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ARTCULO DE INVESTIGACIN

Vol. 35, No. 2, Agosto 2014, pp. 143-156

Co-simulacin del Diseo Biomecnico para unExoesqueleto Robtico del Miembro Inferior

E. LugoP. Ponce

A. MolinaS. Castro

Tecnolgico de MonterreyCampus Ciudad de Mxico

RESUMENEste trabajo muestra como la co-simulacin incrementa las ventajasy decrementa las desventajas para el diseo del exoesqueleto. Lametodologa propuesta tiene tres estados: el diseo de la partebiomecnica, el diseo mecnico y el sistema de control Para el anlisisbiomecnico, OpenSim R resuelve el sistema musculo-esqueltico eincluye modelos para diferentes condiciones que pueden ser usados en eldiseo de procesos. SolidWorks R que es aplicado en diseos asistidospor computadora evala la parte mecnica y Matlab R resuelve elsistema de control del exoesqueleto. Esto permite conseguir un diseopersonalizado, que simula los movimientos de una marcha completacubriendo las restricciones cinemticas para lograr un movimientonatural y las limitaciones del usuario cuando tienen algn problemapara caminar. El resultado muestra como es aplicada la co-simulacinpara hacer un prototipo virtual, como se unen y dependen los programasuno del otro. Aunque la simulacin convencional de cada programapuede ahorrar dinero y tiempo, estos no resuelven completamente losproblemas de diseo del exoesqueleto; por lo tanto la co-simulacin esuna excelente opcin para la biomecnica, la mecnica y los sistemasde control que necesitan exactitud y rapidez en cada parte del procesode diseo.

Palabras clave: exoesqueleto, miembro inferior, diseo virtual,control, simulacin.

144 Revista Mexicana de Ingeniera Biomdica volumen 35 nmero 2 Agosto, 2014

Correspondencia:Esther Lugo Gonzlez

Calle del Puente # 222 Col.Ejidos de Huipulco, TlalpanC.P. 14380, Mxico D.F. tel.5483 2020. D.R. c InstitutoTecnolgico y de EstudiosSuperiores de Monterrey,

Mxico.Correo electrnico:

[email protected]

Fecha de recepcin:1 de mayo de 2014 Fecha

de aceptacin:29 de junio de 2014

ABSTRACTThis work shows how the co-simulation increases the advantagesand decreases the drawbacks for exoskeleton design. The proposedmethodology has three stages: the design of a biomechanical part,the mechanical design and the control system. For the biomechanicalanalysis, OpenSim R solves the muscle-skeleton system and includesmodels for different conditions that can be used in the design process.SolidWorks R that is applied in assistive computer design evaluates themechanical part of the exoskeleton and Matlab R solves the controlsystem that takes over the exoskeleton. It allows getting a personalizeddesign which simulates the complete walking movements, covering thekinematic restrictions to achieve a natural human movement and theuser limitations when they have any problem for to walk. The resultsshow how the co-simulation is applied to complete a virtual prototypeand the programs are linked hand in hand. Although conventionalsimulation by one program can save money and time, it cannot solvethe entire exoskeleton design problem; as a result the co-simulation isan excellent option in biomechanical, mechanical and control systemsthat need accurate and swift results in each part of the design process.

Keywords: exoskeleton, movement simulation, control, lowers limbs.

INTRODUCCIN

En Mxico al ao 2010, las personas quetienen algn tipo de discapacidad son 5 millones739 mil 270, lo que representa 5.1% de lapoblacin total [1]. La limitacin de movilidades el mayor padecimiento entre la poblacindel pas; el 58.3% de las limitantes declaradasse refieren a caminar o moverse. Paradisminuir estas restricciones se utilizan equiposde asistencia tecnolgica como sillas de ruedasmecnicas y electrnicas, andaderas, muletas obastones, que a pesar de ser funcionales tieneninconvenientes como el costo, la facilidad deuso y mantenimiento dependiendo la cantidadde tecnologa con la que cuenten, el espacio ola infraestructura para desplazarse en cualquierlugar, el tiempo de vida de dichos dispositivosentre otras. Para disminuir estas desventajas,surgieron los exoesqueletos, que son dispositivoselectromecnicos diseados para incrementar elrendimiento fsico del usuario. stos sonestructuras capaces de transmitir la fuerzaejercida por el peso del torso del cuerpo hacia el

suelo sin la necesidad de que este sea soportadopor las piernas, permitiendo que la persona sepueda mover de un lugar a otro de forma erguiday sin la necesidad de una silla de ruedas, pero sicon el uso de andaderas o bastones.

