1

ESTADO DEL ARTEBIOINGENIERIA: EXOESQUELETOS

Christian Abel Espejo QuezadaIngeniería Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana

cespejo@est.ups.edu.ec

Resumen—En el presente trabajo se presenta una revisiónbibliográfica de los exoesqueletos robóticos ( como su nombre lodice esqueletos externos) aplicados para potenciar las capacidadeshumanas en el caso de uso militar, ademas para rehabilitacióny sobre todo para ayudar a personas con discapacidades enextremidades tanto superiores como inferiores. Se prestara mayoratención a la parte electrónica de estos dispositivos.

Index Terms—Electromiografía, Bioingeniería, Exoesqueletos,Robótica, Háptico, Control, Anatomía„ Articulaciones, Falanges.

I. INTRODUCCIÓN.En las ultimas décadas el avance de la tecnología se esta

dando a pasos agigantados, lo que consideramos de ultimatecnología el día de hoy en pocas semanas puede considerarsetecnológicamente antiguo.

Gracias a este avance de la tecnología ha sido posibleque esta este inmersa en diferentes campos como el militar,medico, entretenimiento, e.t.c.

La medicina ha sido uno de las beneficiaras mas grandes,con la aparición de herramientas que facilitan los trabajos querealizan los médicos y tambien ayudan a la rehabilitación depacientes. De aquí sale la Bioingeniería que es una cienciajoven pero con grandes avances.

Una aplicación de la bioingeniería que se esta desarrollandomucho en estos últimos meses son los exoesqueletos. Losexoesqueletos son dispositivos que se usan como si fuera untraje, y este puede ayudar a potenciar la capacidades de unapersona, por ejemplo en el campo militar se esta creandoexoesqueletos que ayudan al soldado a llevar cantidades gran-des de peso sin la necesidad de esfuerzo.

Pero por otro lado existen exoesqueletos que son usadospara ayudar a personas con discapacidades y personas quenecesitan rehabilitación. Si bien hay exoesqueletos para lasextremidades superiores, los exoesqueletos para las extremi-dades inferiores son los que mas se están desarrollando, enespecial para ayudar a personas que por diferentes razones nopueden caminar y dependen de una silla de ruedas para podermovilizarse, con estos dispositivos se da la oportunidad queuna persona invalida o adultos mayores que están imposibili-tados para caminar lo puedan volver a hacer.

II. ROBÓTICA Y TELEASISTENCIA.La robótica es una rama de la tecnología que ha sido uti-

lizada para automatizar máquinas, haciendo que estas tenganinteligencia aplicada, las máquinas robóticas son utilizadas en

la industria para mejorar la producción, y tambien para realizaractividades que no son posibles que las realice un a persona.[1]La robótica combina diversas disciplinas como son el control,la electronica, la programación , la mecánica para todos loscomponentes, etc.

Las aplicaciones de la robótica son innumerables, comose dijo anteriormente es utilizada en la industria, hogar, enexploraciones a otros planetas, medicina.[12]

La Teleasistencia reúne tecnologías para poder realizar elcuidado y la asistencia a distancia de la salud de pacientes,por ejemplo hay implementos que permiten la monitorizaciónde signos vitales de un paciente, diagnósticos por video confe-rencia, etc. Ademas existen equipos que se están desarrollandopara poder realizar operaciones sin estar presente en la sala. Elespecialista tendrá un contacto visual y auditiva mediante unapantalla, entonces dará ordenes a un robot que se encuentraen la sala de operaciones. Este tipo de tecnologías se estánprobando en países desarrollados.[1]

Figura 1. Teleasistencia médica.[2]

III. SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS.

Las señales electromiográficas son de naturaleza eléctricay se producen cuando existe contracción o distensión en losmúsculos esqueléticos.[5]

Es de gran interés identificar los músculos que actúancuando se realiza un movimiento específico, con la ayudade la señal electromiográfica, es de gran interés “relacionarlas características eléctricas de la señal electromiográfica,

2

con la fuerza o el momento que causa el músculo sobre laarticulación”. [6]

Figura 2. Señales Electromiográficas.[6]

IV. APLICACIÓN DE LA ROBÓTICA EN DISCAPACIDADES.Durante los años 70 se dan las primeras aplicaciones de

robótica para ayudar a las discapacidades. Se construyeronelementos prostéticos1 y ortéticos2.[3]

