Otros nombres para esto incluyen armadura de poder o (de alta tecnología) ; armadura o traje cibernético, motorizado, robótico o robótico ; traje exo o (duro) ; marco o movilidad aumentada . [2 ]
El exoesqueleto está diseñado para brindar una mejor tolerancia a la carga mecánica , y su sistema de control tiene como objetivo detectar y sincronizarse con el movimiento previsto del usuario y transmitir la señal a los motores que controlan los engranajes. El exoesqueleto también protege los hombros , la cintura , la espalda y los muslos del usuario contra sobrecargas y estabiliza los movimientos al levantar y sostener objetos pesados. [3]
Un exoesqueleto motorizado se diferencia de una armadura corporal tradicional, o un exoesqueleto pasivo , que proporciona beneficios mecánicos y protección, pero no tiene actuador , y por lo tanto depende completamente de los propios músculos del usuario para los movimientos, lo que agrega más estrés y hace que el usuario sea más propenso a la fatiga . [4] [5] La falta de "asistencia eléctrica" es la misma diferencia de un exoesqueleto motorizado con las ortesis , ya que la ortesis tiene como objetivo principal promover el trabajo muscular progresivamente aumentado y, en el mejor de los casos, recuperar y mejorar las funciones musculares existentes.
Los exoesqueletos motorizados no se han desarrollado en el mundo real tan rápido como en la ficción , pero actualmente hay productos que pueden ayudar a los humanos a reducir su consumo de energía hasta en un 60 por ciento mientras transportan cosas. [6]
Historia
El primer dispositivo parecido a un exoesqueleto conocido fue un aparato de asistencia al movimiento desarrollado en 1890 por el ingeniero ruso Nicholas Yagin. Utilizaba energía almacenada en bolsas de gas comprimido para ayudar al movimiento, aunque era pasivo y requería fuerza humana. [7] En 1917, el inventor estadounidense Leslie C. Kelley desarrolló lo que llamó un pedomotor, que funcionaba con energía de vapor con ligamentos artificiales que actuaban en paralelo a los movimientos del usuario. [8] Este sistema era capaz de complementar la energía humana con energía externa.
En la década de 1960, comenzaron a aparecer las primeras "máquinas móviles" verdaderamente integradas con los movimientos humanos. General Electric y las Fuerzas Armadas de los Estados Unidos desarrollaron conjuntamente un traje llamado Hardiman . El traje funcionaba con energía hidráulica y eléctrica y amplificaba la fuerza del usuario por un factor de 25, de modo que levantar 110 kilogramos (240 libras) se sentía como levantar 4,5 kilogramos (10 libras). Una característica llamada retroalimentación de fuerza permitía al usuario sentir las fuerzas y los objetos que se manipulaban.
El Hardiman tenía limitaciones importantes, incluido su peso de 680 kilogramos (1500 libras). [9] También fue diseñado como un sistema maestro-esclavo: el operador estaba en un traje maestro rodeado por el traje esclavo exterior, que realizaba el trabajo en respuesta a los movimientos del operador. El tiempo de respuesta del traje esclavo era lento en comparación con un traje construido con una sola capa, y los insectos causaban "movimientos violentos e incontrolables por parte de la máquina" cuando movía ambas piernas simultáneamente. [10] La lenta velocidad de caminata de Hardiman de 0,76 metros por segundo (2,5 pies/s) limitó aún más los usos prácticos, y el proyecto no tuvo éxito. [11]