Devolver la movilidad a un paciente oincrementar la fuerza del mismo, es unanecesidad que se ha estudiado desde 1960,obteniendo aplicaciones mdicas e industriales[2]. Reinkensmeyer [3], describe el primerexoesqueleto robtico, Lokomat c, que seutiliz para aplicaciones teraputicas en 1960.A mediados de 1980, Jeffrey Moore de loslaboratorios Alamos Nacional [4], refiere que elexoesqueleto sirve para aumentar la capacidadde los soldados inspirados en el conceptode Heinlein. En esta misma dcada elprograma DARPA, nombrado Aumento derendimiento humano (EHPA, por sus siglasen ingls), tena como objetivo incrementar lascapacidades de los soldados que estaban encampo, ms que las de un humano comn[5,6]. En 1993, en la Universidad de Berkeleyen California, construyeron un exoesqueleto de

Lugo y col. Co-simulacin del Diseo Biomecnico para un Exoesqueleto Robtico del Miembro Inferior. 145

cuerpo completo con accionamiento elctricopara amplificar las capacidades humanas. Enel siglo 21 en Japn, el Instituto de Tecnologade Kanagawa, desarrollo un exoesqueleto decuerpo completo, alimentado por un actuadorneumtico con un control que produce unacompensacin aproximada en el mecanismo yuna admitancia para compensar el peso y lafriccin que puede existir [7,8]. Por otro ladoen [9] se presenta una revisin de diferentestecnologas aplicadas a los exoesqueletos para larehabilitacin. En 2014, Nogueira [10] proponeun modelado colectivo de todos los sensoresinerciales unidos al exoesqueleto, combinadosen un modelo de estimacin de Markov, paraobtener la mejor informacin de cada sensor.

De estos prototipos, al utilizarlos con elpaciente, se encontraron problemticas comodiseos muy especficos al genotipo del pas deorigen, los usuarios deben contar con buena saludde la cintura para arriba, ya que son pesados yel paciente necesita manipularlo, el consumo debatera en los robticos es grande y el costo eselevado para su adquisicin. Derivado de estassoluciones y problemticas, surge el uso de laintegracin de varios programas de cmputo parael diseo y simulacin de prototipos virtualesantes de construir del prototipo.

Esta integracin ha sido referida condiferentes nombres, como son datos y procesosde un modelo cooperativo [11], acoplamientoexterno [12], co-simulacin [13], y simulacindistribuida [14].

La co-simulacin o simulacin cooperativaes una metodologa aplicada a la simulacin,que permite a componentes individualesser simulados con diferentes herramientasejecutndose al mismo tiempo e intercambiandoinformacin de forma colaborativa. El ambienteen la co-simulacin debe recibir mnimo dosentradas que interactan entre si y generarautomticamente una salida [15]. Esta hademostrado su efectividad al ser aplicadasatisfactoriamente en diferentes campos como:computacin de alto nivel, juegos en internet[16], dinmica de multi-cuerpos [17], mecatrnica[18], qumica [19] o mecnica estructural [20,21]entre otros. De estas investigaciones se hanencontrado varias ventajas para la co-simulacin,

como: la obtencin del modelo de un prototipoms rpido, el uso y modelado en diversosambientes de herramientas especializadas, eldiseo colaborativo, el desarrollo de procesosque pueden ejecutarse de forma simultnea y ladisponibilidad inmediata del nuevo modelo entreotras.

En este estudio la co-simulacin se aplicaral desarrollo de un exoesqueleto que tienecomo objetivo sostener el cuerpo y mantenerla funcionalidad de los msculos afectadospor enfermedades, problemas de movilidad enmiembro superior e inferior o por accidentes. Sepropone el diseo virtual de un exoesqueletoaplicando la co-simulacin para obtener unmodelo ligero, personalizado y de costo accesible.El trabajo inicia por determinar los factoresbiomecnicos, haciendo uso del programaOpensim R, involucrando las variables demovimiento y la marcha humana, definiendoposturas especficas que el exoesqueletodebe hacer para ayudar al paciente en lageneracin bsica de movimiento de flexiny extensin. Posteriormente se presenta eldiseo del mecanismo aplicando la informacinobtenida del programa Opensim R con elprograma Solidworks R, describindose laspiezas mecnicas y la simulacin de movimientodel exoesqueleto. Al tener el mecanismofuncionando, el siguiente paso es el diseo delcontrol, en este caso se aplica el programaMatlab R a la simulacin de movimiento delexoesqueleto, para validar la funcionalidad delmismo.

METODOLOGA

Como principales caractersticas requeridas enla co-simulacin para la ejecucin de modelosque faciliten la generacin automtica y dar unaeficiente validacin global de los resultados setiene:

Flexibilidad: Que sea un herramientadisponible a ser adaptable a modificacionesque puedan ocurrir durante el diseo, comoen el ambiente externo o tecnolgicas.

Modularidad y escalabilidad: Debe tener laposibilidad de validar sistemas y los


distintos ambientes de trabajo en que seencuentren cuando nuevos componentes ofunciones se agreguen.

Precisin: Debe permitir al diseador escogerlos niveles de precisin, y dependiendode estos puede dividirse en dosconsideraciones que deben existir: tiempode validacin y validacin funcional.

Partiendo de esto, se plantea la metodologaa seguir para la construccin del diseo virtualdel exoesqueleto personalizado. En la Fig. 1se presenta el diagrama de flujo que representael proceso de diseo del exoesqueleto. En estepuede observarse la secuencia de actividades quese siguieron para el desarrollo del exoesqueleto,concluyendo en la evaluacin del diseo dejandopara trabajos futuros la fabricacin, las pruebascon el prototipo y el anlisis de resultados.

Figura 1 Diagrama de flujo del proceso de diseovirtual usando co-simulacin.

