Estimación de fuerzas de interacción humano-exoesqueleto basada en la tecnología de accionamiento cuasi-directo (QDD)

En el campo de la interacción humano-robot, la tecnología de exoesqueletos ha surgido como una solución clave para la rehabilitación, la locomoción asistida y la ampliación de las capacidades físicas. Sin embargo, lograr una interacción humano–exoesqueleto eficiente y precisa sigue siendo un desafío significativo, especialmente en lo relativo a la estimación y el control de fuerzas. Los métodos tradicionales dependen de sensores de fuerza para medir las fuerzas de interacción, lo que incrementa la complejidad y el costo del sistema. Este estudio presenta un método de estimación de fuerza basado en la tecnología de accionamiento cuasi-directo (QDD), que permite estimar las fuerzas de interacción sin sensores de fuerza adicionales, aprovechando la dinámica intrínseca del actuador.

Diseño del sistema y modelado dinámico

El equipo de investigación desarrolló un exoesqueleto de cadera utilizando la tecnología QDD para proporcionar par de asistencia mientras se minimizan las restricciones sobre el movimiento natural del humano. El núcleo del diseño del sistema radica en el uso de un actuador de baja relación de reducción para la acción directa de la articulación, mejorando la retroalimentación mecánica y la comodidad del usuario. Este estudio emplea el CubeMars AK10-9 V1.1 actuador robótico, que presenta alta densidad de par y baja impedancia mecánica, lo que lo hace muy adecuado para sistemas basados en QDD.

Para lograr la estimación de fuerzas de interacción sin sensores, los investigadores establecieron un modelo dinámico completo del actuador, incorporando factores como la inercia rotacional, los pares de fricción y las características de transmisión del engranaje. Este modelo permite la estimación en tiempo real del par basado en mediciones de corriente y velocidad angular, derivando finalmente las fuerzas de interacción entre el exoesqueleto y el usuario.

Validación experimental y resultados

El equipo de investigación desarrolló una plataforma de prueba para caracterizar primero el rendimiento del actuador bajo condiciones controladas y luego validar el sistema en un experimento de marcha. La prueba consistió en un sujeto caminando en una cinta mientras usaba el exoesqueleto de cadera, con niveles variables de par de asistencia (6 Nm, 8 Nm y 10 Nm).

Los resultados mostraron que el método de estimación de fuerza propuesto alcanzó un error absoluto medio (MAE) de solo 2,78 ± 0,58 N, lo que representa el 6,4 % de la fuerza nominal. En comparación con los métodos convencionales basados en sensores de fuerza, este enfoque mantuvo una alta precisión mientras reducía la dependencia del hardware, mejorando así la eficiencia y fiabilidad del sistema. Además, el método de control de par en lazo abierto basado en el modelo mejoró la precisión del seguimiento, reduciendo el error en un 23 % en comparación con los métodos de control nominal.

Ventajas tecnológicas y aplicaciones futuras

Las principales contribuciones de este estudio incluyen:

1、Reducción de la dependencia de los sensores de fuerza, lo que disminuye la complejidad y el costo del sistema mientras mejora la practicidad del exoesqueleto.

2、Mejora de las estrategias de control de par, lo que lleva a una asistencia a la marcha más estable y a un mayor confort al caminar para el usuario.

3、Mejora de la retroalimentación mecánica del sistema, permitiendo que el exoesqueleto se adapte de manera natural al movimiento humano sin obstruir la marcha normal.

Esta tecnología ofrece nuevas perspectivas para el desarrollo futuro de los sistemas de exoesqueletos, particularmente en aplicaciones como el entrenamiento de rehabilitación, la asistencia industrial y el apoyo a la movilidad de las personas mayores. La investigación futura podría refinar aún más la optimización personalizada de parámetros para mejorar la precisión de la estimación de las fuerzas de interacción y adaptarse a un rango más amplio de usuarios.