Exoesqueleto para rehabilitación de miembro inferior con dos grados de libertad orientado a pacientes con accidentes cerebrovasculares
DOI:
https://doi.org/10.17981/ingecuc.15.2.2019.04Palabras clave:
accidente cerebro-vascular, rehabilitación, miembro inferior, control, prototipo, exoesqueletoResumen
Introducción: Un exoesqueleto puede ser entendido como una estructura mecatrónica que puede ser acoplada a una extremidad de manera externa y que permite el desarrollo de los movimientos en las diferentes articulaciones de esta misma. Estos movimientos son desarrollados con el apoyo de actuadores que son quienes definen los grados de libertad de este tipo de dispositivos. Dada su versatilidad, estos pueden llegar a ser una herramienta útil en la asistencia de trabajos de rehabilitación de miembros superior e inferior humanos y en algunos casos por ejemplo ayudar a pacientes con parálisis en sus miembros en el desarrollo de actividades tan complejas como la marcha humana. Aunque hay algunos desarrollos importantes en esta área, esta sigue en fase de investigación y muchos de los desarrollos aún no están disponibles o no son asequibles para su uso masivo en países como Colombia y en general América Latina.
Objetivo: Este trabajo presenta el desarrollo de un exoesqueleto activo, el cual fue diseñado para ayudar en la rehabilitación de pacientes que han tenido algún tipo de secuela como consecuencia de un accidente cerebro vascular (ACV), también conocido como Ictus.
Metodología: Se incluye dentro del artículo, información sobre el modelado del sistema, el diseño, control y la construcción del dispositivo exoesquelético así como el desarrollo de unas pruebas preliminares orientadas a mostrar su uso en el desarrollo de pruebas de repetición en el plano sagital
Resultados: Como resultado se cuenta con un prototipo funcional que ya fue validado con pruebas de laboratorio y que permite monitorizar los movimientos de las articulaciones en un proceso de terapia en miembro inferior basada en ejercicios de repetición.
Conclusiones: El sistema desarrollado presenta algunas facilidades que pueden ser útiles en la rehabilitación de pacientes con ictus, entre ellas se tienen las siguientes: desarrollo de un sistema automatizado de monitorización de rehabilitación, diseño mecánico y estructura ajustable a diferentes tipos de pacientes, modelado del sistema y desarrollo de sistema de control automático, así como facilidad de uso de interfaz desarrollada en Labview.
Descargas
Citas
“Disability,” Banco Mundial, NW Washington, DC USA, Abril 3, 2019. [Online Available: https://www.bancomundial.org/es/topic/disability
H. Collado, Situación Mundial de la discapacidad, Tegucigalpa, HN: Universidad Nacional Autónoma de Honduras, OPS, 2013. [Online . Available: http://www.bvs.hn/Honduras/Discapacidad/Docentes/Situacion%20Mundial%20de%20la%20Discapacidad.pdf
J. A. Miranda, “Análisis de las dificultades, desafíos y propuestas de mejora en el proceso de inclusión laboral efectivo en personal con discapacidad auditiva,” Tesis de Grado, Dept. de Ing. Ind., Univ. Técn. Federico Santa María, Valparaíso. Chile, 2017.
J. Gómez, Identificación de las personas con discapacidad en los territorios desde el rediseño del registro. Bogotá, Colombia: Departamento Administrativo Nacional de Estadística, 2008. [Online . Available: http://www.dane.gov.co/files/investigaciones/discapacidad/identificacion%20en%20los%20territorios.pdf
F. Silva, J. Zarruk, C. Quintero, W. Arenas, F. Cristian, S. Rueda & A. Estupiñán, “Enfermedad cerebrovascular en Colombia”, Rev. Col. Cardiol., vol. 13, no. 2, pp. 85–89, Sept-Oct. 2006.
