Desarrollo de un Controlador en Tiempo Real para Estimar el Rendimiento de la Marcha Utilizando un Exoesqueleto Bilateral de Tobillo

Experimental: Estudio de un Solo Brazo de un Controlador Personalizado de Exoesqueleto Robótico de Tobillo

Este brazo emplea un diseño intra-sujeto con dos métodos de estimación del coste metabólico frente a la medida de referencia del coste metabólico, en el que un único participante se somete a dos mediciones distintas. Este diseño permite una comparación directa de los efectos de cada método (es decir, estimación frente a medida de referencia) dentro del mismo individuo, minimizando la variabilidad entre sujetos y aumentando la potencia estadística del análisis.

Dispositivo: Sistema de Control de Par Adaptativo para Exoesqueleto de Tobillo

Esta intervención utiliza un exoesqueleto robótico de tobillo equipado con un controlador adaptativo en tiempo real que ajusta el par de flexión plantar basándose en la mecánica de la marcha de cada participante. A diferencia de los controladores de exoesqueleto estándar que utilizan niveles de asistencia fijos o preprogramados, este sistema emplea optimización con intervención humana para actualizar continuamente la magnitud y el momento del par durante la marcha en cinta rodante. El controlador integra estimaciones metabólicas, datos cinemáticos y modelado musculoesquelético para identificar patrones de asistencia individualizados que reducen el esfuerzo de la marcha y mejoran la eficiencia de la activación muscular. Los participantes completan múltiples ensayos de marcha mientras el controlador modifica automáticamente la asistencia para determinar los ajustes personalizados óptimos.

Operación Exitosa en Tiempo Real del Controlador del Exoesqueleto Robótico de Tobillo

La viabilidad del dispositivo se evaluará mediante el funcionamiento en tiempo real exitoso del exoesqueleto robótico de tobillo y el controlador adaptativo durante la marcha en cinta rodante. La viabilidad se define como la capacidad del controlador para generar, actualizar y aplicar continuamente un par de asistencia en tiempo real basándose en datos biomecánicos y fisiológicos entrantes, sin fallos del sistema, interrupciones o terminaciones relacionadas con la seguridad. El funcionamiento exitoso se confirmará mediante la función continua del controlador y la adquisición de datos sincronizada a lo largo de los ensayos de marcha.

Tasa Metabólica Neta Durante la Marcha Asistida por Exoesqueleto Medida por Calorimetría Indirecta

El consumo neto de oxígeno (VO₂) y la producción de dióxido de carbono (VCO₂) se medirán durante la marcha en cinta rodante mediante calorimetría indirecta (Cosmed K5, Cosmed USA Inc., Chicago, IL). La tasa metabólica se calculará utilizando ecuaciones estándar durante condiciones de marcha en estado estacionario. Las mediciones se recopilarán a intervalos regulares para caracterizar la demanda metabólica bajo diferentes configuraciones de asistencia del exoesqueleto.

Tasa Metabólica Estimada Derivada de Modelado Musculoesquelético del Espacio Articular

La tasa metabólica estimada se derivará de modelos musculoesqueléticos del espacio articular utilizando datos cinemáticos y cinéticos recogidos durante la marcha en cinta rodante. Las estimaciones basadas en modelos se calcularán paso a paso para proporcionar una estimación indirecta de la demanda metabólica que pueda compararse con mediciones directas de calorimetría indirecta.

Activación Muscular Estimada en Miembros Inferiores Derivada del Modelado Musculoesquelético del Espacio Articular

Los patrones de activación muscular de las extremidades inferiores se estimarán utilizando modelos musculoesqueléticos en el espacio articular basados en datos de captura de movimiento y fuerzas de reacción del suelo recogidos durante la marcha en cinta rodante. Los valores estimados de activación muscular se calcularán paso a paso para caracterizar la implicación neuromuscular durante la marcha asistida por exoesqueleto.

Activación Muscular de las Extremidades Inferiores Medida mediante Electromiografía de Superficie Durante la Marcha

Se medirá la activación muscular de los músculos de las extremidades inferiores (por ejemplo, tibial anterior, gastrocnemio medial, gastrocnemio lateral, sóleo) durante la marcha en cinta rodante mediante electromiografía de superficie (Delsys). Las señales EMG se recopilarán continuamente y se procesarán para cuantificar los patrones de activación muscular durante la marcha asistida por exoesqueleto.

Durante los ensayos de caminata en cinta rodante realizados en una única visita de estudio

La convergencia de los parámetros del controlador se evaluará durante los ensayos de optimización con humano en el bucle mediante la evaluación de cambios en la ganancia del controlador y los parámetros de temporización a lo largo de sucesivas sesiones de marcha. La convergencia se define como la estabilización de los parámetros del controlador dentro de un rango predefinido durante el proceso de optimización.