Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Implementation And Evaluation Of A New Robotic Paradigm For Gait Rehabilitation
Autor
RAMOS ROJAS, JAIME
Director
AMA ESPINOSA, ANTONIO JOSÉ DEL
Codirector
CASTAÑO PEÑA, JUAN ALEJANDRO
Fecha de depósito
26-05-2026
Periodo de exposición pública
27 de mayo a 9 de junio de 2026
Fecha de defensa
Sin especificar
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
No
Resumen
Introducción
Las patologías neurológicas suelen derivar en alteraciones de la marcha que comprometen de manera significativa la movilidad, el equilibrio y, finalmente, la independencia funcional y la calidad de vida de los pacientes. En consecuencia, la recuperación de estas capacidades es una de las prioridades para las personas afectadas. En este escenario, la incorporación de sistemas robóticos al entrenamiento de la marcha constituyen una alternativa potencialmente ventajosa, dado que posibilitan un mayor grado de repetición, control y tiempo de entrenamiento, además de disminuir la carga física del personal terapéutico. No obstante, la evidencia disponible no respalda de forma concluyente su superioridad respecto a la terapia convencional, y las mejoras funcionales reportadas resultan, en general, limitadas y no consistentes.
Los dispositivos robóticos desarrollados para el entrenamiento de la marcha pueden clasificarse en efectores finales, sistemas basados en cintas de correr y exoesqueletos ambulatorios. Los efectores finales no reproducen adecuadamente la cinemática natural de las articulaciones humanas y pueden inducir patrones compensatorios ineficientes. Los exoesqueletos utilizados en combinación con cintas de correr condicionan un patrón de marcha poco representativo de la locomoción sobre el suelo, con repercusiones en la cinemática articular, la activación muscular, la propiocepción y el entrenamiento del equilibrio. Por su parte, los exoesqueletos ambulatorios permiten condiciones más realistas, pero suelen requerir ayudas externas para mantener la estabilidad, lo que limita su uso en pacientes con mayor afectación neurológica. A ello se añade que muchos de estos sistemas se centran únicamente en entrenar movimientos en el plano sagital y dependen de trayectorias de referencia predefinidas, restringiendo la variabilidad y adaptabilidad del movimiento.
Estas limitaciones han impulsado el desarrollo de soluciones que combinan la locomoción sobre el suelo con sistemas de soporte de peso corporal y asistencia pélvica enfocada en entrenar el equilibrio. Sin embargo, los dispositivos existentes continúan presentando restricciones importantes, como movilidad pélvica reducida, escasa modularidad, elevada complejidad mecánica y limitaciones en la sincronización y la adaptación de trayectorias.
La motivación de esta tesis surge de la necesidad de diseñar sistemas robóticos capaces de movilizar el centro de masas de manera menos rígida, ofrecer una mayor variabilidad y personalización en los patrones de marcha que se asemeje a la necesidad terapéutica y, al mismo tiempo, preservar las ventajas de las tecnologías actuales, proporcionando un entrenamiento ambulatorio seguro y más representativo de la locomoción real sobre el suelo.
Objetivos
La presente tesis doctoral tiene como objetivo principal diseñar, fabricar y validar un sistema robótico de rehabilitación de la marcha que permita llevar a cabo el entrenamiento de la marcha de forma ambulatoria, asista la movilización de las extremidades inferiores a partir de parámetros cartesianos del paso, en lugar de trayectorias articulares, y proporcione entrenamiento del equilibrio mediante el control del movimiento pélvico.
Metodología
La metodología desarrollada en esta tesis abarca el diseño conceptual y mecánico del robot y la fabricación de sus subsistemas, el desarrollo de los sistemas de comunicación, control y alimentación, el diseño de las estrategias de control de cada módulo y, finalmente, la validación experimental tanto de cada subsistema como del robot integrado. El robot integra una estructura robótica móvil con soporte parcial de peso, un exoesqueleto comercial de extremidades inferiores y un robot de asistencia del centro de masas accionado por cables.
