Diseñan exoesquelto para codo que aumenta la fuerza y capacidad de carga del usuario

Durante 2018, la armadora trasnacional de vehículos Ford informó que sus empleados, en la línea de producción, emplearían dispositivos robóticos para ayudarlos a levantar objetos pesados o realizar tareas repetitivas, con el propósito de evitar lesiones; ese mismo año, de acuerdo con el Inegi, la industria automotriz generó más de 800 mil empleos en el país.

En atención a los sectores productivos que cada día emplean más estos dispositivos en sus líneas de ensamblaje, un grupo científico de la Unidad Mixta Internacional del Cinvestav desarrolló un exoesqueleto híbrido de aumento de fuerza para la articulación de codo, que tiene el objetivo de ayudar a los trabajadores a levantar o trasladar objetos pesados, disminuyendo el riesgo de alteraciones musculoesqueléticas por su actividad.

“El exoesqueleto es un robot que se ajusta a las extremidades del cuerpo humano, en este caso solo se enfoca a la parte superior, particularmente en brazos y codo; se adapta a las articulaciones de manera sincronizada para permitir aumentar la fuerza de una persona y soportar mayor cantidad de peso”, explicó Fermín Castillo Anaya, estudiante de doctorado, desarrollador de la propuesta con la asesoría de Sergio Salazar Cruz y Ricardo López Gutiérrez.

El aumento de fuerza y la capacidad de levantar peso que proporciona el exoesqueleto depende del propio usuario, porque interviene su masa muscular o condición física; las pruebas realizadas en el laboratorio permitieron un incremento de fuerza entre 40 y 60 por ciento; es decir, con ambos brazos fue posible levantar con facilidad un peso de 20 kilogramos (10 por cada uno) hasta alcanzar un máximo de 45 kilogramos y hacer varias repeticiones con un esfuerzo mínimo.

Los retos científicos que implicó el desarrollo de esta tecnología fueron publicados recientemente en la revista IEEE Transactions on Control Systems Technology, entre los que se encuentran el diseño, la selección de materiales, el ahorro de energía para garantizar su autonomía o adaptar toda la parte electrónica y de control en un espacio reducido.

Para el diseño del dispositivo se empleó una plataforma virtual donde se realizaron simulaciones, cálculos de esfuerzo y la adaptación de los componentes en un espacio compacto; además, fue necesario darle estabilidad en una forma adaptable para diversas personas. Un parámetro importante a considerar fue su peso, porque al ser un instrumento para la parte superior del cuerpo debería ser ligero y dejar libre los brazos, entonces la estructura se construyó de aluminio con un peso de 800 gramos.   

En la parte energética, el objetivo fue aumentar su tiempo de autonomía en escenarios donde no existe un ambiente controlado ni se cuenta con condiciones óptimas, como la falta de una fuente de corriente; entonces fue necesario encontrar una ley de control que permitiera un ahorro energético suficiente para darle independencia por largos periodos de tiempo.

También se adoptó la electrónica y sistemas de control a un espacio reducido, que evitara conflictos al momento de trabajar o previniera desprendimiento de cables, presencia de humedad, protección de las tarjetas o choque de algunas partes.

La seguridad fue un punto importante, porque al fabricar la estructura se debieron evitar fracturas en sus diversas partes y disponer de topes mecánicos, además de crear una programación adecuada para eliminar riesgos, eso implicó mucha experimentación en el diseño, controles y electrónica que debería ser compatible con la interacción humana, buscando que el usuario se sintiera a gusto con la operación del exoesqueleto.

Para superar todos estos desafíos la plataforma virtual empleada permitió observar y monitorear en línea todo el funcionamiento del robot; además, mediante el uso de indicadores o sensores, el usuario lo podía operar con seguridad, al observar indicadores como reserva de aire comprimido, batería o sistema de potencia.

El diseño de exoesqueletos se realiza con diferentes usos, los hay para aumento de fuerza en sectores industriales, usos militares o aplicaciones médicas. Sin embargo, esta propuesta se concentra en la parte industrial, con el objetivo de atender problemas de los trabajadores de armadoras de vehículos, de la construcción o metalurgia, donde se mueven objetos pesados en rutinas repetitivas.

“En esos trabajos se suelen presentar problemas de espalda, hombro, brazo, codo o rodillas, por lo tanto, el objetivo del exoesqueleto fue aumentar la fuerza y capacidad de carga del ser humano, disminuyendo su desgaste físico y, con ello, el riesgo de sufrir lesiones”, aseguró Fermín Castillo Anaya.