“Vìc one” es un prototipo de una estructura similar a una ortesis sencilla, con un mecanismo que colabora a niños y adultos mayores a levantar objetos pesados en casa. Previene lesiones, permite que los infantes puedan desempeñar mas actividades en el hogar. Todo esto bajo el principio del termino “Exoesqueleto”, que en una definición sencilla refiere a un sistema que recubre y sostiene un cuerpo.
El término “Vic” como las iniciales al nombre de Víctor, el autor e impulsor al desarrollo de esta idea, y “One”, número 1 en el idioma inglés, refiriéndose a la primera prueba de este prototipo.
Cuando mi papá no se encuentra en casa, no puedo ayudar a mi mamá con algunas actividades diarias, una de ellas es levantar cosas pesadas; los adultos mayores también requieren apoyo para realizar estas labores sin riesgo a sufrir accidentes y lesiones.
¿Qué es un exoesqueleto?
El exoesqueleto (del griego ἔξω, éxō “exterior” y σκελετός, skeletos “esqueleto”) es el esqueleto externo continuo que recubre, protege y soporta el cuerpo de un animal, hongo o protista. Un exoesqueleto o dermoesqueleto recubre toda la superficie, de todos los animales del filo artrópodos (arácnidos, insectos, crustáceos, miriápodos y otros grupos relacionados), donde cumple una función protectora, de respiración y otra mecánica, proporcionando el sostén necesario para la eficacia del aparato muscular.
Artificial robótico, principio de ortesis
Los humanos han usado durante mucho tiempo las armaduras como exoesqueletos artificiales para su protección, especialmente en combate.
Las ortesis son una forma médica limitada de exoesqueleto. Una ortesis es un mecanismo que, acoplado a una pierna, o al torso, permite mejorar o corregir el comportamiento de esa pierna o de la espina dorsal. Una prótesis de pierna es un dispositivo que sustituye la parte faltante de una pierna. Si la prótesis forma su propia cubierta, se considera exoesqueletal.
Si la estructura y el mecanismo son usados de manera interna y está cubierto de un material blando y no estructural, se considera una prótesis endoesqueletal.
Los exoesqueletos mecánicos han comenzado a ser usados con propósitos médicos e industriales, saltando del terreno de la ciencia-ficción, pero aún se encuentran en estado de prototipo. No obstante, el gobierno de los Estados Unidos ha financiado con 50 millones de dólares un proyecto para integrar exoesqueletos mecánicos a unidades de Marines, con propósito de aumentar su rendimiento.
¿Por qué un exoesqueleto?
Un exoesqueleto sostiene al cuerpo de forma externa. Los exoesqueletos se desarrollan para hacer posible que las personas con limitaciones de movimiento puedan andar, lo que incrementa su fuerza y su resistencia. Rex se ocupa de que estas personas puedan volver a ponerse en pie, caminar, mantenerse de pie, girarse y sentarse por sí mismos. También es posible realizar sin problemas movimientos laterales, subir escaleras y caminar sobre superficies duras y planas, incluyendo pendientes ascendentes y descendentes. Si bien es cierto que las piernas biónicas no pueden sustituir completamente a la silla de ruedas, también es verdad que sus usuarios vuelven a ser capaces, por ejemplo, de llevar a cabo su trabajo de pie. Ya solo la posibilidad de volver a mirar a una persona a la altura de los ojos durante una conversación es una experiencia increíble para estas personas. “Mediante el empleo de una sofisticada tecnología y una continua mejora de la funcionalidad, forma y usabilidad, pretendemos llegar a la mayor cantidad de personas posible en todo el mundo. Las reacciones que muestran los usuarios de Rex, con su increíble carga de emocionalidad, nos alegran cada día y sirven de inspiración para todo el equipo de Rex”, dice el cofundador Richard.
