Objetives

El diseño de robots de Rehabilitación ha experimentado un enorme desarrollo en los últimos años, debido a sus potenciales ventajas en cuanto a la reducción del trabajo repetitivo de los fisioterapeutas, la reducción de costes de tratamientos, la posibilidad de monitorizar variables fisiológicas y la evolución del paciente, o el desarrollo de aplicaciones para telerrehabilitación, entre otras. Por otra parte, el envejecimiento de la población puede incrementar el interés por las aplicaciones de estos sistemas, a medida que aumenten la demanda de tratamientos en un contexto de limitaciones económicas.

Una parte importante de los desarrollos en este campo ha estado ligada a los exoesqueletos como ayuda a la rehabilitación en lesiones neurológicas. Una menor atención han merecido los robots, en particular los robots paralelos, entre los que hay que destacar sistemas de plataformas para el brazo, para los pies  y diferentes sistemas para rehabilitación del tobillo. Recientemente se han propuesto otros robots paralelos para ejercicios en la rodilla.

A pesar de las ventajas que a priori ofrecen los robos paralelos (menor coste, mayor versatilidad en su aplicación), su uso se ha visto limitado fundamentalmente a la rehabilitación del tobillo, quizás porque la rehabilitación pierde eficacia a medida que la zona del cuerpo de interés se aleja del segmento corporal sobre el que actúa el sistema robotizado. Las características que debería reunir un sistema basado en un robot paralelo para diagnosis y rehabilitación de rodilla, y que por ende constituyen los problemas básicos que se deben de abordar en su diseño y desarrollo, se pueden resumir en las siguientes:

• Coste. Mantenerlo tan bajo como sea posible tanto en la construcción como en la operación del sistema. Ello sugiere el empleo de sistemas mecánicos lo más simples posibles (mínimo número de grados de libertad para realizar la tarea prevista) y sensores de bajo coste (para obtener los datos cinemáticos, por ejemplo).
• Usabilidad: Entendiendo por tal tanto la facilidad en la operación como la adaptación al personal clínico.
• Personalización. Capacidad por parte del sistema para adaptarse tanto a las características físicas del paciente como al tratamiento y evolución del paciente. Esto incide tanto sobre la estructura mecánica del sistema, como sobre el sistema de control. Se debe tener en cuenta que los robots actuales tienen una limitada capacidad de personalización.
• Seguridad. Hasta ahora este problema se ha abordado, entre otras medidas evidentes (setas de parada, etc..) incorporando actuadores con una potencia extremadamente limitada, lo cual, incide negativamente sobre las posibles prestaciones del sistema en su conjunto (limitada capacidad de carga, movimientos a muy baja velocidad).
• Interfase con el paciente y usuario. A diferencia de los robots industriales, que son operados por especialistas, los robots de rehabilitación deben ser manejados por personal clínico o incluso por personas con limitaciones funcionales, en cualquier caso   sin ninguna especialización en este campo. De ahí que disponer de una interfase amigable sistema-usuario a sea un aspecto crítico, pero muy descuidado en los desarrollos.

Los problemas/necesidades anteriores están asociados a una necesidad de mejoras a nivel científico, que afectan a tres ámbitos diferentes y complementarios: mecánico, biomecánico y de control

ÁMBITO MECÁNICO: Necesidad de modificar el diseño mecánico para mejorar la seguridad, eficacia y fiabilidad mecánica, reducir el coste, y aumentar la versatilidad, que luego repercute en la personalización y la adaptación al tratamiento.

La presente propuesta se trata de una continuación del proyecto “Metodología de diseño de sistemas biomecatrónicos. Aplicación al desarrollo de un robot paralelo híbrido para diagnosis y rehabilitación. DPI 2013-44227-R”. En el ámbito de este proyecto se ha diseñado y construido un robot paralelo de cuatro grados de libertad con configuración 3UPS-RPU, que es capaz de realizar los movimientos establecidos como necesarios para las tareas de diagnosis y rehabilitación de rodilla: dos traslaciones y dos rotaciones. En nuestro conocimiento, este robot representa una novedad dentro del campo de los robots paralelos.

