exoesqueleto híbrido para rehabilitación de las

EXOESQUELETO HIBRIDO PARA REHABILITACION DELAS EXTREMIDADES SUPERIORES

Aldo-Francisco Contreras-Gonzalez, David Pont-Esteban, Jose Luis Samper-Escudero,

David Cantalejo-Escobar, Miguel-Angel Sanchez-Uran, Manuel Ferre ([email protected])

CAR UPM-CSIC, Universidad Politecnica de Madrid

Resumen

Las ultimas decadas han sido testigos de un rapidoy vasto desarrollo de robots para la rehabilitacionfısica que permiten una planificacion eficiente delproceso de rehabilitacion en terminos de costo, du-racion de sesiones y disponibilidad del terapeuta.Este proyecto tiene como objetivo evaluar cualita-tivamente un exoesqueleto para la rehabilitaciondel tren superior. El dispositivo expone un ac-ercamiento al desarrollo de un dispositivo con elefector final anclado a tierra que realiza la ac-tuacion sobre un exoesqueleto acoplado al cuerpodel sujeto mediante cables. Se documenta la exper-imentacion con pacientes que padecen del tendonsupraespinoso realizando una serie de movimien-tos dictados por un medico.

Palabras clave: exoesqueleto, rehabilitacionrobotica, miembros superiores.

1 INTRODUCCION

En la actualidad se esta observando un auge enla incorporacion de robots en el sistema de salud,principalmente en aplicaciones de rehabilitacion ycirugıa [1]–[3]. La rehabilitacion se define comoun conjunto de intervenciones encaminadas a opti-mizar el funcionamiento y reducir la discapacidaden personas con afecciones de salud en la inter-accion con su entorno [4]. La rehabilitacion fısicaes el tipo de rehabilitacion mas popular y se puedelograr de manera convencional a traves de la inter-accion fısica entre los pacientes y los terapeutas.Sin embargo, es un proceso costoso y requiere eltrabajo a tiempo completo de un fisioterapeutasobre el paciente.

Por otro lado, la incorporacion de sistemas au-tomaticos ha creado un cambio de paradigma enla rehabilitacion medica en la ultima decada, de-bido al crucial papel que juegan estos en la restau-racion total o parcial de las funciones motoras. Eluso de robots de rehabilitacion permite la plani-ficacion eficiente del proceso de rehabilitacion enterminos de costo, duracion de las sesiones, lasherramientas necesarias y la disponibilidad de un

terapeuta [5], [6]. Segun la clasificacion de Gassert[7] para robots de rehabilitacion, esta abarca tresdiferentes ramas: exoesqueletos fijos, robots conel efector final fijo y Exoesqueletos Adaptables alCuerpo (EAC) (del ingles, Wearable Exoskeleton),siendo esta ultima una tecnologıa emergente. Losdispositivos con efectores finales anclados a tierrao con efector final fijo, son aquellos que su estruc-tura esta anclada al suelo y unicamente el efectorfinal interactua sobre el usuario. Generalmentelograran una mayor dinamica de movimiento ypermitiran la representacion de una gama masamplia de impedancias que los dispositivos deexoesqueleto fijos donde las articulaciones proxi-males necesitan mover las articulaciones distales.Actualmente existen desarrollos de dispositivoscomo [8]–[11] que actuan mediante cables para re-alizar movimientos sobre las extremidades superi-ores.

Figura 1: Exoesqueleto hıbrido pararehabilitacion

Este documento propone un acercamiento al de-sarrollo de un dispositivo con el efector final fijoque realiza la actuacion sobre un EAC medi-ante cables y acoplamientos semi rıgidos (Fig.1), utilizando algoritmos de control personaliza-dos y dispositivos electronicos desarrollados es-pecıficamente para realizar movimientos del hom-bro. En la Seccion 2 se abordan diferentes prop-uestas por los autores que dan pauta al desarrollodel estudio presentado en la Seccion 3, donde seabordan el desarrollo mecanico, electronico y el de

XLII Jornadas de Automatica Robotica

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https://doi.org/10.17979/spudc.9788497498043.599

control. En la Seccion 4 se explican las pruebasrealizadas y las caracterısticas de los sujetos de lavalidacion experimental y finalmente en la Seccion5 se exponen a detalle las conclusiones.

