Desarrollan exoesqueletos de rodilla versátiles para levantar objetos de forma más segura

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Un conjunto de exoesqueletos de rodilla, construidos con aparatos ortopédicos de rodilla disponibles comercialmente y motores de drones en la Universidad de Michigan, ayuda a contrarrestar la fatiga en tareas de levantamiento y transporte.

Ayudaron a los usuarios a mantener una mejor postura de levantamiento incluso cuando estaban cansados, un factor clave para defenderse de las lesiones en el trabajo, dicen los investigadores.

“En lugar de reforzar directamente la espalda y renunciar a la forma correcta de levantar objetos, fortalecemos las piernas para mantenerla“, dijo Robert Gregg, profesor de robótica de la U-M y autor correspondiente del estudio.

“Esto difiere de lo que se hace más comúnmente en la industria”.

Los trabajadores que levantan objetos con regularidad, como en la construcción y la fabricación, ya pueden usar aparatos ortopédicos para la espalda.

Los exoesqueletos de espalda, que utilizan resortes o motores para ayudar con el levantamiento, son una tecnología emergente.

Pero los dispositivos que sostienen la espalda suponen un levantamiento o agachamiento inseguros, y los exoesqueletos de espalda tienden a ser dispositivos engorrosos que deben desactivarse para permitir movimientos que no son parte de la tarea de levantamiento, dijo Gregg.

El equipo de Michigan dice que sus exoesqueletos de rodilla son los primeros en sostener los músculos cuádriceps, que proporcionan la mayor parte de la fuerza en el levantamiento seguro en cuclillas, como una forma menos intrusiva de ayudar a proteger a los trabajadores de las lesiones de espalda.

Los participantes del estudio los probaron con tareas de levantamiento y transporte utilizando una pesa rusa de 9 kg.

Las tareas incluían levantar el peso del suelo y volver a colocarlo, y levantar y transportar el peso en terreno plano, subir y bajar una pendiente, y subir y bajar escaleras.

El estudio descubrió que después de fatigarse, los participantes mantuvieron una mejor postura con la ayuda del exoesqueleto, y también levantaron más rápido, solo un 1% más lento que sus ritmos previos a la fatiga, frente a un 44% más lento sin la ayuda de los exoesqueletos.

“Esto es especialmente importante cuando un trabajador tiene que seguir el ritmo de una cinta transportadora.

Por lo general, cuando un trabajador está fatigado, seguirá ese ritmo, pero con una postura comprometida.

Encorvará más la espalda y es cuando es más probable que se lesione“, dijo Nikhil Divekar, investigador postdoctoral en robótica en la U-M y primer autor del estudio.

Los participantes también sintieron el beneficio: dijeron principalmente que estaban bastante o muy satisfechos, con la excepción de caminar en terreno llano, con lo que estaban más o menos satisfechos.

Esto coincide con la pequeña cantidad de asistencia que requieren los cuádriceps durante esta tarea relativamente fácil; Gregg la describió como el apoyo justo para contrarrestar el peso del exoesqueleto.

Una de las claves para hacer que el exoesqueleto sea tan portátil son los motores y la forma en que están engranados, lo que permite a los usuarios balancear las rodillas libremente para una marcha natural.

El otro es el software, que predice qué tipo de asistencia necesita el usuario midiendo el ángulo de la articulación de la rodilla, las orientaciones del muslo y la parte inferior de la pierna y la fuerza captada por un sensor en el zapato del usuario.

Con estas tres mediciones de ambas piernas, es posible determinar qué movimiento está tratando de hacer el usuario y cuánta asistencia brindar.

Estas mediciones se tomaron 150 veces por segundo, lo que permite que los exoesqueletos se muevan sin problemas entre actividades.

Este enfoque contrasta con muchos controladores de exoesqueletos, que siguen patrones predefinidos para un conjunto limitado de tareas.

Cambiar de tarea puede ser un problema para estos controladores, y pueden necesitar un segundo completo para averiguar qué está tratando de hacer el usuario, dijo Gregg.

“Si su exoesqueleto está tratando de subir escaleras y usted está tratando de bajarlas, eso podría ser un problema, ¿verdad?”, dijo.

El nuevo controlador también combina un modelo de física con aprendizaje automático, lo que evita que el exoesqueleto realice movimientos inesperados si el usuario comienza a comportarse de manera diferente a cualquier actividad incluida en los datos de entrenamiento del controlador.

Los prototipos de laboratorio cuestan alrededor de US$4,000 por par, por lo que Gregg anticipa que si los exoesqueletos se produjeran a gran escala, podrían costar alrededor de US$2,000 por par.

Los 10 participantes del estudio, cinco mujeres y cinco hombres, realizaron todas las tareas en dos días diferentes, un día frescos y el otro fatigados.

Para inducir la fatiga, cada participante realizó una serie de levantamientos en sentadilla con la pesa rusa hasta que no pudieron continuar sin un largo descanso entre repeticiones.

Todos los participantes tenían experiencia con técnicas adecuadas de levantamiento en sentadilla.

El equipo ha solicitado protección de patente con la ayuda de U-M Innovation Partnerships y está buscando socios para llevar la tecnología al mercado.

Fuente: Science Robotics