Contribution to the Design of Exoskeletic Rehabilitation Robots

Varela Sanz, Jesús (2017). Contribution to the Design of Exoskeletic Rehabilitation Robots. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48055.

Descripción

Título: Contribution to the Design of Exoskeletic Rehabilitation Robots
Autor/es:
  • Varela Sanz, Jesús
Director/es:
  • Saltarén Pazmiño, Roque
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El hombro es una articulación múltiple formada por varios huesos, músculos y tendones que aportan grados de libertad a su movimiento de forma compleja. Su estudio ha sido abordado muchas veces desde diferentes perspectivas, pero siguen quedando asuntos pendientes de resolución en lo relativo a su movimiento, simulación, rehabilitación, y robotización, entre otros. El dolor de hombro es uno de los problemas musculo-esqueléticos más habitual. Supone el 1,2 % de las consultas médicas, ocupando el tercer lugar, tras el dolor lumbar y el cervical, con una prevalencia de entre el 7 y el 34 % en la población general. Es una dolencia muy inhabilitante para quienes la padecen, aumenta de forma notable con el envejecimiento y en la mayoría de los casos vuelve a reaparecer tras la primera incidencia. Por todo ello constituye un tema central de investigación, al que se ha dedicado un notable esfuerzo, dado que la rehabilitación tiene un importante papel en el tratamiento de hombros y en la mejora de la calidad de vida del paciente. Los intentos de robotizar de la rehabilitación de las extremidades superiores han sido abundantes y por lo general han producido sistemas eficaces aunque costosos y voluminosos. Krabben sostiene que “el efecto de la rehabilitación robotizada es al menos tan bueno como el de la rehabilitación clásica”, lo cual anima a profundizar en el tema y presentar nuevas propuestas. Esta tesis es un nuevo intento de abordar la rehabilitación robotizada del hombro para proporcionar soluciones de bajo coste, portátiles y bien adaptadas a las necesidades del hombro. La razón para establecer estos objetivos es que su consecución podría contribuir a conseguir una mayor eficacia en los tratamientos, y aumentar el confort del paciente que podría llevarse a casa el equipo para realizar el tratamiento en su domicilio. De este modo, ganaría en flexibilidad de horarios, distancia al centro hospitalario y haría más llevadera una rehabilitación continuada y prolongada. Este esfuerzo ha dado lugar a dos patentes. Una se incorporó en la primera versión del exoesqueleto de rehabilitación y la otra forma parte de la versión actual de SOFI (Sistema Ortésico multi-Funcional del hospital Infanta Sofía). También se ha diseñado y construido un ”movilizador robotizado post-operatorio” para las fases más tempranas de la recuperación de hombros recién operados. El proyecto se inició con un enfoque técnico orientado a construir un robot, pero el tiempo ha demostrado que para desarrollar una solución apropiada era necesario: • Comprender las patologías que afectan al hombro y la manera en que se tratan desde la rehabilitación clásica. • Comprender el funcionamiento de la articulación del hombro, sus posibles fallos y ser capaz de modelar su comportamiento. • Desarrollar una herramienta de medida objetiva para evaluar el grado de discapacidad provocado por las patologías en cada paciente y la evolución de éste con el tratamiento, sea clásico o robotizado. • Desarrollar una metodología de evaluación de pacientes sistemática y sencilla, que haciendo uso de la herramienta desarrollada, permitiese detectar problemas de hombro y valorar su gravedad. Todo lo anterior condujo a la realización de algunos estudios clínicos con pacientes, empleando el ”sistema de evaluación”, que ayudaron a entender las necesidades de pacientes y terapeutas y a especificar los requisitos de diseño de los robots. Además se realizaron otros estudios, mediante algoritmos de procesamiento de imágenes por ordenador, sobre unas 15.000 fotografías de más de 30 personas sanas para construir un modelo de movimiento de la unión gleno-humeral. Este modelo, que se incorporó a la cinemática del exoesqueleto SOFI, junto con la propuesta mecánica conformaron una solución para acomodar los movimientos del exoesqueleto a los de la articulación del paciente que era uno de los primeros retos. Otro factor que influye en la versatilidad y eficacia del sistema es el conjunto de ejercicios de rehabilitación programados en el equipo para los pacientes. El tipo de actividad, el papel activo o pasivo del enfermo, su estado, y la necesidad de entrar o no en zona de dolor dan lugar a algunas variantes. Apoyándose en los estudios mencionados y en la experiencia de los médicos se ha dotado a SOFI de los siguientes ejercicios: 1. Pendulares pasivos: con el robot post-operatorio, para pacientes recién operados. 2. Seguimiento de trayectorias. 3. Movimientos iniciados por el paciente y completados por el exoesqueleto: 4. Movimientos completamente realizados por el paciente y supervisados por el robot. 5. Ejercicios de incremento de fuerza con apoyo del robot. 6. Ejercicios de alcance en zonas difíciles (tras la espalda,...) y estiramiento. 7. Ejercicios “simétricos” controlados por paciente: el robot ejecuta en el brazo dañado movimientos simétricos a los que hace el paciente con su brazo sano (funcionando en modo maestro-esclavo). 8. Ejercicios tutelados: el médico o terapeuta mueve su brazo y el robot lleva el del paciente al mismo sitio tomando las precauciones necesarias (velocidad, posición, resistencia, dolor). 