Exoesqueleto robótico de cadera para movilidad coxo-femoral

Abstract

El objetivo de este estudio es ayudar a las personas con movilidad reducida de cadera, se diseñó un prototipo de exoesqueleto robótico de cadera proporcionando a la persona afectada la capacidad de generar algunos movimientos de forma fácil y natural. Permite el desplazamiento de la persona, brindándole la comodidad requerida y la oportunidad de reintegrarse a la comunidad permitiéndole desenvolverse en el medio de una mejor manera. Para el diseño del exoesqueleto de cadera, se eligieron datos biomecánicos y antropométricos del ser humano basados en la norma ISO 7250:1, estudios de materiales y selección bajo la norma AISI con aleaciones de aluminio 2XXX, en cumplimiento ergonómico a la norma ISO 11226 y seguridad del equipo en la norma ISO 12100. El análisis estructural y de elementos finitos cumplió con el criterio de Von Mises que analizó en el software SolidWorks que permite la validación de este diseño y determinar la seguridad del exoesqueleto. El control permite realizar los movimientos y posicionamientos que el exoesqueleto debe generar para su correcta ejecución

Palabras clave— Exoesqueleto, análisis estructural, cadera..

Abstract—  The aim of this study is to help people with reduced hip mobility, was designed a prototype of a robotic hip exoskeleton providing the affected person the ability to generate some movements easily and naturally. It allows the displacement of the person, giving them the required comfort and the opportunity to reintegrate into the community allowing them to develop in the environment in a better way. For the design of the exoskeleton hip, biomechanical and anthropometric data of the human being were chosen based on the ISO 7250:1 standard, studies of materials and selection under the AISI standard with aluminum alloys 2XXX, in compliance ergonomic to the ISO 11226 standard and safety of the equipment on the ISO 12100 standard. The structural and finite element analysis complied with the Von Mises criterion which analyzed in the SolidWorks software allowing the validation of this design and determining the safety of the exoskeleton. The control allows the movements and positioning that the exoskeleton must generate for the correct execution.

Keywords—.  Exoskeleton, structural analysis, hip.

Referencias

[1]    S. Federici, F. Meloni y M. Bracalenti, "Gait Rehabilitation with Exoskeletons". En Handbook of Human Motion, Springer, pp.2-5, 2017.

[2]    P.Dario, E.Guglielmelli, B. Allotta. Robótica para aplicaciones médicas. Robotics & Automation Magazine.IEEE. Issue: 3, pp.44,1996.

[3]    D. Galeano, Robótica Médica. Universidad Católica de Nuestra Señora de la Asunción. Facultad de Ciencia y Tecnología, pp.22, 2, 7, 10, 13, 15,2014.

[4]    D. V. Lema. Comparación estadística de medidas antropométricas entre mestizos, indígenas y afroecuatorianos de la Sierra del Ecuador. Tesis de licenciatura. Quito: USFQ, 2013.

[5]    A. Faller, M. Schünke y G. Schünke. Introducción a la estructura y la función. En El cuerpo humano. Nueva York: Thieme Stuttgart, pp.178, 2004.

[6]    Schilling. R. J., Fundamentals of Robotics Analysisand Control, Ed. Prentice-Hall, pp 25-116, 1990.

[7]    Z.Peng, G Ma y M. Luo, "Modeling and gait generation of Powered LowerExoskeleton Robot," IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, pp. 1802-1804, Jul. 2017.

8] Zhang and H. Huang, "Design and Experimental Verification of HipExoskeleton With Balance Capacities forWalking Assistance," IEEE Transactions on Mechatronics, vol. 23, no. 1, pp. 274-276, Feb. 2018.

[8]    Q.Wu, X. Wang, F. Du y X.Zhang, "Design and Control of a Powered HipExoskeleton for Walking Assistance", International Journal of Advanced Robotic Systems, pp. 1-3, 2015.

[9]    K.Seo, J.Lee and Y. J.Park, "Autonomous Hip Exoskeleton Saves Metabolic Cost of Walking Uphill," In 2017 Transactions on International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), IEEE, pp. 246-247, Jul. 2017.

[10]  A. J. Young, J.Foss, H. Gannon y D P. Ferris, "Influence of Power Delivery Timing on the energetics and Biomechanics of humans Wearing a hip exoskeleton", en Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 5, no. 4 pp. 3, mar. 2017.

[11]  M.Gloger, G. Obinata, E.Genda, J.Babjak and Y.Pei, "Active Lower Limb Orthosis with One Degree of Freedom for People with Paraplegia," In 2017 Transactions on International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), IEEE, pp. 258, Jul. 2017.

[12]  Z. Aftab and A.Ali, "Simulating a wearable lower-body exoskeleton device for torque and power estimation," In International Conference on Humanoid Robotics (Humanoids), IEEE-RAS, pp. 413, Nov. 2017.

[13]  J.A. Medrano e I.Z. Hernández, "Diseño de un exoesqueleto de miembro inferior para la movilidad de personas con paraplejia", En XVI Congreso Mexicano de Robótica, pp.3-6, nov. 2014.

[14]  J. F. Veneman, R. Kruidhof, E. E. Hekman, R Ekkelenkamp, E. H. Van Asseldonk, H. van der Kooij, "Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation," IEEETrans. on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 15, pp.379,2007.

[15]  T.Lenzi, M.C.Carrozza, and S. K. Agrawal, "Powered Hip Exoskeletons Can Reduce the User'sHip and Ankle Muscle Activations During Walking," IEEE Trans. on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 21,no.6, pp.939-940,Nov,2013.

[16]  Medidas básicas del cuerpo humano para el diseño tecnológico, ISO 7250-1:2017.

[17]  Ergonomía -- Evaluación de las posturas de trabajo estáticas, ISO 11226:2000:2006.

[18]  Seguridad de las máquinas -- Principios generales para el diseño -- Evaluación y reducción de riesgos, ISO 12100:2010.