La validación de la estructura móvil se realizó en dos etapas: primero, se evaluó el mecanismo de acoplamiento entre el exoesqueleto y la estructura mediante análisis cinemático de la marcha en los planos frontal y sagital haciendo uso de Kinovea, para cinco sujetos sanos caminando sobre cinta a velocidad lenta y normal; posteriormente, se examinó la capacidad de seguimiento del marco móvil, evaluando la capacidad de mantener la alineación y la distancia relativa durante la marcha de un sujeto. De forma complementaria, la validación del sistema de asistencia al centro de masas analizó el seguimiento de trayectorias y la precisión del sistema bajo distintas configuraciones de anclaje y condiciones de carga progresiva, desde ausencia de carga hasta pruebas con sujetos sanos. Cinco participantes intervinieron en esta última fase, caminando a velocidad lenta, con datos capturados mediante Kinovea.
Dado que ambos subsistemas, junto con el exoesqueleto, operan mediante trayectorias de referencia específicas para cada usuario, se desarrolló una base de datos cinemáticos de marcha con registros de 21 sujetos sanos bajo 27 condiciones controladas de cadencia, longitud y altura de paso. Sobre esta base, se desarrollaron y evaluaron los algoritmos de generación de trayectorias y se entrenó un modelo de red neuronal con el objetivo de reducir el tiempo de computación de la cinemática inversa necesaria para la generación de trayectorias articulares. Su rendimiento se validó comparando sus salidas con un conjunto independiente de datos de la base de datos.
Finalmente, la validación del robot integrado se llevó a cabo con siete sujetos sanos en un entorno de marcha real, evaluando el funcionamiento conjunto, la sincronización entre subsistemas, la adaptación a diferentes objetivos de la marcha y la comodidad de uso, complementado con un cuestionario de usabilidad. Esta validación incluyó tareas de levantarse, caminar con y sin asistencia al centro de masas, y sentarse, así como la variación de las características del paso en un trayecto de 30 m.
Resultados
En el estudio de validación del funcionamiento del acoplamiento se identificaron diferencias significativas en las variables cinemáticas, si bien su magnitud fue limitada. Se observaron discrepancias de hasta 2° (5 %) en el rango de movimiento articular y de 0,6 cm en el desplazamiento del centro de masas, atribuibles al acoplamiento entre el usuario y la estructura móvil. En lo relativo a la estrategia de control, el sistema evidenció una respuesta rápida, recuperando el desalineamiento máximo en 0,5 s y manteniendo una distancia media de seguimiento inferior a 5 cm durante la prueba de marcha.
Respecto a la asistencia al centro de masas, la disposición de los cables se confirmó como un factor determinante, siendo la configuración cruzada la que alcanzó el mejor desempeño. Bajo esta configuración se obtuvieron errores cuadráticos medios de 1–3 cm en la dirección horizontal y de aproximadamente 3° en rotación, con coeficientes de correlación de 0,95 y 0,7, respectivamente. Asimismo, el rango de movimiento resultante fue comparable al de la trayectoria de referencia.
Un total de 2.242 ciclos de la marcha fueron registrados en la base de datos. El 89 % de las variables analizadas difirieron significativamente de la condición de referencia en al menos 10 condiciones, y el 67 % lo hicieron en más de 20. Entre los tres factores experimentales, la altura de paso mostró el efecto más generalizado, afectando de manera significativa al 85 % de las variables. Asimismo, la restricción combinada de longitud-altura de paso impactó en torno al 67 % de las variables, igualando la influencia de la longitud de paso por sí sola, mientras que la interacción velocidad-altura de paso afectó aproximadamente al 63 %.
Los puntos de referencia generados por la red neuronal presentaron un error cuadrático medio de 1,36 ± 0,47 % en X y 1,49 ± 0,68°. No obstante, la reconstrucción completa de la trayectoria a partir de dichos puntos de referencia produjo errores medios de 10° en la flexoextensión de cadera y rodilla, aunque los coeficientes de correlación se mantuvieron entre el 70–90 %. Respecto a la trayectoria del pie, el modelo alcanzó un coeficiente de determinación, R², de 0,92 para la longitud de paso y de 0,98 para la altura de paso. Los errores absolutos en el desplazamiento horizontal se situaron por debajo de 5 cm en pasos cortos, aumentando hasta 10 cm en pasos largos, mientras que la altura mostró errores inferiores a 2 cm, con mayor dispersión en los valores extremos. El tiempo medio de cómputo fue de 0,41 ± 2,76 ms por iteración, incrementándose hasta 100 ms tras su integración en el bucle de ROS2.