9. Ejercicios preparatorios del musculo (Masaje-relajación de zona). Finalmente, para validar los sistemas desarrollados, se realizaron ensayos de laboratorio en vacío y con personas sanas. Los ensayos clínicos en el Hospital Universitario Infanta Sofía con la colaboración de los servicios de Rehabilitación y Cirugía están previstos para fechas próximas. Se efectuarán con pacientes intervenidos quirúrgicamente de manguito rotador, con el fin de minimizar el riesgo de causar daños al paciente y por su capacidad para aportar información médica de relevancia. ABSTRACT The shoulder is a multiple joint, formed by several bones, muscles and tendons which provide several degrees of freedom to the upperlimb movement in a complex way. This problem has been studied from different perspectives, but there are still open issues regarding its movement model, simulation, rehabilitation and robotic approach, among others. Shoulder pain is one of the most habitual muscle-skeletal problems. It accounts for 1.2 % of medical consultations at Spain, occupying the third place, after lumbar and cervical pain, with a prevalence of 7 and 34 % in the general population. It is very disabling for those who suffer from it, increases significantly with aging, and in the majority of cases it reappears after the first incidence. For all this reasons, it is a central research topic and a significant effort has been done to solve it. Rehabilitation has an important role in the treatment of shoulders and it improves the quality of life of patients. Attempts to robotize the rehabilitation of the upper-limb have been abundant and have generally produced effective systems, although expensive and bulky. Krabben affirms that ”the effect of robotized rehabilitation is at least as good as the classical rehabilitation methods”. This encourages researchers to analyze the subject and present new proposals. This thesis is a new attempt to address robotic rehabilitation of the shoulder to provide a new solution characterized by low-cost, portability and adaptability to the needs of the shoulder. The reason to establish these objectives is that its achievement could contribute to improve the result of treatments and to increase patient comfort. In-home-treatment would improve patient’s life, through flexibility of schedules, avoiding the distance to the hospital and would making possible a continued, more intensive and extended in time treatment. This effort has produced two patents. One was incorporated in the first version of the rehabilitation exoskeleton and the second was implemented in the current version of SOFI (Multi-Functional Orthopedic System of the Infanta Sofia Hospital). A ”mobilization device” has also been designed and built for post-surgery assistance for the earliest phases of the recovery of surgery-cases. The project began with a technical approach aimed at building a robot, but time has shown that to develop an appropriate solution it is necessary: • To understand the pathologies that affects the shoulder and the way in which classical rehabilitation dealt with. • To understand the shoulder joint movement, its potential failures and being able to model its behavior. • To develop an objective measurement tool to evaluate the degree of disability caused by the pathologies in each patient and its evolution with the treatment (classical or robotized). • To develop a systematic and simple methodology for the evaluation of patients that , using the evaluation tool, allows to detect shoulder problems and assess their severity. All these considerations led to the implementation of a clinical trial with patients, which let experts understand the needs of patients and the requirements for rehabilitation robots. In addition, a model of the gleno-humeral joint movement was designed, using computer-aided image processing algorithms on 11.190 photographs of around 30 healthy people. This model was incorporated in the kinematic exoskeleton SOFI control. Additionally a mechanical proposal to accommodate the movements of the exoskeleton and patients was designed, producing a solution for the main challenge. Another factor that influences the versatility and efficiency of the system is the set of rehabilitation exercises programmed in the equipment for the patients. The type of activity, the active or passive role of patients, their condition, and the need to enter or not in an area in which they feel pain give rise to some alternative robot designs. Based on the above studies and the experience of physicians and therapists, the following exercises were included in SOFI: 1. Passive pendulum for the post-surgical robot version, to be used with surgical patients. 2. Trajectory tracking. 3. Movements initiated by the patient and completed by the exoskeleton. 4. Movements completely performed by the patient and supervised by the robot. 5. Strengthening exercises with robot support. 6. Exercises in difficult access areas (behind the back, ...) and stretching. 7. Patient-controlled ”symmetrical” exercises: the patient execute movements with his healthy arm and the robot executes symmetrical movements in the damaged arm (working in master-slave mode). 8. Coached Exercises: The therapist moves his or her arm and the robot moves the patient arm, taking the necessary precautions (Speed, position, endurance, pain). 9. Preparatory exercises of the muscle (Massage to relax the zone). Finally, to validate the developed systems, laboratory tests without user or with healthy people were carried out. Clinical trials at Infanta Sofía University Hospital with the collaboration of Rehabilitation and Surgery services are scheduled for the next months. They will be performed with patients that have passed cuff rotator surgery, for two reasons: first, in order to minimize the risk of causing damage to the patient and second, for their capability of the experiment to provide relevant medical information.

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ID de Registro: 48055
Identificador DC: http://oa.upm.es/48055/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48055
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.48055
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 10 Oct 2017 07:13
Ultima Modificación: 10 Oct 2017 07:13
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