Ahora bien, en el transcurso del citado proyecto se han detectado varias posibilidades de mejora en orden a obtener un sistema rehabilitador realmente eficaz. En el aspecto puramente mecánico, se pueden mencionar, en orden de importancia, las siguientes:

• Calidad del espacio de trabajo. Un problema habitual en este tipo de robots paralelos es la presencia de singularidades directas dentro del espacio de trabajo del robot, esto supone no solo un problema para el control, sino un problema de seguridad inaceptable. Teniendo en cuenta que en este caso las trayectorias vienen dadas por las necesidades de rehabilitación, una posible solución sería evolucionar desde el actual diseño a uno reconfigurable. Se mantendría la topología del mismo, que garantiza los movimientos requeridos, y se modificarían ciertos parámetros del mismo, por ejemplo, la localización de los puntos de unión de las patas en las plataformas fija y móvil del robot. Todo ello conduce a un problema de optimización que no solo permitiría eliminar las singularidades del robot, sino también mejorar la destreza del mismo sobre el tipo de trayectorias que debe de realizar.
• Holguras. En este punto se debe de conjugar que se está buscando un robot de bajo coste con la necesaria precisión en el posicionamiento, dadas las implicaciones que supone en la seguridad del usuario. En el este robot paralelo, es la pata central RPU la encargada de imponer las restricciones al movimiento, lo que el estudio de la influencia de las holguras en los pares cinemáticos en el posicionamiento de la plataforma móvil, se centrará fundamentalmente en la misma.
• Movimientos parásitos. Siempre pensando en la seguridad del usuario, es necesario detectar la posible presencia de movimientos no previstos, las implicaciones en cuanto a seguridad que pueden tener y en su caso, el modo de evitarlos.

AMBITO BIOMECANICO: Necesidad de tener modelos biomecánicos personalizables que permitan monitorizar variables fisiológicas necesarias para el control, seguridad, adaptación al tratamiento:

El desarrollo de nuevos dispositivos aplicados a la rehabilitación ha ido en paralelo con las mejoras en el hardware, los sensores y también en los esquemas de control, que han evolucionado desde los sistemas de control de posición, propios de los ejercicios pasivos, hasta los sistemas de control adaptativo [16]. Sin embargo, la mejora en la eficiencia de los sistemas robóticos de rehabilitación no depende únicamente del diseño del sistema mecatrónico, sino que es preciso profundizar también en la interacción entre el cuerpo humano y el dispositivo rehabilitador, a partir de modelos que permitan analizar los esfuerzos transmitidos por el robot a las diferentes estructuras corporales. Hay varias razones para ello.

• Motivos de seguridad, ya que el conocimiento de los esfuerzos a nivel articular es imprescindible para evitar movimientos incómodos o lesivos para los pacientes.
• La monitorización de los esfuerzos es necesaria para desarrollar determinados tipos de ejercicios, como los isotónicos [16,20], en el desarrollo de los sistemas de control adaptativos  Assist-as-Needed, y en el control sistemas híbridos con electroestimulación.
• El análisis conjunto del sistema robot-cuerpo humano, puede suponer mejoras importantes en el propio diseño del robot, al considerar la respuesta corporal como un objetivo de diseño.

La estimación de esfuerzos a nivel de músculo o articulación puede realizarse con diferentes niveles de complejidad y usando información de distinta naturaleza. Respecto al nivel de complejidad se pueden emplear modelos simples que solo analicen las acciones globales (fuerzas y momentos) o bien descender al detalle de las acciones en músculos, tendones y ligamentos. Hay argumentos a favor y en contra de los dos enfoques. Por una parte, los modelos simples son más fáciles de computar en tiempo real, se pueden adaptar más fácilmente a las características del paciente y no presentan el problema de la indeterminación de los esfuerzos musculares que aparece en los modelos más detallados. En su contra, no aportan información de detalle sobre acciones en tendones y ligamentos que pueden ser necesarias para controlar la asistencia del robot o determinar condiciones de seguridad. Los modelos más elaborados sí ofrecen esta información, pero a costa de introducir numerosos parámetros difíciles de personalizar. Dada la sensibilidad de las acciones articulares a pequeños errores, es posible que las estimaciones de las fuerzas sean de validez dudosa. Por otra parte, la indeterminación de las acciones musculares obliga a definir criterios de óptimo que también afectan al resultado final.

