, “Robot de teleasistencia medica”, 2012. [Online]. Available: http://global.irobot.com/ Casals. Alicia, “Robótica y Personas con discapacidad”. ZERBITZUAN, no. 37, 1999. [Online]. Available: http://www.zerbitzuan.net/documentos/zerbitzuan/ZERBITZUAN %2037.pdf Lasso M. I. and Masso D. M., “Exoesqueleto para reeducación muscular en pacientes con IMOC tipo diplejía espástica moderna ”, Engineer thesis, Universidad del Cauca, Colombia 2010. SODERBERG G. L., and others, Selected Topics in Surface Electromyography for use in the Occupational Setting: Expert Perspectives, U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service Centers for Disease Control National Institute for Occupational Safety and Health, March 1992. Monroy C. Diego, “Diseño e implementación de un exoesqueleto para asistencia mecánica en el movimiento de flexión y extensión del codo ”, Engineer thesis, Universidad Nueva Granada, Colombia 2008. ROSEN J., BRAND M., FUCHS M., and ARCAN M., A MyosignalBased Powered Exoskeleton System, IEEE Transactions on System Man and Cybernetics - Part A: Systems and Humans, Vol. 31, No. 3, pp. 210 - 222, May 2001. CHEEIN F. A., CARELLI R., FERREIRA A., WANDERLY C.C., y otros, Desarrollo de Interfaces para Personas con Discapacidad Basadas en Señales EMG Y EEG, Universidad Nacional de San Juan, Instituto de Automática, San Juan, Argentina, Universidade Federal do Espírito Santo, Departamento de Engenharia Elétrica, Vitória, Brasil. GONZALES R, Rehabilitación Médica. España: Masson, 1997, ISBN 8445804839 pp. 63-68. KIGUCHI K., TANAKA T., and FUKUDA T., Neuro-Fuzzy Control of a Robotic Exoskeleton With EMG Signals, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Vol. 12, No. 4, August 2004. ROSEN J., BRAND M., FUCHS M., and ARCAN M., A MyosignalBased Powered Exoskeleton System, IEEE Transactions on System Man and Cybernetics - Part A: Systems and Humans, Vol. 31, No. 3, pp. 210 - 222, May 2001. [Online]. Available: < http://brl.ee.washington.edu/Research_Active/Exoskeleton/Project_02/Project_02.h tml > B. Antonio, “Fundamentos de Robótica”, España: Editorial McGrawHill, 1997. Sira, “El robot traje HAL se comercializa en Japón”, 2009. [Online]. Available: http://www.tecnologiablog.com/post/406/el-robot-trajehal-ya-se- comercializa “Robot Lokomat”, 2008. [Online]. Available: http://www.roboticspot.com/robots.php?id=58. Isla Cristina, “ReWalk, la robótica que permite andar a paralíticos”, 2008. [Online]. Available: http://www.islacristinadigital.com/?id=0501001&n=135. A. Serna. “Rex, un exoesqueleto que le dice adiós a las sillas de ruedas”, 2010. [Online]. Available: http://www.fayerwayer.com/2010/07/rex-unexoesqueleto-que-le-dice-adios-a-las-sillas-de-ruedas/all-comments/.
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Christian Abel Espejo Quezada , nacio en CuencaEcuador, en 1990. Recibio el título de bachiller en Instalaciones Equipos y Maquinas Electricas en el colegio Tecnico Salesiano en el 2008. Actualmente sus estudios superiores los realiza en la Universidad Politécnica Salesiana en la especialidad de Ingeniería Eléctrica..
