Cómo Harmonic Bionics diseña exoesqueletos ligeros para la parte superior del cuerpo

 

Cómo Harmonic Bionics diseña exoesqueletos ligeros para la parte superior del cuerpo

El exoesqueleto Harmony Bionics Harmony ayuda a los sobrevivientes de un accidente cerebrovascular a ser más independientes y restablecer la función de la parte superior del cuerpo. El | Crédito: Biónica Armónica

En anatomía humana, el hombro presenta uno de los problemas físicos más complejos y desafiantes para los médicos y terapeutas. Los hombros y sus intrincados patrones anatómicos también proporcionan una prueba única para los desarrolladores de exoesqueletos, que necesitan mantener sus unidades livianas y compactas al tiempo que incorporan una amplia gama de movimientos.

Esos fueron los desafíos que enfrentó Harmonic Bionics, con sede en Austin, Texas. Sobre la base de la investigación fundamental realizada en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Texas, Harmonic Bionics diseñó un exoesqueleto, llamado Harmony, que rastrea la articulación del hombro y el movimiento escapular de la cintura escapular. El exoesqueleto maximiza el rango de movimiento del hombro humano y la cintura escapular al tiempo que garantiza la seguridad con enclavamientos físicos y programados. La tecnología de actuador y controlador permite a Harmony personalizar la compensación de gravedad, la asistencia y la impedancia según sea necesario para el paciente.

Harmony es un dispositivo de tratamiento y terapia que permite a los terapeutas trabajar con los pacientes para mejorar la funcionalidad y la curación del daño neuromuscular. Es especialmente útil para las víctimas de accidente cerebrovascular. Hay más de 800,000 nuevos casos de accidente cerebrovascular cada año solo en los Estados Unidos.

«El desarrollo de actuadores robustos controlados por torque de circuito cerrado con altas tasas de actualización fue nuestro mayor desafío», dijo Rohit John Varghese, Jefe de Desarrollo de Productos de Harmonic Bionics. «El equipo de diseño desarrolló todos los controles electrónicos del motor y la electrónica de comunicación internamente, y esto ha permitido el nivel de rendimiento que requiere el terapeuta con el que trabajamos».

«Nuestra solución robótica libera al terapeuta para que haga lo que mejor hace y es interactuar con el humano, que es una parte subestimada pero crítica del proceso de recuperación», agregó Varghese. “Crea una dinámica íntima entre el terapeuta, el paciente y el robot. El resultado es que los sobrevivientes de un derrame cerebral mejorarán más rápido y con mayor eficacia «.

Examen del exoesqueleto de Harmonic Bionics

El proyecto comenzó en el Laboratorio de Robótica ReNeu en la Escuela de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas en 2011 con fondos de la Fundación Nacional de Ciencias y la NASA. «La pieza crítica en Harmony es un mecanismo de hombro novedoso que impulsa movimientos coordinados de cinco articulaciones en el complejo del hombro, que es la clave para la rehabilitación del hombro», dijo Ashish Deshpande, director del Laboratorio de Robótica ReNeu. Asegurar la alineación entre el exoesqueleto y el paciente es fundamental para evitar el estrés en las articulaciones del paciente y protegerlo de lesiones.

Cada lado del robot mueve sin problemas el brazo y el hombro del sujeto a través de un rango de movimiento natural completo, y se puede ajustar para personas de todas las formas y tamaños. Harmonic Bionics utilizó información de las bases de datos de la NASA para recopilar sus datos de tamaño antropométrico, en función de los cuales Harmony ha sido diseñado para ajustar su tamaño para que se adapte a más del 95 por ciento de la población estadounidense.

Para ser efectivo en un entorno clínico, es importante que el exoesqueleto cambie sus dimensiones físicas de manera rápida y suave para alinearse con estos diferentes tamaños corporales. La lubricación a base de aceite para los cojinetes lineales causa muchos problemas, incluida la acumulación de suciedad, lo que permite que se acumulen bacterias.


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Plásticos de alto rendimiento

Además, debido a la complejidad del robot, los mecanismos de cambio de tamaño deben ser muy compactos para dejar espacio para la electrónica y los actuadores. Todos los mecanismos de rodamientos lineales deben poder bloquearse una vez en posición para evitar cambios de tamaño no deseados.

