Analysis and design of a flexible exoskeleton for the upper limbs

Los exoesqueletos son robots que circunscriben la anatomía del usuario para asistir su locomoción. Durante los últimos años, el concepto se ha aplicado a distintas áreas de la vida cotidiana, siendo las aplicaciones de rehabilitación médica la más consolidadas. Ejemplos como Marsi Bionics, Gogoa, Able o Hocoma demuestran la revolución que suponen estos robots para rehabilitar y restaurar la movilidad de una persona. Para ello, los exoesqueletos de rehabilitación poseen una estructura rígida y, por lo general, voluminosa capaz de mover el cuerpo del paciente. Sin embargo, estas grandes estructuras no son adecuadas para tareas cotidianas en las que se requiere destreza y una amplia variedad de movimientos. Por ello, los exoesqueletos pasivos y activos mono articulares han tenido mayor aplicación en industria durante los últimos años; dispositivos como los de las empresas Skelex y Verve Motion ofrecen un punto de acuerdo en el que el robot mejora el rendimiento y salud postural del trabajador. Los problemas musculoesqueléticos son, de hecho, una gran carga para empresas y trabajadores. Estas afecciones del sistema locomotor están catalogadas entre los principales motivos de baja laboral y deterioro de la calidad de vida. Tanto es así que la Organización Mundial de la Salud ha alertado, reiteradamente, sobre la gravedad de su creciente impacto socioeconómico. Estos informes también señalan ineficiencias en los protocolos y herramientas actuales que pueden derivar en la saturación de los sistemas sanitarios. Así, desde los distintos organismos de salud como el OHSR se promueve el desarrollo de métodos con los que combatir la fatiga muscular, malas posturas y distracción. En este contexto, los exoesqueletos tienen un gran interés al reducir el estrés muscular y fatiga asociados a una tarea. No obstante, su aplicación a entornos cotidianos plantea una serie de retos relacionados con la capacidad del robot para adaptarse y reproducir movimientos humanos. Durante los últimos años, los investigadores se han lanzado a buscar formas de mejorar la interacción humano-robot. Entre ellas, destaca la adición de grados de libertad pasivos y el uso de mecanismos de rigidez variable que imitan la respuesta dinámica de las articulaciones. En los últimos años también han surgido nuevas tendencias que abandonan las estructuras rígidas y voluminosas para optar por diseños flexibles y blandos. El exotraje del Harvard Biodesign Lab es uno de los ejemplos más icónicos y tempranos de esta nueva tendencia. Este exoesqueleto flexible de Harvard usa unas mallas para distribuir cables por las piernas y asistir la marcha. El reducido peso, tamaño y simplicidad de estos exotrajes ha revolucionado la asistencia de tareas con cargas medias o bajas. No obstante, la deformabilidad de su estructura requiere investigar en detalle la eficiencia y robustez de esta estrecha cooperación entre humano y robot. Esta tesis estudia el diseño de exoesqueletos flexible que asistan codo y hombro evitando restringir el resto de movimientos articulares. La motivación de la investigación surge de la escasez de soluciones activas y flexibles para el tren superior, así como de la alta incidencia de lesiones en los brazos. La metodología planteada minimiza la estructura robótica mediante el estudio histológico y anatómico del tren superior. A partir de este análisis, se analizan zonas de baja movilidad por las que guiar la actuación cableada. La fijación de estos elementos se ha conseguido mediante el estudio de técnicas de costura y composición textil, lo que ha permitido obtener un diseño compacto y ligero. Para ello, la dirección de la urdimbre y el patrón de costura deben coincidir con las fuerzas que se desea propagar por las telas y transferir al usuario. La configuración de los tejidos para la propagación de fuerzas ha permitido desarrollar un nuevo método para acoplar el exoesqueleto al cuerpo humano que reduce la presión aplicada en la piel. La libertad de movimiento es una de las premisas del diseño estudiado; concretamente, el exoesqueleto contempla la libre abducción horizontal del brazo, la rotación glenohumeral y la pronación-supinación del antebrazo. Para ello, el mecanismo de flexión del codo analiza la utilidad de un esquema de polea móvil, mientras que la elevación del hombro y extensión del codo estudia el uso de mecanismos deformables (compliant mechanisms). De forma complementaria, la tesis profundiza en aspectos