Actualmente existen dos variantes de Rex para diferentes necesidades, las cuales se fabrican en las dos plantas de producción de las que ya dispone Rex Bionics. “Rehab Rex” está diseñado para su uso en centros de rehabilitación. “Rex” se desarrolló para el usuario personal, de manera que la persona sea capaz de llevar a cabo tareas que antes no podía hacer desde la silla de ruedas. El mayor desafío durante el proceso de desarrollo fue, según Richard Little, el desarrollo de la compleja plataforma robótica teniendo en cuenta que debía ser una estructura muy ligera. Era además una condición básica que el usuario, con sus limitadas condiciones físicas, armonizara perfectamente con las piernas robóticas montadas de forma externa, así como que fuera capaz de moverse y mantener el equilibro de forma segura.
El exoesqueleto pesa 38 kilogramos, de los cuales el usuario no soporta ni un solo kilo. Está accionado por una batería integrada y recambiable que tiene una duración de alrededor de dos horas para un uso continuado. Rex se controla con un joystick y un panel de mando. En otros exoesqueletos, el control se realiza a menudo mediante sensores. Una gran ventaja del manejo con joystick es que no son necesarias funciones motrices o nerviosas para mover el exoesqueleto. Con sus tres metros por minuto, Rex no es muy rápido, pero, a cambio de ello, el usuario puede avanzar con seguridad. Al hacerlo, no pierde nunca el equilibrio: independientemente de si está conectado o no, el exoesqueleto es siempre estable, de manera que el usuario también tiene la posibilidad de permanecer de pie en ambientes concurridos, como en un acontecimiento deportivo o un concierto, sin tener que preocuparse de la posibilidad de que lo tiren al suelo. Además, Rex no necesita medios auxiliares adicionales, como muletas, con lo que el usuario puede emplear sus brazos y manos de forma completamente libre.
Diez potentes motores para un desarrollo seguro del movimiento
Rex es un aparato electromecánico de gran complejidad: cada exoesqueleto contiene miles de piezas de precisión, incluyendo las extremidades, las cuales están accionadas por 29 microcontroladores. La especial disposición de los microcontroladores en Rex le permite moverse y reaccionar en segundos. Al hacerlo, los movimientos de Rex transmiten siempre al usuario una sensación de uniformidad. Gracias a los motores maxon, los movimientos se desarrollen sin sacudidas. Son los responsables de todos los movimientos de las extremidades, las cuales se mueven exactamente como lo hacen las piernas humanas. En cada exoesqueleto se emplean diez motores de continua, maxon RE-40. El RE-40 dispone de una gran potencia de 150 W y un rendimiento de más del 90 por ciento. Los motores CC con conmutación mecánica se caracterizan especialmente por una elevada densidad de potencia, una gran dinámica, un amplio rango de velocidad y por su larga vida útil. El alma del motor es su rotor sin hierro patentado a nivel mundial, el cual garantiza un funcionamiento del motor sin par de retención. Rex Bionics se ha decidido de forma consciente por los motores maxon debido al hecho de que Rex es un producto sanitario de alta sensibilidad y en el que la seguridad de la persona es una prioridad.
El mayor desafío para los motores dc consistía en integrar calidad, tamaño y potencia en un mismo sistema. Actualmente, Rex está siendo empleado por 18 personas en Nueva Zelanda, a los cuales se suman nuevos usuarios cada mes, los cuales, como Mitch Brogan, pueden decir: “Me dolían las mejillas de tanto reír y supe que mi vida había cambiado para siempre”.
Los primeros exoesqueletos
Los primeros exoesqueletos creados fueron exoesqueletos para los miembros inferiores, ya que es mucho más fácil imitar el movimiento de las piernas que el movimiento de los brazos. Desde hace muchos años, se tiene la visión de mejorar la capacidad de movimiento de algunos seres humanos, por lo mismo, se ve la presencia de indicios o comienzos de creaciones de exoesqueletos, como lo son:
En los años 60, se creó el primer exoesqueleto llamado “Hardiman”. Creado por General Electric, a pesar de que su modelo es bastante parecido a los exoesqueletos de la actualidad, ha cambiado un poco la
forma y el diseño haciéndolo más sofisticado. Figura 1
Figura 1. “Hardiman”
También en los años 60, Reinkemsmeyer describió el exoesqueleto robótico aplicado para situaciones médicas e industriales llamado “Lokomat”.Actualmente, existen distintos tipos de exoesqueletos “Lokomat” (Figura 2) siendo este el Lokomat Pro, entre ellos se encuentra el Pediátrico, Teletón, etc.
