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

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. ----------ABSTRACT---------- The use of robotic devices in the medical field has grown considerably in the last 20 years and its use has been extended in different areas, from surgeries to the rehabilitation of upper and lower limbs. This is due to many factors, but especially to the common effort of different branches of engineering that seek to provide solutions to the problems and to the tools that are currently available. Using one of these tools, a powerful software that allows bone and muscle modeling of the human body, a complete musculoskeletal model of the upper limb was developed to simulate different movements and to provide valuable data that can be used both by a medical team and by a staff of engineers. From the clinical point of view, the model helps to obtain information related to the muscles during the realization of a movement and the analysis of the effect that a rehabilitation therapy can produce on the patient. In the context of engineering, it is an important tool to study the biomechanics of the upper limb, to can develop rehabilitation exoskeletons and to design control systems for these devices. Based on the design and development of the first prototype of ORTE, an exoskeleton of upper limb rehabilitation with 3 active degrees of freedom, the kinematic analysis of the device was carried out and its manipulability was analyzed, focusing on its capacity to perform the typical movements of a rehabilitation therapy. Then, the inverse dynamic model of ORTE was obtained and its validation was achieved. Finally, is proposed an architecture for the control system of ORTE that integrates the musculoskeletal model of the upper limb. With that control system architecture, is possible to evaluate different schemes of uncoupled multivariable type controllers. In this thesis, two controllers are evaluated: the PD and the PD plus Feedforward, both based on the inverse dynamic model of the device. Simulations were conducted to analyze their response and compare them. The methodology and results obtained in this thesis can serve as a basis for future work related to upper limb musculoskeletal modeling, as well as the technological development of ORTE and other robotic upper limb rehabilitation devices