2 ANTECEDENTES

El equipo de investigacion ha propuesto anterior-mente un diseno textil adaptable al cuerpo queayuda a la actuacion para los movimientos dehombro combinando capas textiles con costurasque se ajustan a la fuerza. Este diseno tambienincluye piezas para guiado, anclaje y soporte decables. Estas piezas emplean diferentes metodosde confeccion para facilitar la fabricacion, el uso yla limpieza [12]. Por otro lado, el equipo ha desar-rollado un exoesqueleto con cable y textil que sepuede llevar puesto para ayudar a flexionar el codoy el hombro. En esta interfaz de acoplamientose combinan diferentes tejidos y patrones de cos-tura para promover la distribucion de la fuerzay la adaptacion a la anatomıa del usuario [13].Ademas, se ha desarrollado un exoesqueleto flex-ible que esta equipado con una transmision porcable en la que el par es generado por dos mo-tores de corriente continua. Se ha simulado e im-plementado un controlador de modo de deslizantesuper twisting [14] para los movimientos de flexiony extension de codos y hombros [15]. Finalmente,se han estudiando metodos para estimar la ori-entacion y posicion del hombro utilizando difer-entes tipos de sensores y algoritmos [16][17].

3 DISENO DELEXOESQUELETO

Este artıculo presenta el exoesqueleto ExoFlex.Este exoesqueleto tiene como objetivo ser una her-ramienta util en terapias de rehabilitacion pasivapara el hombro. De acuerdo al estudio desar-rollado en [18] las terapias de rehabilitacion sepueden dividir en dos grandes grupos. Por unlado, la rehabilitacion pasiva, en la que el usuariodeja su extremidad inerte y el exoesqueleto lamoviliza. Se utiliza comunmente en etapas ini-ciales de la rehabilitacion para prevenir la atrofiamuscular. Por otro lado, se encuentra la rehabil-itacion activa, que engloba las terapias en las queel usuario realiza una movilizacion de la articu-lacion en cuestion y el robot la asiste o la frena,segun el objetivo de la terapia.

El rango de movimiento del hombro alcanzable porel exoesqueleto (Fig.2) esta comprendido entre los0◦ y los 160◦ para cualquier movimiento del hom-bro comprendido entre la flexion-extension pura yla abduccion-aduccion pura [19].

3.1 MECANISMOS DE ACTUACION

El objetivo de la estructura fija, es colocar unapolea como efector final en una posicion calcu-lada, realizando la actuacion en forma de trayec-torias que movera a traves de un cable de aceroinoxidable con recubrimiento de nylon de altorendimiento, el textil que se acopla en el brazodel usuario, generando movimientos en forma derehabilitacion.

(a) Diseno CAD quemuestra los

movimientos de losactuadores

(b) Modelo real quemuestra el efector

final (naranja) y telasde acoplamiento

(azul)

Figura 2: Diseno del exoesqueleto

3.1.1 Diseno mecanico

Utilizando perfiles de aluminio ligero de 45mm x45mm con ranura de 10mm, se ha construido deforma modular una estructura fija que componeal exoesqueleto (Fig. 2a). En todas las uniones sehan utilizado tornillos M8.

Figura 3: Estres en la estructura y factor deseguridad de 2.66 para 100 N en el punto mas

alejado del centro de rotacion

Se han incorporado elementos de desplazamientoque con la ayuda de los actuadores se realizan


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los movimientos lineales entre los perfiles. Elmecanismo tambien cuenta con dos elementosde juntas angulares para los movimientos rota-cionales. En la Figura 2a se muestran los de-splazamientos de cada uno de los actuadores. Enel plano anatomico, el desplazamiento lineal delexoesqueleto marcado en rojo, equivalente al ejedel pano transversal y en verde una rotacion so-bre este mismo plano. En negro se representa auna rotacion del perfil saliente en el plano sagi-tal o coronal, dependiendo del angulo de rotacionverde. Finalmente, en azul, una traslacion linealsobre el perfil. Es posible realizar una elevacionde forma manual a toda la estructura para darajuste a la altura. En la Figura 2b se denota encolor naranja el efector final del exoesqueleto, yunido por un cable de acero con cobertura de ny-lon esta la tela de acople para el brazo, como semuestra en la Figura 1.

