DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EXOESQUELETO DE 6 GDL PARA POTENCIAR LAS CAPACIDADES EN PERSONAS QUE HAN PERDIDO LA MOVILIDAD PARCIAL DEL MIEMBRO SUPERIOR DERECHO Autores: Investigador Principal: Investigador Asistente: Colaboradores de investigación: Ing. Marco Singaña Ing. Félix Manjarrés Srta. Mariela Molina Molina Srta. Johana Sancho Culcay Ingeniería Mecatrónica. Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga. Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica. RESUMEN El presente trabajo tiene como finalidad el diseño y construcción de un exoesqueleto de 6 grados de libertad para potenciar las capacidades en personas que han perdido la movilidad parcial del miembro superior derecho; mejorando su estilo de vida y autoestima en el desarrollo de sus actividades. Un exoesqueleto en el ámbito de la robótica es una máquina móvil que principalmente está constituida de una estructura mecánica y una fuente de alimentación que suministra al menos una parte de la energía para el movimiento de las extremidades. La estructura mecánica se coloca sobre el cuerpo humano a manera de prenda de vestir, y puede servir como apoyo y permitir la movilidad, logrando aumentar las capacidades de las extremidades del cuerpo humano. Dado que el propósito de la construcción exoesqueleto del presente proyecto, es potenciar el movimiento del brazo en pacientes con escasa movilidad o debilidad; el sistema de control está diseñado para utilizar las señales mioeléctricas musculares del miembro superior derecho. Se esperan niveles de señales bajas y comportamientos diferentes en el trabajo de los músculos de cada individuo, por lo que el sistema de procesamiento de la señal se enfoca en emparejar las señales electromiográficas provenientes de los músculos, para luego procesarlas y lograr una señal eléctrica adecuada tal que permita controlar el actuador respectivo en tiempo real, acorde a la magnitud de la intención de movimiento del ser humano. Esta iniciativa, es de gran interés debido a que en el Ecuador no existen proyectos de este tipo y los resultados obtenidos permitirán desarrollar otras aplicaciones relacionadas con la biomédica de las extremidades del paciente, aportando en general al desarrollo de nuevas soluciones tecnológicas en el área de la biomecánica enfocada al movimiento humano I. INTRODUCCIÓN La preocupación del ser humano por mejorar la calidad de vida de las personas que, por accidentes o por alguna enfermedad congénita han perdido la movilidad o la capacidad de manipular objetos, ha llevado a que se desarrollen a lo largo de la historia diferentes dispositivos que pueden aliviar en parte distintos tipos de discapacidades. 1
Un exoesqueleto en la medicina está diseñado básicamente, con un estudio adecuado de los movimientos del cuerpo, para asistir a la persona cubriendo todas las necesidades que normalmente no podrían hacer. Un exoesqueleto es del tipo amplificador de fuerza del sistema muscular humano, con la característica de no perder el control natural de los movimientos, es por ello que los típicos controles de máquinas no se pueden aplicar, pues cuando el humano proporciona el comando de referencia de posición se pierde la naturalidad de los movimientos, por lo cual se diseña un sistema de control de fuerza y no de posición angular del dispositivo. La gran mayoría de los exoesqueletos desarrollados para la medicina, se adaptan al cuerpo; cuentan con sistemas inteligentes de control donde, mediante el sensado de señales mioeléctricas y su correspondiente procesamiento, se los utiliza para la ejecución de alguna función mediante la utilización de actuadores. Una de las mayores limitantes de los seres humanos para realizar tareas físicas es la fuerza de los músculos, que puede disminuir considerablemente como resultado de un daño neuromuscular, de una atrofia muscular o por una distrofia muscular en personas discapacitadas. Para dar solución a este problema se plantea la construcción de un exoesqueleto en donde se requiere un mecanismo aplicable a personas con invalidez total o parcial, y el paciente que lo utilice esté habilitado para mover el brazo, puesto que sus músculos no responden a las señales del cerebro impidiendo el movimiento de la extremidad. El diseño no es una prótesis que reemplaza al miembro; sino una estructura que rodea el brazo y le ayuda a moverse. A. Elementos del Exoesqueleto Sensores Éstos capturan la información sobre como la persona desea moverse. Los sensores pueden ser manuales, como una palanca, o pueden ser eléctricos y detectar los impulsos fisiológicos generados por el cuerpo, o pueden estar combinados con dispositivos como un control remoto y un detector de movimiento que permite