3. Mecanismos de asistencia o sustitución de funciones del cuerpo humano: Para aquellas personas que pierden por completo a en alguna proporción la movilidad de
1.5. Exoesqueletos de miembro superior.
A continuación se presentan algunos exoesqueletos de miembro superior para observar cómo han evolucionado:
En 1993, La Universidad de California en Berkeley, presenta un extendedor hidráulico que determina las reglas para el control de un sistema robótico cargado por humanos, especificando la relación entre la fuerza humana y la fuerza de carga, como se observa en la Figura 1.8.
TESIS DE TITULACIÓN I.P.N. ZACATENCO 16 Figura 1.8 Extendedor hidráulico [6].
En 2003, La Universidad de Salford, se presenta un exosqueleto para reducir la carga de las tareas requeridas en tratamientos psicoterapéuticos para la rehabilitación de pacientes, como se verá en la Figura 1.9.
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En 2003 Universidad de Tokio, se proporciona soporte muscular tanto para trabajadores manuales, como para aquellas personas que son incapaces de moverse sin ayuda, como se observa en la Figura 1.10.
Figura 1.10 Soporte muscular para trabajadores [6].
En la literatura robótica se pueden encontrar diversos desarrollos de exoesqueletos. En 2005, La Universidad de Washington, se estudia la integración de un brazo humano con una articulación motorizada controlada por una persona humana de forma natural, Figura 1.11.
Figura 1.11 Integración del brazo humano con articulación motorizada [6].
En 2005, Saga University, se presenta un exosqueleto para asistir a las extremidades humanas superiores en la rehabilitación diaria: flexión-extensión del hombro, codo, etc., Figura 1.12.
TESIS DE TITULACIÓN I.P.N. ZACATENCO 18 Figura 1.12 Exoesqueleto para rehabilitación [6].
En 2005, El Instituto de Automática Industrial-CSIC, presenta WOTAS, un exoesqueleto activo para las extremidades superiores de las personas, basado en tecnologías robóticas capaces de aplicar fuerzas para cancelar el temblor de dichas extremidades, como se observará en la Figura 1.13.
Figura 1.13 Exoesqueleto wotas para reducir temblor por Parkinson [6].
En 2005, La Universidad de Okayama, presenta ASSIST, un soporte activo conducido por actuadores neumáticos ligeros para asistir al movimiento abducción y aducción de la muñeca, Figura 1.14.
TESIS DE TITULACIÓN I.P.N. ZACATENCO 19 Figura 1.14 Assist soporte para doblar muñeca [6].
En 2005 se presenta PERCRO Light Exoesqueleto (LEXOS), un brazo exoesqueleto con cuatro grados de libertad para la retroalimentación de fuerza en el brazo humano, Figura 1.15 [7].
Figura 1.15 Exoesqueleto para retroalimentación del brazo [6].
Además, María Chiara Carrozza y su grupo están desarrollando NeuroExos, un exoesqueleto diseñado para ayudar al brazo humano a agarrar un objeto que se mueve en 2D, Figura 1.16, es decir, el objeto y el brazo están en el mismo plano. Se supone que el brazo humano es débil y que el exoesqueleto debe medir y encontrar la impedancia más adecuada para mejorar la fuerza y la ejecución del movimiento a llevar a cabo. Sus objetivos principales no son puramente tecnológicos ni orientados a la aplicación práctica inmediata, sino que se pretende:
Investigar cómo los humanos pueden controlar un sistema robótico a través de una interfaz no invasiva y un simple y rápido decodificador de intenciones.
Investigar cómo se puede acoplar un manipulador externo al brazo humano (manipulador interno) por monitorización de la interfaz mecánica entre ellos.
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Controlar el actuador externo artificial en paralelo con el sistema musculo-esquelético humano.
Figura 1.16 Exoesqueleto NeuroExos para ayudar al brazo humano a agarrar un objeto que se mueve en 2D [6].
El experimento que se ha llevado a cabo es el siguiente. A partir de la posición de partida mostrada en la Figura 1.16, una persona humana sentada a la mesa tiene que agarrar un cilindro que se mueve a distintas velocidades en una sola dirección a lo largo de dicha mesa y pararlo.
