Optimización para uso portable y exterior además de abaratamiento de costes de un exoesqueleto para niños con discapacidad motora

Abstract

Este trabajo presenta un rediseño del exoesqueleto pediátrico Atlas 2030 orientado a mejorar su portabilidad, facilitar su uso en exteriores y reducir los costes de fabricación, con el objetivo de ampliar su aplicabilidad fuera del entorno clínico y acercarlo a la vida cotidiana de los niños con discapacidad motora. Los exoesqueletos pediátricos han demostrado un gran potencial terapéutico en la rehabilitación de patologías neuromusculares, pero la complejidad de su control, el peso elevado y el coste asociado limitan su utilización a centros especializados. A partir de este diagnóstico, la investigación propone un conjunto de modificaciones estructurales y funcionales que persiguen simplificar el dispositivo, reducir su masa y aumentar la autonomía energética sin comprometer su eficacia terapéutica. La primera fase del proyecto ha sido la reducción de grados de libertad activos, pasando de ocho a cuatro articulaciones motorizadas por pierna, seleccionadas en base a criterios biomecánicos que aseguran la propulsión, la oscilación y la estabilidad mediolateral durante la marcha. Los movimientos secundarios se implementan mediante mecanismos pasivos o semiactivos que permiten mantener flexibilidad y adaptación postural con menor peso y menor consumo. Por otro lado, se desarrolló un sistema de ruedas y amortiguación capaz de adaptarse tanto a interiores como a exteriores. Se diseñaron dos configuraciones intercambiables que mejoran la seguridad y el confort en diferentes superficies, reduciendo vibraciones y permitiendo superar obstáculos habituales. Finalmente, se evaluaron distintos materiales mediante simulaciones en Abaqus, concluyendo que el aluminio ofrece el mejor compromiso entre rigidez, ligereza y coste. Finalmente, los resultados confirman que el Atlas 2030 puede optimizarse para convertirse en un dispositivo más ligero, portable y económico, manteniendo su eficacia clínica y facilitando su integración en entornos reales de uso diario.

This work presents a redesign of the pediatric exoskeleton Atlas 2030 aimed at improving its portability, facilitating its use outdoors, and reducing manufacturing costs, with the objective of expanding its applicability beyond the clinical environment and bringing it closer to the daily lives of children with motor disabilities. Pediatric exoskeletons have demonstrated great therapeutic potential in the rehabilitation of neuromuscular disorders, but the complexity of their control systems, their high weight, and associated costs restrict their use to specialized centers. Based on this diagnosis, the research proposes a set of structural and functional modifications intended to simplify the device, reduce its mass, and increase its energy autonomy without compromising its therapeutic effectiveness.

The first phase of the project was the reduction of active degrees of freedom, decreasing from eight to four motorized joints per leg, selected according to biomechanical criteria that ensure propulsion, leg swing, and mediolateral stability during gait. Secondary movements are implemented through passive or semi-active mechanisms that preserve flexibility and postural adaptability while reducing weight and energy consumption.

In addition, a wheel and damping system was developed to adapt to both indoor and outdoor environments. Two interchangeable configurations were designed to enhance safety and comfort on different surfaces, reducing vibrations and allowing the exoskeleton to overcome common obstacles. Finally, different materials were evaluated through Abaqus simulations, concluding that aluminum offers the best compromise between stiffness, lightness, and cost.

The results ultimately confirm that the Atlas 2030 can be optimized to become a lighter, more portable, and more cost-effective device, maintaining its clinical effectiveness and facilitating its integration into real-world daily environments.