Exoesqueletos


Bienvenidos a mi post


Les comparto una información acerca de los exoesqueletos, espero que les guste . Aclaro, esto no es mio ni es mi trabajo, solo es una extracción de un documento en línea.

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Por definición un exoesqueleto es un esqueleto que se encuentra afuera del cuerpo. Un exoesqueleto en el ámbito de la robótica es una máquina móvil que principalmente está compuesta de un exoesqueleto como marco usado por una persona y una fuente de alimentación que suministra al menos una parte de la energía para el movimiento de las extremidades. En resumen, un exoesqueleto es una máquina portátil que ofrece una mayor capacidad humana física.

Los exoesqueletos electrónicos están diseñados para ayudar y proteger al usuario que puede estar sano o no. Pueden ser diseñados, por ejemplo, para ayudar y proteger a los soldados y los trabajadores de la construcción, o para ayudar a la supervivencia de las personas en otros entornos peligrosos. En la medicina existe un amplio mercado en el futuro como prótesis para proporcionar ayuda a la movilidad para los ancianos y personas enfermas. El desarrollo de máquinas de asistencia es ahora un tema importante debido al rápido envejecimiento de la población. Otras posibilidades incluyen el trabajo de rescate. Por ejemplo en los edificios derrumbados, el dispositivo podría permitir a un trabajador de rescate levantar los escombros pesados, al mismo tiempo que lo protegen de la caída
de escombros

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Tendencias más importantes



Milicia.


Los seres humanos no son las criaturas más rápidas en la Tierra, y la mayoría de nosotros estamos limitados en la cantidad de peso que podemos levantar y llevar. Estas deficiencias pueden ser fatales en el campo de batalla, y por eso los EE.UU. a través del DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) está invirtiendo $ 50 millones para desarrollar un exoesqueleto para adaptarse a las tropas de tierra. Este sistema robótico portátil podría dar a los soldados la capacidad de correr más rápido, llevar armas más pesadas y saltar por encima de grandes obstáculos .

Los objetivos que las investigaciones esperan que hagan por los soldados son básicamente:

• Aumentar la fuerza - Los soldados serán capaces de llevar más armas y suministros. Al aumentar la fuerza, los soldados también será capaz de eliminar
grandes obstáculos de su camino, mientras marchan. También les permitirá usar armaduras pesadas y una protección balística mejor.

•Aumentar la velocidad– La velocidad de caminata humana promedio es de 4 a 6 millas por hora, pero los soldados a menudo se espera que transporten hasta 150 libras de suministros en sus mochilas. Incluso las mejores tropas no pueden ir muy rápido con mucho peso sobre sus espaldas.


•La altura de salto y la distancia– Se espera que la máquina de a los soldados la capacidad de saltar por encima de los obstáculos que normalmente las tropas no podrían.


En general, los soldados se beneficiarán de la mayor resistencia al marchar largas distancias por terrenos impredecibles. Con el aumento de la fuerza, también serán capaces de reparar equipo pesado que de otro modo sería imposible de reparar. Los expertos esperan menos bajas por la armadura del cuerpo.



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Medicina


Otra tendencia muy interesante y mucho más noble es la que están realizando los orientales. Ellos están centrados en dispositivos que permitan realizar movimientos que diariamente hacemos tales como caminar, levantarse de una silla, agacharse, etc.


Las personas que se verán beneficiadas con el proyecto son:

• Personas de edad con problemas de motricidad o deficiencia muscular.

• Personas con discapacidades físicas debido a accidente o herencias.

• Personas con sobrepeso que tengan dificultades de locomoción.

•Personas con necesidades de trabajos fisioterapéuticos.

Además también el proyecto apunta a ayudar a las enfermeras en las tareas de manipulación de personas. Estos profesionales generalmente lidian con tareas que implican movimientos de personas que incluso pueden ser de mayor tamaño que ellos. Este traje permitirá que estas tareas sean mejor y más cómodamente realizadas .


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Usos generales



• Milicia.

• Construcción.

• Medicina.

• Personas de edad o con discapacidades.

• Trabajos de rescate


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Desafíos de los proyectos.