Se ha simulado un estudio de estres estatico paralos elementos que conforman la estructura uti-lizando una fuerza de 100N a 0.4 metros, queequivale al largo del brazo saliente de la estruc-tura, obteniendo un factor de seguridad de 2.66(Fig. 3). Cabe mencionar que el peso promediode un brazo de adulto mayor es de aproximada-mente 6 kg. Las piezas de la actuacion final sonlas que mayor esfuerzo sufren, siendo el pasadordel elemento de union rotacional el que albergamayor concentracion de estres.

3.1.2 Actuadores

Como sistemas de actuacion se ha utilizado un mo-tor lineal paso a paso Longruner Nema-17 LD08,con un recorrido de 0.8m, tres motores de rotacionde corriente continua Maxon DCX22S GB KL 48Vcon reductor planetario GPX26HP 794:1 y en-coder ENX16 EASY 1024IMP, uno para el sistemade elevacion y otro para la actuacion de la poleaque mueve a la tela del hombro y ademas, un ac-tuador lineal Justech DC 12V Motor con 0.15m derecorrido para la rotacion sobre el plano transver-sal. A cada actuador se le ha anadido un sensorde lımite optico EE-SX3009-P1/-SX4009-P1 paraidentificar los lımites de inicio o fin de carrera.

3.2 ELECTRONICA Y CONTROL

En la presente seccion se abordan el diseno delsistema electronico del exoesqueleto junto con laarquitectura de control propuesta.

3.2.1 Sistema electronico

El sistema electronico del exoesqueleto se muestraen la figura 4. Se ha utilizado el microcontroladorde 32 bits y doble nucleo LAUNCHXL-F28379D

de Texas Instruments como interfaz con el sistemade actuacion y para implementar el control de bajonivel. El sistema de actuacion esta conformadopor los propios actuadores (4 motores de corrientecontinua y un motor paso a paso), un encoder y unsensor de corriente para cada uno de los motoresDC, y un driver para cada motor. Se ha disenadouna PCB llamada ALICE (Assistive LImb Con-trol Electronics) que contiene todo el hardwarenecesario (sensores de corriente, ADCs, interfacesde comunicacion y drivers para motores) en unaforma modular y compacta. Esta placa de estiloshield se ensambla sobre la placa del microcontro-lador.

Figura 4: Sistema electronico

Los encoders utilizados son de cuadratura y altaresolucion. El conteo de los pulsos debe realizarsemediante un contador hardware, dado que la el-evada frecuencia de recepcion de pulsos no per-mite hacer un conteo mediante interrupciones. Laplaca LAUNCHXL-F28379D lleva embebidos tresmodulos de conteo hardware para encoders, por loque adicionalmente se ha anadido un modulo ex-terno de conteo de pulsos que se comunica con elmicrocontrolador mediante SPI y aligera en granmedida la carga software del microcontrolador.

Se ha desarrollado una aplicacion de tiempo realmulti-hilo para controlar el exoesqueleto. De estaforma se tiene un control preciso sobre la frecuen-cia con la que se obtienen los datos provenientesde los distintos sensores, el periodo de control yla velocidad de las comunicaciones. El diseno dela aplicacion es modular, lo que facilita adaptarel sistema ante nuevas necesidades que pueden irsurgiendo durante el desarrollo del dispositivo.

Una Jetson Nano se comunica con el microcon-trolador vıa SPI para transmitirle las referenciasde movimiento y almacenar los datos obtenidosdurante las sesiones de trabajo para su posterioranalisis. Sobre la Jetson Nano se ha implemen-tado una interfaz grafica de usuario (GUI) parapoder interactuar de forma sencilla y amigable conel exoesqueleto y monitorizar los datos en tiemporeal. El hecho de que la electronica y el softwaresean disenos propios permite obtener una arqui-tectura altamente adaptada a las necesidades del


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exoesqueleto.

