Cómo diseñar un exoesqueleto

Un exoesqueleto debe ser ligero, compacto, potente, fiable y fácil de usar: ¿qué podría ser más fácil? Muchos desarrolladores en todo el mundo se atreven con esta disciplina, con diferentes grados de éxito. Christian Bermes, director del equipo de VariLeg enhanced, explica en qué consiste todo esto.

Mecánica

«Emular el paso del ser humano con sistemas mecatrónicos es un enorme reto de ingeniería. La estructura que soporta a la persona debe ser lo más ligera posible, pero a la vez robusta, ya que cada kilogramo adicional tiene un gran impacto en los sistemas motores. Por este motivo, a menudo se utilizan materiales muy ligeros, como el carbono. También es importante que el exoesqueleto no sea demasiado ancho, ya que el piloto debe poder pasar por cualquier puerta sin problemas».

Motores

«Los sistemas motores, que consisten en un motor y un reductor, deben proporcionar un par elevado. Hay en acción fuerzas enormes, especialmente cuando se suben y bajan escaleras. Al mismo tiempo se requiere un alto grado de dinamismo, ya que los motores deben cambiar constantemente su sentido de giro debido al movimiento de marcha. El último punto en la lista de deseos es un diseño compacto que requiera el mínimo espacio posible».

Interfaz de usuario

«Los pilotos deben tener el control completo de su locomoción, por lo que los controles de movimiento deben ser fácilmente accesibles y tener un manejo intuitivo. Además, para garantizar que la interfaz transmite de forma fiable las grandes fuerzas requeridas a la vez que protege la delicada piel del piloto, debe estar ajustada de forma individual a las piernas y al torso del piloto».

Piloto y experiencia

«Este es probablemente el punto más importante. El buen funcionamiento de un exoesqueleto en la práctica depende fundamentalmente del piloto, el cual debe acostumbrarse a la asistencia robótica y aprender a usarlo de la mejor manera posible. Algunas personas confían más en la fuerza, otras en la técnica. De cualquier manera, esto requiere mucho entrenamiento».

Grados de libertad

«¿Cuántos grados de libertad son aceptables? Esta es una pregunta complicada. A menudo, los diseñadores de exoesqueletos se deciden por dos grados de libertad para cada pierna, lo que significa que solo se mueven la cadera y la rodilla. Los beneficios de esto son: un peso menor, un sistema de control más sencillo y, en consecuencia, menos fuentes de error. Sin embargo, tres o cuatro grados de libertad también son aceptables. Esto significa que se puede disponer de movimiento lateral, por ejemplo, o accionar además el tobillo, lo que ofrece al piloto una libertad de movimiento extra y una mayor estabilidad en suelos irregulares. Por otro lado, incrementa el peso y la complejidad del sistema completo, reduciendo la vida útil de las baterías».

Software

«A simple vista, el control de pocos grados de libertad parece sencillo. Sin embargo, cuando se entra en detalles, la implementación es bastante más compleja. Esto es debido a que es necesario controlar muchos movimientos diferentes y prevenir accidentes a través de funciones de seguridad. Además, el exoesqueleto completo debe seguir desarrollándose en colaboración con el piloto. Esto solo puede alcanzarse mediante una arquitectura de software viable».

Christian Bermes, catedrático de automatización y mecatrónica de la Universidad de Ciencias Aplicadas HSR de Rapperswil, Suiza, es el director del equipo de VariLeg enhanced.

Exoesqueleto New VariLeg con motores con el doble de potencia

El Equipo de VariLeg enhanced está diseñando y construyendo un exoesqueleto para el Cybathlon 2020. Sin embargo, el proyecto en curso tiene poco en común con el equipo de VariLeg de la ETH de Zúrich que participó en el 2016. El exoesqueleto actual se ha desarrollado como un proyecto de estudiantes. Un equipo combinado de la ETH de Zúrich y la Universidad de Ciencias Aplicadas HSR de Rapperswil está ahora trabajando para completar el sistema robótico. El sistema tiene dos grados de libertad. Cuenta con dos motores planos sin escobillas de maxon en cada lado para mover las caderas y las rodillas. Estos motores proporcionan una potencia de 600 W.

Otto Ineichen, Desarrollo empresarial en el sector de la medicina de maxon: «Por encima de todo, los motores para exoesqueletos deben ser muy ligeros. Y también es importante que tengan poca altura total. Al mismo tiempo, sin embargo, se requiere una gran densidad de potencia y dinamismo, ya que los motores deben cambiar su sentido de giro con gran frecuencia y velocidad. En maxon estamos desarrollando una nueva plataforma de productos con motores especialmente diseñados para satisfacer las necesidades del mercado de la robótica. Estos nuevos motores están basados en el concepto sin bastidor EC-i y pueden combinarse con reductores adecuados, en función de la aplicación y los requisitos».