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ORTE-Sistema Robotizado para la rehabilitación del miembro superior

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El proyecto ORTE se enmarca dentro del área de robótica de rehabilitación. ORTE es una plataforma robotizada de rehabilitación del miembro superior, centrada en devolver la movilidad a las articulaciones del hombro y del codo. ORTE pretende ser una herramienta de ayuda efectiva para el equipo médico de rehabilitación y desde la fase inicial del proyecto, se ha integrado al usuario final en el desarrollo del mismo, siendo hoy en día una herramienta ampliamente aceptada por aquellos para los que ha sido diseñado. Sin olvidar al paciente y su patología, ORTE cuenta con un sistema de control inteligente, que le permite auto-adaptarse según avanza la rehabilitación, cubriendo de este modo todas las etapas de la misma: fase diagnóstica, fase de asistencia al movimiento, fase de recuperación y fase de oposición. Al mismo tiempo ofrece datos en tiempo real de la evolución de la lesión. ORTE está compuesto por: 1) un modelo musculoesquelético computarizado que permite estudiar el comportamiento biomecánico del miembro superior a través de simulaciones y animaciones; 2) un exoesqueleto que tiene un espacio de trabajo con la amplitud necesaria para acometer una gran cantidad de actividades de la vida diaria, esenciales en las terapias de rehabilitación; y 3) dos interfaces humano máquina, una para el paciente y otra para el equipo de rehabilitación. ORTE es un proyecto de investigación que tiene como objetivo principal el desarrollo de una plataforma integral de rehabilitación del miembro superior. ORTE es un sistema complejo que consta de 4 partes u objetivos específicos: • Diseño y fabricación de un dispositivo robótico de rehabilitación que cumpla la normativa vigente para dispositivos médicos. • Diseño e implementación del software de control del sistema. • Desarrollo de un sistema de monitorización y control para el equipo médico, • Desarrollo de una plataforma virtual de ejercicios para el paciente. Está siendo desarrollado por Aura Innovative Robotics S.L., una spin-off de la Universidad Politécnica de Madrid, que busca transferir ORTE a la sociedad. Aura constituye la principal fuente de financiación del proyecto y también se cuenta con el apoyo del Ministerio de Economía y Competitividad de España, que otorgó una ayuda "Doctorados Industriales" con una duración de 4 años. El proyecto surgió en 2010 gracias a una petición directa del Hospital Infanta Sofía de Madrid, entidad que continúa colaborando en el desarrollo de ORTE. Actualmente la rehabilitación del miembro superior se realiza uno a uno, lo que quiere decir que un paciente es atendido durante toda la sesión por un fisioterapeuta que debe empujar o tirar del brazo afectado con el objetivo de realizar los ejercicios repetitivos que establece el protocolo de tratamiento. El esfuerzo físico que realiza el profesional durante una jornada laboral es bastante alto y esto puede provocar que pierda precisión en los rangos de movimientos a ejecutar y que el rendimiento sea pobre. Además, las listas de espera para la rehabilitación en los servicios de salud pública se agrandan cada vez más debido principalmente al aumento de lesiones en el miembro superior (Fadel et al., 2013) y a que no existen suficientes recursos humanos y materiales para cubrir la demanda. Esto puede provocar que el paciente se sienta desmotivado al no obtener avances rápidos en su rehabilitación, ampliando así el tiempo y costo requerido para su tratamiento. Hoy en día se pueden encontrar varios ejemplos comerciales y prototipos de exoesqueletos para miembro superior (Babaiasl
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Jornadas Nacionales de Robótica
Spanish Robotics Conference
8-9 Junio 2017 http://jnr2017.ai2.upv.es
ORTE-Sistema Robotizado para la rehabilitación del miembro superior.
Ricardo Espinoza a,b, *, Marie André Destarac a,b, Jorge García a,b , Rafael Acebrón a,b, Lisandro Puglisia, y Cecilia García a,b
a Aura Innovative Robotics, C/Batalla de Belchite 5, 2ºB, 28045, Madrid, España.
b Centro de Automática y Robótica,Universidad Politécnica de Madrid, C/ José Gutiérrez Abascal, nº2, 28006, Madrid, España.
Resumen
El proyecto ORTE se enmarca dentro del área de robótica de rehabilitación. ORTE es una plataforma robotizada de rehabilitación
del miembro superior, centrada en devolver la movilidad a las articulaciones del hombro y del codo. ORTE pretende ser una
herramienta de ayuda efectiva para el equipo médico de rehabilitación y desde la fase inicial del proyecto, se ha integrado al usuario
final en el desarrollo del mismo, siendo hoy en día una herramienta ampliamente aceptada por aquellos para los que ha sido diseñado.