En el ámbito militar, a mediados de los años 1980, en los laboratorios Álamos Nacional el científico Jeffrey Moore afirma que el exoesqueleto puede ser usado para aumentar y ayudar a la capacidad de los soldados inspirados en el concepto de Heinlein. En la misma década, el programa DARPA llamado “Aumento de rendimiento humano” marcó como objetivo desarrollar y aumentar las capacidades de los soldados que se encontraban activos en el campo.
Figura 2.. Lokmat.
Exoesqueletos mecánicos para trabajos pesados
Mochilas mecánicas y “robots para llevar puestos” permiten que las personas con movilidad reducida realicen movimientos y que se protejan en trabajos pesados.
Los exoesqueletos mecánicos o exotrajes son algo así como “robots para llevar puestos”. Aunque originalmente daban a la persona el aspecto de un soldado del espacio salido de cualquier película de ciencia ficción cada vez son más comunes. Y con el advenimiento de materiales como la fibra de carbono y nuevas técnicas de diseño y fabricación también son más ligeros y resistentes. Pero tras esa ligereza se esconde un gran poderío: muchos modelos además de soportar el peso de una persona están diseñados para ayudar a levantar pesos o incluso ampliar su movilidad mediante motores y sistemas hidráulicos.
Algunos de estos diseños, como los exoesqueletos de la Virginia Tech University son estructuras de varias piezas de fibra de carbono perfectamente calculadas y medidas que se unen en una especie de mochila que se ata a la cintura, el torso y las piernas. Cuando la persona realiza movimientos tales como agacharse para recoger un gran peso la estructura se comba como si fuera un arco flexible. Eso acumula energía que luego se libera ayudando a completar el gesto cuando el usuario se estira. “Es un aparato que confiere una especie de superpoder”, dicen sus inventores.
Para comprobar qué tal se comporta este exoesqueleto ni siquiera hace falta preguntar a quienes lo usan: empleando unos sensores se mide la actividad cerebral del usuario durante su uso, algo que ya han hecho en circunstancias reales tras llevarlo puestos varias horas al día. Según las pruebas llevadas a cabo en Lowe’s (una cadena de tiendas de bricolaje y materiales de construcción) su actividad cerebral mostraba un buen grado de disfrute y aceptación. Lo mismo que un ordenador personal de gama alta.
Estos exotrajes también existen en versiones más avanzadas y tecnológicas: el CSIC y la empresa Marsi Bionics hace un año que presentaron un exoesqueleto de marcha pediátrico de cuerpo completo para niños, que añadía motores para aportar movimiento y fuerza a los pequeños con atrofia muscular. Figura 3.
Figura 3. Exoesqueleto Universidad de Virginia
Apenas pesa seis kilos, y no impide caminar ni usar los brazos. Pero cuando su inventor, el japonés Hiroshi Kobayashi, le da al botón de activar, el exoesqueleto que ha diseñado, y que él denomina traje de músculo, ejerce una presión en las piernas y en la espalda que ayuda a levantar pesos de 20 o 30 kilogramos casi sin esfuerzo, y, lo que es más importante, protegiendo la zona lumbar. Otra cosa es que el peso tira de los brazos y las manos, y eso hay que aguantarlo. Por eso las pruebas son con esas masas. La máquina podría con más, pero el usuario no lo aguantaría.
Kobayashi hace la demostración en la Embajada de Japón de Madrid, que es la que se ha encargado de traer su invento a la Global Robot Expo que acabó este domingo en la capital. “La
idea nació del interés en ayudar a las personas con lesiones”, cuenta el investigador. “Empecé desarrollando un brazo robótico. También pensé en unas piernas, pero había muchos problemas de caídas. Pero al hacer las pruebas me di cuenta de que el problema para coger peso no eran solo los brazos, sino las caderas. La zona de detrás de la espalda sufría mucho”, relata. Así nació este exoesqueleto.
