Diseño y fabricación de un exoesqueleto robótico flexible para rehabilitación de extremidades inferiores en recién nacidos con espina bífida

Abstract

En el Perú, se estima que anualmente nacen más de 350 niños con mielomeningocele. Durante su crecimiento suelen presentar alteraciones motoras y de la sensibilidad en el nivel de la lesión debido al compromiso de la médula espinal. Su tratamiento consiste en terapia física para que alcancen su máximo desarrollo posible. En la presente investigación se aborda el diseño y fabricación de un dispositivo robótico capaz de rehabilitar las extremidades inferiores en recién nacidos con mielomeningocele. El ejercicio de rehabilitación de mayor relevancia en la terapia es la flexión y extensión de la rodilla. El prototipo está orientado a bebés de seis meses de edad y como objetivo principal del dispositivo fue alcanzar el rango de movimiento de 54°, desarrollado por un bebé sano. Para ello, se empleó una metodología de diseño mecánico que involucra el diseño conceptual, la fabricación y caracterización del sistema de accionamiento, así como la validación funcional e integración del prototipo del dispositivo robótico. Como resultado, se propuso un sistema robótico vestible basado en un actuador flexible para desarrollar el ejercicio de rehabilitación. De las propuestas de diseño para el sistema de accionamiento, sobresalió el músculo artificial de bajo perfil accionado por vacío (LP-VPAM), que consiste en una estructura de Filaflex sellada herméticamente entre láminas de Polietileno y accesorios finales. Se fabricó y caracterizó el actuador mediante la prueba de contracción isométrica y de contracción libre obteniéndose una fuerza máxima de 27 N y una contracción máxima de 31 mm a -40 kPa, respectivamente. En la validación funcional, se fabricó un modelo de pierna de un infante de 6 meses de edad y se realizaron pruebas experimentales para determinar el ángulo de extensión y flexión en posición de costado y prona, respectivamente. Se implementó el sistema robótico mediante la integración de los subsistemas de accionamiento, de sensado, mecánico y de control. Se alcanzó un ángulo de extensión máximo de 61° a una presión de -40 kPa y un ángulo de flexión máximo de 43° a una presión de -40 kPa.

In Peru, it is estimated that more than 350 children are born with myelomeningocele annually. During their growth, they usually present motor and sensitivity alterations at the level of the injury due to the involvement of the spinal cord. Their treatment consists of physical therapy so that they reach their maximum possible development. The present research addresses the design and manufacture of a robotic device capable of rehabilitating the lower extremities in newborns with myelomeningocele. The most relevant rehabilitation exercise in therapy is knee flexion and extension. The prototype is aimed at six-month-old babies and the main objective of the device was to achieve the range of motion of 54°, developed by a healthy baby. For this, a mechanical design methodology was used that involves the conceptual design, manufacture and characterization of the drive system, as well as the functional validation and integration of the prototype of the robotic device. As a result, a wearable robotic system based on a flexible actuator was proposed to develop the rehabilitation exercise. Of the design proposals for the drive system, the vacuum-powered low-profile artificial muscle (LP-VPAM) stood out. The actuator was manufactured and characterized by the isometric contraction and free contraction test, obtaining a maximum force of 27 N and a maximum contraction of 31 mm at -40 kPa, respectively. In functional validation, a 6-month-old infant leg model was fabricated and experimental tests were performed to determine the angle of extension and flexion in the prone and side positions, respectively. The robotic system was implemented by integrating the drive, sensing, mechanical and control subsystems. A maximum extension angle of 61° was reached at a pressure of -40 kPa and a maximum bending angle of 43° at a pressure of -40 kPa.