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06
'22
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FAULHABER GROUP
Recuperar la capacidad de andar de forma autónoma
Con el exoesqueleto "Autonomyo" este sueño puede hacerse ahora realidad. La ayuda activa para caminar soporta los músculos debilitados y permite realizar una secuencia intuitiva de movimientos que imita la secuencia natural. La potencia adicional la suministran seis micromotores. Para facilitar una interacción armoniosa entre el exoesqueleto y su usuario, FAULHABER desarrolló un innovador motor integral con un sensor de par.
La ciencia médica distingue entre más de 800 trastornos neuromusculares diferentes, y, tal y como sugiere el nombre, estos afectan tanto a los nervios como a los músculos. Algunos afectan a todo el cuerpo, otros afectan solo a determinadas zonas. No obstante, la mayoría de estos trastornos son relativamente raros, afortunadamente. Muchos de los pacientes afectados sufren de movilidad seriamente reducida. Esto es así porque, aunque estos trastornos tienen muchas causas diferentes y se desarrollan de muchas maneras diferentes, todos tienen una cosa en común: debilidad muscular (distrofia muscular), que en muchos casos es progresiva.
"Si la debilidad muscular está en las piernas, caminar es cada vez más difícil, y al final se vuelve imposible sin una ayuda para apoyarse", explica Mohamed Bouri, líder del grupo de investigación de robótica auxiliar y de rehabilitación (REHA Assist) en la Universidad Politécnica de Lausana, Suiza (EPFL). "Los músculos son todavía funcionales, pero no pueden concentrar fuerza suficiente para que los pacientes mantengan una posición erguida estable o muevan sus piernas de manera autónoma. Como es de esperar, esto tiene un enorme impacto en el rango de movimiento de los pacientes y en la calidad de vida. Los efectos son similares a los de una hemiplejia tras una embolia. Nuestro objetivo era superar estas limitaciones en lo posible mediante un soporte motorizado, aprovechando además la colaboración del paciente con sus propios movimientos".
Asistencia parcial ligera
El líder del grupo se refiere a los exoesqueletos convencionales que se usan actualmente basados en la tecnología inspirada en humanoides. Estos dispositivos permiten que las personas parapléjicas caminen sin muleta, pero pesan más de 40 kilogramos. "Autonomyo", con solo 25 kilogramos y desarrollado por REHA Assist, es mucho más ligero y funciona con el sistema musculoesquelético debilitado del paciente pero que todavía funciona de manera parcial.
El dispositivo se fija con una faja alrededor del tronco y con brazaletes a las piernas del usuario. En cada lado hay tres motores que facilitan el movimiento suministrando la potencia necesaria que les falta a los músculos. En cada caso, un motor es el responsable de la flexión y extensión de la cadera y otro motor hace lo mismo para la rodilla. El tercer motor soporta la abducción y aducción de la pierna en la articulación de la cadera; dicho de otra forma, el movimiento lateral de la pierna alejándose de la línea media del cuerpo. Los motores en conjunto ayudan al paciente a mantener el equilibrio y caminar erguido. En un estudio clínico realizado recientemente que incluía personas con impedimentos para caminar, Autonomyo demostró funcionar como se esperaba: el exoesqueleto ofrecía soporte y facilitaba la libertad de movimiento siguiendo las intenciones del usuario. El rango de movimiento de la articulación y la cadencia de marcha no se vieron afectados negativamente.
Es absolutamente fundamental que el dispositivo ayude a caminar según las intenciones del usuario. "El desencadenante inicial para cambiar de posición, es decir, para comenzar a caminar, se manifiesta por un pequeño cambio en la posición de la extremidad inferior", explica Mohamed Bouri. "Lo detectamos combinando la información de una unidad inicial de medida, ocho sensores de carga en las suelas y los codificadores de los motores que actúan como sensores de posición de la articulación. Todos estos datos contribuyen a la asistencia del equilibrio". Cuando se camina, la interacción entre el dispositivo y el usuario es fundamental. Un sensor de par desarrollado por FAULHABER es el responsable de notar esta interacción y, de este modo, implementar con precisión la estrategia de asistencia.
"El proyecto de integración de un sensor de par preciso en un motor comenzó hace unos años, con el objetivo de potenciar aplicaciones como Cobotics para las interacciones seguras humano-robot", explica Frank Schwenker, líder de grupo de ingeniería avanzada en FAULHABER. "Con Autonomyo somos capaces de implementar el concepto en una desafiante aplicación tecnológica asistida por primera vez".
La tecnología convencional para detectar par utiliza bandas de expansión en componentes; estas bandas se deforman debido a la fuerza ejercida. El punto débil de su diseño es la unión adhesiva con la que se sujetan. Los desarrolladores del grupo de ingeniería avanzada reemplazaron estas bandas por un sistema de medida de alta resolución. "Esto nos permite alcanzar una desviación de menos del 1,5% en el rango de medida de más/menos 30 newton por metro", dice Frank Schwenker. "El sensor, por lo tanto, suministra un valor altamente preciso para el par de respuesta en el movimiento de caminar".
Este valor desempeña un papel fundamental en el control del exoesqueleto Autonomyo, que también se suministra con otros múltiples valores. "Ajustar el dispositivo a los diferentes pacientes requiere de una calibración muy diferenciada de todo el sistema", explica Mohamed Bouri. "Con los diferentes parámetros y la información recibida del movimiento, el software calcula las señales de control para enviarlas a los accionamientos. El tipo y el nivel de asistencia de los motores se determinan basándose en estas informaciones".
Las seis unidades de accionamiento de cada dispositivo las suministra FAULHABER. Su componente principal es el motor sin escobillas 3274 BP4 con un diámetro de 32 milímetros que ofrece la mayor potencia de todos los motores posibles de su tamaño disponibles en el mercado. Su potencia se transmite mediante un reductor planetario 42 GPT con un eje fabricado especialmente para esta aplicación. Un codificador magnético IE3 proporciona los datos de posición al controlador. El sensor de par está integrado en los reductores de los cuatro motores para realizar los movimientos de flexión/extensión.
Los requisitos de las unidades de accionamiento son los habituales para motores de alta gama. Elevada potencia con el menor volumen y peso posibles, además de precisión, fiabilidad y una larga vida útil son algunas de las propiedades más importantes para esta aplicación. "No fue especialmente difícil encontrar el proveedor correcto", recuerda Mohamed Bouri. "Una vez definidas las especificaciones, la oferta de motores posibles se redujo a solo un pequeño número de candidatos. El grupo de investigación interfacultades de astrofísica de nuestra universidad ya trabaja con FAULHABER así que nos dieron recomendaciones convincentes, además de que ya existía una buena relación. Asimismo, FAULHABER estaba ya en una situación en la que podía desarrollar un sensor de par en un breve plazo de tiempo, algo muy importante para nuestro proyecto".
Por el momento, el componente no es un producto en serie y hasta ahora se ha fabricado solo para la EPFL en pequeñas cantidades. No obstante, el ingeniero de desarrollo Frank Schwenker puede imaginar muchos otros campos de aplicación: "La medición de par de alta resolución puede añadir un valor importante en todas las aplicaciones hápticas. Por ejemplo, en todo tipo de asistencia robótica en salas de operaciones donde el cirujano guía el instrumento y la máquina controla la potencia y la precisión. El sensor también puede proporcionar una función protectora y se puede utilizar para limitar el par. Es más, es la opción ideal para procesos de documentación de garantía de calidad en todos los casos donde haya que aportar pruebas de valores de par extremadamente precisos".