Siguiendo las fases del diagrama de flujo,se presenta la biomecnica del cuerpo humano,que es la base para el diseo del exoesqueleto,exponiendo los grados de libertad que tendr ylos movimientos que debe realizar, presentandolos resultados en una simulacin.

Respecto al tipo de diseo, se emplea unomecnico por extraccin de tecnologa [22],que toma como referencia la muestra fsicade un producto para reproducirlo total oparcialmente, para este caso, se toma comoreferencia el exoesqueleto eLEGS R, el prototipode Berkeley Bionics R [23] y el simulador demarcha de Opensim R [24], para comprenderel funcionamiento y hacer simulaciones demovimiento.

Biomecnica del cuerpo humano

Los factores biomecnicos crticos a consideraren el diseo de un exoesqueleto son [25,26]:Grados de libertad (GDL): Determinan elnmero de actuadores para que el exoesqueletorealice el ciclo de marcha del ser humano y lasvariables a controlar para definir el tipo delsistema de control (SISO o MIMO). En la Tabla1 se presentan los grados de libertad para cadaarticulacin en el miembro inferior en el planosagital.Rango de movimiento (RM): En los exoesqueletosdiseados para caminar los RM son siempremayores que los que estn en fase de estancia, porlo tanto deben ser grandes para evitar cualquierrestriccin del miembro inferior durante la fasede locomocin.

En la Tabla 2 se presentan parmetros dela marcha en individuos normales, con basea trabajos de autores como [27,29], los cualesconstituyen un promedio para hombres y mujeressanos de edad entre 18 y 64 aos.

Conociendo el tiempo que tarda la rodilla enel ciclo de la marcha en recorrer una determinadadistancia, puede saberse cuntos grados se movien ese periodo de tiempo y as obtener lavelocidad angular (Tabla 3).


Tabla 1 Grados de libertad del miembro inferior en el plano sagital.Nombre GDL Caractersticas

Unin de cadera Tres Todos son de rotacin. Permite los movimientos de las uniones como sonflexin/extensin, aduccin/abduccin y rotacin interna y externa.

Unin de rodilla Dos Son de rotacin. Se considera la unin del cndilo. El movimiento de la unines flexin/extensin y la rotacin interna/externa.

Unin de tobillo Uno La articulacin del tobillo es considerada como una bisagra, con un grado delibertad que permite la rotacin en el plano sagital (flexin/extensin).

Tabla 2 Parmetros de la marchaCadencia Velocidad Long.(p/min) (m/s) Zancada (m)

Fuente H M H M H MMurray (1964, 1970) 117 117 1.53 1.30 1.57 1.33

Chao (1983) 102 108 1.20 1.10 1.42 1.22Kadaba (1990) 112 115 1.34 1.27 1.41 1.30Perry (1992) 111 117 1.43 1.28 1.46 1.28

Tabla 3 Intervalos de movimiento.Movimiento Intervalo (CM) Grados () Tiempo (s) Velocidad angular (rad/s)

Flexin hasta 18 0-15% 16 0.153 1.83Extensin hasta 5 15-40 % 13 0.256 0.89Flexin hasta 65 40-70% 60 0.308 3.4Extensin hasta 2 70-97% 63 0.277 3.97

Momento de fuerza en las uniones: Para lalocomocin asistida del exoesqueleto, se aplicanmomentos pasivos [6] o activos [27] a las unionesde inters en el momento de fuerza, en ladireccin y con la intensidad adecuada. Estees necesario para caminar y realizar actividadesque son caractersticas del movimiento de laspiernas y las uniones en el plano sagital [6,27].

La intensidad de los momentos de las unionesvaria durante el ciclo de la marcha [6,27]provocando que en muchos casos de diseose requiera el uso de valores mximos en lostorques necesarios, afectando directamente a laseleccin de los actuadores, donde los motoresque pueden proporcionar los valores de par yvelocidad son muy grandes; ya que la relacinentre dimensiones y par es proporcional, es decirque mientras mayor sea el par, mayor es eldimetro y la longitud del motor [29].

Por otro lado ,para realizar el diseo delexoesqueleto, adems de conocer la biomecnicabsica del cuerpo humano, es necesario saberel comportamiento que tendr este durante losmovimientos de flexin/extensin que se necesitarealizar durante la marcha. Para el equilibrioen bipedestacin puede utilizarse el pnduloinvertido que compensa perturbaciones pequeasen el sistema, manteniendo el torso paralelo ala fuerza gravitacional tanto en el plano sagitalcomo en el frontal.

Para visualizar la marcha en fase normal ycon alguna patologa o anomala en el paciente,existen varios tipos de programas como elSIMM R (MusculoGraphics, Copyright c2012-2014.), OpenSim R y Sim TK R [23], AnyBodysistema de modelado, LifeModeler R , VirtualInteractive Musculoskeletal System R (VIMS)de forma comercial. Por sus caractersticas, seeligi el programa OpenSim R, el cual incluye


entre otras cosas ser ms intuitivo y de libreacceso, adems de manipular los programaspredefinidos con que cuenta y tener toda lainformacin necesaria disponible.

