Partial Assistance Control on a Robotic Platform with an Exoskeleton for the Human Gait Rehabilitation
(Control de asistencia parcial en una plataforma robótica con exoesqueleto para la rehabilitación de la marcha humana)
El movimiento corporal humano se constituye de patrones motores complejos que requieren de la interacción de todos los sistemas corporales, los cuales son influenciados por agentes físicos, contextuales y emocionales, que en armonía permiten el adecuado funcionamiento del ser humano en términos de salud y bienestar. Estos patrones motores incluyen la marcha, la locomoción y el equilibrio como partes fundamentales del desplazamiento y el mantenimiento de posturas para ejecutar tareas esenciales de la vida diaria (Sánchez and Mora, 2020). En la actualidad, el análisis de la marcha humana es de gran interés de investigación y se debe a que sus aplicaciones son útiles en diversas áreas de estudio como la medicina, la rehabilitación, el análisis de deporte de alto rendimiento e incluso en el entretenimiento. También, es importante resaltar que la marcha humana es fácilmente alterada por diversas enfermedades y/o patologías afectando significativamente la calidad de vida de la persona. En este sentido, el modelo biopsicosocial (DANE, 2020) concibe la discapacidad como una interacción entre las personas y el contexto en el que viven, es decir, la discapacidad es el resultado de la relación entre dos elementos: las personas que tienen alguna limitación funcional (física, intelectual o mental) y las barreras del entorno (físicas, actitudinales, comunicacionales, normativas) que evitan su plena participación en la sociedad en igualdad de condiciones que los demás.
La Organización Mundial de la Salud (Ministerio de Salud y Protección Social, 2020) estimó que más de mil millones de personas, aproximadamente el 15 % de la población mundial tiene una limitación funcional, y el 3,8% de las personas mayores de 15 años tienen una dificultad funcional significativa y con frecuencia solicitan servicios de atención médica. Las personas con discapacidad están aumentando debido al crecimiento de la población, la prevalencia de enfermedades crónicas y el envejecimiento de la población (Naciones Unidas, 2015). Cerrando un poco el foco del problema, la discapacidad en América Latina y el Caribe (LAC) podría aumentar en aproximadamente 60 millones de personas entre los años 2020 y 2050, donde el envejecimiento de la población en LAC puede incrementar la prevalencia de la discapacidad al 20% en el 2050 (Duryea, Salazar Salamanca and Pinzon Caicedo, 2019; Berlinski, Duryea and Perez-Vincent, 2021). Actualmente, en LAC y otras regiones del mundo, existe un compromiso creciente con la promoción de la inclusión social y económica de las personas con discapacidad, ya que, en el 2020 todos los países en LAC ratificaron la Convención de las Naciones Unidas sobre los Derechos de las Personas con Discapacidad (CRPD) para implementar políticas y programas hacia este propósito (Berlinski, Duryea and Perez-Vincent, 2021). Ahora de manera particular, según la Encuesta Nacional de Calidad de Vida (ECV) del año 2020 (DANE, 2020), la población colombiana en situación de discapacidad se estima en 2,65 millones de personas, lo cual representa el 5,6% de personas de cinco años en adelante; entre estos discapacitados, el 54,6% son mujeres y el 45,4% son hombres; el 31% de ellos tienen dificultad para mover el cuerpo, caminar o subir/bajar escaleras. La enfermedad es la principal causa de esta discapacidad, seguida de la edad avanzada y las causas congénitas. Los mecanismos de apoyo para el 49,3% de las personas con discapacidad son el bastón, silla de ruedas, muletas o andador, el 42,3% necesita ayuda de otras personas y al 41,5% se le proporciona medicación o terapia; la Tabla 1 muestra el porcentaje de personas con discapacidad según las principales causas que la generan. En el mismo año 2020 el Registro para la Localización y Caracterización de las Personas con Discapacidad (RLCPD) (Alzate Cubillos and Perea Caro, 2020), informó que el 15% de 1.319.049 personas con discapacidad fueron declaradas víctimas del conflicto armado, donde se debe reconocer la importancia de atender a esta población y así lograr una posición incluyente, afrontando el desafío de construir una paz justa y duradera. Sin embargo, la población colombiana con discapacidad sigue aumentando por esta causa.
Tabla 1. Porcentaje de personas y las razones que generan la dificultad para mover el cuerpo, caminar o subir/bajar escaleras (DANE, 2020); total de 821.500 personas con este tipo de dificultad. *Coeficiente de variación superior al 15%.
Por lo tanto, es necesario desarrollar soluciones tecnológicas y científicas a problemas locales en el área de la rehabilitación, brindando servicios óptimos, accesibles y oportunos para mejorar o preservar la calidad de vida de los pacientes, y así, realizar una inicialización más temprana para la formación de un patrón de marcha fisiológica, aumentar la duración y consistencia de la práctica, registrar la evolución del paciente, animar y motivar al paciente durante la intervención a través dinámicas de juego (Domínguez, 2012), estimular al paciente con mecanismos de biofeedback mediante la simulación de entornos complejos (Viñas-Diz and Sobrido-Prieto, 2016), optimizar los recursos humanos en rehabilitación, reducir las lesiones laborales y desarrollar estrategias asistenciales que permitan al fisioterapeuta realizar la intervención y medir su efectividad (Yan et al. 2015; Meng et al. 2015).