Casi al mismo tiempo, un equipo dirigido por el profesor Miomir Vukobratović , en el Instituto Mihajlo Pupin de Yugoslavia, desarrolló los primeros exoesqueletos activos y robots humanoides . [12] Primero se desarrollaron los sistemas de locomoción con patas, con el objetivo de ayudar en la rehabilitación de parapléjicos. En el curso del desarrollo de exoesqueletos activos, el Instituto también desarrolló una teoría para ayudar en el análisis y control de la marcha humana. Parte de este trabajo informó el desarrollo de robots humanoides modernos de alto rendimiento. [13] En 1972, se probó un exoesqueleto activo para la rehabilitación de parapléjicos que funcionaba neumáticamente y se programaba electrónicamente en la Clínica Ortopédica de Belgrado. [13]
En 1985, un ingeniero del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) propuso un exoesqueleto llamado Pitman, una armadura motorizada para soldados de infantería. [14] El diseño incluía sensores de escaneo cerebral en el casco y se consideró demasiado futurista; nunca se construyó. [15]
En 1986, Monty Reed, un ranger del ejército de los EE. UU. que se había roto la espalda en un accidente de paracaídas, diseñó un exoesqueleto llamado Lifesuit. [16] Mientras se recuperaba en el hospital, leyó la novela de ciencia ficción Starship Troopers de Robert Heinlein , y la descripción de Heinlein de los trajes de infantería móviles inspiró a Reed a diseñar un exoesqueleto de apoyo. En 2001, Reed comenzó a trabajar a tiempo completo en el proyecto y en 2005 usó el duodécimo prototipo en la carrera a pie Saint Patrick's Day Dash en Seattle, Washington. [17] Reed afirma haber establecido el récord de velocidad al caminar con trajes de robot al completar la carrera de 4,8 kilómetros (3 millas) a una velocidad promedio de 4 kilómetros por hora (2,5 mph). [18] El prototipo 14 de Lifesuit puede caminar 1,6 km (1 mi) con una carga completa y levantar 92 kg (203 lb) para el usuario. [19]
Algunos modelos de exoesqueleto
Clasificación
Modelo general para clasificar los exoesqueletos [20]
La categorización de los exoesqueletos motorizados se divide en estructura, parte del cuerpo en la que se centran, acción, tecnología de potencia, propósito y aplicación. [20]
Los exoesqueletos rígidos son aquellos cuyos componentes estructurales unidos al cuerpo del usuario están fabricados con materiales duros como metales, plásticos, fibras, etc. Los exoesqueletos blandos , también llamados exotrajes, en cambio están fabricados con materiales que permiten el libre movimiento de los componentes estructurales, como los textiles. [20]
La categoría de acción describe el tipo de ayuda que el exoesqueleto proporciona al usuario. Los exoesqueletos activos proporcionan ayuda “activa” al usuario, desde una fuente externa, sin que el usuario necesite aplicar energía. Los exoesqueletos pasivos necesitan que el usuario realice el movimiento para funcionar y simplemente lo facilitan. Los sistemas híbridos proporcionan una mezcla de activos y pasivos. Las tecnologías motorizadas se dividen además en actuadores eléctricos, hidráulicos y neumáticos. [20]
El propósito del exoesqueleto se divide en exoesqueletos de "recuperación" utilizados para rehabilitación y exoesqueletos de "rendimiento" utilizados para asistencia. Las categorías de aplicación incluyen uso militar, uso médico, incluidos exoesqueletos de recuperación, uso de investigación y uso industrial. [20]
Diseño y limitaciones actuales
Los dispositivos de ayuda a la movilidad suelen abandonarse por falta de facilidad de uso. [21] Las principales medidas de facilidad de uso incluyen si el dispositivo reduce la energía consumida durante el movimiento y si es seguro de usar. A continuación se enumeran algunos problemas de diseño a los que se enfrentan los ingenieros.