de actuación y sensado. En materia de sensado se ha realizados dos aportaciones: un sensor para medir la tensión del cable y una matriz vestible de sensores flexibles resistivos para estimar la posición del hombro. Por otra parte, las aportaciones de actuación se resumen en el estudio del diseño de una estructura portable y varios módulos de actuación. ----------ABSTRACT---------- Exoskeletons are robots that surround their users’ anatomy to assist locomotion. In recent decades, they have gradually irrupted in different daily living scenarios; specifically, rehabilitation is one of the most solid environments where their consolidation has been revolutionary. Examples like Marsi Bionics, Gogoa, Able, or Hocoma attest to the exoskeleton’s value for recovering and restoring the patient’s mobility. Rehabilitation exoskeletons are commonly rigid and self-supportive so that they can mobilise the human body. Nonetheless, their bulkiness and rigidity can restrict everyday tasks. In contrast, passive and monoarticular devices, like Skelex and Verve Motion, have attracted the attention of the industry in recent years. These exoskeletons are envisioned as a trade-off between automation and human labour, where the robot improves the operator’s performance and health. Musculoskeletal conditions (MSD) are indeed a significant burden for the workforce worldwide. These ailments of the locomotor system are a leading cause of occupational absenteeism and life quality detriment. Their growing incidence and the need to tackle them has been repeatedly alerted by the World Health Organisation (WHO). In this context, there is evidence of systematic inefficiencies in current tooling and preventive mechanisms. Specifically, health organisations encourage finding methods to combat muscle fatigue, bad posture, and distraction. In recent decades, exoskeletons have been shown to reduce muscle stress and improve posture, either by assisting the user’s movements or supporting demanding postures like over- head maintenance. Despite the promising results, everyday tasks still entail challenges regarding their adaptation to the human anatomy. Attempts to make the robot replicate human motion have been extensively studied. Examples range from structures with redundant joints to variable stiffness mechanisms that modify the dynamic behaviour of the articulation. The last years have also witnessed the rising of new trends that leave behind rigid and bulky structures, seeking more supple and flexible designs. The lower limb exosuit from Harvard Biodesign Lab is one of the most iconic and early prototypes. This flexible exoskeleton embeds a cable-driven mechanism in running tights to assist the gait cycle. Such lightweight, compactness, and simplicity of flexible exoskeletons have proven disruptive for light and medium tasks. However, this involves studying new methods to accomplish close and reliable cooperation between the robot and the human. This thesis studies the design of novel cable-driven exosuits for assisting the elbow and shoulder without restricting the arm’s workspace. The research is motivated by the existing gap in active upper solutions covering the shoulder and the incidence of occupational lesions. The methodology adopted minimises the robot’s structure by the histological and anatomical study of the upper limbs’ motion. The tendons have been routed through areas of the human body that endure minimal shape variation to reduce the actuation’s misalignment during motion. The investigation also delves into tailoring and fabric stacking to compact the design by creating force-directed garments. Configuring the propagation of forces in clothes has resulted in a novel method to couple exoskeletons to the human body, which reduces the pressure on the skin and promotes comfort. The exosuit considers the arm’s horizontal abduction, glenohumeral rotation, and the forearm’s pronation-supination. To this end, the convenience of embedding mobile pulley schemes in the mechanism to flex the elbow has been studied. In contrast, compliant mechanisms have been assessed to tackle the anatomical variability when assisting the shoulder and the elbow extension. Complementarily, the thesis delves into sensing and portable actuation for flexible exoskeletons. The sensing contributions consist of a sensor that estimates the tendon’s tension and a system to track shoulder motion. In contrast, actuation focuses on studying the design of a portable structure and various actuation modules