Exoesqueleto adaptable y personalizado basado en rigidez variable para la asistencia y rehabilitación del tobillo

Abstract

Esta tesis doctoral aborda el diseño, desarrollo e implementación de un sistema robótico de asistencia para el tobillo humano, centrado en la adaptabilidad, personalización y portabilidad. El trabajo parte del reconocimiento del papel crítico que juega el tobillo en la locomoción humana y del impacto significativo que generan sus disfunciones en la calidad de vida, particularmente en poblaciones con alteraciones neuromotoras. A lo largo de la tesis se desarrolla un dispositivo exoesquelético con estructura ligera y modular, utilizando actuadores de rigidez variable e impresión 3D, enfocado en ofrecer asistencia activa sin interferir con el patrón natural de marcha. El modelado del tobillo humano se aborda mediante un enfoque simplificado basado en impedancia mecánica, que permite representar el comportamiento articular en todo el ciclo de marcha con alta eficiencia computacional. De esta forma, se propone una arquitectura de control jerárquica en tres niveles: control físico a bajo nivel, estrategias de torque y compliance a nivel medio, y estimación inteligente del vector de progreso de marcha a nivel alto, utilizando técnicas de machine learning y redes neuronales profundas. Esta integración permite una modulación adaptativa de la asistencia en función del estado del usuario y la fase de marcha. Adicionalmente, desde el punto de vista metodológico, se incluye un estudio de percepción con pacientes y profesionales clínicos que valida el enfoque centrado en el usuario. Además, se ejecutan pruebas experimentales con sujetos sanos, demostrando que el sistema es capaz de asistir eficazmente sin perturbar la biomecánica natural, con respuestas dinámicas precisas bajo distintas configuraciones de rigidez y control. Finalmente, se delinean múltiples líneas de investigación futura orientadas a la validación clínica con pacientes reales, la extensión del modelo a actividades funcionales más complejas, el perfeccionamiento del control predictivo y la caracterización exhaustiva del sistema. La tesis sienta así una base tecnológica y conceptual sólida para el desarrollo de exoesqueletos funcionales, accesibles y personalizables, con potencial de aplicación tanto en contextos clínicos como cotidianos.