Es un momento extraordinario para los exoesqueletos robóticos, también conocidos como robots portátiles externos, para ayudar a los seres humanos a sostener y proteger partes de sus cuerpos. Gracias a los recientes avances en actuadores, sensores, baterías, procesadores de computadora y materiales. Esto ha dado lugar a la esperanza de crear exoesqueletos avanzados que puedan proporcionar una fuerza o resistencia sobrehumana a los humanos.
Científicos e ingenieros de todo el mundo están construyendo exoesqueletos con una amplia gama de propósitos diversos. Están experimentando con varios prototipos que pueden ayudar a los fisiólogos a comprender mejor cómo funciona el cuerpo humano y eventualmente ayudar a pacientes y trabajadores como instrumentos para mejorar su rendimiento motor y productividad o herramientas médicas para la rehabilitación.
En muchas industrias, los exoesqueletos se utilizan para aumentar la fuerza de los trabajadores para caminar en viajes largos o levantar objetos pesados. En el campo de la medicina, ayudan a los pacientes que han perdido la capacidad de caminar debido a lesiones en la médula espinal, derrames cerebrales y otros traumatismos. Estos exoesqueletos mejoran la calidad de los ejercicios durante la rehabilitación y aceleran la recuperación.
La aplicación del exoesqueleto al cuerpo humano se divide en tres lugares: a) en todo el cuerpo humano, b) en la parte superior del cuerpo humano, como el torso y los brazos, c) en la parte inferior del cuerpo humano de la cintura hacia abajo.
Esta publicación presta especial atención a los exoesqueletos de miembros inferiores, diseñados y probados para soportar la parte inferior del cuerpo humano con dos objetivos diferentes: la rehabilitación y la asistencia a las actividades laborales humanas. Los exoesqueletos de miembros inferiores utilizan una combinación de actuadores en múltiples articulaciones, particularmente en las caderas, los tobillos o las rodillas de los usuarios. Cada articulación tiene diferentes grados de libertad (DoF) o movimiento. Por lo tanto, tenemos principalmente cuatro tipos de exoesqueletos de miembros inferiores, basados en movimientos articulares.
1. Exoesqueleto de cadera
Las caderas conectan las extremidades superiores e inferiores, lo que permite a una persona realizar flexión/extensión, abducción/aducción y rotación medial/lateral. Estos movimientos son necesarios para que una persona camine o corra. Los exoesqueletos de cadera tienen actuadores colocados en las caderas de los usuarios para permitir básicamente una reducción de la tensión en los músculos de la cadera y el tobillo.
Honda desarrolló un exoesqueleto llamado Honda Walking Assist, que tiene un motor de corriente continua (CC) en cada cadera. La fuerza del motor pasa al muslo del usuario a través de las correas, lo que da como resultado un exoesqueleto ligero y limpio.
En otro diseño de Giovacchini, una ortesis de cadera tiene un accionador ubicado cerca de las caderas del usuario. Este exoesqueleto ayuda al usuario a mover la cadera en las direcciones de flexión y extensión. Además, está equipado con un actuador pasivo que permite que el usuario se mueva en la dirección de abducción-aducción, lo que resulta en comodidad para el usuario.
El HiBSO aprovecha un husillo de bolas en cada pata para transmitir la fuerza de un motor de CC. Al final del husillo de bolas hay una correa que pasa el movimiento de accionamiento al muslo. Esta estructura tiene otros movimientos además de la acción de flexión/extensión. El HiBSO permite al usuario moverse en la dirección de abducción/aducción en las caderas mientras permite la rotación de los muslos.
Otro exoesqueleto llamado Powered Hip Exoskeleton o PH-EXOS agrega movimientos de abducción/aducción y rotación interna y externa. Estos movimientos enriquecen sus movimientos primarios como flexión/extensión, siendo pasivos los movimientos de abducción y aducción. Los motores se colocan en la cintura del usuario y se conectan a la polea a través de un cable Bowden.
Asbeck construyó un exoesqueleto llamado Exosuit, con correas de cincha con un motorreductor llevado en la espalda del usuario. Estas correas están conectadas al muslo del usuario. Actúan contrayendo y expandiendo la pierna durante el golpe del talón hasta la postura terminal.
2. Exoesqueleto de rodilla
La rodilla es una parte importante del cuerpo humano que genera una torsión significativa para caminar, correr y moverse desde ponerse en cuclillas hasta ponerse de pie y viceversa. Además, las rodillas también pueden restringir el impacto durante esas actividades. En comparación con la cadera y el tobillo, la rodilla tiene movimientos sencillos: flexión/extensión y rotación.