• Materiales Estructurales - El exoesqueleto tendrá que ser hecho de materiales compuestos que sean fuertes, ligeros y flexibles. Para el caso de los soldados el material también debe ser capaz de protegerse a sí mismo y a su portador del fuego enemigo.

• Fuente de alimentación - El exoesqueleto debe tener el poder suficiente para funcionar durante al menos 24 horas antes de reposar. Creación de una máquina que no hace ruido podría ser la tarea más difícil que enfrentan los desarrolladores del exoesqueleto.

• Control– El control de la máquina debe ser perfecto. Los usuarios deben ser
capaces de moverse normalmente mientras usan el dispositivo.

• Actuación - Los diseñadores tendrán que dar a la máquina la capacidad de moverse sin problemas, de modo que no sea demasiado incómodo para el
usuario.

• Biomecánica– Los exoesqueletos tendrá que ser capaces de moverse de un lado a otro y de adelante hacia atrás, al igual que una persona se mueve. Los desarrolladores tendrán que diseñar el marco con articulaciones de manera que se puede doblar como nuestro cuerpo.



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Investigaciones



Hardiman.


En 1965, General Electric fue el primero en intentar la creación de un exoesqueleto para los seres humanos. Se le dio el nombre de Hardiman. La idea era crear un exoesqueleto de potencia que pudiera multiplicar la fuerza del operador suficientemente de manera que le permita levantar 1500 libras (680 Kg) con gran facilidad.

General Electric tenía grandes esperanzas en Hardiman, previendo quese utilice a bordo de portaaviones para la carga de bombas, la construcción bajo agua, en plantas de energía nuclear, y en el espacio exterior. Sin embargo, en 1970 sólo uno de los brazos se completo. Este podía levantar 750 libras (340 Kg) y respondía de acuerdo a especificaciones, pero el sistema entero pesó tres cuartas partes de una tonelada (750 Kg). Cualquier intento de utilizar el exoesqueleto completo resultó en un sistema con movimientos violentos e incontrolables, y como resultado el exoesqueleto nunca se activo con una persona dentro. Se perdió interés en el desarrollo de Hardiman y el proyecto nunca tuvo éxito.


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Lifesuit.



Monty Reed, un soldado retirado luego de sufrir un accidente de paracaidismo y romperse la espalda comenzó a trabajar en 1986 en LifeSuit como una herramienta para terapias físicas de recuperación. En 2001 LIFESUIT Uno (LSI) fue construida. En 2003 LS6 fue capaz de grabar y reproducir una marcha humana. En 2005 LS12 fue usado en una carrera a pie. Monty Reed y LIFESUIT XII establecieron el récord de velocidad y distancia de alguien que haya usado un traje de robot. LS12 completado la carrera de 3 millas en 90 minutos. El prototipo actual LIFESUIT 14 puede caminar una milla con una carga de 92 kg (203 lbs).

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Berkeley



Las actividades de investigación del Human Engineering Laboratory de la Universidad de California Berkeley se centran en el diseño y el control de una clase de sistemas robóticos usados o explotados por los humanos para aumentar la resistencia mecánica humana, mientras que el intelecto del usuario sigue siendo el sistema central de control para manipular el robot. Los extensores de poder humano puede ser usado para maniobrar cargas pesadas con gran destreza, velocidad y precisión, en las fábricas, astilleros, aeropuertos, obras de construcción, y almacenes.

El diseño y control de las extremidades de los exoesqueletos es diferente del diseño y control de los robots convencionales, puesto que la interfaz con los humanos es en el plano físico. El humano transfiere sus comandos a los extensores de fuerza a través del contacto entre el y el extensor, eliminando la necesidad de un joystick, pulsador o el teclado, para la transferencia de tales comandos. En esta configuración única, el cuerpo humano, en contacto físico con el extensor, intercambia señales tanto de potencia como de información con el extensor. Debido a esta interfaz única, el ser humano se convierte en una parte integrante del robot. La hipótesis es que estas máquinas cuando se usan por los trabajadores para maniobrar cargas, prevengan lesiones de espalda. Cuando el trabajador utiliza el extensor al tocar o manipular una carga, el extensor transfiere al brazo, mediante una retroalimentación natural, un tamaño reducido del peso de la carga real que el extensor está manipulando: el hombre "siente" el peso de la carga en las manipulaciones. De esta manera, el extensor evita lesiones en la espalda a los trabajadores de maniobra de cargas”.