Sin olvidar al paciente y su patología, ORTE cuenta con un sistema de control inteligente, que le permite auto-adaptarse según avanza
la rehabilitación, cubriendo de este modo todas las etapas de la misma: fase diagnóstica, fase de asistencia al movimiento, fase de
recuperación y fase de oposición. Al mismo tiempo ofrece datos en tiempo real de la evolución de la lesión.
ORTE está compuesto por: 1) un modelo musculoesquelético computarizado que permite estudiar el comportamiento biomecánico
del miembro superior a través de simulaciones y animaciones; 2) un exoesqueleto que tiene un espacio de trabajo con la amplitud
necesaria para acometer una gran cantidad de actividades de la vida diaria, esenciales en las terapias de rehabilitación; y 3) dos
interfaces humano máquina, una para el paciente y otra para el equipo de rehabilitación. Copyright © 2017 CEA
Palabras Clave:
Exoesqueleto, Miembro superior, Modelado, Robótica de Rehabilitación, Servomotores
Datos del Proyecto:
Denominación del proyecto: ORTE-Exoesqueleto robotizado de hombro
Referencia: DI-14-06967
Investigador/es responsable/es: Cecilia E. García Cena
Tipo de proyecto (internacional, nacional, autonómico, transferencia): Transferencia
Entidad/es financiadora/s: Aura Innovative Robotics y Ministerio de Economía y Competitividad de España
Fecha de inicio/fin: 01/09/2015-30/08/2019
1. Introducción
ORTE es un proyecto de investigación que tiene como
objetivo principal el desarrollo de una plataforma integral de
rehabilitación del miembro superior. ORTE es un sistema
complejo que consta de 4 partes u objetivos específicos:
Diseño y fabricación de un dispositivo robótico de
rehabilitación que cumpla la normativa vigente para
dispositivos médicos.
Diseño e implementación del software de control del
sistema.
Desarrollo de un sistema de monitorización y control para
el equipo médico,
Desarrollo de una plataforma virtual de ejercicios para el
paciente.
Está siendo desarrollado por Aura Innovative Robotics S.L.,
una spin-off de la Universidad Politécnica de Madrid, que busca
transferir ORTE a la sociedad. Aura constituye la principal
fuente de financiación del proyecto y también se cuenta con el
apoyo del Ministerio de Economía y Competitividad de España,
que otorgó una ayuda “Doctorados Industriales” con una
duración de 4 años.
El proyecto surgió en 2010 gracias a una petición directa del
Hospital Infanta Sofía de Madrid, entidad que continúa
colaborando en el desarrollo de ORTE. Actualmente la
rehabilitación del miembro superior se realiza uno a uno, lo que
quiere decir que un paciente es atendido durante toda la sesión
por un fisioterapeuta que debe empujar o tirar del brazo afectado
con el objetivo de realizar los ejercicios repetitivos que
establece el protocolo de tratamiento. El esfuerzo físico que
realiza el profesional durante una jornada laboral es bastante
alto y esto puede provocar que pierda precisión en los rangos de
movimientos a ejecutar y que el rendimiento sea pobre.
Además, las listas de espera para la rehabilitación en los
servicios de salud pública se agrandan cada vez más debido
principalmente al aumento de lesiones en el miembro superior
(Fadel et al., 2013) y a que no existen suficientes recursos
humanos y materiales para cubrir la demanda. Esto puede
provocar que el paciente se sienta desmotivado al no obtener
avances rápidos en su rehabilitación, ampliando así el tiempo y
costo requerido para su tratamiento.
Hoy en día se pueden encontrar varios ejemplos comerciales
y prototipos de exoesqueletos para miembro superior (Babaiasl
______________________________________________
* Autor en correspondencia.
Correos electrónicos: ricardo@aurarobotix.com (R. Espinoza),
marie@aurarobotix.com (M. Destarac), jorge@aurarobotix.com (J.
Garcia), rafael@aurarobotix.com (R. Acebrón),
lisandro@aurarobotix.com (L. Puglisi), cecilia@aurarobotix.com (C.
García)
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et al., 2015) debido principalmente a la evidencia de que este
tipo de dispositivos robóticos contribuye efectivamente en la
rehabilitación de diferentes lesiones (Prange et al., 2006;
Mehrholz et al., 2008).
Además, constituyen una importante ayuda para los
fisioterapeutas, ya que ejecutan los movimientos repetitivos que
el paciente debe realizar, al mismo tiempo que aportan datos
relacionados a la trayectoria realizada. La gran mayoría de estos
dispositivos han surgido con el objetivo de ayudar en la neuro-
rehabilitación de pacientes que han sufrido un ictus. Sin
embargo, existen otras condiciones que también afectan la
movilidad del miembro superior y que pueden tratarse con un
exoesqueleto de rehabilitación, como las lesiones músculo-
esqueléticas (Desplenter et al., 2014) o la esclerosis múltiple
(Lamers et al., 2016).
