Design of a custom frame and fixtures for the March exoskeleton

Abstract

Actividades en nuestro día a día como levantarnos de un sofá o abrir una puerta pueden suponer un gran obstáculo para gente con lesión en la médula espinal. La silla de ruedas proporciona la movilidad necesaria a estas personas para poder desempeñar algunas de sus tareas diarias. Sin embargo, tiene numerosas limitaciones. Un nuevo sistema basado en un exoesqueleto aumenta la movilidad de la persona parapléjica, simulando la forma de andar de una persona sana. Este tipo de tecnología también es empleada en trabajos en los cuales existe una alta exigencia física: obreros, trabajadores en fábricas, bomberos etc. Este proyecto se centrará en la aplicación de exoesqueletos a personas parapléjicas. En los últimos años, el desarrollo de estos dispositivos ha experimentado un gran crecimiento. Numerosas compañías y universidades han invertido grandes cantidades de dinero para construir exoesqueletos para pacientes con lesión en la médula espinal. Algunos de los más conocidos son Mina [2], WPAL [3], Vanderbilt exoskeleton [4,5] o el Rewalk [6] y Ekso [7]. En la interacción del exoesqueleto con el paciente se ha abierto un nuevo campo de estudio. Este campo se denomina como la interacción humano-maquina y supone un gran desafío debido a la complejidad de ambas partes. En este aspecto, los exoesqueletos comerciales no consiguen satisfacer de forma plena las necesidades de las personas que los llevan; continúan siendo mecanismos muy pesados, lentos, y originan daños físicos en el contacto entre el exoesqueleto y la persona ( quebrantamiento de la piel, puntos de presión, cambios en el flujo sanguíneo etc). En este contexto, surge la necesidad de desarrollar un nuevo sistema más ligero y eficiente que solucione alguno de los problemas anteriores. Este proyecto se centrará en la conexión entre el paciente y el exoesqueleto teniendo en cuenta el estado fisiológico de los huesos y músculos de una persona con lesión en la médula espinal. De esta forma se podrá distribuir la presión a lo largo de las piernas de forma que no se produzcan daños físicos como los citados anteriormente.Para este propósito, el objetivo de este proyecto será desarrollar un nuevo sistema de fijaciones entre la pierna de la persona y el exoesqueleto MARCH. Este exoesqueleto forma parte de un proyecto de la Universidad de Delft y que competirá en los primeros juegos mundiales de biónica de la historia en Zurich el 8 de Octubre de 2016.

Every day activities such as standing up from a couch or opening a door, can be very challenging for people that are physically handicapped. By making use of a wheelchair, a large part of the users' mobility can be regained. However, this form of mobility can still feel as a restriction. A new state-of-the-art solution to regain mobility is using a socalled exoskeleton: an external harness, which will simulate or stimulate the natural motion of the human body. Next to increasing mobility of paraplegics, exoskeletons can be used for people working under extreme conditions, such as fire fighters or heavy construction workers. By using an exoskeleton, these heavy loads can be alleviated [1]. Although exoskeletons can be used in multiple ways, this assignment will focus primarily on the development of an exoskeleton for paraplegic patients. Over the last years, the development of exoskeletons for paraplegic patients has experimented a big growth with companies and research labs designing and evaluating different kind of exoskeletons such as Mina [2], WPAL [3], Vanderbilt exoskeleton [4,5]. Others have been already launched to the market such as the ReWalk [6] and the Ekso [7]. With the development of the exoskeletons and its interaction with the paraplegic patients, new fields of study and research have appeared in order to face and solve the new challenges that these new devices represent in a daily life use. One of those is the interaction human-machine and the difficulties paraplegic patients have to deal with while wearing the exoskeleton. In the current state, these devices are heavy (around 23,5 kg the commercial ReWalk [8]) and don’t fully satisfy the comfort and physiognomic necessities of the patients while using it, originating pressure ulcers or skin damages due to the use of inappropriate fixtures with a bad load distribution within the patient’s legs. In this context, it comes the necessity of developing a lighter and more efficient exoskeleton design that achieves those problems and makes a better integration between the exoskeleton and the patient by having into account the current state of the bones and muscles of the paraplegic patient loading the leg’s part that are stiffer and unloading the weaker ones. For this purpose, the aim of this project will be to develop a custom frame and fixtures for an exoskeleton that is currently being developed by a student team at the TU Delft, that improves the existing design and faces the problems mentioned before.Furthermore, this exoskeleton will compete in the first bionic world champion that will take place in the 8th of October in Zurich [9].