Sus trabajos de investigación sobre los fundamentos del aumento del poder humano ha dado lugar a una riqueza de conocimientos y experiencia en diversas disciplinas tales como el control de la fuerza, el control de la impedancia, sensores, la locomoción, sistemas de transmisión compactos, avanzados dispositivos hápticos, controladores DSP empotrados, sistemas de biometricos, hidráulica, neumática, y actuadores eléctricos.


Los desarrollos de Berkeley son:

• BLEEX

• EXOHIKER.

• EXOCLIMBER

• HULC.

• Exoesqueletos para la medicina.



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BLEEX



La DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) financió el proyecto BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton) en 2000. En noviembre pasado, la U.C. Berkeley’s Human Engineering and Robotics Laboratory, demostró con éxito el primer exoesqueleto experimental en el que el piloto (es decir, el usuario) puede transportar una carga pesada, mientras que él solo siente una ligera carga.

El objetivo principal del proyecto BLEEX en la UC Berkeley es crear un exoesqueleto autoalimentado para la mejora de la fuerza y resistencia de los seres humanos que sea ergonómico, muy maniobrable, robusto mecánicamente, ligero y duradero. El primer prototipo experimental del exoesqueleto se compone de dos piernas de potencia, una unidad de potencia, y una mochila como marco en el que se puede montar una variedad de cargas. El dispositivo se conecta de forma rígida al piloto en el pie y, a fin de evitar la abrasión, de forma más ligera en otros lugares del cuerpo.

El exoesqueleto permite a una persona ponerse en cuclillas cómodamente, doblar, saltar de un lado a otro, girar, caminar y correr además de subir y bajar las pendientes y pasar por encima y debajo de las obstrucciones en el ejercicio de equipo y suministros. Al usar el exoesqueleto, el usuario puede transportar grandes cargas, a través de distancias considerables, sin reducir su agilidad, lo que aumentó significativamente su eficacia física. El sistema está diseñado de tal manera que, si el dispositivo pierde poder (por ejemplo, por agotamiento del combustible), las piernas del exoesqueleto se pueden quitar y convertirse en una mochila estándar.


El sistema de exoesqueleto de Berkeley ofrece a los soldados, trabajadores de socorro en casos de desastre, los combatientes de incendios forestales, y otro personal de emergencia la capacidad para soportar cargas importantes, tales como alimentos, equipo de rescate, primeros auxilios, equipo de comunicaciones y armamento con el mínimo esfuerzo a través de cualquier tipo de terreno. La visión del dispositivo es que será una plataforma de transporte versátil para equipos críticos.


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EXOHIKER.



ExoHiker fue diseñado para llevar cargas pesadas durante largas misiones.

• Peso: 14 Kg. incluyendo la unidad de energía, baterías y ordenador de a bordo.

• Carga útil: 70 Kg. mientras que el usuario no siente la carga.

• Ruido: prácticamente imperceptible.

• Duración de la misión: sin el panel solar: 90 km a la velocidad promedio de 6 km por hora. Con un pequeño panel solar, su tiempo de misión será ilimitado.

Ejemplo: Debido a una actuación sin precedentes y la tecnología de entrega de potencia, una batería de 80 W-hora, que pesa 0.5 kg es suficiente para hacer funcionar este exoesqueleto para llevar 70 kg de carga durante 21 horas mientras el usuario no siente la carga en el hombro.
Interfaz: pequeña pantalla LCD.

• Características especiales: fácil de guardar (piernas retráctiles), salida de emergencia rápida (liberación de la mochila y / o exoesqueleto), y posibilidad de liberar el compensado en caso de necesidad.

La construcción de ExoHiker se completó en febrero de 2005




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EXOCLIMBER.