Fuente de alimentación
Uno de los mayores problemas a los que se enfrentan los ingenieros y diseñadores de exoesqueletos motorizados es el suministro de energía . [22] Este es un problema particular si el exoesqueleto está destinado a ser usado "en el campo", es decir, fuera de un contexto en el que el exoesqueleto puede estar atado a fuentes de energía externas a través de cables de alimentación , teniendo así que depender únicamente de la fuente de alimentación de a bordo. Los paquetes de baterías requerirían un reemplazo o recarga frecuente, [22] y podrían correr el riesgo de explosión debido al descontrol térmico . [23] Según Sarcos, la empresa ha resuelto algunos de estos problemas relacionados con la tecnología de las baterías, en particular el consumo, reduciendo la cantidad de energía necesaria para operar su Guardian XO a menos de 500 vatios (0,67 hp) y permitiendo que sus baterías se "intercambien en caliente" sin apagar la unidad. [24] El motor de combustión interna ofrece una alta salida de energía, pero los problemas incluyen gases de escape, calor residual e incapacidad para modular la potencia sin problemas, [25] así como la necesidad periódica de reponer combustibles volátiles . Las células de hidrógeno se han utilizado en algunos prototipos [26] pero también presentan varios problemas de seguridad. [27]
Esqueleto
Los primeros exoesqueletos utilizaban materiales económicos y fáciles de moldear, como el acero y las aleaciones de aluminio . Sin embargo, el acero es pesado y el exoesqueleto motorizado debe trabajar más para superar su propio peso, lo que reduce la eficiencia. Las aleaciones de aluminio son ligeras, pero fallan por fatiga rápidamente. [28] La fibra de vidrio , la fibra de carbono y los nanotubos de carbono tienen una resistencia considerablemente mayor por peso. [29] También se están desarrollando exoesqueletos "blandos" que fijan motores y dispositivos de control a prendas flexibles. [30]
Actuadores
Músculo neumático de aire
Los actuadores articulados también se enfrentan al reto de ser ligeros, pero potentes. Las tecnologías utilizadas incluyen activadores neumáticos, [31] cilindros hidráulicos, [32] y servomotores electrónicos . [33] Se están investigando actuadores elásticos para simular el control de la rigidez en las extremidades humanas y proporcionar percepción táctil. [34] El músculo de aire , también conocido como actuador neumático trenzado o músculo de aire McKibben, también se utiliza para mejorar la retroalimentación táctil. [35]
Flexibilidad articular
La flexibilidad de la anatomía humana es un problema de diseño para los robots "duros" tradicionales. Varias articulaciones humanas, como las caderas y los hombros, son articulaciones esféricas , con el centro de rotación dentro del cuerpo. Dado que no hay dos individuos exactamente iguales, no es posible imitar por completo los grados de libertad del movimiento de una articulación. En cambio, la articulación del exoesqueleto se modela comúnmente como una serie de bisagras con un grado de libertad para cada eje de rotación. [21]
La flexibilidad de la columna es otro desafío, ya que la columna es en realidad una pila de articulaciones esféricas de movimiento limitado. No existe una combinación simple de bisagras externas de un solo eje que pueda adaptarse fácilmente al rango completo de movimiento de la columna vertebral humana . Debido a que la alineación precisa es un desafío, los dispositivos a menudo incluyen la capacidad de compensar la desalineación con grados de libertad adicionales. [36]
Los exoesqueletos blandos se doblan con el cuerpo y solucionan algunos de estos problemas. [37]
Control de potencia y modulación
Un exoesqueleto eficaz debería ayudar a su usuario, por ejemplo, reduciendo la energía necesaria para realizar una tarea. [21] Las variaciones individuales en la naturaleza, el alcance y la fuerza de los movimientos hacen que sea difícil que un dispositivo estandarizado proporcione la cantidad adecuada de asistencia en el momento adecuado. Se están desarrollando algoritmos para ajustar los parámetros de control para optimizar automáticamente el coste energético de la marcha. [38] [39] La retroalimentación directa entre el sistema nervioso humano y las prótesis motorizadas ("diseño neuroencarnado") también se ha implementado en algunos casos de alto perfil. [40]
Adaptación a variaciones de tamaño del usuario.
