Diseño de una Arquitectura Biomimética para el Control de Sistema Robóticas de Rehabilitación
Authors:   , Delgado Oleas Gabriel 
Published: February 2025

Cerebral palsy (CP) is the leading cause of motor disability in childhood, significantly affecting children's motor and postural development. Traditional therapies, although valuable, often fail to promote natural motor development and can be invasive or restrictive. Robotic technology, particularly exoskeletons, emerges as a promising alternative, offering personalized and adaptive assistance in gait. However, current exoskeletons are often rigid and poorly adaptable, limiting their use in the early stages of development. Early intervention is crucial to maximize neuroplasticity and minimize secondary impairments.

The Discover2Walk (D2W) project presents an innovative solution to address these limitations. The project aims to create a flexible and adaptable robotic exoskeleton, along with a control framework, that can be used from an early age to promote natural motor development and improve the quality of life of children with CP.

The main objective of this thesis is to develop a robotic exoskeleton and a comprehensive control framework that improve gait rehabilitation in children with CP. The specific objectives include the design and development of an adaptable exoskeleton, a comprehensive and bio-inspired control framework, and the design and implementation of a modular electronic architecture.

The thesis reviews the state of the art in robotic exoskeletons, exploring the biomechanics of human gait and the neurophysiological mechanisms that control it. This thesis analyzes the diversity of control architectures and communication systems used in current exoskeletons, emphasizing the need for standardization and modularity.

This thesis presents a comprehensive and bio-inspired control framework for lower limb exoskeletons, based on a three-level hierarchical structure: perception and intention, central pattern generation, and execution. Each level is detailed, including its objectives, requirements, and operating methods. I adopted ROS2 as a middleware to facilitate communication between levels.

The implementation of the control framework is carried out on the D2W robotic system. The thesis describe the system architecture, which includes the pelvis, ankle, and traction modules, along with the navigation and new modular systems. The validation tests that demonstrate the effective synchronization, modularity, and scalability of the system are detailed. The thesis concludes by highlighting the main contributions, including innovation in robotic rehabilitation, system modularity and scalability, integration of advanced technologies, and robustness of the communication system. The results obtained are discussed, and the potential impact of the exoskeleton and the control framework on gait rehabilitation in children with CP is evaluated. Future research perspectives are presented, including possible improvements and new clinical applications.

RESUMEN

La parálisis cerebral (PC) es la principal causa de discapacidad motora en la infancia, afectando el desarrollo motor y postural de los niños. Las terapias tradicionales, aunque valiosas, a menudo no logran promover un desarrollo motor natural y pueden ser invasivas o restrictivas. La tecnología robótica, especialmente los exoesqueletos, emerge como una alternativa prometedora, ofreciendo asistencia personalizada y adaptativa en la marcha. Sin embargo, los exoesqueletos actuales suelen ser rígidos y poco adaptables, limitando su uso en etapas tempranas del desarrollo. La intervención temprana es sustancial para maximizar la neuroplasticidad y minimizar las deficiencias secundarias.

En este contexto, el proyecto Discover2Walk (D2W) se presenta como una respuesta a la necesidad de una solución innovadora que aborde estas limitaciones. El proyecto se centra en la creación de un exoesqueleto robótico flexible y adaptable, junto con un marco de control, que pueda ser utilizado desde una edad temprana para promover el desarrollo motor natural y mejorar la calidad de vida de los niños con PC.

El objetivo principal de esta tesis es desarrollar un exoesqueleto robótico y un marco de control integral que mejoren la rehabilitación de la marcha en niños con PC. Los objetivos específicos incluyen el diseño y desarrollo de un exoesqueleto adaptable, el desarrollo de un marco de control integral y bioinspirado, y el diseño e implementación de una arquitectura electrónica modular.

La tesis revisa el estado del arte en exoesqueletos robóticos, explorando la biomecánica de la marcha humana y los mecanismos neurofisiológicos que la controlan. Se analiza la diversidad de arquitecturas de control y sistemas de comunicación utilizados en exoesqueletos actuales, destacando la necesidad de estandarización y modularidad.

También, se presenta un marco de control integral y bioinspirado para exoesqueletos de miembros inferiores, basado en una estructura jerárquica de tres niveles: percepción e intención, generación de patrones centrales y ejecución. Se detalla cada nivel, incluyendo sus objetivos, requisitos y métodos de funcionamiento. Se introduce ROS2 como middleware para la comunicación entre los niveles.

La implementación del marco de control se realiza en el sistema robótico D2W. Se describe la arquitectura del sistema, incluyendo cada uno de los módulos que lo conforman (pelvis, tobillos y tracción), así como los sistemas de navegación y nuevos sistemas modulares. Se detallan las pruebas de validación que demuestran la sincronización efectiva, la modularidad y la escalabilidad del sistema.

La tesis concluye destacando las principales contribuciones, incluyendo la innovación en rehabilitación robótica, la modularidad y escalabilidad del sistema, la integración de tecnologías avanzadas y la robustez del sistema de comunicaciones. Se discuten los resultados obtenidos y se evalúa el impacto potencial del exoesqueleto y el marco de control en la rehabilitación de la marcha en niños con PC. Se presentan perspectivas futuras de investigación, incluyendo posibles mejoras y nuevas aplicaciones clínicas.