No existen dos lesiones iguales, por lo que el reto de
desarrollar un sistema robótico de rehabilitación que pueda
adaptarse a cada caso es bastante alto. El diseño requiere que
sean tomadas en cuenta las diferencias anatómicas de cada
individuo, incluyendo las relacionadas al sexo y edad del
paciente, así como a la particularidad de su lesión.
El objetivo de este trabajo es presentar el proyecto ORTE,
un sistema de rehabilitación compuesto por: 1) una interfaz de
monitorización y control para el equipo médico, 2) una
plataforma virtual de ejercicios para el paciente y 3) un
exoesqueleto de rehabilitación que sirva como herramienta en
el tratamiento de distintas lesiones en el brazo humano.
Este artículo está dividido en 5 secciones. En la Sección II
se presenta el modelo músculo-esquelético realizado, con el
cual fue posible estudiar los efectos de distintas lesiones en el
movimiento del miembro superior y que forma parte del sistema
de monitorización. En la Sección III se presenta ORTE Alfa,
que constituye la primera versión del exoesqueleto, así como el
software de control. En la sección IV se explica la normativa
que debe cumplir el diseño industrial de ORTE, llamado ORTE
Beta. Finalmente, en la sección V se presentan las conclusiones
y trabajo futuro del proyecto.
2. Modelado Músculo-Esquelético
El desarrollo de un modelo músculo-esquelético del
miembro superior hace posible la realización de simulaciones
de distintas lesiones a nivel nervioso, así como de movimientos
de rehabilitación. Este aspecto es importante para evitar las
pruebas constantes con pacientes y para pre-programar rutinas
de rehabilitación para cada paciente.
El modelo fue desarrollado con el software gratuito
MusculoSkeletal Modeling Software (MSMS), el cual fue
creado en la Universidad del Sur de California (Khachani et al.,
2007). Este software contiene diferentes herramientas que
permiten elaborar modelos músculo-esqueléticos humanos y de
algunos animales, así como realizar animaciones y
simulaciones que permitan estudiar el comportamiento
biomecánico.
La elección de este software se debe principalmente a que
es posible detallar la arquitectura muscular, lo que permite
representar distintas lesiones. Además, el modelo puede
convertirse a su representación en Simulink®, lo que hace
posible la simulación de distintos movimientos y la
incorporación de otros elementos relacionados a exoesqueletos
de rehabilitación, como motores o sistemas de control.
En trabajos previos de nuestro grupo de investigación se han
realizado distintos estudios sobre el modelado óseo (García et
al., 2013) y muscular del miembro superior (Destarac et al.,
2016a). Esto ha dado como resultado el modelo músculo-
esquelético que se muestra en la Fig. 1.
Los parámetros de la arquitectura muscular que se han
configurado corresponden a los de un adulto europeo
masculino. Las articulaciones activas del modelo (grados de
libertad) son cuatro: 1 para la flexo-extensión del codo y 3 para
la unión gleno-humeral (flexo-extensión, abducción-aducción y
rotación interna-externa del hombro). Cada grado de libertad
tiene un rango de movimiento que está restringido a los valores
que se presentan en (Kapandji, 2007) y el movimiento de la
escápula y de la clavícula se han inhabilitado para mantener la
estabilidad del modelo.
2.1 Simulaciones del modelo
Gracias a la herramienta que MSMS ofrece para ello, se
convirtió el modelo músculo-esquelético a un diagrama de
bloques en Simulink, como se muestra en la Fig. 2. Uno de los
bloques contiene la morfometría muscular y sus parámetros de
entrada corresponden a las señales de activación de cada
segmento muscular. Como salida, este bloque ofrece varios
datos relevantes, como la fuerza muscular y el par articular.
Figura 1. Vista anterior del modelo músculo-esquelético del miembro
superior.
El segundo bloque contiene la dinámica del esqueleto y
recibe como entrada el par articular generado por la acción
muscular. La salida de este bloque es la posición, velocidad y
aceleración de cada articulación, datos que realimentan al
primer bloque. El tercer bloque corresponde a la comunicación,
vía User Datagram Protocol (UDP), con MSMS para observar
el comportamiento cinemático del modelo.
Figura 2. Esquema para la simulación de movimientos. Del bloque “Plant”
se obtiene la posición, velocidad y aceleración articular.
