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VOLVER A ANDAR, NO SÓLO UN SUEÑO

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"EXOESQUELETO "AUTONOMYO

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Caminar sin muletas: esto es algo con lo que sueñan las personas con ciertos trastornos neuromusculares. Con el exoesqueleto "Autonomyo", este sueño puede hacerse realidad. La ayuda activa para caminar ayuda a los músculos debilitados y permite una secuencia intuitiva de movimientos que imita la secuencia natural. La energía adicional la suministran seis micromotores. Para facilitar una interacción armoniosa entre el exoesqueleto y su usuario, FAULHABER desarrolló un innovador motor de componentes todo en uno con un sensor de par.

La ciencia médica distingue entre más de 800 trastornos neuromusculares diferentes. Como su nombre indica, afectan tanto a los nervios como a los músculos. Algunos repercuten en todo el cuerpo, mientras que otros sólo lo hacen en determinadas zonas. Afortunadamente, la mayoría de estos trastornos son relativamente raros. Muchos de los pacientes afectados sufren graves limitaciones de la movilidad. Esto se debe a que, aunque estos trastornos tienen muchas causas diferentes y se desarrollan de muchas formas distintas, todos tienen algo en común: la debilidad muscular (distrofia muscular), que en muchos casos es progresiva.

"Si la debilidad muscular se produce en las piernas, caminar se hace cada vez más difícil y, finalmente, resulta imposible sin algo en lo que apoyarse", explica Mohamed Bouri, director del grupo de investigación en Rehabilitación y Robótica Asistida (REHA Assist) de la Universidad Politécnica de Lausana (EPFL). "Los músculos siguen siendo funcionales, pero no pueden reunir la fuerza suficiente para que los pacientes se mantengan de pie de forma estable o muevan las piernas de forma independiente. Como es de esperar, esto tiene una enorme repercusión en la amplitud de movimientos y la calidad de vida del paciente. Los efectos son similares a los de la hemiplejia tras un ictus. Nuestro objetivo era superar estas limitaciones en la medida de lo posible utilizando un soporte motorizado, y así seguir aprovechando la contribución del paciente a sus propios movimientos."

Asistencia parcial ligera

El responsable del grupo se refiere a los exoesqueletos convencionales ya en uso que se apoyan en tecnología inspirada en los humanoides. Estos dispositivos permiten a los parapléjicos caminar sin muletas, pero pesan más de 40 kilos.

Con sólo 25 kilos, "Autonomyo", desarrollado por REHA Assist, es mucho más ligero y funciona con el sistema musculoesquelético del paciente, debilitado pero aún parcialmente funcional.

El dispositivo se sujeta con un corsé alrededor del tronco y unas esposas alrededor de las piernas del usuario. A cada lado, tres motores permiten el movimiento suministrando la potencia que les falta a los músculos. En cada caso, un motor se encarga de la flexión y extensión de la cadera y otro hace lo propio con la rodilla. El tercer motor apoya la abducción y aducción de la pierna en la articulación de la cadera, es decir, el movimiento lateral de la pierna alejándola de la línea media del cuerpo. En conjunto, los motores ayudan al paciente a mantener el equilibrio y a caminar erguido. En un estudio clínico realizado recientemente con personas con problemas para caminar, Autonomyo demostró funcionar según lo previsto. El exoesqueleto proporcionaba apoyo al tiempo que permitía libertad de movimientos, siguiendo las intenciones de los usuarios. La amplitud de movimiento de las articulaciones y la cadencia de la marcha no se vieron afectadas negativamente.

Motor sin escobillas en un exoesqueleto médico

Información del sistema de medición magnética

Es absolutamente crucial que el dispositivo ayude a caminar según la intención del usuario. "El desencadenante inicial para cambiar de posición -es decir, para empezar a caminar- se expresa como un pequeño cambio en la posición de la extremidad inferior", explica Mohamed Bouri. "Lo detectamos combinando la información de una unidad de medición inercial, ocho sensores de carga en las plantas y los codificadores de los motores que actúan como sensores de posición de las articulaciones. Todos estos datos contribuyen a la asistencia del equilibrio" Al caminar, la interacción entre el dispositivo y el usuario es crucial. Un sensor de par desarrollado por FAULHABER se encarga de percibir esta interacción y aplicar así con precisión la estrategia de asistencia.

"El proyecto de integrar un sensor de par preciso en un motor comenzó hace unos años, con el objetivo de promover aplicaciones como Cobotics para interacciones seguras entre humanos y robots", explica Frank Schwenker, Jefe de Grupo de Ingeniería Avanzada de FAULHABER. "Con Autonomyo, somos capaces de implementar el concepto en una desafiante aplicación de tecnología de asistencia por primera vez"

La tecnología convencional para la detección de torsión utiliza bandas de expansión en los componentes; estas bandas se deforman por la fuerza ejercida. El punto débil de su construcción es la unión adhesiva con la que se fijan. Los desarrolladores del grupo de Ingeniería Avanzada han sustituido estas tiras por un sistema de medición de alta resolución.

"Esto nos permite alcanzar una desviación inferior al 1,5 por ciento en el rango de medición de más/menos 30 newton-metros", afirma Frank Schwenker. "Por tanto, el sensor suministra un valor muy preciso del par de respuesta en el movimiento de marcha"

Este valor desempeña un papel vital en el control del exoesqueleto Autonomyo, que, por supuesto, también se suministra con otros muchos valores. "Ajustar el dispositivo a cada paciente requiere una calibración muy diferenciada de todo el sistema", explica Mohamed Bouri. "A partir de los distintos parámetros y de la retroalimentación del movimiento, el software calcula las señales de control para los accionamientos. A partir de ahí se determinan el tipo y el nivel de asistencia de los motores"

Motor sin escobillas en un exoesqueleto médico

Briefing del paciente

Potencia de accionamiento y potencial de desarrollo

FAULHABER suministra las seis unidades de accionamiento de cada dispositivo. Su componente principal es el motor sin escobillas 3274 BP4 de 32 milímetros de diámetro. Ofrece la mayor potencia de todos los motores de su clase de 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 suministra los datos de posición al controlador. El sensor de par está integrado en los reductores de los cuatro motores para los movimientos de flexión/extensión.

Los requisitos de las unidades de accionamiento son los típicos de los micromotores de gama alta. Alta 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 adecuado", recuerda Mohamed Bouri. "Una vez definidas las especificaciones, la elección de posibles motores ya se había reducido a un pequeño número de candidatos.

El grupo de investigación interfacultativo de astrofísica de nuestra universidad ya trabaja con FAULHABER, así que nos dieron recomendaciones convincentes y ya existía una buena relación. Además, FAULHABER ya estaba en condiciones de desarrollar el sensor de par en un plazo breve. Eso era muy importante para nuestro proyecto"

Por el momento, el componente no es un producto de serie y hasta ahora sólo se ha fabricado para la EPFL en pequeñas cantidades. Sin embargo, el ingeniero de desarrollo Frank Schwenker puede imaginar muchos otros ámbitos de aplicación: "La medición de par de alta resolución puede añadir un valor significativo en todas las aplicaciones hápticas. Por ejemplo, para todo tipo de asistencia robótica en quirófanos, donde el cirujano guía el instrumento y la máquina controla la potencia y la precisión. El sensor también puede ofrecer una función de protección y utilizarse para limitar el par. Además, es ideal para los procesos de documentación en el control de calidad en todos los casos en los que sea necesario aportar pruebas de valores de par extremadamente precisos."