ExoClimber está diseñado para permitir el rápido ascenso de escaleras y cuestas empinadas mientras que proporciona la misma carga a largo plazo con capacidad de transporte de ExoHiker

• Peso: 25 Kg incluyendo la unidad de poder y ordenador de a bordo.

• Carga útil: el usuario no siente la carga vertical con un peso de hasta 70Kg.

• Ruido: tan silencioso como una impresora de oficina.

• Rango de Misión: Al menos 200 metros de subida por libra de la batería, con 70 Kg de carga útil.

Ejemplo: El Empire State Building es de 400 metros de alto y uno requeriría una batería de dos libras para llevar una carga de 70 Kg al último piso. Otras fuentes de energía opcionales incluyen una pequeña celda de combustible.

• Interfaz: pequeña pantalla LCD.

• Características especiales: Patas retráctiles, rápida salida de emergencia (salida de la mochila y / o exoesqueleto).


La construcción de ExoClimber se completó en octubre de 2005


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HULC


HULC (Human Universal Load Carrier) es la tercera generación de sistema de exoesqueleto de Berkeley Bionics. Incorpora las características de ExoHiker y ExoClimber exhibiendo dos características independientes:


• Levanta hasta 100 Kg, sin obstaculizar el usuario (Aumento de Fuerza).

• Reduce el costo metabólico a su portador (aumento de resistencia)

Si la primera característica requiere poca explicación, la segunda característica es un atractivo y una ventaja competitiva de HULC completamente ausente en cualquier otro sistema de exoesqueleto. En algunas evaluaciones preliminares, el consumo de oxígeno de los usuarios a pie, a una velocidad de 5 km/hora, disminuyó en un 5% ~ 12% al usar nuestra unidad de prueba Alpha sin una carga útil. Cuando los usuarios llevan una carga, el efecto fue más pronunciado. El consumo de oxígeno de estos usuarios con una carga de carga de 40 Kg a una velocidad de 5 km/hora se redujo en un 15% cuando se utiliza el prototipo de HULC.


La reducción del costo metabólico del usuario es de vital importancia para las misiones de larga duración. Esto es así porque el consumo de oxígeno excesivo conduce a la fatiga prematura, incluso si el exoesqueleto soporta la carga


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Raytheon Sarcos XOS



Las instalaciones de investigación de Raytheon en la ciudad de Salt Lake, Utah, está desarrollando un traje robótico para el soldado del futuro financiados por la DARPA. El exoesqueleto es esencialmente un robot portátil que amplifica la fuerza de su portador, la resistencia y agilidad. El más avanzado exoesqueleto, la XOS, otorga a su portador extraordinaria fuerza y resistencia.

El XOS va más lejos que otros exoesqueletos mediante la adición de movimiento asistido a la parte superior del cuerpo, así como las piernas. El objetivo de la XOS se centra en tareas no combativas como la carga de los misiles en los aviones, precisamente el tipo de tarea de la Hardiman fue diseñado para hacer en los años 60.

Construido a partir de una combinación de sensores, actuadores y controladores, el traje futurista permite al usuario llevar fácilmente a un hombre en la espalda o levantar 200 libras a varios cientos de veces sin cansarse. Sin embargo, el traje, que está siendo desarrollado para el Ejército de EE.UU., también es lo suficientemente ágil como para permitir que a su portador patear una pelota de fútbol, golpear una bolsa a gran velocidad, o subir escaleras y rampas con facilidad.


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"HAL" (Hybrid Assistive Limb)



Robot Suit HAL


La compañía se prepara para crear 400 a 500 de los trajes de fuerza a partir de este octubre. Usted puede alquilar el equipo durante un mes por 1000$. El traje lo hará dos a diez veces más fuerte, según la compañía, que opera durante cinco horas con una carga de la batería.

