Desarrollo de un exotraje adaptativo monoarticular basado en simulación

Resumen

El diseño y desarrollo de exotrajes adaptativos para extremidades inferiores presenta oportunidades significativas para el avance de las tecnologías de rehabilitación y asistencia a la marcha. A diferencia de los exoesqueletos tradicionales, los exotrajes se caracterizan por su estructura flexible y ligera que utiliza el propio cuerpo como soporte estructural, transmitiendo fuerzas y movimientos a través de cables y materiales adaptables al sujeto en lugar de componentes rígidos.

Este estudio se centra en la creación de un prototipo de exotraje monoarticular como primera aproximación a un exotraje multiarticular que permita la asistencia a la marcha en pacientes con patología neurológica (mielomeningocele o síndrome Charcot-Marie-Tooth). El dimensionado del actuador se basa en los requisitos de potencia y par obtenidos de los datos de simulación, obtenidos previamente mediante modelos musculoesqueléticos, de manera que los actuadores garanticen una transmisión de fuerza óptimas de los cables tipo Bowden durante el movimiento. Una polea en el eje del motor junto con un alimentador garantiza el guiado correcto del cable, evitando desenrollamientos y destensados del cable en la polea en la polea. El extremo que asiste el movimiento del segmento corporal se puede acoplar en diferentes puntos de anclaje tejidos sobre una muslera deportiva para evaluar diferentes contribuciones de la actuación a la marcha del sujeto.

En cuanto a la sensorización, se emplean unidades de medición inercial (IMUs) y células de carga, para identificar la combinación más efectiva en la detección de intención de movimiento y monitorización en tiempo real de la fase de la marcha. Esta configuración de sensores, junto con un enfoque de control adaptativo, se empleó para compensar el destensado de los cables, mejorando la precisión general de la actuación. El modelo de rigidez de la interfaz cable-sujeto se ajusta experimentalmente, considerando la relación entre los cambios en la longitud del cable y la fuerza resultante en varias pruebas.

Una vez obtenido el prototipo funcional, el siguiente paso será la implementación de un proceso de optimización bayesiana en el prototipo para identificar los parámetros de actuación y variables de diseño óptimas para minimizar eficientemente funciones objetivo específicas, como el coste metabólico, la trayectoria del centro de masas o la asimetría de la marcha. La optimización bayesiana posibilitará que el exotraje se adapte al comportamiento dinámico real del sistema sujeto-exotraje, considerando factores como destensado de cables, contacto con la piel, patología del sujeto y adaptación al uso del exoesqueleto y particularidades biomecánicas difícilmente cuantificables o medibles durante el funcionamiento.