Aunque su inventor lo llama traje de músculo, el aparato es un armazón metálico que se cuelga a la espalda como una mochila y que tiene un refuerzo que protege los riñones y unas extensiones que sirven para anclarlo y hacer palanca con las piernas. “Decimos que es de músculo porque las estructuras que regulan el movimiento son tubos flexibles de material sintético”, explica. En la demostración, el propio Kobayashi se encarga de oprimir los dos interruptores, el de bajar (agacharse hacia delante) y el de subir (incorporarse). “La idea es que el aparato, que funciona con una batería y un compresor de aire” que infla y desinfla los músculos artificiales “acompañe el movimiento”, dice. “Y que dé fuerza”.
En la vida real, el propio usuario puede activar los movimientos de dos maneras: con unos sensores en el pecho que opera con la mano, o, si estas van a estar ocupadas sujetando una carga, con una boquilla que se opera soplando.
El prototipo está en “las últimas pruebas antes de su uso generalizado”, dice Kobayashi. Inicialmente, él pensó que lo usarían residencias y centro de personas con alguna lesión o discapacidad, pero, de momento, ha vendido unas mil unidades a empresas de distribución y almacenes. “Cuando te acostumbras a usarlo, es muy cómodo. Además, solo funciona cuando lo activas”, expone.
Sin embargo, él no pierde la esperanza de que, solo o integrado en un equipo más completo, en el que él sigue trabajando, el exoesqueleto sirva para ayudar a personas con disfunciones motoras. “Está pensado para ellos. Alguien con una cierta movilidad y un poco de práctica puede ponérselo solo en 10 segundos”, dice Kobayashi.
La inspiración social del proyecto llega a la elección de la fábrica que deberá atender los pedidos si el producto tiene éxito. “Está en la prefectura de Fukushima, donde ocurrió el tsunami de 2013. Es una manera de ayudar a su recuperación”. Figura 4
Figura 4. Mujer usando “traje de músculos” de Kobayashi
Diseñar y construir un exoesqueleto capaz de levantar y trasladar un objeto de mediano peso en casa.
Ser un niño o un adulto mayor, nos limita en muchas actividades, nos encontramos dentro del sector social más vulnerable en varios ámbitos. El exoesqueleto además de su funcionalidad nos permite involucrarnos en tareas más complejas.
“Vic one” Exoesqueleto. Ayudará a niños y adultos mayores a levantar un peso máximo de 20 kilos, entonces reducirá riesgos de lesiones y accidentes domésticos, así como permitir que un infante colabore en actividades de casa que impliquen un mayor esfuerzo.
A continuación, se presenta los diferentes procesos o principios que fueron considerados para el desarrollo del “Vic one”.
-Principio de polea
Una polea es una máquina simple, un dispositivo mecánico de tracción, que sirve para transmitir una fuerza. Además, formando conjuntos —aparejos o polipastos— sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso.
La polea es el punto de apoyo de una cuerda que moviéndose se arrolla sobre ella sin dar una vuelta completa, actuando en uno de sus extremos la resistencia (R) y en otro la fuerza actuante (F) o potencia.
Las poleas simples no son más que una palanca de primer grado, en la que la fuerza F, y la resistencia R se aplican a la misma distancia del eje, que coincide con el radio de la polea. Es decir:
Simplificando tenemos que:
Que nos indica que en una polea simple la fuerza que tenemos que aplicar es igual a la resistencia que tenemos que vencer. La ventaja viene del uso de la propia polea que me permite utilizar el cuerpo para ejercer la fuerza F. Figura 5
Figura 5. Polea simple
– Motor eléctrico
Los motores eléctricos están presentes en casi todos los aparatos que requieren movimiento, como ventiladores, electrodomésticos, secadores, DVD… Pero ¿cómo funciona un motor eléctrico? La respuesta es con corriente alterna o directa, cuya función es convertir la energía eléctrica en movimiento o energía mecánica.