El traje robótico HAL es un robot que puede ampliar y mejorar la capacidad física. Cuando una persona intenta moverse, las señales nerviosas se envían desde el cerebro a los músculos a través de las motoneuronas, moviendo el sistema musculoesquelético como consecuencia. En este momento, bioseñales muy débiles pueden detectarse en la superficie de la piel. "HAL" las capturas a través de un sensor conectado en la piel del usuario. Sobre la base de las señales obtenidas, la unidad de control mueve el conjunto con el movimiento muscular del usuario, que permite apoyar las actividades diarias del usuario. Esto es lo que llamamos un "sistema de control voluntario" que proporciona un movimiento de la interpretación de la intención del usuario de la bioseñales antes de que el movimiento real. "HAL" no es sólo un sistema de control voluntario, sino también un "sistema de control robótico autónomo" que proporciona movimientos como los humanos sobre la base de un sistema robótico que trabaja integralmente junto con el sistema de control autónomo ". "HAL" cyborg es el primer robot controlado por este tipo de sistema Híbrido.


"HAL" está destinado a ser aplicado en diversos campos como el apoyo a la rehabilitación y el apoyo a la formación física en campo de la medicina, el apoyo para personas con discapacidad, el apoyo a trabajos pesados en las fábricas, y el apoyo de rescate en lugares de desastres, así como en el campo del entretenimiento.



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Especificaciones


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HAL tiene dos sistemas de control que trabajan conjuntamente:


• Sistema de control voluntario.


Cuando una persona intenta caminar, por ejemplo, el cerebro envía impulsos eléctricos a los músculos que aparecen en superficies de la piel como débiles señales eléctricas. El sistema "HAL" funciona como se describe a continuación.

1. Los bio-sensores eléctricos adheridos a la piel, leen las señales eléctricas.

2. El equipo inmediatamente analiza el poder real que el usuario intenta generar.

3. Las unidades de energía calcula la cantidad adecuada de poder.

4. Unidades de poder generaran torque y ponen a los miembros en la acción.

Este proceso se completa en una fracción de segundo antes que los músculos se mueven realmente.

Sistema de control robótico autónomo.

Un movimiento humano (por ejemplo, levantarse de una silla) pueden ser reconocidos como un agregado de varios movimientos elementales. Una oración por ejemplo es un grupo de ciertas palabras. "HAL" tiene la base de datos donde se almacenan dichos movimientos y se vinculan a un movimiento determinado, como las listas de palabras de diccionario.

Utilizando la base de datos (que también es actualizado automáticamente por las informaciones que recogen los sensores del cuerpo) "HAL" autónomamente coordina cada movimiento. Además, en el caso de que las señales eléctricas no se pueden detectar debido a algunos problemas en el sistema nervioso central o en los músculos, "HAL" puede ser de utilidad a través del control autónomo robótica.

Desafortunadamente HAL solo es vendido dentro de Japon. HAL puede multiplicar la fuerza por un factor de 2 hasta 10 veces. El traje al ponerse no se siente ya que
soporta su propio peso. El profesor Sankai y su equipo han diseñado especialmente "HAL" para subir montañas, incluso en la nieve a la altura de 4000 metros. En el futuro próximo, será posible llevar al exterior, según las instrucciones de seguridad específicos y las directrices de uso. La batería tiene una duración de 5 horas en las actividades normales


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Power Assist Suit.



• Inventor: Keijiro Yamamoto. Kanagawa Institute of Technology, Robotics and Mechatronics, Japón

• Precios: 2005, $15,000 a $20,000

Ingenieros en Japón están perfeccionando un traje que amplifica la fuerza humana mediante el aire para ayudar a levantar a los pacientes del hospital. Los proyectos de investigación que fue destinada a facilitar los movimientos de traslado de pacientes se inició en la década de 1970.

• En 1991 desarrollaron un brazo motorizado. El brazo se compone de actuadores neumáticos utilizando tubos de goma para la rotación del codo y de sensores para detectar el movimiento del brazo.

• En 1993 se agrego la pierna compuesta de los actuadores de tubo de goma y los sensores que detectan el movimiento del brazo y la pierna de su portador.

• En 1994 se presento el primer proyecto de traje compuesto por los brazos de potencia, las piernas y la cintura desarrollado con actuadores neumáticos de goma.

• En 1995 el traje fue mejorado mediante un actuador neumático nuevo con una precisión infinitesimal.

• En el 2001 se desarrollo el primer prototipo del traje.