En los ensayos con sujetos sanos, el tiempo medio de uso del dispositivo fue de 21,85 ± 3,02 minutos, durante los cuales los participantes completaron 130,3 ± 5,7 pasos y recorrieron 60,00 ± 14,29 m. La estructura móvil mantuvo un alineamiento estable, con una desviación media de 1,30 ± 2,42 cm. El exoesqueleto siguió con precisión las trayectorias de referencia, con diferencias de rango de movimiento inferiores a 3°, errores cuadráticos medios máximos de 2,02 ± 1,59° y correlaciones de 0,99. Las trayectorias articulares se adaptaron correctamente al modificar los objetivos de la marcha, alcanzándose los valores deseados con un error máximo de 5 cm en los pasos más largos. En la evaluación de usabilidad, el sistema obtuvo valoraciones positivas en la mayoría de los parámetros, salvo en comodidad y ergonomía, señalándose que dichas limitaciones se deben principalmente al dispositivo de descarga de peso.
Conclusiones
Esta tesis ha presentado el diseño, desarrollo y validación de los subsistemas que integran un sistema robótico ambulatorio para la rehabilitación de la marcha, concebido para asistir el movimiento de las extremidades inferiores a partir de parámetros espaciales del paso, al tiempo que proporciona entrenamiento del equilibrio mediante el control del movimiento pélvico.
La estructura móvil mostró una alteración mínima en la cinemática de la marcha tras su integración con el exoesqueleto comercial, lo que confirma la viabilidad del mecanismo de acoplamiento entre ambos dispositivos. Asimismo, el sistema mostró capacidad para seguir el avance del usuario y mantener un alineamiento adecuado con durante la marcha.
El robot de asistencia del centro de masas evidenció capacidad para reproducir con precisión las trayectorias de referencia del desplazamiento del centro de masas y de la basculación pélvica. Los resultados pusieron de manifiesto la influencia determinante de la configuración de anclaje de los cables y de la participación activa del usuario para optimizar el funcionamiento del sistema.
El desarrollo de una base de datos de marcha bajo condiciones controladas de cadencia, altura y longitud de paso constituyó una aportación relevante para el diseño y análisis de los algoritmos de generación de trayectorias. La evaluación correspondiente reveló variaciones sustanciales en las variables cinemáticas y espaciotemporales asociadas a dichas restricciones, destacando el efecto predominante de la altura de paso, seguido por la interacción longitud–altura de paso, la longitud de paso y la interacción velocidad–altura.
La generación de trayectorias a partir de parámetros espaciales del paso mostró capacidad para producir, en tiempo real, trayectorias articulares compatibles con la ejecución de la terapia robótica. Estos resultados respaldan la viabilidad del enfoque terapéutico propuesto, basado en parámetros de la marcha, como alternativa funcional a los métodos tradicionales basados en trayectorias articulares.
Por último, el estudio de validación del sistema completo Nimble demostró que la plataforma desarrollada constituye una solución prometedora para la rehabilitación robótica de la marcha. Los resultados obtenidos demostraron niveles satisfactorios de integración, sincronización, funcionalidad y seguridad en participantes sanos. La evaluación subjetiva por parte de los usuarios fue positiva, especialmente en relación con la seguridad, la facilidad de uso, la adaptabilidad y la asistencia percibida. No obstante, se identificaron aspectos relacionados con la comodidad y la ergonomía como áreas susceptibles de mejora, lo que indica la necesidad de continuar optimizando el diseño para mejorar la experiencia del usuario en futuras iteraciones.
Como trabajos inmediatos, se propone evaluar el dispositivo con sujetos con patologías neurológicas para determinar su seguridad, usabilidad y eficacia en la población objetivo, al tiempo que se identifican posibles mejoras, protocolos de entrenamiento adecuados, estrategias de asistencia optimizadas y efectos terapéuticos a largo plazo. Además, futuros trabajos deberían incorporar modificaciones al dispositivo para abordar las limitaciones observadas durante los estudios y permitir el desarrollo de nuevos proyectos de investigación.