Simulacin de la marcha humana

En Opensim R [24] es posible conocer laspartes del sistema musculo-esqueltico, ya quese muestra detalladamente la cinemtica delcuerpo humano. Como caso de estudio sepresentan las caractersticas de un sujeto adultode aproximadamente 1. 80 mts de altura y75 kg de peso (datos que se consideran comobase para el diseo del exoesqueleto y queson proporcionados por Opensim R). Con estainformacin, en el simulador puede apreciarsela fase de posicin y oscilamiento al generar lamarcha completa. Tambin pueden obtenerselos ngulos de flexin/extensin del miembroinferior (Tabla 4), mostrndose los mximos ymnimos del movimiento de la cadera, la rodillay el tobillo, resaltando las uniones biolgicas enel plano sagital. Walsh [28], explica que en la fasede estancia los msculos de la cadera, la rodillay el tobillo puede desacelerarse y estabilizar elcuerpo, y al final de esta fase, el tobillo tiene unmayor poder en la flexin plantar, donde se dala energa para el regreso del cuerpo a la posturainicial. Esto se ve reflejado en los ngulos demovimiento.

Los datos obtenidos fueron en condiciones demarcha normal, sin algn tipo de carga extra,solo el peso del paciente.

Tabla 4. ngulos de movimiento biolgicos dela cadera, rodilla y tobillo.

Descripcin ngulo(Grados)

Flexin de la cadera enel plano sagital

-11 a 95

Aduccin de cadera -50 a 15Rotacin de cadera -20 a 20ngulo de rodilla -120 a 0ngulo de tobillo -30 a 30

Para hacer un modelo cinemtico funcionalpara el exoesqueleto, se toma cada segmentodel miembro inferior como un elemento rgidopara el cual las deformaciones y las masas noson consideradas. El mecanismo debe seguirla lnea del eje mecnico del miembro inferior,las articulaciones se consideran como miembrocinemtico sin friccin; la articulacin de larodilla se simplifica y se supone que su centrode rotacin esta fijo en un punto durante todo elmovimiento. El de la rodilla se restringe a usarhiperextensiones y se ignora el miembro superior.El ciclo de marcha se considera simtrico y parael anlisis y simulacin solo se considera el ladoderecho. El tiempo de cada fase se asume enporcentaje. La marcha que se realiza ocurre ensuperficie plano horizontal.

DISEO DEL MECANISMO

Con base en la informacin obtenida del anlisisde la marcha del programa Opensim R y delas investigaciones de [27,29], se tienen lassiguientes caractersticas para el desarrollo delexoesqueleto:

Ser pseudo-antropomrfico, porque tienecadera, rodilla y tobillo como un humano,pero los detalles de las uniones de estos sondiferentes.

El diseo mecnico del exoesqueleto debeajustarse con 90 en la cadera, -90 en larodilla y va de -15 a 25 en el pie (conbase en el plano sagital y en la posicin deextensin).

El centro de masa necesita ser alineado,se considera que el centro de rotacin yel peso de las partes mecnicas debe serproporcional al cuerpo humano, para nogenerar un mayor esfuerzo o algn dao enel usuario.

El exoesqueleto tendr 7 grados delibertad: 3 en cada pierna y uno para elmovimiento de rotacin en la cadera, queminimizar las restricciones cinticas.


Tabla 5 Caractersticas de diseo delexoesqueleto.

Caractersticas Diseo delexoesqueleto

Rango de movimiento en launin de la cadera

0o a 90odesde el planosagital

Momento de fuerza mximo defrenado en la unin de cadera.

150 N/m

Rango de movimiento en launin de rodilla.

0o a -65odesde el planosagital

Momento de fuerza mximo defrenado en la unin de rodilla.

120 N/m

Rango de movimiento en launin del tobillo.

-25o to 15odesde el planosagital

Momento de fuerza mximo defrenado en la unin del tobillo.

200 N/m

Las caractersticas del diseo mecnico sepresentan en la Tabla 5, en esta se tiene elmejor valor del momento de fuerza, para la unindel tobillo, que soporta todo el peso del cuerpocuando el paciente camina. Tambin se presentael valor mximo de ruptura de las uniones y elmomento de fuerza de la cadera, la rodilla y eltobillo [26].

Una problemtica muy comn en todos losmecanismos de exoesqueletos es la estabilidaden la postura, que se logra a travs del controlde las fuerzas que actan en los centros demasa del humano cuando este comienza agenerar un movimiento, ya que ste cambiacon las tareas que se realicen y las condicionesambientales. Para resolver esta problemticaexiste una gran variedad de sistemas para elcontrol de postura (el reactivo, anticipatorio,sensorial, dinmico y lmite de estabilidad), ascomo sistemas sicolgicos (el vestibular, visual,proprioceptivo, fuerza muscular y tiempo dereaccin), donde ambas categoras contribuyenal balance [30]. Para resolver el desbalance enel exoesqueleto que se propone, mecnicamentese colocan uniones rgidas y un tamao de pieproporcional, adems que se recomienda el uso debastones o caminadora para el control del centrode masa adems del uso de fuerza muscular,