Los motores se basan en el principio del magnetismo. Según éste, en función de cómo se sitúen los polos de un imán, éstos se atraen o se rechazan (recordemos aquellas nociones básicas de polaridad que indican que “los polos opuestos se atraen” y “los polos iguales se repelen”), generando movimiento. En los motores, la electricidad crea campos magnéticos opuestos entre sí, que provocan que la parte giratoria de éste se mueva. Figura 6
Figura 6. Motor eléctrico
-Compresor de aire
Los compresores son un tipo de máquinas cuya función principal es la de hacer aumentar la presión de un gas. Si bien lo más común es que el elemento que se comprima sea aire, en la industria existen otros tipos de compresores que trabajan con otros tipos de gases según la necesidad de cada caso. Sus aplicaciones son muchísimas, ¿pero ¿cómo funciona un compresor de aire?
Esta herramienta absorbe aire a presión ambiental, a través de un sistema de filtrado y lo devuelve con la presión deseada, bien a una salida directa, o a un calderín, donde se acumulará a mayor presión. Es mecánicamente sencillo. Figura 7.
Figura 7. Compresor
Montacargas.
Buscando algún principio de funcionamiento parecido al que quiero desarrollar como el exoesqueleto, pensé en los montacargas. Mi abuelo, Francisco Hidalgo, es encargado de la distribución en venta de Montacargas en algunas industrias y CEDIS en la república Mexicana. Asistí con él a algunas juntas de venta y me permitieron visitar un taller de reparación y almacenamiento de estas maquinarias para que pudiera observar su funcionamiento y ensamble. Figura 8.
Figura 8. Dia De trabajo con mi abuelo.
Los montacargas pueden tener diferentes diseños o tamaños, los más comunes quizás los más utilizados en la industria son los que funcionan con un sistema de contrapeso de hierro fundido en la parte trasera. El funcionamiento de este tipo de montacargas está basado en un sistema hidráulico que va unido a la parte delantera y se emplea para levanta y transportar peso.
La actividad del sistema hidráulico proviene de la acción que se realiza con la palanca a ciertas válvulas que se obren o cierra dejando así pasar o evitar el paso del aceite por el sistema haciendo así que el dispositivo baje o suba.
Así mismo la función del elevador recae en el movimiento de otro juego de palancas que logran mover la horquilla o rejilla de apoyo permitiendo así encontrar el punto exacto para poder tomar la carga y trasladar con seguridad.
Las bombas hidráulicas y movimiento por medio de cadenas hacen el trabajo de fuerza, mientras que el contrapeso se encarga del balance por la carga y finalmente el operador tiene que encargarse de un perfecto acondicionamiento y así no tener problemas. Figura 9.
Figura 9. Víctor I. Hidalgo en ensambladora de montacargas.
Estos son algunos de los principios de funcionamiento que consideramos podrían ser útiles en el desarrollo de este prototipo, durante la investigación de campo en el Museo de ciencia y Tecnología en la ciudad de México. Y para ahondar en cada particularidad de esta, bajo la investigación documental en la biblioteca municipal del ayuntamiento de Tultepec.
Procedimiento
Boceto
Estas son las primeras impresiones sobre la elaboración de un prototipo que fue pensado como recubrimiento al cuerpo de una persona, esta especie de armadura se piensa permitiría cargar peso. Figuras 10 y 11.
Figura 10. Dibujo de Víctor I. Hidalgo
Figura 11. Boceto a escala
Maqueta de prueba de concepto
Con el uso de herramientas didácticas de juego y uso común para niño, en este caso, bloques de lego. Paso de un boceto en papel a un maquetado en una mesa de bloques. Representando ambos conceptos, el diseño inicial del dibujo y el diagrama a escala, obteniendo una idea a detalle del prototipo que se desea construir. Figuras 12-15.
Figura 12.
Figura 13.
Figura 14.
Figura 15.
Evidencia de investigación de campo.(Figuras 16-19)
Construcción
Materiales (Figura 20)
-Polines de madera con las siguientes medidas:
2, 30cm
2, 70 cm
3, 40 cm
4, 50 cm
-Tablas de madera con las siguientes medidas:
1 30 x 40 cm
2 40 x 45 cm
3 12 x 35 cm
-Un ciento de pijas 2 ¼.
-Taladro
-Ruedas de estantería
-Un juego de poleas.
Figura 20.
