Modelado musculo-esquelético del miembro superior y desarrollo del sistema de control de un dispositivo de rehabilitación de hombro

Résumé

El uso de dispositivos robóticos en el ámbito médico ha crecido considerablemente en los últimos 20 años y su uso se ha ido extendiendo en diferentes áreas, que van desde las cirugías hasta la rehabilitación de miembros superiores e inferiores. Esto se debe a muchos factores, pero especialmente al esfuerzo en conjunto de diferentes ramas de la ingeniería que buscan dar soluciones a los distintos problemas y a las herramientas con las que se cuentan actualmente para llevarlas a cabo. Usando una de esas herramientas, un potente software que permite el modelado óseo y muscular del cuerpo humano, se desarrolló un modelo músculo-esquelético completo del miembro superior que permite simular distintos movimientos y provee valiosos datos que pueden ser usados tanto por un equipo médico como por uno de ingenieros. Desde el punto de vista clínico, el modelo permite la obtención de información relacionada a los músculos durante la realización de un movimiento y el análisis del efecto que una terapia de rehabilitación puede producir en el paciente. En el contexto de la ingeniería, es una importante herramienta para estudiar la biomecánica del miembro superior, poder desarrollar exoesqueletos de rehabilitación y diseñar sistemas de control para estos dispositivos. Partiendo del diseño y desarrollo del primero prototipo de ORTE, un exoesqueleto de rehabilitación de miembro superior de 3 grados de libertad activos, se llevó a cabo el análisis cinemático del dispositivo y se analizó su manipulabilidad, centrándose en la capacidad que tiene para poder desempeñar los movimientos típicos de rehabilitación. A continuación, se obtuvo el modelo dinámico inverso de ORTE y se llevó a cabo su validación. Finalmente, se propone una arquitectura para el sistema de control de ORTE que integra el modelo músculo-esquelético del miembro superior y con la cual es posible evaluar diferentes esquemas de controladores de tipo multivariable desacoplado. En esta tesis, se evalúan dos controladores, el PD y el PD con compensación, ambos basados en el modelo dinámico inverso del dispositivo. Se llevan a cabo simulaciones para analizar su respuesta y compararlos. La metodología y los resultados obtenidos en esta tesis pueden servir de base para trabajos futuros relacionados con el modelado músculo-esquelético de miembro superior, así como con el desarrollo tecnológico de ORTE y otros dispositivos robóticos de rehabilitación de miembro superior.