En cuanto al tipo de información de entrada, puede manejarse exclusivamente un modelo de dinámica inversa alimentado con el movimiento y la información procedente de sensores ubicados sobre la interfase robot–paciente o bien monitorizar la actividad EMG y estimar los esfuerzos mediante un modelo adecuado. Aunque hay una amplia actividad de investigación orientada al desarrollo de sistemas con EMG, el mayor nivel de detalle de estos modelos implica mucha mayor complejidad experimental y también un número elevado de supuestos que pueden restar validez a este tipo de estimaciones. Los modelos de dinámica inversa pueden ofrecer información global suficiente en algunas aplicaciones, por ejemplo para analizar momentos articulares, o bien modelos mucho más elaborados para definir actividad muscular.

A pesar de toda esta actividad investigadora, quedan bastantes problemas por resolver en el desarrollo de modelos aplicables a robots paralelo para miembro inferior. Casi toda la actividad relacionada con la integración de modelos se centra en exoesqueletos, donde hay una relación muy directa entre el dispositivo robótico y el segmento corporal. La aplicación a robots paralelos para miembro inferior es mucho más reducida, especialmente en el caso de robots paralelo para ejercicios en la rodilla. En estos casos los modelos son mucho más complejos y con más indeterminaciones, siendo más realista una estrategia basada en modelos de dinámica inversa simples en los que se estiman sólo las acciones articulares. Finalmente, no parece clara la forma de resolver la personalización del modelo en el caso de los modelos más complejos en los que el número de parámetros puede ser grande y afecta notablemente al resultado final. Una alternativa a esta situación contradictoria, detalle vs validez, puede ser buscar una solución de compromiso en la que se usen modelos intermedios en el que se plantea un modelo simplificado para obtener reacciones en las articulaciones y en los músculos principales mediante una optimización estática. El modelo es fácilmente parametrizable para adaptarlo a las características personales de cada sujeto, aspecto crítico en las aplicaciones clínicas.

ÁMBITO INGENIERÍA DE CONTROL: Necesidad de desarrollar estrategias avanzadas de control del robot paralelo para la realización de diferentes ejercicios y estrategias de rehabilitación.

Las estrategias de rehabilitación convencionales se dividen en tres grupos: enfoques compensatorios (entrenar a los pacientes para que utilicen los segmentos corporales no dañados para realizar las tareas que antes hacían los miembros sí afectados), enfoques neurofacilitadores (centrados en el rejuvenecimiento de las habilidades motoras perdidas) y enfoques repetitivos de la tarea (para tratar de conducir a la reorganización de la corteza motora primaria del adulto mediante la práctica diaria de actividades motrices específicas). Por ello el ámbito de control está determinado por la aproximación terapéutica que se vaya a utilizar. Además, a día de hoy, existe evidencia de la influencia de a) la intensidad terapéutica, b) la participación activa del paciente, y c) el error en la posición (si no existe error, no existe aprendizaje motor).

Es necesario tener en cuenta que, si bien el número de aproximaciones terapéuticas es relativamente elevado, la aplicación a robots paralelos para rehabilitación de miembro inferior es mucho más reducida. A la hora de abordar las técnicas de rehabilitación mediante robots paralelos, las estrategias que más se han desarrollado y aplicado son:

• Control de posición.
• Control de fuerza y control por impedancia.
• Control basado en sensores de electromiografía.
• Control adaptativo.

En el proyecto previo (DPI 2013-44227-R, ver https://mebiomec.ai2.upv.es/ ), se desarrollaron diversos controles de posición para un robot paralelo basados en el modelo dinámico para que la respuesta del robot tuviera buenas prestaciones, tanto con movimientos precisos como con comportamientos exigentes. Se desarrolló también un controlador adaptativo en el que se realizaba en tiempo real una estimación de parámetros que son desconocidos o que pueden cambiar de una forma significativa.

Además de los controles de posición se desarrollaron controladores de fuerza mediante la utilización de un sensor industrial de 6 grados de libertad. Gracias a estos se pudo controlar la interacción entre la plataforma móvil del robot y el entorno (la pierna de los pacientes). Una ampliación de estos trabajos dio lugar al desarrollo de controladores híbridos posición/fuerza que permitía especificar al robot referencias de movimiento y fuerza.