República de Colombia. Ministerio de Salud y Protección Social, Oficina de Promoción Social. (2018, Septiembre). Sala situacional de las Personas con Discapacidad. [Online . Available: http://ondiscapacidad.minsalud.gov.co/Documentos%20compartidos/Sala%20situación%20Discapacidad%20septiembre%202018.pdf
República de Colombia. Consejo Nacional de Política Económica y Social. Departamento Nacional de Planeación. (2013, Diciembre 9). Política pública nacional de discapacidad e inclusión social. Conpes Social 216. [Online . Available: https://www.minsalud.gov.co/sites/rid/Lists/BibliotecaDigital/RIDE/INEC/IGUB/CONPES166.pdf
C. Velandia, H. Celedón, D. A. Tibaduiza, C. Torres-Pinzón & J. Vitola, “Design and control of an exoskeleton in rehabilitation tasks for lower limb,” presented at the XXI Symposium on Signal Processing, Images and Artificial Vision (STSIVA), Bucaramanga, Colombia, Aug. 31-Sept. 2, 2016, pp. 1–6. http://dx.doi.org/10.1109/STSIVA.2016.7743341
P. Aya, “Estudio anatómico y determinación de parámetros funcionales de un prototipo de exoesqueleto de miembro inferior con dos grados de libertad”, Master thesis, Fac. Ing. Electrónica. Univ. Santo Tomás, Bogotá, Colombia, 2017.
Y. Lee, Y. J. Kim, J. Lee, M. Lee, B. Choi, J. Kim, Y. J. Park, & J. Choi, “Biomechanical Design of a Novel Flexible Exoskeleton for Lower Extremities,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 22, no. 5, pp. 2058–2069, Oct. 2017. http://dx.doi.org/10.1109/TMECH.2017.2718999
Z. F. Lerner, D. L. Damiano, H. S. Park, A. J. Gravunder, & T. C. Bulea, “A Robotic Exoskeleton for Treatment of Crouch Gait in Children With Cerebral Palsy: Design and Initial Application,” IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 25, no. 6, pp. 650–659, Jun. 2017. http://doi.org/10.1109/TNSRE.2016.2595501
S. Kim, & J. Bae, “Force-Mode Control of Rotary Series Elastic Actuators in a Lower Extremity Exoskeleton Using Model-Inverse Time Delay Control,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 22, no. 3, pp. 1392–1400, Jun. 2017. http://doi.org/10.1109/TMECH.2017.2687979
A. M. Dollar, & H. Herr, “Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges and State of the Art”, IEEE Transactions on Robotics, vol. 24, no. 1, pp. 144–158. Feb. 2008. http://doi.org/10.1109/TRO.2008.915453
M. Vukobratović, “Active exoskeletal systems and beginning of the development of humanoid robotics,” Facta universitatis-series: Mechanics, Automatic Control and Robotics, vol. 7, no. Special, pp. 243–262. Mar. 2008.
W. Huo, S. Mohammed, J. C. Moreno, & Y. Amirat, “Lower limb wearable robots for assistance and rehabilitation: A state of the art,” IEEE Systems Journal, vol. 10, no. 3, pp. 1068–1081. Oct. 2014. http://dx.doi.org/10.1109/JSYST.2014.2351491
A. Zoss, & H. Kazerooni, “Design of an electrically actuated lower extremity exoskeleton,” Advanced Robotics, vol. 20, no. 9. pp. 967–988. Mar. 2006. https://doi.org/10.1163/156855306778394030
J. Pratt, P. Dilworth, & G. Pratt, “Virtual model control of a bipedal walking robot,” presented at the Proc. IEEE ICRA, Robotics and Automation, Albuquerque, NM, USA, 20-25 Apr. 1997, pp. 193–198. http://dx.doi.org/10.1109/ROBOT.1997.620037
J. F. Veneman, R. Kruidhof, E. E. G. Hekman, R. Ekkelenkamp, E. H. F. Van Asseldonk, & H. van der Kooij, “Design and evaluation of the lopes exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation,” IEEE Trans. Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 15, no. 3. pp. 379–386, Oct. 2007.