En la actualidad ha un sinfín de aplicaciones de la ro-bótica para ayudar en discapacidades, por ejemplo para larehabilitación del codo, dedos„ rodillas. Pero tambien existenaplicaciones como los exoesqueletos de los cuales hablaremosa continuación.[4]

V. EXOESQUELETO.Podemos decir que un exoesqueleto es una especie de

traje robótico que puede ser utilizado por una persona, elexoesqueleto tiene la capacidad de intercambiar información,humano-maquina.[7]El intercambio de las señales se da me-diante sensores que en muchos casos no son invasivos, estoquiere decir que no afectan a la persona, las señales medidasson electromiográficas, y se las detecta con el fin de predecirla intensión de movimiento que tendrá la persona que usa eltraje.[8]

El exoesqueleto esta compuesto de partes mecánicas yelectrónicas. Para poder realizar un exoesqueleto se necesitade un estudio primero sabiendo para que tipo de discapacidado de objetivo será aplicado.

Los exoesqueletos son dispositivos de tipo órtesis, quieredecir que es un apoyo externo aplicado a un cuerpo paramodificar distintos aspectos.[9]

Los exoesqueletos pueden ser activos o pasivos, los activosson usados en exoesqueletos militares (aumento de fuerza)y para discantados en cambio los pasivos se utilizan paratelepresencia.[10], [11]

También podemos encontrar exoesqueletos que son im-plementados como dispositivos hápticos, estos sirven parainteractuar con entornos virtuales. Simulan texturas, formas,etc, de los elementos que el usuario opera, de esta manera

1prótesis es una extensión artificial que reemplaza una parte del cuerpo queno existe

2órtesis son definidas por la ISO como un apoyo u otro dispositivo externoaplicado al cuerpo para modificar los aspectos funcionales o estructurales delsistema

se puede tener una mejor experiencia virtual. Este tipo dedispositivos son muy utilizados por galenos e investigadoresespecializados en reconstrucción de rostros a partir de uncráneo.

Figura 3. Exoesqueleto para discapacitados

V-A. HAL.

El nombre HAL quieres decir hybrid assistive limb, este esun exoesqueleto motorizado que se acopla al cuerpo, ayudandoa la persona a moverse sin ningún esfuerzo, este traje comose puede ver en la figura 4 es para todo el cuerpo no se limitaa un solo tipo de extremidades. Este exoesqueleto cuenta consensores que ayudan a detectar las señales nerviosas que envíael cerebro a los músculos y de esta manera se anticipa almovimiento que el usuario va a realizar. [13]

HAL fue diseñado por la compañía japonesa Cyberdyne.

Figura 4. Exoesqueleto HAL

V-B. Lokomat.

Es un exoesqueleto basado en tecnología DGO, (driven gateortosis o de conducción de la ortosis), es capaz de imitar el

3

caminar fisiológico del usuario, a diferencia del HAL esteexoesqueletos se acopla solamente a las extremidades infe-riores. El tronco del usuario se queda suspendido mientras elexoesqueleto reproduce un caminar normalizado. Es utilizadoprincipalmente para rehabilitación de pacientes con problemasen sus extremidades inferiores.[14]

Fue diseñado por un ingeniero eléctrico Grey Colombo y sedesarrollo en Suiza gracias al hospital universitario Balgrist.

Figura 5. Exoesqueleto Lokomat

V-C. Rewalk.

El Rewalk es un exoesqueleto desarrollado para ayudar apersonas con parálisis en las extremidades inferiores (piernas)Al igual que el HAL cuenta con sensores, estoas mandanseñales al procesador que esta ubicado en la espalda. Gracias aeste exoesqueleto las personas que usan silla de ruedas puedenvolver a caminar.[15]

Desarrollado por la empresa israelita ARGO Medical Tech-nologies. Podemos ver el exoesqueleto en la figura 3.

V-D. Rex.

Exoesqueleto desarrollado en Nueva Zelanda, por la em-presa Rex Bionics. Este exoesqueleto usa baterias y tiene unadependencia de 2 horas sin interrupción. Es operado a través deun joystick. Tiene una limitación ya que solo puede ser usadoen superficies estables y firmes, no en de texturas accidentadaspor ejemplo en nieve o terrenos pedregosos. Al igual que Rexfue diseñado para personas co parálisis en la piernas.[16]

Figura 6. Exoesqueleto Rex

VI. CONCLUSIONES.Los exoesqueletos son trajes robotizados que en un principio

fueron creados para fines militares (mejorar fuerza, rapidez),hace unos pocos años simplemente podíamos ver este tipode tecnología en películas como iron-man, y en videojuegoscomo crysis en donde estos trajes son utilizados para brindarcapacidades que un humano por si solo no las podría realizar.