ya que este ser usado por pacientes con algnproblema de movimiento en el miembro inferior.Las pruebas que deben realizarse para el balanceson: las restricciones biomecnicas, lmites deestabilidad, ajuste de postura anticipatorio,respuesta de postura, orientacin sensorial yestabilidad en la marcha. Por ser un prototipovirtual que se encuentra en fase de diseoconceptual, solo se consideran las restriccionesbiomecnicas [30]. As el mecanismo delexoesqueleto se forma principalmente de 4partes:Soporte principal (SP): Se forma por 6elementos mecnicos unidos, a los cuales se lesacopla un arns de seguridad como elementode sujecin al cuerpo y se colocan cojinetesfabricados en hule espuma, cubiertos con tela deNylon para mayor comodidad al usuario y cubrirlos requerimientos antropomtricos del cuerpo,para evitar algn dao. La figura 2 muestra loselementos mecnicos que constituyen el SP.Soporte de la cadera (SC): Es un mecanismocon dos grados de libertad (figura 3), el primeroes considerado una bisagra que permite ajustar elmecanismo a la cintura, as como el movimientode rotacin externa e interna. El segundopermite el movimiento de flexin/extensin queel cuerpo realiza de forma biolgica al subiruna pierna, ste soporte est constituido por 8elementos mecnicos simtricos.Soporte de la rodilla (SR): Se tienen treselementos mecnicos, que asemejan elcomportamiento biolgico de flexin/extensindesarrollado por la rodilla (figura 4). Al igualque en la cadera, se colocan dos actuadoresen las articulaciones de la rodilla, uno para laderecha y uno para la izquierda. Para sujetaresta articulacin al cuerpo, se utiliza un soportediseado para ambas rodillas, el cual junt concorreas de velcro, se fijan a la parte superior dela pantorrilla y de la parte anterior de la pierna.Soporte de tobillo (ST): Para sujetar estaarticulacin al cuerpo, se utiliza un soportediseado que se coloca con velcro en el tobillo.El mecanismo diseado para la articulacin deltobillo es similar al de una bisagra, debido a quetiene un grado de libertad en el plano sagital parahacer el movimiento de flexin/extensin (figura5).


Figura 2 Ensamble SP (a) barra de sujecinprincipal, (b) barras de soporte vertical, (c)barra de sujecin superior, (d) segmentos deconexin de la cadera.

a) b)

Figura 3 Soporte de la cadera a) EnsambleSpC lado derecho vista explosiva b) Movimientosde rotacin externa e interna de la cadera delexoesqueleto.

a) b)

Figura 4 Soporte de la rodilla a) Ensamble SpRderecha, b) Movimientos de flexin/extensin dela rodilla lado derecho.

a) b)

Figura 5 Soporte del tobillo a) ensamble deltobillo b) Movimientos de flexin/extensin deltobillo.

Figura 6 Exoesqueleto con componentesmecnicos.

Tambin se colocan unas barras entre lacadera -rodilla y la unin rodilla-tobillo, paraajustarse e incrementar 10 cm aproximadamenteo disminuir la longitud del exoesqueleto hasta 1cm segn se requiera.

El principal sistema de sujecin delexoesqueleto esta sobre la espalda y la cadera,ya que debe ser colocado en el cuerpo deforma paralela. Un factor importante en eldiseo del exoesqueleto es la simetra queexiste con el cuerpo tanto en los elementosmecnicos que constituyen el lado derecho delexoesqueleto como el izquierdo (figura 6). Estemecanismo es puramente mecnico, por lo quesu accionamiento es totalmente manual.

Con base en el diseo, el exoesqueleto puedeser funcional para un paciente con las siguientescaractersticas (Tabla 6):


Tabla 6 Condiciones del paciente para usar elexoesqueleto

Caractersticas Mnimo MximoAltura 1.70 m 1.80 mPeso 70 kg 100 kg

Extremidades Dos piernas Con prtesisBalance yequilibrio

Bastn Andadera ocaminadora

Fuerza Para soportarsu propio peso

Soportarsu propiopeso y el delexoesqueleto

Cabe mencionar que el diseo se realiz conestas caractersticas de altura y peso del pacientepara validar con el modelo del humano virtualde OpenSim R, pero ya teniendo la metodologay el conocimiento de cmo disear las piezas,es posible hacer un diseo personalizado conel fenotipo mexicano, solo es necesario conocerlas dimensiones del paciente, los ngulos demovimiento y los momentos de fuerza cuandorealiza la marcha.

Movimiento mecnico del exoesqueleto

Con base en la biomecnica del cuerpo humano,el movimiento del exoesqueleto es el siguiente(Figura 7):SP y SC: Para este diseo la articulacin dela cadera tiene solo dos grados de libertad,flexin/extensin y aduccin/abduccin.SR: El movimiento que se realiza es de tipobisagra monocntrico, este tiene un movimientode 0 a 90.ST: El rango de movimiento para estaarticulacin tambin es de tipo bisagra de -25oa 15o, medido con respecto al plano sagital.Se registra un movimiento -25o al finalizar laetapa de apoyo, que es cuando el pie comienza alevantarse del suelo y se registran 15o cuando eltobillo hace contacto con el suelo.