Los seres humanos presentan una amplia gama de diferencias de tamaño físico, tanto en longitudes esqueléticas como en circunferencias de extremidades y torso, por lo que los exoesqueletos deben ser adaptables o estar ajustados a usuarios individuales. En aplicaciones militares, puede ser posible abordar esto exigiendo que el usuario tenga un tamaño físico aprobado para que se le entregue un exoesqueleto. Las restricciones de tamaño corporal físico ya existen en el ejército para trabajos como los pilotos de aviones, debido a los problemas de adaptar los asientos y los controles a personas muy grandes y muy pequeñas. [41] Para los exoesqueletos blandos, esto es un problema menor. [37]
Salud y seguridad
Los exoesqueletos pueden reducir el estrés del trabajo manual, pero también pueden suponer peligros. [2] Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de Estados Unidos han pedido que se realicen investigaciones para abordar los posibles peligros y beneficios de la tecnología, señalando posibles nuevos factores de riesgo para los trabajadores, como la falta de movilidad para evitar la caída de un objeto y posibles caídas debido a un cambio en el centro de gravedad. [42]
En aplicaciones médicas, por ejemplo en caso de paraplejia completa después de una lesión de la médula espinal , un exoesqueleto puede ser una opción adicional para el suministro de ayudas si las propiedades estructurales y funcionales del sistema neuromuscular y esquelético son demasiado limitadas para poder lograr la movilización con una ortesis , que solo es capaz de ayudar a la recuperación del trabajo muscular.
En pacientes con paraplejia completa (ASIA A) , los exoesqueletos son interesantes como alternativa a una ortesis bajo este criterio para alturas de lesión por encima de la vértebra torácica (T12). En pacientes con paraplejia incompleta (ASIA BD) , las ortesis son incluso adecuadas para alturas de lesión por encima de T12 con el fin de promover la propia actividad del paciente hasta tal punto que la movilización terapéutica pueda ser exitosa. [43] [44] [45]
Además, los exoesqueletos motorizados pueden mejorar la calidad de vida de las personas que han perdido el uso de sus piernas al permitirles caminar con asistencia sistémica. [46] Los exoesqueletos, que pueden llamarse "robots de rehabilitación escalonada", también pueden ayudar con la rehabilitación de un accidente cerebrovascular , una lesión de la médula espinal o durante el envejecimiento. [47]
Se están desarrollando varios prototipos de exoesqueletos. [48] [49] El Ekso GT, fabricado por Ekso Bionics, es el primer exoesqueleto aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) para pacientes con accidente cerebrovascular. [50] El Centro Alemán de Investigación para Inteligencia Artificial ha desarrollado dos exoesqueletos motorizados de uso general, CAPIO [51] [52] y VI-Bot. [53] Estos se utilizan principalmente para teleoperación. También se está desarrollando tecnología de exoesqueletos para mejorar la precisión durante la cirugía, [54] y para ayudar a las enfermeras a mover y transportar a pacientes pesados. [55]
Militar
Exoesqueleto desarrollado por DARPA
Desarrollar un traje de cuerpo entero que satisfaga las necesidades de los soldados ha resultado un desafío. A principios de la década de 2000, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) financió el primer prototipo de exoesqueleto motorizado de cuerpo entero de Sarcos , que se accionaba hidráulicamente y consumía 6.800 vatios de energía. [24] Para 2010, DARPA y Sarcos habían reducido esa cantidad a más de la mitad, a 3.000 vatios, pero aún requerían que el exoesqueleto estuviera atado a la fuente de energía. El Sarcos Guardian XO ahora está alimentado por baterías de iones de litio y es aplicable para aplicaciones de logística militar. [24]
En 2011, DARPA lanzó el programa Warrior Web [56] [57] y ha desarrollado y financiado varios prototipos, incluido un "exoesqueleto blando" desarrollado por el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard . [58] En 2019, el proyecto de exoesqueleto TALOS del Ejército de EE. UU. quedó en suspenso. [59]
Se han desarrollado una variedad de exoesqueletos "adelgazados" para su uso en el campo de batalla, destinados a disminuir la fatiga y aumentar la productividad. [60] Por ejemplo, el traje ONYX de Lockheed Martin tiene como objetivo ayudar a los soldados a realizar tareas que "requieren mucho esfuerzo de rodillas", como cruzar terrenos difíciles. [61] El grupo de Leia Stirling ha identificado que los exoesqueletos pueden reducir los tiempos de respuesta de un soldado. [62]
Civil
Se están desarrollando exoesqueletos para ayudar a los bomberos y otros trabajadores de rescate a subir escaleras mientras transportan equipo pesado. [63]
Industria
La tecnología de exoesqueleto pasivo se utiliza cada vez más en la industria automotriz, con el objetivo de reducir las lesiones de los trabajadores (especialmente en los hombros y la columna vertebral) y reducir los errores debidos a la fatiga. [64] [65] También se están examinando para su uso en logística . [66]
Estos sistemas se pueden dividir en dos categorías: [67]
exoesqueletos para miembros superiores para ayudar a los movimientos de flexión-extensión del hombro;
Exoesqueletos para soporte lumbar para ayudar en tareas de levantamiento manual.