Harmonic Bionics resolvió múltiples problemas eligiendo rodamientos lineales de igus, un fabricante de plásticos de movimiento con sede en Alemania. La compañía dirige sus operaciones en Norteamérica desde Providence, R.I. Los productos de la compañía no requieren lubricación ni mantenimiento. Los rodamientos permiten un ajuste de tamaño suave y sin ataduras sin lubricación, y reducción de tamaño y peso.

Harmony incluye 6 rodamientos iglide J iglide, un equipo de resistencia versátil que exhibe bajo desgaste contra diferentes materiales del eje y bajos coeficientes de fricción en operación en seco. Son rodamientos rentables cuando se necesitan cargas de baja presión, y se usan con frecuencia en automatización, impresión, tecnología de bebidas e ingeniería aeroespacial.

Una carcasa de cojinete personalizada se comprime en un revestimiento dryLin R, lo que reduce significativamente el tamaño en comparación con los modelos anteriores del exoesqueleto. La compresión de la carcasa bloquea los ejes, eliminando la necesidad de un collar de eje adicional. Los productos dryLin R están hechos con los materiales iglide J, y se utilizan con frecuencia en envases, impresión 3D y laboratorios. El mecanismo de hombro también incluye rodamientos DryLin R, que funcionan en seco y toleran limpiezas frecuentes.

Los sistemas de guía de riel DryLin-T fabricados por igus aseguran una alta rigidez en el soporte para el exoesqueleto. Las guías son extremadamente resistentes a la suciedad y ofrecen un bajo coeficiente de fricción y desgaste. También se utilizan con frecuencia en la construcción de máquinas, máquinas herramientas, manejo de paquetes y la industria de la madera.

Cómo Harmonic Bionics diseña exoesqueletos ligeros para la parte superior del cuerpo

Armónica Biónica Exoesqueleto Armonía. El | Crédito: Biónica Armónica

Abordar el hombro

Varios factores influyeron en la decisión de Harmonic de centrarse en el desarrollo del exoesqueleto para los hombros. Primero, las incidencias asombrosas de los accidentes cerebrovasculares aumentan en los próximos 10 años y han aumentado significativamente.

«A medida que la atención médica mejora, las personas viven más», dijo Deshpande. “Además, las líneas de tendencia muestran incidentes de accidente cerebrovascular entre las poblaciones más jóvenes. El resultado es una pérdida de productividad y una mayor duración del sufrimiento «.

Muchos dispositivos terapéuticos y de asistencia se han centrado en la deambulación: la funcionalidad mejorada de las piernas. «Gracias al éxito de la ADA en los Estados Unidos, gran parte de ese problema se está resolviendo con la accesibilidad para sillas de ruedas», dijo Deshpande. Pero la siguiente etapa para permitir las actividades básicas de la vida diaria es ayudar a los sobrevivientes de un derrame cerebral y a otras personas con enfermedades neuromusculares a ser más independientes y restaurar la función de la parte superior del cuerpo.

Finalmente, la investigación para mejorar las técnicas de fisioterapia de los hombros si se ve muy obstaculizada por las métricas altamente subjetivas que se utilizan para la evaluación de la recuperación.

«La escala de evaluación estándar de oro para la recuperación sigue siendo una evaluación subjetiva del terapeuta en la escala de 1-5», dijo Varghese. «Es difícil encontrar una forma alternativa de medición sin un dispositivo como Harmony, especialmente para el hombro. Es una unión tan complicada. No solo la bola y la cavidad, sino también el complejo movimiento de la cintura escapular. Debemos asegurarnos de que el brazo y el hombro se muevan en coordinación. El exoesqueleto vuelve a enseñar esa coordinación.

Resolviendo los desafíos

Todo el alcance del proyecto planteó desafíos importantes para el equipo de Harmonic. La complejidad de los movimientos del hombro, la seguridad de los pacientes y la búsqueda de componentes duraderos y sin lubricación convirtieron el diseño del dispositivo en un proceso laborioso y lento.

Pero con el accidente cerebrovascular como una preocupación médica tan grave y generalizada, el equipo de Harmonic se mantuvo comprometido y enfocado en construir un dispositivo que podría ser un desarrollo que cambie el juego en la forma en que los terapeutas trabajan con pacientes que han sufrido accidentes cerebrovasculares. Las pruebas con pacientes con accidente cerebrovascular se están planificando en los cinco principales hospitales de rehabilitación en todo el país, marcando el comienzo de una nueva era en la rehabilitación para pacientes con accidente cerebrovascular.

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