a quien lo usa cambiar el movimiento de caminar a subir gradas. La información capturada por los sensores es enviada a la computadora para ser analizada. Marco Usualmente hecho de materiales ligeros, el marco debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso del cuerpo así como el peso del exoesqueleto y sus componentes. El marco también debe poder sostener el cuerpo en su lugar de una manera segura sin el riesgo que quien lo usa se caiga. El marco usualmente tiene una serie de uniones las cuales coinciden con las uniones del cuerpo, en la cadera, la rodilla y tobillo. Controlador Actúa como el cerebro del dispositivo, el controlador es una computadora a bordo la cual toma la información capturada por los sensores y controla a los actuadores. La computadora coordina a los distintos actuadores en el exoesqueleto y permite al exoesqueleto y su usuario, pararse, caminar, subir o descender. Actuadores Si el marco es como los huesos del cuerpo y el controlador el cerebro, entonces los actuadores son como los músculos que ejercen el movimiento. Los actuadores son usualmente motores eléctricos o hidráulicos. Usando la energía de las baterías y la 2
información enviada por la computadora, los actuadores mueven el exoesqueleto y la persona que lo usa. Baterías Deben poder hacer funcionar el exoesqueleto la mayor parte del día o ser fáciles de reemplazar para que las baterías agotadas puedan quitarse fácilmente y ser reemplazadas con baterías cargadas durante el día. Las baterías deben ser ligeras y pequeñas para que el exoesqueleto no sea ni pesado ni voluminoso. Las baterías también deben ser de recarga rápida para que el exoesqueleto esté listo para el siguiente día. II. DESARROLLO El desarrollo del proyecto se divide en tres etapas, para su análisis y comprensión, detalladas a continuación: A. ADQUISICIÓN DE SEÑALES Para la adquisición de señales musculares se utilizan electrodos EMG (electromiográficos), puesto que se necesita conocer la posición de cada articulación, con el fin de asignar la nueva posición del exoesqueleto. El diagrama de bloques que se indica en la figura 1 representa el sistema de adquisición de señales musculares para el control del exoesqueleto. Figura 1: Diagrama a bloques del sistema de adquisición de EMG B. DISEÑO ESTRUCTURAL El diseño mecánico busca acoplar la cinemática del exoesqueleto a la cinemática del cuerpo humano, para determinar el rango de movimiento de las articulaciones. Para el diseño se toma en cuenta diferentes consideraciones: Seguridad del paciente o usuario Grados de Libertad Posicionamiento de sensores Posicionamiento de actuadores Rangos de Movimiento Debe ser ajustable al brazo. Topes mecánicos por adaptación del sistema mecánico y electrónico o de control Además para el diseño estructural se utiliza como herramientas de análisis el software de diseño SolidWorks y ANSYS para determinar esfuerzos, cargas, puntos críticos y para la selección de materiales de fabricación. 3
C. CONTROL El control del exoesqueleto es una de las partes más importantes debido a que el acople entre ésta y el diseño mecánico representan la eficiencia del mecanismo. Para el caso de un exoesqueleto autónomo es importante conocer términos como baja impedancia, señal de retroalimentación, señal de salida, diferencia de potencial, entre otras; debido a que el humano provee las señales de control para el exoesqueleto, mientras los actuadores bajo el efecto de control proveen la potencia y la señal correcta de control necesaria para realizar una tarea específica. El control realizado en este trabajo depende de las señales obtenidas del músculo del miembro superior derecho. Estas señales, previo al acondicionamiento respectivo, son manipuladas por la tarjeta de control que incluye un microcontrolador Arduino, el cual dependiendo de la diferencia de potencial que circule por el músculo va a activar los servomotores que controlan el exoesqueleto, logrando así solventar la perdida de movilidad parcial de la extremidad. III. PROCEDIMIENTO A. Sistema de Adquisición El sistema de adquisición está compuesto por tres partes fundamentales que se observan en la figura 2. 1 3 2 Figura 2: Sistema de adquisición de datos Donde: 1. Alimentación 2. Sistema de sensores 3. Sistema de acondicionamiento de señales. Los sensores musculares están diseñados para utilizarse directamente con microcontrolador. Por lo tanto, son sensores que generan una señal amplificada, rectificada y filtrada que trabaja bien con un conversor ADC (Analógico a Digital), como se presenta en la figura 3. Figura 3: Forma de Señal Adquirida y Rectificada 4
