Diseño mecánico estructural de un exoesqueleto pasivo para extremidades inferiores

Abstract

Existe un número creciente de individuos, personas mayores o con bajo tono muscular que requieren de asistentes para el desarrollo de sus actividades diarias. El uso de dispositivos mecánicos que auxilien el esfuerzo muscular en los movimientos, constituye una alternativa interesante y complementaria, que otorga a sus usuarios una menor dependencia y un aumento de la autoestima y el bienestar.

En este Trabajo de Fin de Grado se ha modelado matemáticamente un exoesqueleto pasivo para miembros inferiores, que auxilia el esfuerzo muscular durante la marcha. Este dispositivo se ha diseñado de acuerdo al principio de compensación de la gravedad y en base a la biomecánica del ciclo de marcha humana. La estructura del exoesqueleto consta de tres eslabones principales (cadera, muslo y pierna) y dos auxiliares, y utiliza dos resortes para la compensación de la gravedad y la reserva/entrega de energía.

Se ha tratado de interpretar la demanda de los potenciales usuarios y transformarlas en especificaciones de diseño, optando por soluciones tecnológicas adecuadas, que resuelven cuestiones fundamentales, como el bajo coste, la simplicidad mecánica o la personalización de los ajustes. Se ha optado por el empleo de aluminio, un material ligero y de mecanizado fácil y rápido. Para su adaptabilidad a diferentes usuarios, los eslabones del exoesqueleto podrían ser telescópicos para adaptarse al tamaño de las extremidades, y el grado de ayuda es regulable modificando los puntos de anclaje de los resortes. Se asegura la libertad de movimiento del usuario en el plano sagital, y una razonable confortabilidad con un bajo impacto estético.

Se ha analizado la biomecánica de la marcha humana, y se ha modelado satisfactoriamente mediante la discretización de los datos la cinemática de los ángulos de extensión de la cadera y flexión de la rodilla, y de la reacción del suelo, de acuerdo a los perfiles obtenidos en la revisión bibliográfica. Asimismo, se ha realizado de manera satisfactoria el análisis y simulación cinemática y dinámica de la extremidad inferior durante la marcha, con y sin exoesqueleto, utilizando el software MATLAB R2013a. El código MATLAB redactado arroja los valores de los ángulos que forman los eslabones auxiliares con la vertical, así como los valores de las reacciones y los momentos en las articulaciones de la cadera y la rodilla.

There is a growing number of individuals, elderly people or with low muscle tone requiring assistants for the development of their daily activities. The use of mechanical devices helping the muscle effort in movements constitutes an interesting and complementary alternative, which gives its users less dependence and an increase in self-esteem and well-being.

In this End-of-Grade Thesis, a passive exoskeleton for lower limbs has been mathematically modelled, which assists muscular effort on walking. This device has been designed according to the principle of gravity compensation and based on the biomechanics of the human gait cycle. The structure of the exoskeleton consists of three main links (hip, thigh and leg) and two auxiliary ones, and uses two springs for compensation of gravity and reserve/delivery of energy.

We have tried to interpret the users demands and transform them into design specifications, opting for appropriate technological solutions that solve fundamental questions such as low cost, mechanical simplicity or customization ofsettings. Aluminium, a lightweight material and of easy and fast machining, has been chosen. For their adaptability to different users, the primary links of the exoskeleton are constituted by telescopic elements, and the degree of assistance is adjustable by modifying the anchor points of the springs. This design ensures freedom of movement to the user in the sagittal plane, and a reasonable comfort with a low aesthetic impact.

The biomechanics of the human gait have been analyzed and the kinematics of the hip extension angles and of the knee flexion as well as the soil reaction have been satisfactorily modelled using the Finite Element Method, according to the profiles obtained in the bibliographic review. Likewise, kinematic and dynamic analysis and simulation of the lower extremity during gait, with and without exoskeleton, using the MATLAB R2013a software, have been satisfactorily performed. The elaborated MATLAB code shows the values of the anglesthat form the auxiliary links with the vertical, as well as the values of the reactant forces and the moments on the body elements and the mechanical structure.