Wearable Robotics
Wearable Robotics (IBIO 3172 – IMEC 3528) es un curso electivo conjunto de los departamentos de Ingeniería Biomédica e Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. Aborda el análisis, modelamiento, simulación y diseño de sistemas robóticos vestibles orientados a la interacción humano–máquina: exoesqueletos, prótesis, ortesis y dispositivos de asistencia motora.
El curso desarrolla una base teórica común en biomecánica, movimiento humano, ergonomía y fundamentos de sistemas asistidos. A partir de ahí, cada estudiante realiza un trabajo aplicado según su perfil de interés, en modelado o en diseño, manteniendo un marco conceptual unificado. La robótica vestible es además una de las líneas de investigación del laboratorio: proyectos como el exoesqueleto de codo nacen de esta interacción entre biomecánica y actuación.
Objetivos de aprendizaje
Al final del curso, los estudiantes serán capaces de:
- Analizar el movimiento humano desde una perspectiva biomecánica cuantitativa.
- Modelar o diseñar un sistema robótico vestible acoplado al cuerpo humano.
- Integrar criterios de ergonomía, seguridad y desempeño funcional.
- Simular o implementar estrategias de control para asistencia motora.
- Tomar decisiones de diseño basadas en datos biomecánicos.
Contenido del curso
Módulo 1 — Biomecánica y movimiento humano
Introducción a la robótica vestible y sus aplicaciones, sistema humano–robot, cinemática del movimiento humano (palancas), sensores biomecánicos y biomecánica de la marcha.
Planos anatómicos de referencia para el análisis del movimiento humano.
El estudio de la marcha se apoya en datasets de locomoción y captura de movimiento, para identificar sus fases y movimientos funcionales asociados.
Fases del ciclo de la marcha humana.
Módulo 2 — Modelamiento musculoesquelético
Uso básico de datos en Python, interpretación de señales y modelamiento musculoesquelético con herramientas como OpenSim, OpenCap y MyoSuite, incluyendo el modelo musculotendinoso de Hill y la dinámica del movimiento humano.
Modelo de Hill: elemento contractil en serie con elementos elásticos.
Módulo 3 — Actuación y control
Actuadores para sistemas vestibles, servocontrol aplicado a asistencia motora y control de impedancia, con actividades prácticas que combinan Arduino y simulación en MuJoCo.
Lazo cerrado de control para asistencia motora.
Módulo 4 — Diseño de dispositivos
Ortesis y exoesqueletos, integración al cuerpo, ergonomía y acople humano–dispositivo, uso de señales para diseño, estrategias de asistencia, y seguridad humano–robot con límites de fuerza y consideraciones clínicas y éticas.
Exoesqueleto para cadera, componentes principales.
Proyecto final
Durante las últimas semanas, los estudiantes desarrollan un proyecto aplicado por perfil (simulación o diseño) con acompañamiento técnico, entregas intermedias y una demostración final.
Metodología
- Clases magistrales con lectura previa de los temas.
- Talleres cada 2-3 semanas: uno de biomecánica y otro de actuación, evaluados en dos partes.
- Proyecto semestral con entregas iniciales, intermedias y defensa final.
Software
- Python (NumPy, SciPy, Matplotlib, Pandas) — procesamiento de datos y señales biomecánicas
- MyoSuite, MuJoCo, OpenCap/OpenSim — simulación musculoesquelética y de actuación
- Arduino — implementación de servocontrol
- Autodesk Inventor — CAD y diseño de dispositivos vestibles
Referencias
- Perry, J. Gait Analysis: Normal and Pathological Function. SLACK, 1992.
- Nordin, M., Frankel, V. H. Biomecánica básica del sistema musculoesquelético. 3ra Ed., McGraw Hill.
- Hall, S. Basic Biomechanics. 7ma Ed., McGraw Hill.
- Hughes, A., Drury, W. Electric Motors and Drives: Fundamentals, Types and Applications. Elsevier, 2013.
- Smith, S. W. The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, 1997.
- Hibbeler, R. C. Ingeniería Mecánica: Dinámica. 12na Ed., Prentice Hall.
- Norton, R. Design of Machinery. McGraw Hill, 2005.