La Tesis doctoral generó seis contribuciones importantes que impactan positivamente a una sociedad con trastornos de movilidad, además propicia un corrimiento en la frontera del conocimiento y al estado del arte en la temática de la rehabilitación de la marcha humana asistida por robots. La primera contribución es una revisión estructurada de las más representativas plataformas de rehabilitación de la marcha humana asistida por robot y diferentes estrategias de control de asistencia; la revisión toma información relevante de artículos, surveys, revisiones, libros y tesis doctorales publicados entre los años 2015 y 2022. Un Background de conceptos soporta la revisión para comprender el tema de investigación. La segunda contribución es una propuesta teórica para la medición de la interacción humano-exoesqueleto en las articulaciones del Exoesqueleto de Miembros Inferiores RUVEM (Rehabilitación en UV con Exoesqueleto para Marcha), el cual es propiedad de la Universidad del Valle. El tercer aporte es la participación activa y principal en el desarrollo tecnológico de la plataforma RUVEM entre los años 2015 y 2022. La cuarta contribución es una Plataforma Flexible de Simulación de la Marcha Humana con Exoesqueletos para apoyar al análisis de la interacción humano-robot y la evaluación de desempeño del diseño de estrategias de control; la plataforma incluye el modelado dinámico del sistema humano-exoesqueleto con seis grados de libertad en el plano sagital, accionado por servomotores, donde las ecuaciones de movimiento se obtienen explícitamente mediante el enfoque de Euler-Lagrange; el modelo completo es híbrido debido a que las fases de contacto a lo largo de la marcha generan estados continuos y discretos, es decir, el modelo consta de cuatro sub-modelos continuos que se conmutan entre sí según las fases del ciclo de la marcha; además, contiene la dinámica de los actuadores y el sistema de control de bajo nivel; el modelo está ensamblado en Simulink-Matlab. La quinta contribución es un Framework de Control de Asistencia para la Rehabilitación de la Marcha Asistida implementado en el Exoesqueleto Exo-H3, propiedad de la empresa española Technaid S.L., que consta de cuatro lazos de control; control de seguimiento de la posición angular, control de rechazo del par de interacción, control híbrido y el control del par motor; la estrategia de control híbrido consta de dos lazos de control, uno es el seguimiento de la posición angular y el otro es el rechazo del par de interacción, lo cual genera un comportamiento "Compliant", ya que modula de manera controlada la rigidez del sistema acoplado humano-exoesqueleto, y así se permite la participación activa del sujeto, además, puede tener varios modos de operación. La sexta contribución son cuatro indicadores de desempeño para evaluar el Framework de Control desarrollado: dos indicadores para cuantificar el verdadero nivel de asistencia generado por un exoesqueleto, los cuales se basan en el gasto energético del ser humano y el exoesqueleto; los otros dos indicadores sirven para evaluar la calidad de la marcha realizada por el sistema acoplado humano-exoesqueleto. Por todo lo mencionado anteriormente, la Tesis Doctoral considera que la rehabilitación de la marcha asistida por robot es factible y genera mejoras en la efectividad de la rehabilitación de la marcha humana.
Sergey González Mejía
Profesor Asistente de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (EIEE), Universidad del Valle, Cali
Hace 10 años, cuando cursaba su maestría en Ingeniería con énfasis en automática, Sergey González descubrió que su pasión era la robótica aplicada a la rehabilitación de pacientes. Por aquel entonces, tuvo la oportunidad de participar en dos proyectos auspiciados por Minciencias para la construcción de un exoesqueleto robótico orientado a la rehabilitación asistida de la marcha humana.
Este tipo de robot es utilizado como complemento de la fisioterapia tradicional y está diseñado para guiar los movimientos de las piernas de personas con dificultades para caminar, bien sea por enfermedades o lesiones. Su utilidad ha sido ampliamente probada en la práctica médica, ya que les permite a los pacientes realizar movimientos más repetitivos y consistentes, e incluye juegos y desafíos interactivos que los retan para avanzar más rápidamente en su recuperación.
Sin embargo, para que estas herramientas funcionen de manera más efectiva y puedan aportar una medición más precisa del progreso del paciente es necesario ajustar la relación entre el exoesqueleto y el usuario. Por ejemplo, es importante garantizar que el exoesqueleto no interfiera con los movimientos del paciente o que este pueda caminar sin sentir el peso del dispositivo.
La investigación de González permite optimizar la relación paciente-exoesqueleto utilizando algoritmos de control, que son básicamente un conjunto de instrucciones o reglas matemáticas para ayudar a regular el comportamiento del dispositivo. De esta manera, el exoesqueleto puede actuar de manera más controlada y eficiente, y ajustarse en tiempo real a los parámetros deseados.