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Para realizar las simulaciones de los distintos movimientos
a estudiar, se activaron los músculos que llevan a cabo los
movimientos estudiados, los cuales han sido presentados
anteriormente (Destarac et al., 2016b; Destarac et al., 2017). En
esos trabajos se han presentados los resultados de la simulación
del caso de un sujeto sano y su comparación con un paciente
que tenga una lesión en el miembro superior. Las diferencias en
cuanto a rango de movimiento alcanzado y la fuerza muscular
ejercida es bastante notoria, lo que justifica el uso de un
dispositivo de rehabilitación.
2.2 Influencia de los servomotores
El siguiente paso consistió en introducir un sistema
mecánico al modelo músculo-esquelético para analizar, por
simulación, su contribución en el movimiento de un paciente.
El estudio se realizó sobre las articulaciones del codo y la unión
glenohumeral, de manera que al movimiento que es capaz de
realizar el paciente se le sumó el par que otorga el sistema
mecánico, como se muestra en la Fig.3.
Figura 3. Esquema para la simulación de la influencia de un sistema
mecánico en el movimiento.
La señal de referencia de los sistemas mecánicos que se
estudiaron fue la que se obtuvo para la simulación del caso de
un sujeto sano. Los resultados de este estudio (Destarac et al.,
2017; Monge et al., 2016) demostraron que el paciente puede
alcanzar los mismos rangos de movimiento que los de un sujeto
sano si cuenta con la ayuda de motores que actúan sobre
aquellas articulaciones afectadas por la lesión.
No todos los sistemas mecánicos que se analizaron son
capaces de otorgar el par necesario para ayudar al paciente a
alcanzar los rangos de movimiento deseados y ese fue otro
resultado importante del estudio. Con ello es posible seleccionar
adecuadamente los motores que se incorporarán en el
exoesqueleto.
3. Orte Alfa e interfaz de control
El desarrollo del modelo músculo-esquelético y las
simulaciones de distintas lesiones llevadas a cabo fueron
fundamentales para el diseño del exoesqueleto. Las
consecuencias que cada una de ellas tienen en los rangos,
velocidad y dinámica de los movimientos fueron aspectos de
gran ayuda para desarrollar el exoesqueleto. También se
consideraron aquellos requerimientos establecidos por el propio
equipo médico del Hospital Infanta Sofía de Madrid.
3.1 Requerimientos médicos
Actualmente los goniómetros son los instrumentos que se
usan para medir los rangos de movimiento alcanzados por los
pacientes durante el diagnóstico y la rehabilitación de una
lesión. Este instrumento de medición angular permite la
obtención de datos puntuales, por lo que un importante requisito
del sistema es que sea capaz de mostrar no solamente toda la
variación angular durante la ejecución de un movimiento, sino
otros datos relevantes.
También es importante que el exoesqueleto no sobrepase el
espacio de trabajo del hombro humano, ya que esto podría
provocar serios daños al paciente. Además, el dispositivo debe
ser mecánicamente adaptable a la anatomía del usuario, que en
este caso son adultos.
Finalmente, se requiere también que el dispositivo cumpla
con los requisitos de ergonomía para que la rehabilitación sea
un proceso cómodo y agradable para el usuario.
3.2 Diseño de ORTE Alfa
En un trabajo previo desarrollado por nuestro grupo de
investigación (García et al., 2017), se presenta un estudio
detallado del diseño mecánico del exoesqueleto, así como la
arquitectura de software propuesta para configurar y controlar
el dispositivo. Un aspecto crítico del diseño son los materiales
a usar, la geometría y la presencia de ruidos molestos, sin
embargo, para el desarrollo de ORTE alfa se hizo uso del
material disponible.
Como primer paso, se realizó un modelo virtual del sistema
mecánico usando el software Autodesk Inventor Professional
2016®. Esto permite tener un modelo tridimensional del
exoesqueleto, como se muestra en la Fig. 4, en el que se tomaron
en cuenta las restricciones médicas mencionadas anteriormente.
Figura 4. Modelo tridimensional de ORTE Alfa.
El prototipo del exoesqueleto fue desarrollado usando la
tecnología de deposición de material fundido (impresión 3D) y
se muestra en la Fig. 5. Se seleccionó está tecnología por ser de
bajo coste, rápida de implementar y porque permite fabricar
geometrías complejas. El material seleccionado fue
Acrilonitrilo Butadieno Estireno o ABS debido a su buen
comportamiento ante esfuerzos de flexión.
Las pruebas realizadas corroboran la necesidad de usar un
material más resistente en la versión Beta del exoesqueleto. Una
de las opciones que se ha planteado es el aluminio, ya que tiene
una buena relación peso-resistencia, compatibilidad
electromagnética, elevada resistencia a la corrosión y es de bajo
costo.
