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

Resumen

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.