3.2.2 Control

A la hora de disenar la arquitectura de controldel sistema, se observan tres dificultades funda-mentales. La primera de ellas es que algunosparametros del modelo dependen de las carac-terısticas fısicas del sujeto que vaya a utilizarel exoesqueleto. Ya que el brazo del sujeto esparte del modelo, parametros como la masa (ysu distribucion) ası como sus dimensiones, quepueden ser considerablemente variables entre suje-tos, lo cual genera incertidumbre en la descripcionmatematica del sistema. Por otro lado, la parteflexible del sistema (el acople textil entre la estruc-tura rıgida y el brazo del usuario) es difıcilmentesituable sobre un sujeto en una posicion exacta deforma sistematica. Adicionalmente, el acople tex-til resulta ser una fuente de no-linealidades, comoholguras e histeresis. En ultimo lugar, dado que elexoesqueleto es un sistema en el que existe inter-accion con el humano, es posible que este, ya seavoluntaria o involuntariamente, genere perturba-ciones sobre el sistema. El controlador debe ser ro-busto a estas posibles perturbaciones para garan-tizar un comportamiento estable y seguro durantelas sesiones de rehabilitacion.

Tal y como se ha mencionado en la seccion 3, elexoesqueleto esta concebido actualmente para ter-apias de rehabilitacion pasiva, en las que las artic-ulaciones de los sujetos se movilizan por parte delexoesqueleto acorde a trayectorias programadas.Esto conlleva ineludiblemente el diseno de un con-trolador de posicion para controlar las rotacionesde las articulaciones. En terapias de rehabilitacionactiva, suele ser tambien necesario un controladorde posicion para implementar controladores de ad-mitancia/impedancia [20] [21], por lo que el con-trol de posicion se erige como un elemento funda-mental en el control de exoesqueletos.

Por todos los motivos anteriores, se propone eluso de un controlador en modo deslizante (SMC)para el control de la orientacion del hombro, sim-ilar al control utilizado en trabajos anteriores[14][15], dadas sus buenas propiedades de robustezante perturbaciones e incertidumbre en el sistema.Concretamente, se propone el uso de un contro-lador supertwisting, que destaca frente a otros con-troladores en modo deslizante por su atenuaciondel chattering, ruido de alta frecuencia acopladoa las senales de control debido a la naturalezadiscontinua de los controladores deslizantes. Estecontrolador se aplica sobre los cuatro motores decorriente continua del sistema. La ley de controlpara el motor i viene dada por (1) a 4

ui = ci|σi|12 sign(σi) + wi (1)

wi = bisign(σi) (2)

ci = 1.5√

Ci; bi = 1.1Ci (3)

σi = σi1ei1 + σi2ei2 + σi3ei3 (4)

donde, para el motor i, ui es la accion de control,σi es su superficie de deslizamiento (dada por loscoeficientes σik), wi es le termino para la aten-uacion del chattering, Ci es un parametro de con-trol y los eij son los errores asociados a la ref-erencia de estado del motor i, constituido por laposicion, velocidad y corriente del mismo.

El motor paso a paso de posicionamiento horizon-tal de la estructura se controla en bucle abierto, locual es perfectamente factible puesto que, tanto lavelocidad como el par a aplicar por el motor son losuficientemente bajos como para que no se pierdaningun paso.

3.3 CONTROL DE ALTO NIVEL

Como se menciona anteriormente, se ha utilizandouna computadora Jetson Nano de Nvidia, quedispone de diferentes puertos de comunicacion. Seha elegido el protocolo SPI para realizar la comu-nicacion entre ambas placas. La interfaz grafica(5) ha sido desarrollada utilizando Glade y conlenguaje C se han implementado todas las fun-cionalidades. La interfaz es capaz de almacenartoda la informacion recibida de los motores a unavelocidad de ∼500 Hz. Ademas es posible visu-alizar todos los estados y controlar cada motorpor separado o en su modo de rehabilitacion.

Figura 5: GUI: Modo rehabilitacion

4 VALIDACIONEXPERIMENTAL

Se han realizado pruebas con dos pacientes quese encontraban actualmente en fase de rehabil-itacion. El primero de ellos es un varon de 78 anoscon cirugıa de sutura del tendon supraespinoso. El


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segundo sujeto es una mujer de 60 anos con ten-dinitis del tendon supraespinoso. El objetivo deestas pruebas es tener una primera toma de con-tacto con pacientes de hombro para evaluar lasimpresiones y sensaciones que estos tienen al re-alizar una serie de movimientos.