Para su aplicación en el sentido más amplio, los exoesqueletos industriales deben ser livianos, cómodos, seguros y mínimamente disruptivos para el medio ambiente. [68] Para algunas aplicaciones, los exoesqueletos de una sola articulación (es decir, destinados a ayudar solo a la extremidad involucrada en tareas específicas) son más apropiados que los trajes motorizados de cuerpo completo. [68] Se han desarrollado exoesqueletos motorizados de cuerpo completo para ayudar con cargas pesadas en el entorno industrial, [69] [70] y para aplicaciones especializadas como el mantenimiento de plantas de energía nuclear. [71]
Sin embargo, la eficacia biomecánica de los exoesqueletos en aplicaciones industriales es aún en gran medida desconocida. Las empresas deben realizar una evaluación de riesgos para los lugares de trabajo en los que se van a utilizar exoesqueletos. El Instituto de Seguridad y Salud Laboral del Seguro Social Alemán de Accidentes ha elaborado un borrador de evaluación de riesgos para los exoesqueletos y su uso. La evaluación de seguridad se basa en diversas experiencias, que incluyen seguridad de máquinas, equipos de protección personal y análisis de riesgos de tensiones físicas en el trabajo. Los exoesqueletos disponibles en el mercado a menudo no tienen en cuenta adecuadamente los aspectos de seguridad, en algunos casos a pesar de que sus fabricantes afirman lo contrario. [72]
Productos
Japet Exoskeleton es un exoesqueleto motorizado para la zona lumbar, para el trabajo y la industria, basado en aparatos ortopédicos pasivos establecidos. Su objetivo es reducir la presión lumbar. [73]
ReWalk cuenta con un sistema de movimiento motorizado de cadera y rodilla que permite que las personas con discapacidades en las extremidades inferiores, incluida la paraplejia como resultado de una lesión de la médula espinal, puedan ponerse de pie, caminar y subir y bajar escaleras por iniciativa propia. [76] ReStore, un sistema más simple del mismo fabricante, se adhiere a una sola pierna para ayudar con el reentrenamiento de la marcha y fue aprobado por la FDA en 2019. [76]
Phoenix de SuitX es un exoesqueleto modular, ligero y económico, alimentado por una mochila con batería que permite a los parapléjicos caminar a una velocidad de hasta 1,8 kilómetros por hora (1,1 mph). [78]
HAL de Cyberdyne es un robot portátil que viene en múltiples configuraciones. [79] HAL se utiliza actualmente en hospitales japoneses y estadounidenses y recibió la certificación de seguridad global en 2013. [49] [80]
El dispositivo de asistencia para caminar de Honda es un exoesqueleto parcial que ayuda a las personas con dificultades para caminar sin apoyo. La FDA le otorgó una notificación previa a su comercialización en 2019. [81]
La Agencia Espacial Europea ha desarrollado una serie de exoesqueletos ergonómicos para telemanipulación robótica, entre los que se incluyen los exoesqueletos EXARM, X-Arm-2 y SAM. La aplicación prevista es la telemanipulación de robots similares a astronautas que operan en un entorno remoto y hostil. [82]
En 2018, el proveedor español de exoesqueletos Gogoa Mobility fue la primera empresa europea en obtener la aprobación CE para su exoesqueleto motorizado HANK para la parte inferior del cuerpo para uso médico. [83] La aprobación CE cubrió el uso de HANK para rehabilitación debido a lesiones de la médula espinal (LME), daño cerebral adquirido (DCA) y enfermedades neurodegenerativas. En febrero de 2020, su exoesqueleto específico para la rodilla llamado Belk también recibió la aprobación CE.