Armado
1.- Armado de las piernas, usaremos un polín de 70 y otro de 50 centímetros, se coloran a 90° ambas piezas, y con el taladro se hacen 3 perforaciones con una broca de 3 ¼. Reemplazaremos la broca del taladro por una punta de desarmador de cruz, y usando las pijas, atornillamos ambos polines. Este procedimiento aplica en ambas piernas del exoesqueleto. (Figura 21)
Figura 21. Piernas
2.- Cadera. Uniremos ambas piernas con un polín de 40 centímetros, esta pieza se coloca por encima de ambas piernas, asegurándonos de que las piezas embonen en las orillas de este. Repetimos taladrando y asegurando con la punta de cruz como en el paso anterior. (Figura 22)
Figura 22. Cadera
3.- Unimos los brazos. Tomaremos polines de 50 centímetros para los brazos, nuevamente a 90° las piezas, esta vez con la pieza que representa la cadera (polín de 40 centímetros). Con el mismo procedimiento de unión, taladrando y asegurando con la punta de cruz. Una vez colocados, al final de estos se une un Polín de 40 centímetros de brazo a brazo para asegurar el soporte de la carga. En el reverso de este polín se coloca la tabla de 30 x 40 cm, esta tabla funciona como mecanismo de seguridad para evitar que la carga golpee al operador. (Figura 23)
Figura 23. Brazos
4.- Espalda. Usaremos 2 polines de 30 centímetros, unimos los dos postes con la cadera, colocando las piezas de forma perpendicular. Por último, en la parte superior se coloca un polín más de 40centimetro en la misma posición en la que se encuentra el polín que representa a la cadera. (Figura 24.)
Figura 24. Espalda
5.- Contrapeso y, o, caja para motor. Con las tablas de 12 x 35 cm y 40 x 45 cm se arma un cajón, colocando en la tapa una bisagra para permitir la apertura de esta y posteriormente se sujeta al cuerpo del exoesqueleto. (Figura 25)
Figura 25. Caja
6.- En cada uno de los pies del exoesqueleto se colocarán dos ruedas de tipo estantería, colocadas de extremo a extremo del polín
7.- En la parte central de los brazos, se coloca sobre el soporte una polea sencilla, los cables que tiran de la polea serán sujetados a lo largo de los brazos, con armellas hasta el cajón de la espalda, en este cajón se coloca un motor que realiza la función de tirar los cables de la polea para levantar la carga. (Figura 26 y 27)
Figura 27. Caja
Figura 28. Caja
Nos dimos cuenta de que el exoesqueleto funciono como se esperaba, ya que desde la fase de pruebas este fue capaz de cargar 20 litros de agua envasada, aproximadamente 20 Kilogramos de peso. Lo que se resume en un resultado exitoso, pues el objetivo de que un niño, en este caso, yo, con un peso corporal de 18 kilogramos con ayuda de este prototipo pude cargar y desplazar un peso superior al mío.
Un exoesqueleto puede ayudarnos a facilitar las tareas cotidianas, siendo un gran apoyo para personas discapacitadas o inclusive en el área industrial, para los trabajadores. También concluí que diseñar un exoesqueleto, no es una tarea fácil porque requiere de un amplio conocimiento de la tecnología y los materiales. Así mismo, el desarrollo de este tipo de tecnología tiende a tener un costo elevado de fabricación. Pero no dudo que en medida de que este tipo de proyectos sean recurrentes, podrá ser en un futuro no muy lejano cada vez más accesibles.
Bibliografía
https://elpais.com/tecnologia/2017/05/24/
https://sites.google.com/site/fgtce04equipo03tgigestion/origen-de-los-exoesqueletos
https://naukas.com/2011/04/26/exoesqueletos-mecanicos-de-momento-la-ficcion-gana/
Herman W. Pollack. 1989. Poleas. En Manual de máquinas y herramientas (1, 78-91) Mexico: Prentice Hall.
Susan Mc Grath. (1993). La física es diversion . CA, E.U: Stampley Enterprises.
Lofferty P. (1995) Fuerza y Movimiento. México .Ed. Altea.
Máquinas y Herramientas. (2005) Ed. Planeta