Dado que los pacientes no se encontraban en fasesavanzadas de su tratamiento, la referencia an-gular de elevacion del hombro siempre se man-tuvo por debajo de los 90◦. Durante las prue-bas, siempre hubo un profesional sanitario paraguiar el proceso. Se han realizado movimientos deflexion-extension pura, abduccion-aduccion puray un movimiento intermedio con el hombro girado45◦ sobre el plano transversal.

(a) (b)

Figura 6: Pacientes utilizando el ExoFlex

Cada serie de movimientos se realizo de la sigu-iente manera. En primer lugar, el paciente sesento en el espacio de trabajo. A continuacionse configuro la estructura en la forma adecuadapara realizar la elevacion del hombro en el planodeseado (flexion, abduccion o el plano interme-dio). Posteriormente, se fue recogiendo cable pocoa poco para ir elevando gradualmente el brazo enese plano, segun las indicaciones del terapeuta.Cuando el angulo alcanzado por el brazo era delagrado del terapeuta (segun las necesidades delpaciente) se guardo dicha posicion, se bajo el brazoa la posicion de reposo y se comenzo con la re-alizacion de repeticiones en el plano deseado demovimiento, entre la posicion de reposo y la dereferencia.

Ninguno de los dos sujetos reporto haber sufridoincomodidad, tirantez o compresion por parte delacople textil. Uno de ellos, sin embargo, re-comendo colocar este justo en el codo, ya queal dejar el brazo inerte, le resultaba poco natu-ral dejar que el codo sustentase el antebrazo enel movimiento de elevacion. Las velocidades deelevacion propuestas (nunca superiores a 5◦/s) re-sultaron ser agradables para ambos sujetos, ya queen ningun momento reportaron sentirse asustadosni encerrados por el exoesqueleto.

5 CONCLUSIONES

Los desafıos de proporcionar una rehabilitacion demovimiento asistido para las extremidades superi-ores con los muchos grados de libertad del hombrose estan resolviendo mediante una amplia variedadde dispositivos roboticos. En este documento seha presentado un exoesqueleto hıbrido para reha-bilitacion de extremidades superiores con un en-foque robotico. Tanto el diseno mecanico comoelectronico son de desarrollo propio, lo cual per-mite obtener un dispositivo con funcionalidadesmuy especıficas.

Se ha realizado una primera toma de contacto condos pacientes. Aunque el numero de sujetos esreducido y los resultados son sumamente cualita-tivos, en este primer acercamiento, se ha buscadoevaluar que los pacientes se sientan comodos con elexoesqueleto, que no tengan miedo de utilizarlo yque lo vean como una herramienta mas para su re-habilitacion. Los resultados cualitativos han sidosatisfactorios, obteniendo una buena aceptacionpor parte de los usuarios y sin que ninguno deellos haya sentido que el exoesqueleto le ha gener-ado dolor, mas alla del habitual debido a su lesion.Los comentarios referentes a sensaciones person-ales con las velocidades de movimiento y el acopletextil han sido valiosos, y seran tenidos en cuentaen proximas iteraciones del diseno.

Los proximos trabajos se van a centrar en eval-uar la precision con la que el angulo de elevaciondeseado es alcanzado y se pretenden realizar prue-bas con pacientes con mayor rango articular, paraevaluar el funcionamiento del exoesqueleto en todosu rango de trabajo.

Agradecimientos

Los trabajos de este artıculo han sido parcial-mente financiados por el Ministerio de Ciencia eInnovacion, bajo el proyecto LUXBIT (RTI2018-094346-B-100) y por el Programa Propio deI+D+i de la Universidad Politecnica de Madrid.

English summary

HYBRID EXOSKELETON FORUPPER LIMB REHABILITATION

Abstract

The last decades have witnessed a rapidand vast development of robots for physicalrehabilitation that allow efficient planningof the rehabilitation process in terms ofcost, duration of sessions and availabilityof the therapist. This project aims to qual-


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itatively evaluate an exoskeleton for upperbody rehabilitation. The device presentsan approach to the development of a de-vice with the end-effector anchored to theground that performs the actuation on anexoskeleton coupled to the body of the sub-ject by cables. Experimentation with pa-tients suffering from the supraspinatus ten-don is documented by performing a seriesof movements dictated by a doctor.

Keywords: exoskeleton, robotic rehabili-tation, upper limbs, human-robot interac-tion.

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