• En el 2002 se termino de desarrollar el primer traje autónomo con un sistema de control y fuente de alimentación pequeños. El microcontrolador incorporado calcula la torsión de la articulación necesaria para mantener una posición de acuerdo a las ecuaciones derivadas de la mecánica corporal estática usando los ángulos de articulación.

• Los últimos trabajos fueron presentados en el 2005. Entre las mejoras se puede resaltar que el traje se hizo más resistente de manera a soportar mayores pesos y
además se hizo más compacto de forma a hacerlo más práctico. También se mejoro la fuente de poder y el sistema de control con bombas de aire mucho más precisas.


• La característica principal de este proyecto es que está siendo desarrollado con un sistema neumático, mientras que en general se realizan sistemas hidráulicos o mecánicos.


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Honda.



BODYWEIGHT SUPPORT ASSIST


Honda ha lanzado su “Dispositivo de asistencia al caminar”. El exoesqueleto está diseñado para reducir la carga en los músculos de las piernas y en las articulaciones (en la cadera, las rodillas y tobillos) suportando una parte del peso del usuario. Actúa como un exoesqueleto con correas sobre la ropa del usuario y ofrece dos piernas artificiales que se ajusten al lado de las propias piernas del usuario.


El exoesqueleto, que viene en tamaños pequeño, mediano y grande, pesa cerca de 14,3 libras (6,5 kilogramos). El usuario se asegura con un cinturón alrededor de la cadera y el muslo, y se calza con un par de zapatos conectados a él. Un asiento se ajusta entre las piernas del usuario como una silla de bicicleta. El dispositivo está alimentado por una batería de iones de litio que dura unas dos horas entre cargas, siempre y cuando el usuario no está caminando más rápido de 2,8 millas por hora (4,5 kilómetros por hora).


El Centro de Investigación de Tecnología de Honda comenzó a diseñar el dispositivo de asistencia en 1999, con el objetivo de mejorar la movilidad de personas capaces de caminar por sí mismos, aunque con algunas dificultades, especialmente los ancianos. No está claro el tamaño de ese mercado, y Honda no ha publicado información sobre precios. La compañía introdujo la tecnología en abril en la Feria Internacional de Equipos sin barreras y de la rehabilitación para los ancianos y los discapacitados (sin barreras 2008) en Osaka. Según el sitio Web de Honda, el producto ha "entrado en la fase de viabilidad."

La compañía utilizó el mismo método para desarrollar el dispositivo de asistencia como lo hizo para crear la marcha de su robot humanoide ASIMO, que anda en cuclillas, como si tratara de evitar golpear su cabeza contra algo. Los ingenieros de Honda señalan además que no tienen fines militares y que no tienen el objetivo de volver a las personas super fuertes.


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WALKING ASSIST DEVICE .


Honda ha lanzado también su "Walking Assist Device”. Usado con un cinturón con correas en los muslos, la unidad de 2,8 kg promete agilizar el paso natural de un usuario incorporando fuerza mecánica a su andar. Un procesador a bordo da las medidas de respuesta de los sensores de ángulo de la cadera y da poder a los motores sin escobillas.

El dispositivo, así como BODYWEIGHT SUPPORT ASSIST, también está en marcha desde 1999. Se encuentra también en “fase de viabilidad” y fue lanzado junto con su hermano en el 2008. Vienen en 3 tamaños y tiene una operación de 2 horas con una caminata de 4.5 Km/h


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Conclusiones propias.


Los exoesqueletos son herramientas muy útiles, nos permiten cargar cosas de un peso enorme, movernos con más ágilidad, realizar tareas difíciles, etc. Nos sirven en todos los ámbitos, con cualquier fin, ya sea médico o militar. Hay demasiadas ventajas con estas herramientas que permitiran darle movilidad a gente que la perdió por severas lesiones o simplemente por la edad. Esto es uno de los trabajos que la mecatrónica aporta y quiza sea uno de los más importantes para esta gran rama.


Les dejo unos videos, si no saben inglés, simplemente pongan los subtitulos de youtube

















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Fin del post.


Saludos.


Gracias.


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