El movimiento del brazo está en el mismo plano que la mesa y el cilindro. Los sensores colocados a lo largo de la superficie del brazo humano registran las señales que emiten los músculos (EMG) y obtienen la información de movimiento del brazo, que luego es transformada en un modelo cinemático inverso que es aplicado al simulador de la Figura 1.16, donde se compara el movimiento simulado con el real. A partir de dicha simulación, como línea de futuro, se pretende construir un brazo robótico inspirado mediante la Figura 1.17 que permitirá:
Imitar el brazo humano en aspectos como: parámetros físicos (rangos de movimiento, masa, inercia, rigidez, etc.), sistema de actuación, impedancia y control de las articulaciones, etc.
Implementar y verificar los modelos de neurociencia en coordinación visuo-motora, equilibrio de la teoría de puntos, etc.
Medir las fuerzas de reacción proporcionadas desde el exoesqueleto colocado en el brazo robótico.
TESIS DE TITULACIÓN I.P.N. ZACATENCO 21 Figura 1.17 Simulaciones de la respuesta en el agarre de un objeto que se mueve en 2D [6].
Como se ha observado los exoesqueletos han tenido funciones muy concretas para las rehabilitaciones de algún miembro superior o inferior del cuerpo humano, lo que nos hace pensar que además de estos grandes aportes se pueden enfatizar ahora en patologías severas como lo es la distrofia muscular. Existen diferentes tratamientos que ayudan a rehabilitar el musculo de algún paciente con dicho padecimiento, cada uno de los tratamientos dependen de las complicaciones que presente dicho enfermo, ya que no se puede utilizar el mismo procedimiento medico para todos [7].
TESIS DE TITULACIÓN I.P.N. ZACATENCO 22 Planteamiento del problema.
Puesto que las prótesis robóticas y exoesqueletos han sido de gran utilidad en el ámbito médico, ya que son utilizados como métodos de sustitución de miembros ó como un sistema de rehabilitación; podemos orientarnos ahora hacia una patología genética como lo es la Distrofia Muscular, ya que con el uso de estos mecanismos se podrá dar una rehabilitación diaria y constante en la parte muscular afectada.
La patología de distrofia muscular se divide en varios tipos como lo son: Distrofia Muscular de Becker, Distrofia Muscular Miotónica, Distrofia Muscular Congénita, Distrofia Muscular de Duchenne, entre otras, puesto que son diversos tipos de distrofias, cada una con diferentes atrofias y la más predominante de ellas es la Distrofia Muscular de Duchenne, ya que ataca a 1 de cada 3500 niños.
La distrofia muscular es un mal que en la actualidad no tiene cura y los enfermos con esta patología sufren demasiado, ya que los dolores que padecen en sus miembros son muy intensos y lo único que puede ofrecerle un doctor especialista, es una rutina de ejercicios como rehabilitación para que las atrofias musculares sean menos dolorosas.
Como se observo los exoesqueletos son dispositivos capaces de realizar la emulación de algún miembro del cuerpo humano mediante alguna programación proporcionada ya sea por una programación semi-automatizada o por una programación manual; la programación que constituirá a este mecanismo robótico será sumamente manual, ya que los pacientes serán los encargados de realizar algún movimiento con la interacción de sus falanges, principalmente con el dedo pulgar ya que este será el encargado de tocar los demás dedos y realizar un movimiento del miembro superior afectado.
TESIS DE TITULACIÓN I.P.N. ZACATENCO 23 SUMARIO.
Como se ha observado en los subtemas anteriores, la tecnología se ha enfocado a combatir enfermedades mediante equipo médico y de rehabilitación respectivamente para que las personas que presentan discapacidad motora, tengan una vida más plena.
En México, el campo de fabricación de exoesqueletos para asistencia de miembro superior aun no está explorado, por lo que es de suma importancia que el Instituto Politécnico Nacional
empiece a incursionarse en este campo.
En el siguiente capítulo se explicarán los tipos de Distrofia Muscular más comunes y las que más afectan a la población mundial, esto es necesario conocerlo para determinar que músculos se ven afectados, así se podrá ampliar nuestra visión y atacar más precisamente las partes afectadas. Además de conocer los músculos y huesos con los que se conforma el miembro superior de cuerpo humano, así como sus articulaciones y biomecánica.