Exoesqueleto de miembro inferior de asistencia de fuerza para mitigar los trastornos musculoesqueléticos de fatiga y desgaste muscular en perforistas mineros

Abstract

El presente trabajo elabora una propuesta de exoesqueleto de miembro inferior de asistencia de fuerza para mitigar la sobrecarga o fatiga muscular en perforistas mineros. Estos trastornos musculoesqueléticos son los principales causantes de lesiones crónicas como las distensiones de músculo, entre otros. Como consecuencia, muchos trabajadores a nivel nacional ven degradada su salud y pierden horas de trabajo debido a lesiones a nivel muscular, articular u ósea. El objetivo principal es diseñar, modelar y validar un prototipo que, al realizar las posturas de sentadilla parcial y sentadilla completa, puede reducir el nivel de actividad muscular en cada etapa del trabajo. El alcance del proyecto se limita a dos ejercicios de perforación simulados a nivel cinemático en un entorno de laboratorio. Como resultados principales, se realizó el diseño mecánico del exoesqueleto de miembro inferior para cada pierna, involucrando únicamente los movimientos de flexión y extensión de rodilla y tobillo. Se realizó la instrumentación del mismo mediante sensores electromiográficos para medir la actividad muscular y sensores inerciales para medir la cinemática angular. Además, se utilizó un módulo externo para medir el balance del usuario mediante su centro de presión. El exoesqueleto logró respetar el espacio de trabajo del usuario en el plano sagital al existir diferencias alrededor de los 10◦ en la mayoría de casos evaluados. El centro de presión no sufrió desviaciones que sean superiores a aproximadamente 1 cm en promedio y se alcanzó una mitigación muscular entre 6 % a 90 % inclusive en algunas etapas del ejercicio.

This study presents a proposal for a lower-limb power-assist exoskeleton designed to mitigate muscle overload or fatigue in mining drillers. These musculoskeletal disorders are the leading causes of chronic injuries such as muscle strains, among others. As a result, many workers nationwide experience a decline in their health and lose work hours due to muscle, joint, or bone injuries. The main objective is to design, model, and validate a prototype that, when performing partial and full squats, can reduce the level of muscle activity at each stage of the work. The scope of the project is limited to two drilling exercises simulated kinematically in a laboratory environment. The main results included the mechanical design of the lower-limb exoskeleton for each leg, involving only knee and ankle flexion and extension movements. The exoskeleton was equipped with electromyographic sensors to measure muscle activity and inertial sensors to measure angular kinematics. In addition, an external module was used to measure the user’s balance based on their center of pressure. The exoskeleton was able to accommodate the user’s range of motion in the sagittal plane, with deviations of approximately 10◦ in most of the cases evaluated. The center of pressure did not deviate by more than approximately 1 cm on average, and muscle load reduction ranged from 6 % to 90 % during certain phases of the exercise.