Estudio biomecánico aplicado a exoesqueletos con arquitectura no antropomórfica

Abstract

This thesis presents the principles upon which a new non-anthropomorphic biped exoskeleton was designed, whose legs are based on an 8-bar mechanism. The main function of the exoskeleton is to assist people that have difficulty walking. Every leg is based on the planar Peaucellier-Lipkin mechanism, which is a 1-degree-of-freedom linkage. To be used as a robotic leg, the Peaucellier-Lipkin mechanism was modified by including three more degrees of freedom, as well as, in its beginnings, by the addition of an orthogonal mechanical system based on transmission stars and chains that provides balance and stability to the user. These changes were evolving according to the study in the biomechanics of the human being when walking, posing new patterns and combinations of movement. As a final result an exoskeleton is obtained with application in rehabilitation, providing the ability to apply different movement patterns (leg, ankle) for the user in a safe environment, allowing at the time of the revival of limbs rehabilitation the system scroll.The use of the Peaucellier-Lipkin mechanism, its transformation from one to four degrees of freedom, and the incorporation of the stability system are the main innovations and contributions of this novel non-anthropomorphic exoskeleton. Its mobility and performance are also presented herein, through forward and inverse kinematics, together with its application in carrying out the translation movement of the robotic foot along paths with the imposition of motion laws based on polynomial functions of time and movement patterns, generated by a human walking.

Esta tesis presenta los principios sobre los cuales fue diseñado un exoesqueleto bípedo no antropomórfico, cuyas piernas están basadas en un mecanismo de 8-barras. La principal función del exoesqueleto es la de asistir a personas que tienen dificultad al caminar. Cada pierna está basada en el mecanismo plano de Peaucellier-Lipkin, que tiene un grado de libertad. Para ser utilizado como una pierna robótica, el mecanismo de Peaucellier-Lipkin fue modificado en la inclusión de tres grados más de libertad, así como, en sus inicios, por la adición de un sistema mecánico ortogonal basado en estrellas de transmisión y cadenas que proveen balance y estabilidad al usuario. Estos cambios fueron evolucionando de acuerdo con el estudio en la biomecánica del ser humano al caminar, planteando nuevos patrones y combinaciones de movimiento. Como resultado final se obtiene un exoesqueleto con aplicación en rehabilitación, proporcionando la capacidad de aplicar distintos patrones de movimiento (pierna, tobillo) para el usuario en un ambiente seguro, permitiendo que al momento de la reactivación de las extremidades por la rehabilitación el sistema se desplace. El uso del mecanismo de Peaucellier-Lipkin, su transformación de uno a cuatro grados de libertad, son la principal innovación y contribución de este novedoso exoesqueleto no antropomórfico. Su movilidad y desempeño son presentados aquí, a través de la cinemática directa e inversa, junto con la aplicación de un movimiento basado en una función polinomial y patrones de movimiento, resultado de análisis de movimientos y patrones generados por una persona al andar.