En la actualidad los exoesqueletos están siendo usados ydesarrollados dentro del campo de la medicina para mejorarlas condiciones de vida humana en especial para personasque sufren de discapacidades en sus extremidades superiores oinferiores.Estos implementos brindad la posibilidad de volvera caminar por ejemplo a personas que dependían de una sillade ruedas

REFERENCIAS

[1] D. Miguel Carballeda, “Tecnologías con Sentido”, presentado en IICongreso Domótica y Teleasistencia para Todos, España, 2007.

[2] iRobot Corporation, “Robot de teleasistencia medica”, 2012. [Online].Available: http://global.irobot.com/

[3] Casals. Alicia, “Robótica y Personas con discapaci-dad”. ZERBITZUAN, no. 37, 1999. [Online]. Available:http://www.zerbitzuan.net/documentos/zerbitzuan/ZERBITZUAN %2037.pdf

[4] Lasso M. I. and Masso D. M., “Exoesqueleto para reeducación muscularen pacientes con IMOC tipo diplejía espástica moderna ”, Engineerthesis, Universidad del Cauca, Colombia 2010.

[5] SODERBERG G. L., and others, Selected Topics in Surface Elec-tromyography for use in the Occupational Setting: Expert Perspectives,U.S. Department of Health and Human Services, Public Health ServiceCenters for Disease Control National Institute for Occupational Safetyand Health, March 1992.

[6] Monroy C. Diego, “Diseño e implementación de un exoesqueleto paraasistencia mecánica en el movimiento de flexión y extensión del codo”, Engineer thesis, Universidad Nueva Granada, Colombia 2008.

[7] ROSEN J., BRAND M., FUCHS M., and ARCAN M., A Myosignal-Based Powered Exoskeleton System, IEEE Transactions on System Manand Cybernetics - Part A: Systems and Humans, Vol. 31, No. 3, pp. 210- 222, May 2001.

[8] CHEEIN F. A., CARELLI R., FERREIRA A., WANDERLY C.C., yotros, Desarrollo de Interfaces para Personas con Discapacidad Basadasen Señales EMG Y EEG, Universidad Nacional de San Juan, Institutode Automática, San Juan, Argentina, Universidade Federal do EspíritoSanto, Departamento de Engenharia Elétrica, Vitória, Brasil.

[9] GONZALES R, Rehabilitación Médica. España: Masson, 1997, ISBN8445804839 pp. 63-68.

[10] KIGUCHI K., TANAKA T., and FUKUDA T., Neuro-Fuzzy Control ofa Robotic Exoskeleton With EMG Signals, IEEE Transactions on FuzzySystems, Vol. 12, No. 4, August 2004.

[11] ROSEN J., BRAND M., FUCHS M., and ARCAN M., A Myosignal-Based Powered Exoskeleton System, IEEE Transactions onSystem Man and Cybernetics - Part A: Systems and Humans,Vol. 31, No. 3, pp. 210 - 222, May 2001. [Online]. Available: <http://brl.ee.washington.edu/Research_Active/Exoskeleton/Project_02/Project_02.html >

[12] B. Antonio, “Fundamentos de Robótica”, España: Editorial McGraw-Hill, 1997.

[13] Sira, “El robot traje HAL se comercializa en Japón”, 2009. [On-line]. Available: http://www.tecnologiablog.com/post/406/el-robot-traje-hal-ya-se- comercializa

[14] “Robot Lokomat”, 2008. [Online]. Available:http://www.roboticspot.com/robots.php?id=58.

[15] Isla Cristina, “ReWalk, la robótica que permi-te andar a paralíticos”, 2008. [Online]. Available:http://www.islacristinadigital.com/?id=0501001&n=135.

[16] A. Serna. “Rex, un exoesqueleto que le dice adiós a las sillas de ruedas”,2010. [Online]. Available: http://www.fayerwayer.com/2010/07/rex-un-exoesqueleto-que-le-dice-adios-a-las-sillas-de-ruedas/all-comments/.

4

Christian Abel Espejo Quezada , nacio en Cuenca-Ecuador, en 1990. Recibio el título de bachiller enInstalaciones Equipos y Maquinas Electricas en elcolegio Tecnico Salesiano en el 2008. Actualmentesus estudios superiores los realiza en la UniversidadPolitécnica Salesiana en la especialidad de Ingenie-ría Eléctrica..