Para generar los movimientos de esteexoesqueleto, toda la activacin es manual,hasta ahora solo funciona como apoyo a lapersona que an tienen movilidad y fuerza ensus extremidades superiores y necesita reforzarlas inferiores, con ayuda de algn bastn o

Figura 7. Movimientos de los componentes delexoesqueleto.

caminadora para poder tener un centro degravedad y balance.

CONTROL Y SIMULACIN DELEXOESQUELETO

Para realizar el modelado se utiliza el programaMatlab R, en especfico la sub-herramienta deSimmechanics (MathWorks R), que es parte deSimscape de SimulinkTM .

La simulacin inicial del modelo mecnicopara hacer el control, es simplificar el modeloen eslabones, es decir solo considerar el modelovectorial, adems del peso y la altura enla simulacin. El modelo simplificado de larepresentacin de la pierna es con tres eslabones:la unin cadera-rodilla, rodilla-tobillo y tobillo-pie, incluyendo sus respectivas uniones. Todaslas uniones son de revolucin y tienen sensoresque van con el actuador.

El exoesqueleto es de mltiples entradasmltiples salidas, es decir un sistema MIMO,ya que todas las uniones actan de formaseparada, pero al mismo tiempo siguen la mismatrayectoria, para dar los movimientos necesariosque permiten el ciclo de la marcha. Por estarazn, el sistema de control necesita un sensor yun actuador en cada unin.

El modelo de control es un sistema de lazocerrado con un seguidor de referencia, ste


emplea un bloque PID, para un control constanteen un proceso dinmico. Su objetivo es permitirque la planta se acerque lo ms posible al puntode referencia y se elimine el error. En este casose utiliza el seguidor de referencia como puntode entrada de la trayectoria del movimiento,que debe ser seguido por todas las uniones paragenerar el ciclo de marcha.

El controlador PID corrige las seales deerror emitidas por el sensor al ser generadasen diversos puntos de la trayectoria durantela simulacin de la marcha. La marca dereferencia puede ser enviada en forma de paro de fuerza observndose al realizar la co-simulacin entre Opensim R y Matlab R. Sise quiere simular la velocidad y aceleracin,se debe agregar un factor de ganancia enla posicin de los acopladores, para que elcontrolador PID realice la accin de controlcorrespondiente. Si se deja un lazo abierto, esnecesario establecer el signo del acoplador en laentrada de la articulacin que realiza la accin yla simulacin, para verificar que el movimiento dela trayectoria generada sea similar a la obtenidapor los simuladores Opensim R y SolidWorks R.El PID permite que los controladores envenuna posicin similar del ciclo de marcha a launin mecnica y a la articulacin del usuario,que permanece conectada de forma dinmicaa las condiciones biolgicas, cumpliendo aslas restricciones cinemticas del usuario. Elbloque PID tiene dos entradas y una salida,las entradas son como referencia y seales deretroalimentacin para generar una seal deerror y las salidas son seales de control aplicadasa los actuadores. La seal de retroalimentacinllega desde el sensor de unin conectado aSimMechanicTM . Un ejemplo de aplicacines donde las trayectorias de par obtenidas delprograma OpenSim R, son preestablecidas yenviadas como referencia al controlador tipoPID. En la Fig. 8 se muestra la imagen quees creada por el programa SimMechanicTMtras ejecutar la simulacin de la importacin

Figura 8 Izquierda ventana de exploracinSimmechanics y derecha ventana de SoftwareSolidWorks R.

realizada. A cada una de estas articulaciones sele configura una seal de entrada (1 actuacin)del tipo primitiva de revolucin de par y unsensor de posicin.

Con la informacin del par, la velocidadde un ciclo de marcha normal y uno conaceleracin normal, se gener el prototipo virtualdel exoesqueleto, teniendo un peso de 32.25 Kgcon base en los valores proporcionados por elprograma de SolidWorks R y a las caractersticasde los materiales especificados. El par que senecesita para la unin de la cadera es de 90 Nmy para la rodilla es de 70 Nm.

Evaluacin del diseo

Se obtuvieron grficas de movimiento en elplano sagital del lado izquierdo y derechode un humano simulado, para trasladarse alexoesqueleto y as generar un movimientoparalelo. La prueba se gener en condicionesnormales, sin alguna carga extra, deficienciao patologa del paciente simulado. Esto paragenerar el diseo conceptual del mecanismodel exoesqueleto. La simulacin del ciclo demarcha en SolidWorks R (figura 9) compruebael movimiento descrito en OpenSim R, estoverifica la parte de co-simulacin, donde ambosprogramas presentan resultados similares, dondela cinemtica y dinmica del humano sonimitadas por el exoesqueleto.


Movimiento de la unin lado derecho de (a) cadera, (b) de rodilla y de (c) tobillo por SolidWorks R.

Movimiento de la unin lado derecho de (a) cadera, (b) de rodilla y de (c) tobillo por Opensim R.

Movimiento de la unin lado izquierdo de (a) cadera, (b) de rodilla y de (c) tobillo por SolidWorks R.

Movimiento de la unin lado izquierdo de (a) cadera, (b) de rodilla y de (c) tobillo por SolidWorks R.Figura 9 Comparacin entre resultados grficos de Opensim R y SolidWorks R.