C. Velandia, H. Celedón, D. Tibaduiza, C. Torres, & J. Vitola, “Design and control of an exoskeleton in rehabilitation tasks for lower limb,” presented at the XXI Symposium on signal processing, images and artificial visión (STSIVA), Bucaramanga, Colombia, Aug. 31 - Sept. 2, 2016. http://dx.doi.org/10.1109/STSIVA.2016.7743341
C. Fleischer, & G. Hommel. “Torque control of an exoeskeletan knee whith EMG signals,” presented at the Proc. Joint conference on robotics, 37th International Symposium on Robotics and Robotik 2006, Munich, Germany, May. 15-17, 2006.
J. M Font Llagunes, G Arroyo, F. J. Alonso, & B. M. Vinagre, “Diseño de una órtesis activa para ayuda a la marcha de lesionados medulares”, presentado en XVIII Congr. Nac. de Ing. Mec., CNIM ٢٠١٠, Ciudad Real, España, Nov. 3-5, 2010.
M. Barnes, “The Advancement of Human Motion Control,” Product Desing & Development, vol. 68, no 5, pp. 32–33, Jun. 2013.
W. Johnson, O. Onuma, M. Owolabi, & S. Sachdev, “Stroke: a global response is needed,” Bull World Health Organ, vol. 94, no. 9, pp. 634–634A, Sept. 2016. http://dx.doi.org/10.2471/BLT.16.181636
C. Melchiorri, “Dynamic Model of Robot Manipulators,” Ind. Robot., Dipt. di ing., energia elett. e Dell’informazione. Universita di bologna, Italy.
P. Sánchez, & M. A. Arteaga-Pérez, “Simplied Methodology for Obtaining the Dynamic Model of Robot Manipulators,” International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 9, no. 5, pp. 1–12, Jan, 2012. http://dx.doi.org/10.5772/51305
EPOS2 50/5, Digital positioning controller, 5 A, 11–50 VDC. Maxon Group, Sachseln, Suiza. [Online . Available: http://www.maxonmotor.com
MILE Encoder for EC 45 flat. Maxon Group, Sachseln, Suiza. [Online . Available: http://www.maxonmotor.co.uk
C. Velandia, D. A. Tibaduiza, & M. Anaya, “Proposal of Novel Model for a 2 DOF Exoskeleton for Lower-Limb Rehabilitation,” Robotics, vol. 6, no. 3, pp. 1–25, Aug. 2017. http://dx.doi.org/10.3390/robotics6030020
J. M. Grosso, “Diseño y validación de un exoesqueleto de piernas de tipo maestro-esclavo para facilitar la rehabilitación de personas con discapacidad parcial de su locomoción en el plano sagital”, Tesis de pregrado, Fac. Ing. Mecatrónica. Univ. Autónoma de Bucaramanga, Santander, Colombia, 2008.
J. M. Grosso, & D. A. Tibaduiza. “Diseño conceptual de un exoesqueleto para asistir la rehabilitación de miembro inferior,” presentado en III Congr. Int. Ing. Mecatrónica UNAB, CIIMECA 3, Bucaramanga, Colombia, Oct. 5-7, 2011
D. A. Tibaduiza, N. Chio, J. M. Grosso, & M. Anaya, “Diseño conceptual de un exoesqueleto para asistir la rehabilitación de miembro inferior,” en III Congr. Int. Ing. Mecatrónica UNAB, CIIMECA 3, Bucaramanga, Colombia, Oct. 5-7, 2011.
J. M. Grosso, & D. A. Tibaduiza, “Simulación cinemática de un exoesqueleto de brazo”, presentado en II Congr. Int. Ing. Mecatrónica, CIIMECA 2, Bucaramanga, Colombia, Sept. 30-Oct. 2, 2009.
