Variable-stiffness joints with embedded force sensor for high-performance wearable gait exoskeletons

El creciente campo de exoesqueletos y dispositivos portatiles de asistencia al caminado y rehabilitacion ha avanzado considerablemente en los ultimos anos. Hoy en dia, el uso actual de los dispositivos comerciales se centra en la rehabilitacion de lesionados medulares en el hospital, sin embargo, el proposito retador de esta tecnologia: proporcionar asistencia a la marcha en las actividades de la vida diaria al amplio grupo de trastornos neurologicos que afectan al caminar y el equilibrio. Un numero de dificultades hacen que este objetivo un desafio, para nombrar unos pocos: (1) El caracter degenerativa de la mayoria de los trastornos neurologicos y la muy compleja sintomatologia asociada a la enfermedad requiere un exoesqueleto inteligente capaz de autoadaptarse a la patologia; (2) La asistencia a las actividades de la vida diaria requiere un exoesqueleto de marcha para su uso particular, siempre con la autonomia energetica para -al menos- un viaje. Las razones por las que los dispositivos comerciales actuales no se acercan a esta capacidad son en su mayoria relacionados con el enfoque de la naturaleza y el control de los sistemas de actuacion articular. En la actualidad, los dispositivos comerciales presentan articulaciones con actuadores rigidos que no permiten adaptarse a entornos impredecibles. Estos actuadores pueden consumir mas energia y pueden no ser apropiados para la interaccion hombremaquina. Actuadores adaptables estan siendo disenados e implementados debido a su capacidad para reducir al minimo las fuerzas debido a choques, por su capacidad de interactuar de forma segura con el usuario, asi como su capacidad para almacenar y liberar energia en elementos elasticos. Muchos estudios basados en simulaciones han evaluado los beneficios de incorporar articulaciones adaptables en los exoesqueletos. Movimientos espasmodicos y espasticidad son comunes entre los pacientes con deficiencias motoras; y debido a estos estudios actuadores adaptables pueden absorber eficientemente estas perturbaciones y mejorar el control de las articulaciones. Este trabajo doctoral apunta a avanzar mas alla del estado del arte en sistemas de actuacion articular para exoesqueletos de marcha con los propositos de: permitir la adaptabilidad de las articulaciones a distintas sintomatologias y mejoras en la eficiencia energetica, asi como brindar mayor adaptabilidad durante el caminado. Mediante el analisis de la biomecanica de la locomocion, se han identificado y analizado las caracteristicas y requerimientos de las principales articulaciones involucradas en el ciclo de locomocion dinamica. Este trabajo doctoral presenta el diseno y desarrollo de dos novedosos actuadores adaptables que cumplen con los requisitos para la actuacion de las articulaciones de exoesqueletos. La caracteristica principal de los nuevos sistemas es que los elementos que permiten la adaptabilidad, simultaneamente permiten la medicion del par ejercido por la articulacion. Concebido como actuadores adaptables controlados en fuerza, estos actuadores con rigidez ajustable y sensor incorporado, ARES y ARES-XL estan destinados a ser implementados en las articulaciones del exoesqueleto pediatrico ATLAS. El dispositivo resultante es un exoesqueleto adaptable y controlado en fuerza, para ninos con enfermedades neuromusculares que permite la explotacion de la dinamica intrinseca durante el ciclo de locomocion. Las capacidades de ARES son presentadas y evaluadas, demostrando sus capacidades de medicion de par del motor a diferentes niveles de rigidez. La versatilidad de las articulaciones, como en el caso de la rodilla, puede ser emulada y aprovechada al incorporar elementos que puedan controlar el uso de la energia almacenada en las fases apropiadas de la marcha. ARES-XL permite la implementacion de un mecanismo de bloqueo en combinacion con su capacidad de cero rigidez y gran rango de deflexion. La evaluacion del sistema demuestra como este diseno excede las principales capacidades de la realizacion original, a su vez el nuevo sistema proporciona una actuacion versatil que podria conducir a su aplicacion en multiples articulaciones. Durante este trabajo una evaluacion del exoesqueleto-adaptable se realizo caminando bajo ciertas restricciones mecanicas. Comparando el comportamiento de las articulaciones a diferentes condiciones de rigidez, la adaptabilidad inherente de los actuadores presentados mostro adaptabilidad natural durante el ciclo de la marcha, y regiones de absorcion de choque. Se espera que el trabajo desarrollado en esta tesis doctoral continue implementandose en aplicaciones de exoesqueletos y protesis roboticas, a nivel de investigacion y comercial. Varias publicaciones en revistas relevantes y conferencias internacionales han sido publicadas como consecuencia de la investigacion llevada a cabo durante este trabajo de doctorado. Actualmente hay tres patentes producto de esta investigacion, que estan siendo explotados comercialmente por una PYME especializada en robotica para la salud. Los trabajos futuros se centraran en la optimizacion del tamano y peso de los sistemas de actuacion adaptables, combinado con el desarrollo e implementacion de estrategias de control adaptadas a los usuarios especificos y condiciones del entorno, con el objetivo de mejoras en la eficiencia energetica y un andar mas natural.