Hoy en día, la mayoría de los exoesqueletos de rodilla tienen solo un DoF, dedicado por completo a mover las acciones de flexión/extensión de la rodilla. Normalmente, se utiliza un cojín inflable blando como actuador. La parte inflable se coloca detrás de la rodilla del usuario para reducir el peso del exoesqueleto. Utiliza un sistema neumático para inflar y desinflar el componente. El exoesqueleto se infla durante la fase de balanceo de la marcha y se desinfla durante las otras fases del ciclo de la marcha. Se utilizan dos motores de CC para accionar dos cables Bowden.
La mayoría de los robots portátiles no admiten el movimiento en cuclillas, pero Ranaweera desarrolló un exoesqueleto de rodilla pasivo de un DoF para ayudar a los humanos a levantar cargas desde la posición en cuclillas. Huang diseñó otro exoesqueleto para evitar lesiones, ya que observó que el movimiento de ponerse en cuclillas podría hacer que el usuario fuera susceptible de sufrir lesiones personales. Este dispositivo puede permitir al usuario ponerse en cuclillas y caminar sin llevar ninguna carga. Utilizan un motor y transmiten el par al engranaje y la polea mediante un cable de flexión.
Diseñado para caminar y arrodillarse, el exoesqueleto de rodilla de Wang se acciona con un motor y se transmite a una polea doble en la rodilla del usuario. Esta configuración permite al usuario caminar y adoptar una postura de rodillas.
3. Exoesqueleto de tobillo
Un tobillo tiene el torque más significativo durante la marcha. Tiene cuatro huesos en tres movimientos planos (tres DoF). El movimiento plantar o de dorsiflexión es un movimiento primario durante el ciclo de la marcha. Por lo tanto, algunos investigadores han desarrollado sus exoesqueletos con solo un DoF para el movimiento principal del tobillo.
Por ejemplo, Mooney y Herr desarrollaron un exoesqueleto de un DoF para ayudar al usuario a caminar mientras lleva una carga pesada. Este exoesqueleto utiliza un motor de corriente continua sin escobillas colocado en el mango del usuario. El controlador del motor y las baterías están unidos a un chaleco. Este dispositivo activa un puntal de fibra de vidrio para tirar del tobillo del usuario; los puntales están conectados a las botas.
Otro diseño de Asbeck es accionado por un motor eléctrico, conectado a un cable Bowden. El cable tira del talón del usuario, como un músculo de la pantorrilla humana. El motor, el controlador y las baterías se colocan en una mochila.
Otro exoesqueleto de Bai se usa para la terapia de personas que sufren lesiones en el tobillo. Se coloca un motor eléctrico frente a la espinilla, mientras que el control del motor y las baterías se montan en la cintura del usuario. La correa transmite el movimiento del motor al engranaje, accionando el tobillo del usuario.
4. Exoesqueleto de múltiples articulaciones
Para accionar una articulación, una persona requiere más de un músculo que pasa por múltiples articulaciones. Algunos investigadores, por lo tanto, utilizan más de un actuador para accionar las articulaciones de sus exoesqueletos. Activan una combinación de articulaciones (a saber, cadera y rodilla, rodilla y tobillo, y cadera, rodilla y tobillo). Estos exoesqueletos de múltiples articulaciones requieren un sistema de control más avanzado que los exoesqueletos de una sola articulación porque el movimiento de las articulaciones debe controlarse para lograr una marcha armoniosa.
La Universidad Nacional de Singapur (NUS) desarrolló un exoesqueleto de rodilla-tobillo de dos grados de libertad para rehabilitar a los pacientes con accidente cerebrovascular. Utilizan un actuador elástico en serie (SEA) para accionar las articulaciones de la rodilla y el tobillo. Los accionadores se montan entre la articulación y el muslo o pierna, utilizando cada accionador una manivela y una biela para mover la pata.
El WAKE-up (exoesqueleto de tobillo y rodilla portátil) también utiliza un SEA para evitar el contacto directo entre el usuario y el actuador. Se utiliza una correa de distribución para transmitir potencia. Este exoesqueleto modular se puede usar para articulaciones individuales o para múltiples articulaciones a la vez.
En 2006, la Universidad de Twente desarrolló un prototipo de exoesqueleto de cadera y rodilla llamado LOPES (exoesqueleto impulsado por las extremidades inferiores) como dispositivo de rehabilitación. El dispositivo tiene actuadores en la cadera y la rodilla y fue diseñado para permitir al usuario mover la cadera en varias direcciones. El actuador es accionado por un motor y transmitido al SEA mediante un cable Bowden.