Como sistema de actuación se usaron tres servomotores
situados en las siguientes articulaciones: flexo-extensión del
codo, abducción-aducción del hombro y flexo-extensión del
hombro. Lo anterior permite mover el exoesqueleto en un
espacio tridimensional, tal como lo hace el miembro superior.
Se dejaron en modo pasivo los siguientes movimientos: prono-
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supinación del antebrazo y rotación externa-interna del hombro.
Figura 5. Impresión en 3D de ORTE Alfa.
La adaptabilidad del dispositivo se consigue gracias a
diferentes partes móviles situadas en el antebrazo y brazo del
exoesqueleto.
3.3 Interfaz de control
Para poder configurar ORTE Alfa, se desarrolló una
arquitectura de software que conecta los diferentes elementos
del sistema: el modelo músculo-esquelético, el sistema de
control y la interfaz humano-máquina. La arquitectura de
software se desarrolló sobre NI LabView® por sus altas
capacidades y múltiples herramientas.
La comunicación con los motores que se integraron en
ORTE Alfa se habilitó usando el puerto serie RS-485,
permitiendo la comunicación bidireccional para poder leer la
posición angular y el par ejercido de cada motor, así como
enviar posiciones de inicio y trayectorias a realizar por el
exoesqueleto. En la Fig. 6 se presenta un ejemplo de la interfaz
en el momento en que muestra las posiciones angulares de cada
uno de los motores.
Se llevaron a cabo pruebas de lectura de posiciones,
velocidades y aceleraciones articulares de cada motor mientras
un voluntario hacía uso del exoesqueleto y los resultados fueron
positivos. Estos datos se muestran en la interfaz y se pueden
guardar en un archivo.
Figura 6. Interfaz Humano-Máquina para configurar ORTE Alfa y obtener
datos del movimiento.
Otras pruebas que se llevaron a cabo fue la grabación de
trayectorias a realizar de manera repetitiva por el exoesqueleto
(García et al., 2017), en las que los motores están en modo
activo. Éstas tuvieron como importante resultado que los
servomotores implementados en ORTE Alfa no son capaces de
mover el exoesqueleto y el brazo del paciente a la vez, ya que
el par que otorgan es insuficiente para ello. Sin embargo, su
funcionamiento fue correcto en las pruebas que se realizaron al
mover únicamente el exoesqueleto.
4. Diseño Industrial de ORTE (Beta)
El desarrollo del primer prototipo de ORTE (ORTE Alfa)
permitió comprobar y validar diferentes problemas que ya se
han comentado en la sección 3, en donde destacan la
adaptabilidad desde el punto de vista físico, la integración del
modelo musculoesquelético con la arquitectura de control
propuestas y las interfaces, tanto con el paciente como con el
médico. Además, se realizaron una serie de pruebas que
permitieron, con los datos obtenidos, validar el correcto
funcionamiento del modelo musculoesquelético y toda la
arquitectura de control propuesta.
En el diseño de ORTE Beta se propone un mecanismo de 6
GDL activos, con unos rangos de movimientos como se indica
en la tabla I, y que sea capaz de tener un ajuste de talla en un
rango entre el 20% y el 80% del percentil total de la población,
tomando como referencias las medidas antropométricas
europeas y americanas. Además, el exoesqueleto estará
completamente actuado con motores eléctricos.
Tabla 1: Rangos de movimiento de ORTE Beta
Respecto a los rangos de movimiento que contempla ORTE
Beta y que se muestra en la Tabla I, la posición neutra del brazo
se corresponde con la posición en la que el miembro superior se
encuentra totalmente extendido a lo largo de un lado del cuerpo.
Partiendo de esta posición, el movimiento de la abducción en el
exoesqueleto alcanza un rango de 120º. En el caso de la
extensión del hombro, se abarca un ángulo de hasta -40º y en la
flexión del mismo se llega hasta los 180º. En el movimiento de
la flexión del codo se permite la movilidad del dispositivo hasta
los 140º y para la realización de la pronosupinación se logra un
rango desde los -90º a los 90º, considerando como neutra la
posición en la que la mano se encuentra con el dedo pulgar
levantado hacia arriba.
Una vez resueltos los diferentes retos para el desarrollo de
ORTE Beta, es fundamental emprender la siguiente etapa que
corresponde a la obtención de un prototipo industrial que se
encuentre en condiciones de cumplir con las necesidades
funcionales definidas previamente, y que además sea capaz de
cumplir la normativa requerida para su certificación, como lo
exige la Agencia Española del Medicamento y Producto
Sanitario.