B. DISEÑO MECÁNICO La cinemática del brazo humano, incluye una definición del número de grados de libertad, es por tanto un parámetro importante conocer cuáles son los posibles movimientos del brazo con el fin de realizar una simulación y un diseño más acertado. El uso de herramientas CAD desempeña un papel importante en la minimización del tiempo empleado para ajustes; por lo tanto, para el diseño mecánico se utiliza el software SolidWorks que permite analizar los movimientos del exoesqueleto y definir los grados de libertad para cada articulación. Las medidas del exoesqueleto están sujetas a las medidas del individuo que lo va a portar, por lo que la antropometría y la ergonomía del diseño juegan un papel primordial en la fase de diseño. En el diseño propuesto, se puede observar la adaptabilidad del exoesqueleto para los diferentes tamaños de extremidades, desde una mujer hasta un hombre, como se muestra en la figura 4. Figura 4: Brazo y Antebrazo Regulables En la figura 5, se puede observar un espaldar diseñado con el fin de dar seguridad del paciente y permita una sujeción adecuada del exoesqueleto. Figura 5: Espaldar de sujeción de Elementos Otra característica principal del diseño del exoesqueleto, observada en la figura 6, es el sistema de habilitación de los movimientos del hombro, cuidando la seguridad del usuario y su estabilidad. 5
Figura 6: Acople Espalda-Hombro En la siguiente figura 7 se presenta el diseño final del exoesqueleto. C. CONTROL Figura 7: Diseño final del exoesqueleto El control inicia a partir de la entrada de señales electromiográficas a la tarjeta de control Arduino UNO; esta información se toma con los electrodos conectados al brazo del humano. En este sistema se procesa la información y se realiza la programación de los movimientos del exoesqueleto a partir de la generación de señales de control para de los servomotores. En la figura 8 se observa la ubicación de los electrodos y el conexionado con la tarjeta Arduino UNO. Figura 8: Electrodos y Arduino UNO Las pruebas previas son realizadas verificando el control de ancho de pulso y control de frecuencia mediante la programación de la tarjeta Arduino y la verificación con ayuda de diodos emisores de luz, estas pruebas se observan en la figura 9 a y b 6
a b Figura 9: Control de Frecuencia y Ancho de Pulso IV. RESULTADOS Con la construcción e implementación del exoesqueleto, se esperan los siguientes resultados: Emparejar las señales electromiográficas y lograr que el usuario controle el exoesqueleto de la manera deseada o según la intención del mismo. Obtener una estructura mecánica resistente y ligera capaz de adaptarse a la cinemática del miembro superior del usuario y de esta manera habilitar los 6 grados de libertad del exoesqueleto. Controlar los actuadores de manera que el usuario pueda realizar la tarea deseada de la mejor manera posible y sin la actuación de interferencias electrónicas. Los rangos de movimientos de las articulaciones que se espera obtener son los siguientes: o Flexión del Hombro: 0 a <180 o Extensión del hombro: 0 a <45 o Circunducción: 0 a <170 o Abducción del hombro: 0 a <180 o Aducción del hombro: >30 a <45 o Rotación Externa: 0 a <160 o Rotación Interna: 0 a <80 o Flexión-Extensión del codo:0 a <150 o Pronación del codo: <85 o Supinación del codo: <85 Los pares para cada movimiento esperado son: Hombro Flexión-Extensión: 110 Nm Aducción/Abducción: 125 Nm Codo Flexión/Extensión: 72,5 Nm Pronación/Supinación: 9,1Nm Muñeca 7
Flexión/Extensión: Aducción/Abducción: 19,8 Nm 20,8 Nm V. CONCLUSIONES. Se diseña, construye e implementa un exoesqueleto de 6 grados de libertad para potenciar las capacidades en personas que han perdido la movilidad parcial del miembro superior derecho. Para el desarrollo del exoesqueleto es esencial estudiar los músculos del miembro superior con la finalidad de conocer sus grados de libertad, rangos y límites de movilidad y límites, decir la ergonomía y biomecánica del brazo. Con la herramienta SolidWorks se desarrolla el diseño mecánico, mientras que con el software ANSYS se realiza el análisis de esfuerzos del exoesqueleto y a la vez se determina el material para la construcción del mismo. Como trabajos futuros, se pretende generar nuevos prototipos mejorando la estructura e incluso el control, con la obtención de instrumentación específica de análisis biomédico y con la necesidad de trabajar con la cinemática directa e inversa, además generar trayectorias dentro del espacio de trabajo para analizar el comportamiento del exoesqueleto, procurando mejorar el estilo de vida de las personas. La Ingeniería Mecatrónica puede ser orientada no solamente a la industria sino también a otros campos como la Medicina, para lo cual se debe conocer algunas funciones musculares y todo lo relacionado con movimientos del cuerpo humano. 8