DISCUSIN

Se presenta un estado del arte que muestrala evolucin que ha tenido la co-simulacinas como los avances en los exoesqueletosque ya existen, determinndose como ventajaspermitir al paciente moverse de una maneraindependiente, adems de evolucionar hacia larobtica para que el usuario aplique menoresfuerzo al desplazarse o pasar de la fase deflexin a extensin, estos dispositivos los puedeusar casi cualquier paciente, considerando sucondicin fsica y financiera. Comparndolos conel que se presenta en este trabajo, este tiene laposibilidad de ser un exoesqueleto personalizado,

puede obtenerse el diseo y generar los ajustesde una manera ms rpida, puede adecuarse alas necesidades del paciente, puede simularse conun tipo de material especfico y verificar si esadecuado para las caractersticas del paciente yal cubrir los requerimientos puede trasladarseel diseo en CAD a alguna mquina CNC querealice el maquinado de las piezas necesarias.

Se presenta la simulacin con Opensim Robtenindose como datos de referencia lasgrficas de movimiento de cadera, rodilla ytobillo.

Se simul en SolidWorks R un prototipopara manipular el par, movimientos, cambiardimensiones o tipos de los materiales en los


eslabones; que pueden realizarse en programasespecializados como Autocad R, Inventor R,Ansys R, etc, pero que no se obtendra laco-simulacin tan rpida y eficiente como conSolidWorks R, adems de ser un programa delibre acceso para estudiantes, considerndoseptimo para este estudio.

Con respecto al anlisis de movimiento delexoesqueleto, primero se realiza la simulacinpara cada articulacin, es decir movimiento decadera, rodilla y tobillo, as como la simulacincompleta. El anlisis de movimiento se realizpara comprobar que el diseo mecnico fueelaborado con base en las restricciones, asmismo se efectu la simulacin correspondientedel dispositivo mecnico y el de control,observndose que en ambos casos se cumpli lanecesidad de generar un ciclo de marcha, puestoque se respet el que fuera el exoesqueleto de 7GDL y trabajara en paralelo con los movimientosdel humano.

La comprobacin de la base mecnica, sirvipara realizar el control del mismo, este essimulado en Simmechanics (MathWorks R), aquse muestra una propuesta de control con undispositivo PID seguidor de la trayectoria,pero como se mencion, el control an puedeoptimizarse para mejores resultados.

El prototipo se presenta en la fase de diseoconceptual y la base del diseo de detalle,quedando para trabajos futuros los detallesde construccin, equipo de control y pruebasespecficas del exoesqueleto.

CONCLUSION

Se utiliz la metodologa del diseo virtuala travs de la co-simulacin para disearun exoesqueleto personalizado, considerando lainformacin obtenida del estado del arte yde los tres programas especializados que seutilizaron, como son Opensim R, Solidworks R yMatlab R. Los programas mencionados en estetrabajo permiten establecer una plataforma deco-simulacin que ofrece:

1. Hacer un rediseo sin costo en un tiemporelativamente corto dependiendo de lahabilidad del programador.

2. Hacer un exoesqueleto personalizado conbase a las necesidades de cada pacientecomo por ejemplo personas con distrofiamuscular, lesiones en la columna vertebralo alguna enfermedad de miembro inferior.

3. Hacer modificaciones y evaluaciones sinnecesidad de construir el prototipo.

4. Se pueden simular pruebas demantenimiento y desgaste a las piezasmecnicas, para que al tener el prototipose establezcan un calendario adecuado.

5. Se pueden establecer diferentes tipos demateriales para construccin del prototipo.

Con la co-simulacin se obtiene ahorro detiempo, en costos y en pruebas al prototipo. Eneste trabajo se presenta como resultados apartedel prototipo virtual, las grficas obtenidas enOpensim R que sirven de entrada para generalel movimiento del exoesqueleto en Solidworks R,y que al comparar las grficas de ambosprogramas, se tiene una similitud del 90% en lasfases de la marcha.

Reconocimientos

Este trabajo fue soportado por investigadores delInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores deMonterrey Campus Ciudad de Mxico (ITESM-CCM).

Declaracin pblica: Los autores declaran notener algn conflicto de intereses.

REFERENCIAS

1. Estadisticas de personas con discapacidaden Mxico 2011. INEGI en linea.Discapacidad en Mxico.Recuperado 20 deMayo de 2014. http://cuentame.inegi.org.mx/poblacion/discapacidad.aspx?tema=P

2. Gopura, R. A. R. C. (2009). MechanicalDesigns of Active Upper-Limb ExoskeletonRobots. 11th International Conference onRehabilitation Robotics.

3. Reinkensmeyer, D. J. and M. L. Boninger(2011). Technologies and combination


therapies for enhancing movement trainingfor people with a disability. J NeuroengRehab.

4. Moore, J. A. (1986). Pitman: A poweredexoskeleton suit for the infantryman,. LosAlamos Nat. Lab., Los Alamos, NM, Tech.Rep. LA-10761-MS.

5. Garcia, E., J. M. Sater, et al. (2002).Exoskeletons for human performanceaugmentation (EHPA): A programsummary. J. Robot. Soc. Japan. 20no. 8: 44-48.