ORTE Beta, está considerado un producto sanitario y por
esto el diseño se debe llevar a cabo teniendo en cuenta todas las
consideraciones y exigencias planteadas en la normativa, desde
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el punto de vista eléctrico, electrónico y mecánico, con el fin de
poder superar todos los ensayos preclínicos (pruebas de
laboratorio) y los ensayos clínicos (pruebas reales de validación
de la tecnología). En general, los productos sanitarios se rigen
por la Norma UNE 60601, sin embargo, de ésta se desprenden
otra serie de normativas que aplican tanto directa como
indirectamente y que se abordan a continuación.
4.1 Normativa.
Una vez definidos de manera general los componentes, se ha
realizado un estudio de la normativa vigente actual que aplica a
ORTE Beta. A continuación, se describe de manera breve la
norma que aplica:
ISO 8373:2012: define los términos utilizados en relación
con robots y dispositivos robóticos que operan en entornos
industriales y no industriales.
ISO 9887:2013: define y especifica sistemas de
coordenadas de robots. También proporciona nomenclatura,
incluyendo anotaciones, para los movimientos básicos del
robot. Su objetivo es ayudar en la alineación, pruebas y
programación de robots.
ISO 10218:2011: esta norma está dividida en dos partes:
ISO 10218-1:2011 e ISO 10218-2:2011. En ambas partes se
describen los riesgos básicos asociados a los robots y
proporciona los requisitos para eliminar o reducir
adecuadamente los peligros asociados con estos riesgos.
Con la finalidad de diseñar un robot seguro. Esta Norma no
es aplicable directamente a robots no industriales pero los
principios de seguridad pueden ser utilizados de igual
manera en la medida de lo posible. Por esta razón se tiene
en cuenta dicha norma.
EN 60601-1:2006: esta norma recoge todo lo relacionado a
equipos electromédicos, con el objeto de especificar los
requisitos generales y servir como base para las normas
particulares, que especifican requisitos generales para la
seguridad básica y el funcionamiento esencial.
IEC 80601-2-78: actualmente se está trabajando en esta
norma que regulará los robots médicos de rehabilitación, se
prevé que estará disponible en 2018.
5. Conclusiones y Trabajo Futuro
Se han presentados los avances obtenidos hasta el momento
en el proyecto ORTE, los cuales han sido positivamente
valorados por profesionales del campo de la rehabilitación de
miembro superior. El modelo músculo-esquelético constituye
una buena herramienta para la investigación de distintas
lesiones y el estudio de los efectos biomecánicos que provocan
en el miembro superior. Además, puede ser usado como
instrumento de formación y estudio para futuros especialistas
en el área de la rehabilitación.
La primera versión del exoesqueleto ha permitido evaluar el
diseño propuesto y las distintas pruebas que se llevaron a cabo
demostraron que los movimientos repetitivos que realiza un
fisioterapeuta pueden ser emulados por el dispositivo. Los
motores usados en ORTE Alfa no son adecuados, ya que el par
que otorgan no es suficiente para levantar el brazo de un
paciente lesionado.
La arquitectura de software desarrollada para ORTE Alfa
permite la obtención de distintos datos que son útiles para
conocer y evaluar la evolución del paciente.
Como trabajo futuro, se obtendrá la versión industrial de
ORTE y se incorporará un sistema de control adaptativo que sea
capaz de regular el par otorgado por los motores en función de
la ayuda que otorgue al paciente para la realización del
movimiento. También se optimizará la arquitectura de
software, mejorando la interfaz de usuario.
Además, se desarrollará la plataforma virtual de videojuegos
que ayuden a potenciar la concentración de los pacientes
durante los ejercicios de rehabilitación.
English Summary
ORTE-Robotic Exoskeleton for Upper Limb
Rehabilitation.
Abstract
The Project ORTE is framed inside the rehabilitation robotics
area. ORTE is a robotics platform for upper limb rehabilitation,
focused in return mobility on shoulder and elbow joints. ORTE
intended to be an effective device to help medical staff in the
rehabilitation process and also for the patients, since the
beginning of the project they have been integrated into the
development, becoming a tool widely accepted by them. ORTE
has an intelligent control system, which allows a self-adaptation
as rehabilitation progresses, covering all stages of the
rehabilitation process: diagnostic phase, movement assistance
phase, recovery phase and opposition phase. At the same time,
it offers real-time data on the evolution of the injury.
ORTE is composed of: 1) a computerized musculoskeletal
model which allows to study the biomechanical behaviour of
the upper limb through simulations and animations; 2) an
exoskeleton that has a workspace with the amplitude necessary
to carry out daily living activities, essential in rehabilitation
therapies; and 3) two human machine interfaces: one for the
patient and one for the rehabilitation staff.
