La robótica wearable de Hyundai para proporcionar asistencia al caminar ofrece una amplia gama de movilidad

DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

"La utilización de LabVIEW y la arquitectura LabVIEW RIO nos permitió reducir el tiempo de desarrollo de las pruebas de nuestro nuevo algoritmo de control del robot a tan sólo una semana en lugar de un mes, que sería el tiempo que habríamos tardado utilizando un método basado en texto. Somos capaces de crear prototipos más rápido gracias al software y al hardware y adaptarnos a los requisitos de control que cambian rápidamente."

- DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

El Reto:

El desarrollo de un sistema que puede manejar algoritmos de control complejos para capturar los datos de forma remota desde diversos sensores simultáneamente y llevar a cabo el control en tiempo real de múltiples actuadores para un dispositivo robótico incorporable de asistencia a caminar.

La Solución

Utilización de la plataforma LabVIEW RIO, incluyendo un sistema CompactRIO embebido y un controlador en tiempo real con una arquitectura de control FPGA, proporcionada por Single-Board RIO, para adquirir datos de varios sensores y controlar dispositivos periféricos, dispositivos de comunicación de alta velocidad y actuadores; y la utilización del software LabVIEW para adquirir datos fiables mediante la realización del análisis en tiempo real y la aplicación de diversos algoritmos de control de robot con el fin de reducir drásticamente el tiempo de desarrollo.

El instituto de investigación e ingeniería avanzada central de la compañía Hyundai Motor desarrolla futuras tecnologías de movilidad. En lugar de ofrecer productos de vehículos convencionales a los clientes, este centro de investigación crea nuevos dispositivos de movilidad con una amplia gama de velocidades para diversas personas, incluyendo ancianos y discapacitados. A medida que nuestra sociedad envejece, hay una mayor necesidad de sistemas que pueden ayudar a la movilidad. Por lo tanto, estamos desarrollando robots exoesqueleto wearable con controladores embebidos de NI para su utilización por ancianos y pacientes con lesiones en la médula espinal.


En el campo de la robótica wearable, la interconexión física entre el cuerpo humano y un robot provoca diversos problemas de ingeniería debidos al diseño mecánico, a la creación de la arquitectura de control y al diseño de los algoritmos de actuación. El espacio y el peso permitido para los dispositivos eléctricos son muy limitados debido a que el robot tiene que ponerse como un traje. Además, la velocidad de muestreo del control global del robot debe ser lo suficientemente rápida para que no impida los movimientos humanos y pueda reaccionar adecuadamente a las fuerzas externas. Además, a pesar de que muchos de los esfuerzos de los investigadores robóticos han dado lugar a actuaciones exitosas de robots wearables, quedan muchas preguntas con respecto a los algoritmos de aumento y control de asistencia humanos.

 

Por lo tanto, nuestro grupo considera principalmente los siguientes requisitos para la selección de un controlador principal para nuestros robots wearables:

  • El procesamiento de alta velocidad de los datos obtenidos a partir de varios tipos de sensores
  • Tamaño y peso.
  • Visualización de datos en tiempo real para el desarrollo de algoritmos de control.
  • Conectividad con otros dispositivos inteligentes para proporcionar las funciones más convenientes.

 

Configuración del sistema

El control en tiempo real y el entorno de hardware FPGA garantizan la fiabilidad y la estabilidad proporcionando E/S que son compatibles con diversos dispositivos de control robóticos. Por ejemplo, en el proceso de construcción de nuestros robots wearables, la arquitectura de control global cambió drásticamente varias veces debido a la sustitución de los sensores o a los cambios en el método de comunicación del control.

 

Sin embargo, la exclusiva combinación incorporada del controlador en tiempo real y las características de la FPGA proporcionadas por los productos de NI facultó a nuestro grupo para gestionar estos cambios de inmediato, lo que ayudó a reducir nuestro período de desarrollo.

 

Además, la adopción del dispositivo SOM (System On Module) sbRIO-9651 ayudó a reducir el peso del robot en menos de 10 kg y aumentar al máximo la eficiencia de la batería mediante una configuración del sistema base en baja potencia.

 

¿ Por qué elegimos LabVIEW?

