Prototipo de exoesqueleto de rodilla controlado por señales EMG para personas con artrosis

Abstract

La osteoartritis de rodilla es una enfermedad degenerativa que afecta el cartílago articular, causando dolor, rigidez y pérdida de movilidad. Este padecimiento se asocia a factores como la edad, el sobrepeso, traumatismos y mala alineación al caminar. A pesar de que existen tratamientos quirúrgicos y no quirúrgicos, muchos pacientes en Guatemala no tienen acceso a terapias personalizadas ni a reemplazos articulares por su alto costo. Las órtesis tradicionales alivian parcialmente los síntomas, pero no contribuyen activamente a la rehabilitación. Por otro lado, los exoesqueletos automatizados se han posicionado como una alternativa prometedora, al proporcionar soporte mecánico activo y adaptativo mediante sistemas de control inteligente. Existen exoesqueletos innovadores, que han demostrado eficacia al utilizar señales EMG para accionar mecanismos de asistencia en tiempo real. Sin embargo, estos sistemas siguen siendo inaccesibles para gran parte de la población guatemalteca. Se diseñó y construyó un prototipo de exoesqueleto de rodilla de bajo costo con piezas impresas en 3D y soportes de PVC, accionado por un servomotor y controlado mediante señales EMG adquiridas con MyoWare. La señal se rectificó y se calculó la RMS con ventana deslizante (250 ms), para cada sesión se definió un umbral a partir de la media de la RMS, y el sistema activó la asistencia solo cuando la RMS superó ese umbral. El control se ejecutó en un microcontrolador (ESP32) que conmuta el servomotor para aportar asistencia durante la fase activa. La validación incluyó cinco pruebas distribuidas en tres días (10 pasos por prueba), confirmando detección consistente de activaciones musculares y disparo selectivo del servomotor, sin activaciones falsas en reposo. La latencia observada fue compatible con marcha lenta y el conjunto mecánico mantuvo integridad estructural. El prototipo demostró viabilidad técnica y operativa, estableciendo una base para ajustar parámetros de control y avanzar hacia evaluaciones clínicas con personalización por usuario.

Knee osteoarthritis is a degenerative disease that affects joint cartilage, causing pain, stiffness, and loss of mobility. This condition is associated with factors such as age, excess weight, trauma, and poor alignment when walking. Although surgical and non-surgical treatments exist, many patients in Guatemala do not have access to personalized therapies or joint replacements due to their high cost. Traditional orthoses partially relieve symptoms but do not actively contribute to rehabilitation. On the other hand, automated exoskeletons have emerged as a promising alternative, providing active and adaptive mechanical support through intelligent control systems. Innovative exoskeletons have proven effective in using EMG signals to activate assistance mechanisms in real time. However, these systems remain inaccessible to a large part of the Guatemalan population. A low-cost knee exoskeleton prototype was designed and built using 3D-printed parts and PVC supports, powered by a servomotor and controlled by EMG signals acquired with MyoWare. The signal was rectified and the RMS was calculated with a sliding window (250 ms). For each session, a threshold was defined based on the RMS average, and the system activated assistance only when the RMS exceeded that threshold. Control was executed on a microcontroller (ESP32) that switches the servomotor to provide assistance during the active phase. Validation included five tests spread over three days (10 steps per test), confirming consistent detection of muscle activations and selective triggering of the servomotor, with no false activations at rest. The observed latency was compatible with slow walking, and the mechanical assembly maintained structural integrity. The prototype demonstrated technical and operational feasibility, establishing a basis for adjusting control parameters and moving toward clinical evaluations with user customization.