Keywords:
Exoskeleton, Modeling, Rehabilitation Robotics, Servo
Motors, Upper Limb
Agradecimientos
Este trabajo ha sido realizado gracias al apoyo del
Gobierno de España, proyecto CICYT Ref. DPI2014-57220-
C2-1-P; el Ministerio de Economía y Competitividad de
España, ayuda DI-14-06967; y a la Comunidad de Madrid,
que apoya el proyecto ROBOCITY2030-III Ref.
S2013/MIT-2748.
Referencias
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43, No. 2, pp.171184.
... ORTE is a comprehensive rehabilitation platform for the upper limb, which consists of a robotic exoskeleton of 6 DoF [8][9], and aims to become an important clinical tool to supply the high demands that exist today for rehabilitation treatments of shoulder and elbow injuries [10]. In addition, ORTE also help to prevent injuries to physiotherapists responsible for the realization of these therapies, which require a great physical effort. ...
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A limited number of clinical studies have examined the effect of poststroke rehabilitation with robotic devices on hemiparetic arm function. We systematically reviewed the literature to assess the effect of robot-aided therapy on stroke patients' upper-limb motor control and functional abilities. Eight clinical trials were identified and reviewed. For four of these studies, we also pooled short-term mean changes in Fugl-Meyer scores before and after robot-aided therapy. We found that robot-aided therapy of the proximal upper limb improves short- and long-term motor control of the paretic shoulder and elbow in subacute and chronic patients; however, we found no consistent influence on functional abilities. In addition, robot-aided therapy appears to improve motor control more than conventional therapy.
Chapter
This work presents the simulation and analysis of the influence of MX-64 and RX-64 servomotors from Robotis® in human shoulder movements related to glenohumeral joint for the case of a subject with upper brachial plexus injury. The model of each motor was introduced in a 3D musculoskeletal model of the upper limb in order to compare their response and contribution in three different movements. The length change in muscles, range of movement and muscle force was obtained and compare for a healthy subject and a patient with upper brachial plexus injury. The results demonstrate the feasibility of using these servomotors in an exoskeleton for the rehabilitation process of the injury, although the RX-64 has characteristics that make it more suitable for a rehabilitation exoskeleton.
Chapter
This work presents the conceptual design, construction and testing of an upper limb rehabilitation system consisting of an exoskeleton of 6 degrees of freedom and a Human Machine Interface (HMI) to configure and control the exoskeleton. We present the study of the kinematics of the mechanical device followed by a three-dimensional modeling. Before the design of the exoskeleton was finished, we proceeded to the construction of a prototype in order to validate the model, using the Fused Filament Fabrication (FFF) technology and a three RX-64 Dynamixel motors from Robotis. LabVIEW® software from National Instruments was chosed to develop the HMI to communicate the exoskeleton with a computer for control the device and obtain relevant data, as the position or movement velocity. The results show the feasibility of the assistance of the robotic device in a rehabilitation processes.
Chapter
This work presents a 3D upper limb musculoskeletal model and the simulation of arm rotation for the case of a healthy human subject and one with upper brachial plexus injury (UBPI). Then, the length change in muscles and range of movement was obtained and compare for both cases. The results show a notable difference between the two cases and can be used to define an effective rehabilitation therapies for this injury.
Chapter
This work presents the modeling of the MX-64 and RX-64 servomotors from Robotis® and the analysis of their influence in some biomechanical movements for the rehabilitation of the upper brachial plexus injury. The model of each motor was introduced in a musculoskeletal model of the upper limb in order to compare their response and contribution in the movements made by a patient. The results have verified the feasibility of using these servomotors in an exoskeleton for the rehabilitation process of the injury.
Article
Background. There has been an increasing research interest in upper limb rehabilitation in multiple sclerosis (MS). The current changes in the research field inquire a new literature review. Objective. This systematic review aimed to provide an overview of the upper limb rehabilitation strategies in people with MS (PwMS). Methods. Articles published in PubMed and Web of Knowledge were selected when written in English, published in the past 25 years, peer reviewed, that included at least 5 PwMS, and described the effects of an intervention study including rehabilitation strategies targeting the upper limbs. Included articles were screened based on title/abstract and full text by 2 independent reviewers. Results. Thirty articles met the criteria and were included for data extraction. Only half of the included studies investigated the effects of a training program specially targeted toward the upper limbs, while in the other studies, a general whole body therapy was used. The therapy content and dosage varied greatly between the different included studies. Multidisciplinary and robot-based rehabilitation were the most investigated rehabilitation strategies and showed to improve upper limb capacity. Strength and endurance training improved the upper limb body functions and structures but did not influence the upper limb capacity and performance. Conclusions. The results of this systematic review indicated that different types of upper limb rehabilitation strategies can improve upper limb function in PwMS. Further research is necessary to compare directly the effects of different rehabilitation strategies and to investigate the optimal therapy dosage according to the upper limb disability level.