El número de sensores y actuadores se está incrementando significativamente para lograr la realización de tareas más complejas de  robótica y además, la complejidad de los algoritmos de control aumenta exponencialmente. Por ello, el procesamiento de forma simultánea de todos los datos de los múltiples sensores y el envío de instrucciones a los múltiples actuadores se convierte en uno de los retos más importantes a abordar en robótica. LabVIEW soporta la visualización simultánea del procesamiento intuitivo de señales de los sensores instalados en los robots y además el diseño de algoritmos de control en las etapas experimentales. Por último, los productos de NI son ampliables y compatibles; así que, posiblemente en el futuro, se puedan utilizar dispositivos inteligentes como interfaces de usuario (UI).

 

Robótica wearable para la asistencia a caminar

Hasta el momento, se han construido los siguientes tipos de robots:

  • Exoesqueleto modular de cadera – Es un robot modular que proporciona ayuda a caminar a las personas con molestias en la zona de la cadera.
  • Exoesqueleto modular de rodilla – Es un robot modular que proporciona ayuda a caminar a las personas con molestias en la zona de la rodilla
  • Exoesqueleto para la mejora de la calidad de la vida - Un robot modular que combina las piezas de cadera y rodilla para proporcionar ayuda a caminar a las personas mayores o con dificultades para mover la mitad inferior de sus cuerpos.

 

Aprovechamiento de las tecnologías de  “Internet de las Cosas” para desarrollos futuros

Tenemos planes de investigación para la integración de dispositivos inteligentes en la interfaz de usuario para hacer frente a los retos del futuro. Actualmente, los robots para personas con discapacidad en la parte inferior del cuerpo están diseñados para utilizar muletas; así como, interfaces inalámbricas para el cambio de configuración, tales como la conversión para caminar, sentarse, subir o bajar escaleras o el modo normal. Los dispositivos inteligentes embebidos en este tipo de interfaz de usuario pueden ayudar a los usuarios a realizar el ajuste de los parámetros adicionales que incluyen la amplitud del paso, el tiempo para dar un paso o la profundidad/anchura para sentarse en una silla. Además, los datos relacionados con los patrones del caminar o del rango de actividad normal son útiles para el tratamiento o la rehabilitación. Los expertos de rehabilitación o los médicos pueden configurar los parámetros más avanzados, como el tiempo de caminata forzada o el ajuste del movimiento articular para continuar usándolos en el tratamiento.

 

Empezamos a desarrollar el exoesqueleto del robot de la siguiente generación en base a la tecnología inalámbrica para hacer posible el análisis de la marcha. Cuando alguien lleva puesto este robot, es posible identificar la intención y el estado de pie mediante la recopilación de datos de un área entre el suelo y la planta del pie. La tecnología que transmite estos datos a través de la comunicación inalámbrica ZigBee ya está en marcha. Esta tecnología se puede ampliar ahora utilizando la tecnología de IoT (Internet of Things o Internet de las cosas). En otras palabras, se puede enviar la información adquirida de forma inalámbrica a un robot para hacer que sirva de ayuda a los movimientos del andador. Además, la recopilación de datos relevantes puede ayudar a los usuarios a identificar una serie personal de actividades y condiciones basadas en la localización, y esa información puede ser integrada en el robot y dar lugar a un servicio más completo. Si un paciente usa este robot con fines de rehabilitación, los médicos pueden monitorizar el estado del paciente y del robot durante la rehabilitación y ofrecer formación o ajustes en tiempo real para mejorar la eficiencia y la eficacia del tratamiento, un buen ejemplo de la aplicación de la tecnología basada en la información mediante datos.

 

Información del Autor

DongJin Hyun, PhD
Hyundai Motor Company
37, Cheoldobangmulgwan-ro
Uiwang-si, Gyeonggi-do 437-815
South Korea
Tel: +82 (031) 596 0920
mecjin@hyundai.com

Figure 1. Wearable Robot System Configuration
Figure 2. Real-time processing, offered by the CompactRIO platform, enabled Hyundai to address one of their greatest challenges–recognizing human intention.
Figure 3. LabVIEW Front Panel for Robot Control
Figure 4. LabVIEW Block Diagram for Robot Control
Figure 5. Hyundai Lower-Limb Exoskeletons
Figure 6. Concept of Modular Exoskeleton and Lower-Limb Exoskeleton
Figure 7. Life-Caring Exoskeleton in Use
Hyundai wearable robotics are designed to offer users a better quality of life.
The NI System on Module (SOM) provides Hyundai a powerful heterogeneous architecture in a small form factor to control their wearable robotics.
Hyundai used CompactRIO to quickly implement and adjust to rapidly changing control requirements.