6. Dollar, A. M. (2008). Lower ExtremityExoskeletons and Active Orthoses:Challenges and State-of-the-Art. IEEETransactions on robotics 24.

7. Zoss, A., H. Kazerooni, et al. (2005).On the mechanical design of the BerkeleyLower Extremity Exoskeleton (BLEEX).IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems (0-7803-8912-3/05).

8. Aguirre-Ollinger, G., J. E. Colgate, etal. (2011). Design of an active one-degree-of-freedom lower-limb exoskeletonwith inertia compensation. InternationalJournal of Robotics Research 30(4): 486-499

9. Wei Hong, Y., Y.-J. King, et al.(2013 ). Lower Extremity Exoskeleton:Review and Challenges Surrounding theTechnology and its Role in Rehabilitationof Lower Limbs Australian Journal ofBasic and Applied Sciences 7(7): 520-524.

10. Nogueira, S. L., A. A. G. Siqueira, et al.(2014). Markov Jump Linear Systems-Based Position Estimation for Lower LimbExoskeletons. Sensor. ISSN 1424-8220 14.

11. Hensen, J. L. M., Djunaedy, E., Radosevi,M. and Yahiaoui, A. (2004). Buildingperformance simulation for better design:Some issues and solutions. Proceedingsof 21st Conference on Passive andLow Energy Architecture, TechnischeUniversiteit Eindhoven.

12. Elliott, A. S. (2002). Status updateon general porpose co-simulation withADAMS. http://support.mscsoftware.com

13. Wetter, M., Haves, P (2008). Amodular building controls virtual testbed for the integration of heterogeneoussystem, Proceedings of SimBuild. 3rdNAtional Conference of IBPSA-USA,International Building PerformanceSimulation Association, USA chapter.Bekeley, CA, USA.

14. Monty, A. (2002). Co-simulationtools in the new VTB version.http://vtb.ee.sc.edu/review/2002/presen-tations/ Co-simulation_tools_in_the_new_VTB_version(Monti).ppt.

15. Wilcox, P. A., Burger, A. G.,Hoare, P.(2000). Advanced distributed simulation:A review of developments and theirimplication for data collection andanalysis. Simulation practice and theory.

16. Park, K. C. (1980). Partitionedtransient analysis procedures for coupled-field problems: Sability analysis. Journalof Applied Mechanics 47: 370-376.

17. Arnold, M., Carrarini, A., Heckmann,A. and Hippmann, G (2002). Modulardynamical simulation of mechatronicand coupled systems. Proceedings of5th World Congress on ComputationalMEchanics, Vienna University ofTechnology.

18. Hillestad, M., Hertzberg, T. (2008).Convergence and stability of thesequential modular approach to dynamicprocess simulation. Computer andChemical Engineering 12(5): 407-414.

19. Follen, G., Kin, C., Lopez, I., Sang,J. and Townsend, S. (2001). ACORBA based development environmentfor wrapping and coupling legacyscientific codes. Proceedings of 10thIEEE International Symposium on HighPerformance Distributed Computing, TheInstitute of Electrical and Electronics


Engineers (IEEE), San Francisco, CA,USA: 22-31.

20. Sang, J. C., Follen, G., Kim, C. , Lopez,I. (2002). Development of CORBAbased engineering applications from legacyFortran programs. Information andSoftware Technology 44(3): 175-184.

21. Gopura, R. A. R. C. (2009). MechanicalDesigns of Active Upper-Limb ExoskeletonRobots. 11th International Conference onRehabilitation Robotics.

22. Ramos-Watanabe, J. 2003. Diseomecnico, Instituto Politcnico Nacional.

23. Kazerooni, H. and R. Steger (2006).The Berkeley Lower ExtremityExoskeleton. Journal of DynamicSystems, Measurement, and Control 128:14-25.

24. OpenSim (2010). Application formusculoskeletal modeling and simulation.project funded by the NationalInstitutes of Health through theNIH Roadmap for Medical Researc.https://simtk.org/home/opensim.

25. Crowell, I., H. P. (1995). HumanEngineering Design Guidelines for aPowered, Full Body Exoskeleton. U.S.

Army Res Lab, Aberdeen Proving Ground,MD ARL-TN-60.

26. Cenciarini, M. and A. M. Dollar (2011).Biomechanical Considerations in theDesign of LowerLimb Exoskeletons. IEEEInternational Conference on RehabilitationRoboticsRehab Week Zurich, ETH ZurichScience City.

27. Perry, J. & Burnfield, J. M. 2010.Gait Analysis: Normal and PathologicalFunction, Slack Incorporated.

28. Walsh, C. J., K. Endo, et al. (2007).A quasi-passive leg exoskeleton for load-carrying augmentation. InternationalJournal of Humanoid Robotics 4: 487-506.

29. Kharb, A., V. Saini, et al. (2011).A review of gait cycle and itsparameters. IJCEM InternationalJournal of Computational Engineering &Management 13.

30. Veneman, J. F., Seyfarth, A. andBarralon, P. (2013). Evaluatingpostural balance erformance in exoskeletonrobots. [Consultado 22 de Mayode 2014]. http://www.car.upm-csic.es/bioingenieria/H2R/humanoids2013/documents/VenemanSeyfarthBarralon.pdf

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