Conference Paper
In recent years, the possibility of using smart technologies to enhance rehabilitative therapies has become a reality. Smart technologies can adjust their functionality based on real-time performance to provide the most effective therapy. This paper presents the design, development and testing of a wearable mechatronic brace created to assist in upper limb rehabilitation. The purpose of the smart brace is to provide safe therapy of musculoskeletal disorders, in particular brachial plexus injuries. A control system has been developed that facilitates the retraining of the biceps for individuals who have suffered brachial plexus nerve damage. Electromyography (EMG) data for flexion and extension of the elbow were recorded from three healthy subjects and used to scale velocity profiles. The experiments assessed the performance of the smart brace in its ability to reproduce a motion, to compensate for the effect of muscle disability and to detect fatigue. The results showed that the control system was able to adjust velocities to accommodate for disability or fatigue. This initial implementation provides a control model and logic from which the brace can be improved. Future testing of the brace using subjects with a brachial plexus injury will help solidify the techniques used for brace control.
Article
This paper presents the first musculoskeletal model and simulation of an upper plexus brachial injury. From this model, it is possible to analyze forces and movement ranges in order to develop a robotic exoskeleton to improve rehabilitation. The software that currently exists for musculoskeletal modeling is varied and most have advanced features for proper analysis and study of motion simulations. While more powerful computer packages are usually expensive, there are other free and open source packages available that offer different tools to perform animations and simulations and obtain forces and moments of inertia. Among them, Musculoskeletal Modeling Software was selected to construct a model of the upper limb, which has 7 ° of freedom and 10 muscles. These muscles are important for two of the movements simulated in this paper that are part of the postsurgery rehabilitation protocol. We performed different movement animations that are made using the inertial measurement unit to capture real data from movements made by a human being. We also performed the simulation of forces produced in elbow flexion–extension and arm abduction–adduction of a healthy subject and one with an upper brachial plexus injury in a postoperative state to compare the force that is capable of being produced in both cases.
Article
Background: Electromechanical and robot-assisted arm training devices are used in rehabilitation, and might help to improve arm function after stroke. Objectives: To assess the effectiveness of electromechanical and robot-assisted arm training for improving generic activities of daily living, arm function, and arm muscle strength in patients after stroke. We will also assess the acceptability and safety of the therapy. Search methods: We searched the Cochrane Stroke Group's Trials Register (last searched July 2011), the Cochrane Central Register of Controlled Trials (CENTRAL) (The Cochrane Library 2011, Issue 7), MEDLINE (1950 to July 2011), EMBASE (1980 to July 2011), CINAHL (1982 to July 2011), AMED (1985 to July 2011), SPORTDiscus (1949 to July 2011), PEDro (searched August 2011), COMPENDEX (1972 to July 2011), and INSPEC (1969 to July 2011). We also handsearched relevant conference proceedings, searched trials and research registers, checked reference lists, and contacted trialists, experts and researchers in our field, as well as manufacturers of commercial devices. Selection criteria: Randomised controlled trials (RCTs) comparing electromechanical and robot-assisted arm training for recovery of arm function with other rehabilitation or placebo interventions, or no treatment, for patients after stroke. Data collection and analysis: Two review authors independently selected trials for inclusion, assessed trial quality, and extracted data. We contacted trialists for additional information. We analysed the results as standardised mean differences (SMDs) for continuous variables and risk differences (RDs) for dichotomous variables. Main results: We included 19 trials (involving 666 participants) in this update of our review. Electromechanical and robot-assisted arm training did improve activities of daily living (SMD 0.43, 95% confidence interval (CI) 0.11 to 0.75, P = 0.009, I(2) = 67%) as well as arm function (SMD 0.45, 95% CI 0.20 to 0.69, P = 0.0004, I(2) = 45%), but arm muscle strength did not improve (SMD 0.48, 95% CI -0.06 to 1.03, P = 0.08, I(2) = 79%). Electromechanical and robot-assisted arm training did not increase the risk of patients to drop out (RD 0.00, 95% CI -0.04 to 0.04, P = 0.82, I(2) = 0.0%), and adverse events were rare. Authors' conclusions: Patients who receive electromechanical and robot-assisted arm training after stroke are more likely to improve their generic activities of daily living. Paretic arm function may also improve, but not arm muscle strength. However, the results must be interpreted with caution because there were variations between the trials in the duration and amount of training, type of treatment, and in the patient characteristics.