Roam Robotics produce un exoesqueleto blando para esquiadores y practicantes de snowboard. [31]
Wandercraft produce Atalante, el primer exoesqueleto motorizado que permite a los usuarios caminar con manos libres, a diferencia de la mayoría de los exoesqueletos médicos motorizados que requieren el uso simultáneo de muletas. [84]
Sarcos ha presentado un exoesqueleto motorizado de cuerpo completo, el Guardian XO, que puede levantar hasta 200 libras (91 kg). [85] [86] Su versión "Alpha" se demostró en el Consumer Electronics Show de 2020 con Delta Air Lines . [87]
El ExoHeaver de ExoMed es un exoesqueleto eléctrico diseñado en 2018 para una empresa rusa de minería y fundición de níquel y paladio . Está diseñado para levantar y sostener cargas de hasta 60 kg (130 lb) y recopilar información sobre el entorno mediante sensores. Se han probado más de 20 exoesqueletos y se utilizan en la empresa. [88]
Comau introdujo un exoesqueleto pasivo accionado por resorte llamado Comau MATE que brinda soporte antigravitatorio al usuario. El exoesqueleto sostiene la parte superior de los brazos y la columna vertebral para facilitar el trabajo y reducir la fatiga física . La caja de accionamiento accionada por resorte de MATE almacena energía a través de un mecanismo avanzado durante la fase de extensión y luego la devuelve al usuario durante la fase de flexión. [89]
Proyectos en espera/abandonados
El Human Universal Load Carrier (HULC) de Lockheed Martin fue abandonado después de que pruebas demostraran que el uso del traje hacía que los usuarios gastaran significativamente más energía durante caminatas controladas en una cinta de correr. [90]
El exoesqueleto de extremidades inferiores de Berkeley (BLEEX) constaba de soportes mecánicos de metal para las piernas, una unidad de energía y un marco tipo mochila para soportar una carga pesada. [91] La tecnología desarrollada para BLEEX condujo al Phoenix de SuitX. [92]
En 2013, un proyecto de la Universidad de Gante , WALL-X, demostró que reduce el coste metabólico de la marcha normal. Este resultado se logró optimizando los controles basándose en el estudio de la biomecánica de la interacción humano-exoesqueleto. [93]
Eventos importantes
Cibatlón : competición internacional en la que personas con discapacidades físicas compiten entre sí para completar tareas cotidianas utilizando sistemas de asistencia técnica de última generación. [94]
Camión Andante , vehículo cuadrúpedo experimental; también conocido como la "Máquina Antropomorfa Cibernética"
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Enlaces externos
Medios relacionados con Exoesqueletos motorizados en Wikimedia Commons
Vídeo, imágenes y artículos sobre el proyecto del exoesqueleto Bleex
Universidad de California en Los Ángeles (UCLA)—Proyecto Exo Arm
Número 13.01 de Wired , enero de 2005: Ironmen, la primera competición de levantamiento de pesas con exoesqueleto del mundo
Vídeo y resumen sobre la órtesis robótica GAIT (vía IEEE Xplore)
Exoesqueleto humanoide militar de SARCOS (YouTube)
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