D. A. Tibaduiza, N. Chio, J. M. Grosso, & M. Anaya, “Diseño de un exoesqueleto mecatrónico de brazo basado en screws y robots paralelos,” presentado en II Congr. Int. Ing. Mecatrónica, CIIMECA 2, Bucaramanga, Colombia, Sept. 30-Oct. 2, 2009.
J. M. Grosso, & D. A. Tibaduiza, “Diseño y validación de un exoesqueleto maestro-esclavo para rehabilitación de piernas,” presentado en VI Congr. Int. de Investigaciones en Ing. Eléctrica y Electrónica, CIIIEE 2008, Aguascalientes, México, Nov. 3-7, 2008.
C. Velandia. “Modelado, control y monitoreo de un exoesqueleto para asistir procesos de rehabilitación en miembro inferior,” Tesis de pregrado, Fac. Ing. Elect., Univ. Santo Tomás, Bogotá, Colombia, 2017. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.1280.9205
J. F. Ayala, G. Urriolagoitia, B. Romero, C. R. Torres, L. A. Aguilar, & G. M. Urriolagoitia-Calderón, “Diseño mecánico de un exoesqueleto para rehabilitación de miembro superior,” Revista Colombiana de Biotecnología, vol. 17, no. 1, pp. 79–90, Ene. 2015. http://doi.org/10.15446/rev.colomb.biote.v17n1.44188
R. López, H. Aguilar, S. Salazar, R. Lozano & J. Torres, “Modelado y control de un exoesqueleto para rehabilitación de extremidad inferior con dos grados de libertad,” Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial, vol. 11, no. 3, pp. 304–314, Jul.–Sept., 2014. https://doi.org/10.1016/j.riai.2014.02.008
H. Celedón, “Diseño mecatrónico de un robot exoesqueleto de extremidad superior para rehabilitación de personas con discapacidad parcial en el codo,” Tesis de pregrado, Fac. Ing. Elect. Univ. Santo Tomás, Bogotá, Colombia, 2016.
R. Gutierrez, F. Vanegas, J. Duque, O. Avilés & P. Niño, “Diseño y control de un exoesqueleto para rehabilitación motora en miembro superior,” in Proc. IV Latin American Congress on Biomedical Engineering 2007, Bioengineering Solutions for Latin America Health, C. Müller-Karger, S. Wong & A. Cruz, Eds., Margarita Island, Ven, Springer, 2007, pp. 758–761.
J. Loja & A. Ordoñez, “Diseño y construcción de un exoesqueleto de rodilla robótica para asistir a pacientes en etapas de rehabilitación”, Tesis de pregrado, Fac. de Ing., Univ. de Cuenca, Azuay, Ecuador, 2016.
X. Zhang, Z. Yue, & J. Wang, “Robotics in-Lower-limb rehabilitation after stroke,” Behavioural Neurology, vol. 2017, no. 4, pp. 1–13, Jun. 2017. https://doi.org/10.1155/2017/3731802
T. Zhang, M. Tran, & H. Huang, “Design and experimental verification of hip exoskeleton with balance capacities for walking assistance,” IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, vol. 23, no. 1, pp. 274–285. Feb. 2018. http://dx.doi.org/10.1109/TMECH.2018.2790358
T. M. Schnieders, & R. T. Stone, “A current review of human factors and ergonomic intervention with exoskeletons,” in Novel Design and applications of robotics technologies, D. Zhang, & B. Wei, Eds., Hershey, PA: IGI Global, 2019, pp. 217–246. http://dx.doi.org/10.4018/978-1-5225-5276-5.ch008

Publicado
Cómo citar
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2019 INGE CUC

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.
Los artículos publicados son de exclusiva responsabilidad de sus autores y no reflejan necesariamente las opiniones del comité editorial.
La Revista INGE CUC respeta los derechos morales de sus autores, los cuales ceden al comité editorial los derechos patrimoniales del material publicado. A su vez, los autores informan que el presente trabajo es inédito y no ha sido publicado anteriormente.
Todos los artículos están bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional.