Clasificación y principios de los exoesqueletos motorizados

Este tema establece cómo se clasifican los exoesqueletos motorizados y los principios de ingeniería que los hacen funcionar. Los dispositivos se agrupan comúnmente por la región del cuerpo a la que sirven (extremidad inferior, extremidad superior o cuerpo completo), por su propósito (asistencia, aumento o rehabilitación) y por su estrategia de actuación y control. La comprensión de estos ejes —y del bucle compartido de detección y control que los sustenta— permite al lector situar cualquier dispositivo específico dentro de un mapa coherente del campo.

Definition

Un exoesqueleto motorizado es una estructura robótica vestible que se lleva en paralelo con el cuerpo y que utiliza actuadores, sensores y un sistema de control para aplicar fuerzas o pares de asistencia a una o más articulaciones; los esquemas de clasificación organizan dichos dispositivos por región corporal, propósito, tipo de actuación y estrategia de control.

Scope

La entrada cubre las dimensiones utilizadas para clasificar los exoesqueletos robóticos vestibles y los principios fundamentales de su funcionamiento: actuación, detección y la arquitectura de control en capas que vincula la intención del usuario con la salida del actuador. Excluye los resultados clínicos específicos de los dispositivos, que se tratan en los temas de locomoción y prótesis. Es material de referencia educativo, no una especificación de ingeniería ni una guía clínica.

Core questions

• ¿Según qué ejes se clasifican los exoesqueletos motorizados?
• ¿Cuáles son las diferencias funcionales entre los dispositivos de asistencia, aumento y rehabilitación?
• ¿Cómo se estructura un sistema de control en capas, desde el reconocimiento de la intención hasta el comando del actuador?
• ¿Cómo influyen las elecciones de actuación y las modalidades de detección en el comportamiento de un dispositivo?

Key concepts

• Región corporal: extremidad inferior, extremidad superior, cuerpo completo
• Propósito: asistencia, aumento, rehabilitación
• Tipo de actuación (eléctrica, hidráulica, neumática, serie-elástica)
• Estructuras rígidas versus blandas (exoesqueleto blando)
• Control jerárquico: niveles alto, medio y bajo
• Detección de la intención y estimación de la fase de la marcha
• Cumplimiento e interacción humano-robot

Mechanisms

Las revisiones del campo describen el control del exoesqueleto motorizado como una jerarquía de tres niveles: un nivel alto que percibe la intención del usuario y selecciona la tarea de asistencia, un nivel medio que traduce la intención en estados o trayectorias de articulación de referencia, y un nivel bajo que impulsa los actuadores para seguir esas referencias [tucker-2015]. La clasificación por estrategia de asistencia distingue además enfoques como el seguimiento de trayectoria predefinida, la asistencia según sea necesario y el control basado en impedancia o en modelos [yan-2015]. Las modalidades de detección —codificadores de articulaciones, sensores de fuerza y presión, unidades inerciales y señales bioeléctricas— alimentan estas capas. Los exoesqueletos de rehabilitación basados en trayectorias, por ejemplo, imponen o corrigen las trayectorias de las extremidades durante el entrenamiento [banala-2009], mientras que los esquemas de asistencia según sea necesario solo proporcionan el apoyo que el usuario no puede generar por sí mismo.

Clinical relevance

Una clasificación consistente ayuda a los clínicos e investigadores a comparar dispositivos, a hacer coincidir una clase de dispositivo con un objetivo de rehabilitación o asistencia, y a interpretar la literatura. Los principios aquí descritos explican cómo funcionan y se clasifican los dispositivos; no indican qué dispositivo es adecuado para un paciente determinado, una decisión que requiere una evaluación clínica individualizada.

Evidence & guidelines

Los marcos de clasificación y las taxonomías de control provienen principalmente de artículos de revisión de ingeniería [tucker-2015][yan-2015]; las demostraciones de principios de control específicos aparecen en estudios de dispositivos [banala-2009]. No existe una taxonomía regulatoria estandarizada única en todas las jurisdicciones, por lo que la terminología varía entre las fuentes.

History

Los conceptos de exoesqueletos motorizados se remontan a prototipos de transporte de carga y aumento de mediados del siglo XX, pero la taxonomía moderna se cristalizó a medida que los dispositivos de rehabilitación y asistencia proliferaron en las décadas de 2000 y 2010. Los artículos de revisión de mediados de la década de 2010 consolidaron los ejes de clasificación y las estrategias de control del campo en el marco jerárquico ahora ampliamente citado [tucker-2015][yan-2015].

Debates

Exoesqueletos rígidos versus exoesqueletos blandos (exosuits)

Los marcos rígidos pueden transmitir grandes pares y soportar completamente una articulación, pero añaden peso y restringen el movimiento natural, mientras que los exoesqueletos blandos son más ligeros y menos obstructivos, pero proporcionan fuerzas de asistencia más pequeñas; esta compensación influye en cómo se clasifican y eligen los dispositivos.

Control de trayectoria fija versus asistencia según sea necesario

Imponer una trayectoria predefinida asegura un movimiento consistente pero puede reducir el propio esfuerzo del usuario, mientras que las estrategias de asistencia según sea necesario buscan promover la participación activa; las revisiones debaten cuál es más adecuada para la rehabilitación.

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

¿Cuáles son las principales formas de clasificar los exoesqueletos motorizados?

Los ejes comunes son la región del cuerpo a la que sirven (extremidad inferior, extremidad superior o cuerpo completo), el propósito (asistencia, aumento o rehabilitación), la estructura (marco rígido versus exoesqueleto blando) y la estrategia de actuación y control utilizada.

¿Qué se entiende por 'jerarquía de control' en un exoesqueleto?

Es la organización en capas del sistema de control: un nivel alto infiere la intención del usuario, un nivel medio la convierte en movimientos articulares objetivo, y un nivel bajo comanda los actuadores para seguir esos objetivos.