Exosuit realiza con éxito la transición de caminar a correr

 

Muchos exoesqueletos están diseñados para ayudar a las personas a caminar, y algunos dispositivos pueden ayudar a correr. Ningún dispositivo sin ataduras ha sido capaz de manejar eficientemente ambos pasos, hasta ahora. Investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de Nebraska Omaha han desarrollado un exosuit liviano que puede ayudar al usuario a caminar y correr.

Un equipo del Instituto Wyss de Harvard para Ingeniería Biológicamente Inspirada y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS), así como de la Universidad de Nebraska Omaha, compartieron su investigación hoy en Ciencia Robótica.

«En los últimos cinco años, nuestro grupo y otros han demostrado cómo los exoesqueletos de tobillo pueden ayudar a caminar», dijo Conor Walsh, miembro de la facultad central del Instituto Wyss, profesor de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Gordon McKay en SEAS y fundador de el Harvard Biodesign Lab. «Más recientemente, hemos explorado correr, en un caso, con sistemas pasivos de cadera».

“Uno de los desafíos restantes es un solo dispositivo para ayudar con más de una actividad. Por primera vez, podemos ayudar con más de uno «, dijo El informe del robot. «Un avance relacionado es que el sistema detecta automáticamente si una persona camina o corre y ajusta dinámicamente el nivel de su asistencia».

DARPA y equipo de desarrollo

«Esta es la culminación de un esfuerzo de varios años», dijo Walsh. «Hemos estado trabajando en exosuits suaves desde al menos 2012, y hemos desarrollado muchos tipos de sistemas para ayudar a caminar y rehabilitar a los sobrevivientes de un accidente cerebrovascular».

El estudio fue fundado por el antiguo Programa Web Warrior Web de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA), la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Wyss.

«Los últimos años han sido la fase final del programa DARPA», dijo Walsh. «Observamos a personas que iban a diferentes velocidades, que corrían por terrenos irregulares y subían una pendiente».

Se utiliza una tecnología similar en una versión médica del exosuit para ayudar a los pacientes con accidente cerebrovascular con la cadera y el tobillo al caminar. Está disponible comercialmente a través de ReWalk Robotics.

Si bien gran parte del trabajo se realizó en Harvard, Philippe Malcom, profesor asistente de la Universidad de Nebraska Omaha, dirigió el análisis biomecánico en el documento, dijo Walsh.

Jinsoo Kim, un estudiante graduado de SEAS, fue coprimer autor con Giuk Lee, Ph.D., un ex becario postdoctoral en el equipo de Walsh y ahora profesor asistente en la Universidad Chung-Ang en Seúl, Corea del Sur.

Otros autores del estudio son miembros pasados ​​y presentes del equipo de Walsh, incluido el analista de datos Roman Heimgartner; investigador compañero Dheepak Arumukhom Revi; ingeniero de control Nikos Karavas, Ph.D .; la diseñadora de ropa funcional Danielle Nathanson; ingeniero de robótica Ignacio Galiana, Ph.D .; ingeniero de robótica Asa Eckert-Erdheim; ingeniero electromecánico Patrick Murphy; ingeniero David Perry; el ingeniero de software Nicolas Menard y el estudiante graduado Dabin Kim Choe.

«El proyecto ha sido un gran esfuerzo de equipo, con múltiples disciplinas (textiles, biomecánica, robótica) trabajando juntas durante muchos años», dijo Walsh. «El documento y los resultados son realmente agradables, pero estamos entusiasmados por conocer la experiencia de los demás y trabajar por un objetivo común».

 

Centrarse en la cadera

«Comenzamos con la comprensión de la biomecánica de diferentes modos de andar: el cuerpo y las piernas se comportan de manera fundamentalmente diferente», dijo Walsh. «Utilizamos tres IMU diferentes [inertial measurement units] para detectar diferentes patrones de caminata para un algoritmo de clasificación con una precisión del 99% «.

Aunque caminar y correr son diferentes, ambos implican una extensión de la articulación de la cadera que comienza cuando el pie toca el suelo. Esto requiere el gasto de energía para impulsar el cuerpo y se convirtió en el foco del dispositivo robótico portátil.

El último exosuit del equipo está diseñado para ser más ligero y simple e incluye cinturones textiles en la cintura y los muslos. El dispositivo pesa un total de 5 kg (11 lb) y más del 90% de su peso está cerca del centro de masa del usuario.

El exosuit portátil tiene un sistema de actuación móvil en la parte inferior de la espalda con cables controlados por un algoritmo que puede detectar la transición entre pasos.


Exosuit realiza con éxito la transición de caminar a correr

 


Exosuit mejora la eficiencia

Un desafío importante fue ajustar el algoritmo para distinguir entre las velocidades de marcha y cambiar sus ciclos de actuación para obtener la cantidad correcta de asistencia en el momento correcto.

«Probamos el hardware y el algoritmo de control ampliamente en el laboratorio y en el exterior», explicó Walsh. «Las pruebas mostraron que podríamos reducir la energía de caminar y correr y que funcionó de manera sólida».

En las pruebas basadas en la cinta de correr, los usuarios redujeron sus tasas metabólicas al caminar en un promedio de 9.3% y de correr en un 4% en comparación con cuando no usaban el dispositivo.

«Esas reducciones siguen siendo relativamente modestas, pero otras han demostrado más por un solo paso u otro», dijo Walsh. “La reducción metabólica es como descargar peso. Esto fue como tomar 5.5 kg [12.1 lb.] o 7.5kg [16.5 lb.] fuera de una persona «.

Exosuit realiza con éxito la transición de caminar a correr

El exosuit liviano y versátil ayuda a la extensión de la cadera al caminar cuesta arriba y a diferentes velocidades de carrera en terrenos naturales. Fuente: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard.

«Hace aproximadamente un año, publicamos un artículo para un sistema de articulaciones múltiples en la cadera y el tobillo», agregó. “Podría obtener una reducción del 16%, pero solo por ayudar a caminar. Correr es mucho más dinámico y queríamos un peso mínimo ”.

«El enfoque de este documento está en los exosuits para aumentar el rendimiento humano normal, para excursionistas, soldados y trabajadores de fábricas», dijo Walsh. «Tenemos una colaboración continua con ReWalk para explorar dónde un dispositivo de cadera puede ser útil para un accidente cerebrovascular, esclerosis múltiple o pacientes con Parkinson». La experiencia desarrollada aquí podría eventualmente alimentar a los dispositivos médicos «.

El equipo de investigación continúa trabajando para reducir aún más el peso del exosuit, personalizar la asistencia y mejorar su facilidad de uso.

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