Diseño y control de un dispositivo robótico modular de tipo exoesqueleto para la asistencia de la extremidad superior

Abstract

Among the main physical risks occurring in the workplace are ergonomic risks, the most frequent in Europe, which give rise to musculoskeletal disorders. These diseases affect millions of people in Europe, as they are the main cause of work leave, representing a significant annual cost for European companies and health systems, as well as having a high impact on the working life of the workers who suffer from them. The incorporation of exoskeletons in the industrial field could be a solution that combines human skills to solve complex situations with the capabilities of robotic systems. This doctoral thesis is focused on obtaining an integral robotic solution for the assistance of arm movements, consisting of an exoskeleton type robot and an intelligent control system, which will be adapted to different users according to their needs. In order to achieve this objective, a series of items have been established and fulfilled throughout this doctoral thesis. First, a study of the needs of the different users of the system is proposed in order to establish the minimum requirements to be met. Next, the concept design of the active upper-limb exoskeleton that will support the users is carried out, and a first prototype is manufactured, which will be validated by means of experimental tests, first in simulation environments and later with the participation of healthy subjects. After these validations, changes are made to the design based on the possible improvements observed during the experiments, and the final prototype of the system is developed, which can be used indistinctly on the right and left arm and can be adapted to the different complexions of the users. Finally, a new control mode that favors human-machine interaction has been developed, and a pilot study has been carried out to test the complete system. The main results of this doctoral thesis have been published in three papers, one of them in a journal included in the Journal Citation Reports (JCR), and the other two as book chapters that collect the papers presented in two international congresses. The publication Electromyography Assessment of the Assistance Provided by an Upper-Limb Exoskeleton in Maintenance Tasks focuses on the design and manufacture of the first prototype of the upper-limb exoskeleton and its validation by analyzing the changes in the muscular activity of the subjects when performing a repetitive industrial task. On the other hand, the publication Advantages of the incorporation of an active upper-limb exoskeleton in industrial tasks includes the study that analyzes how the incorporation of the robotic device would affect the execution of an industrial activity of frontal drilling. Finally, in the publication Oxygen consumption in industrial tasks assisted by an active upper-limb exoskeleton, the changes in the design of a new improved prototype and its validation by analyzing the oxygen consumption of the users when they carry out a certain task with the help of the proposed system are reported.

Entre los principales riesgos físicos que ocurren en el puesto de trabajo se encuentran los riesgos ergonómicos, los más frecuentes en Europa, que dan lugar a los trastornos musculoesqueléticos. Estas dolencias afectan a millones de personas en Europa, ya que es la principal causa de baja laboral, suponiendo un importante coste anual para las empresas europeas y los sistemas de salud, además de tener un alto impacto en la vida laboral de los trabajadores que los padecen. La incorporación de exoesqueletos al ámbito industrial podría tratarse de una solución que combina las habilidades humanas para resolver situaciones complejas, con las capacidades de los sistemas robóticos. La presente tesis doctoral se centra en obtener una solución robótica integral para la asistencia de los movimientos del brazo, formada por un robot de tipo exoesqueleto y un sistema inteligente de control, que se adaptarán a los distintos usuarios en función de sus necesidades. Para poder alcanzar este objetivo se han establecido una serie de hitos que se han ido cumpliendo a lo largo de esta tesis doctoral. En primer lugar, se plantea el estudio de las necesidades de los distintos usuarios del sistema para establecer los requisitos mínimos que debe cumplir. A continuación, se lleva a cabo el diseño de concepto del exoesqueleto de miembro superior que dará soporte a los usuarios, y se procede a la fabricación de un primer prototipo que será validado mediante pruebas experimentales, primero en entornos de simulación y posteriormente con la participación de sujetos sanos. Tras estas validaciones, se realizan cambios en el diseño a partir de las posibles mejoras observadas durante las experimentaciones, y se lleva a cabo el desarrollo del prototipo final del sistema, que puede emplearse indistintamente en brazo derecho e izquierdo y se adapta a las distintas complexiones de los usuarios. Por último, se ha desarrollado un nuevo modo de control que favorece la interacción hombre-máquina, y se ha realizado un estudio piloto para poner a prueba el sistema completo. Los resultados principales de la presente tesis se han publicado en tres artículos, uno de ellos en revista incluida en el Journal Citation Reports (JCR), y los otros dos como capítulos de libro que recogen los artículos presentados en dos congresos internacionales. La publicación Electromyography Assessment of the Assistance Provided by an Upper-Limb Exoskeleton in Maintenance Tasks se centra en el diseño y fabricación del primer prototipo del exoesqueleto de miembro superior y su validación mediante el análisis de los cambios en la actividad muscular de los sujetos al realizar una tarea repetitiva de ámbito industrial. Por otro lado, la publicación Advantages of the incorporation of an active upper-limb exoskeleton in industrial tasks recoge el estudio que analiza cómo afectaría la incorporación del dispositivo robótico a la ejecución de una actividad industrial de taladrado frontal. Por otro último, en la publicación Oxygen consumption in industrial tasks assisted by an active upper-limb exoskeleton se recogen los cambios en el diseño de un nuevo prototipo mejorado y su validación mediante el análisis del consumo de oxígeno de los usuarios cuando llevan a cabo una determinada tarea con la ayuda del sistema propuesto.