Knowledge of the forces applied to the pedals during cycling is of great importance both from the point of view of improving sporting performance and medical analysis of injuries. The most common equipment for measuring pedal forces is usually limited to the study of forces in the sagittal plane. Equipment that measures three-dimensional forces tends to be bulky and to be incorporated into bicycles that are modified to accommodate it, which can cause the measurements taken to differ from those obtained in real pedalling conditions. This work presents a device for measuring the 3D forces applied to the pedal, attachable to a conventional bicycle and pedals, which does not alter the natural pedalling of cyclists. The equipment consists of four gauges located on the pedal axis and two on the crank, controlled by a microcontroller. Pedal forces measurements were made for six cyclists, with results similar to those shown in the literature. The correct estimation of the lateral-medial direction force is of great interest when evaluating a possible overload at the joints; it will also allow a comparison of the effectiveness index during pedalling, showing the role of this component in this index from a mechanical standpoint.

The asymmetries study between both legs of the forces applied to the pedals in cycling is important because they may affect the performance of the cyclist or prevent the occurrence of injuries. Studies focused on analysing asymmetries in forces tend to consider only the effective force, disregarding the three-dimensional nature of the force. Furthermore, these studies do not analyse the possible physical or neurological causes that may have led to the appearance of the asymmetries. This paper presents a methodology to carry out three-dimensional analysis of the asymmetries of the forces applied in both pedals and discriminate the possible sources of these asymmetries. Seven participants, amateurs and without pathologies, were analysed. Two commercial pedals were instrumented to measure the three components of the force applied to each pedal. The Normalized Symmetry Index (NSI) and the Cross Correlation Coefficient (CCC) were used for the asymmetries analysis. Results showed that both indexes need to be used in conjunction to analyse the causes of asymmetry in the pedal forces from a 3D perspective along the pedal cycle. The NSI is an index that makes it possible to evaluate asymmetry by considering only the value of the force applied by each leg at each instant. The CCC makes it possible to evaluate whether the temporal evolutions of the forces applied by each leg are similar. Preliminary results suggest that the proposed methodology is effective for analysing asymmetries in the forces in a pedalling cycle from a three-dimensional point of view. Forces in the sagittal plane showed a high level of symmetry. The lateral-medial force presented the highest level of asymmetry due to the difference in the magnitudes of the applied forces by both legs and the existing time shift between the two force patterns. The results of this work will allow for more complete and accurate three-dimensional dynamic analyses of the lower body during pedalling.

El diseño y desarrollo de exotrajes adaptativos para extremidades inferiores presenta oportunidades significativas para el avance de las tecnologías de rehabilitación y asistencia a la marcha. A diferencia de los exoesqueletos tradicionales, los exotrajes se caracterizan por su estructura flexible y ligera que utiliza el propio cuerpo como soporte estructural, transmitiendo fuerzas y movimientos a través de cables y materiales adaptables al sujeto en lugar de componentes rígidos. Este estudio se centra en la creación de un prototipo de exotraje monoarticular como primera aproximación a un exotraje multiarticular que permita la asistencia a la marcha en pacientes con patología neurológica (mielomeningocele o síndrome Charcot-Marie-Tooth). El dimensionado del actuador se basa en los requisitos de potencia y par obtenidos de los datos de simulación, obtenidos previamente mediante modelos musculoesqueléticos, de manera que los actuadores garanticen una transmisión de fuerza óptimas de los cables tipo Bowden durante el movimiento. Una polea en el eje del motor junto con un alimentador garantiza el guiado correcto del cable, evitando desenrollamientos y destensados del cable en la polea en la polea. El extremo que asiste el movimiento del segmento corporal se puede acoplar en diferentes puntos de anclaje tejidos sobre una muslera deportiva para evaluar diferentes contribuciones de la actuación a la marcha del sujeto. En cuanto a la sensorización, se emplean unidades de medición inercial (IMUs) y células de carga, para identificar la combinación más efectiva en la detección de intención de movimiento y monitorización en tiempo real de la fase de la marcha. Esta configuración de sensores, junto con un enfoque de control adaptativo, se empleó para compensar el destensado de los cables, mejorando la precisión general de la actuación. El modelo de rigidez de la interfaz cable-sujeto se ajusta experimentalmente, considerando la relación entre los cambios en la longitud del cable y la fuerza resultante en varias pruebas. Una vez obtenido el prototipo funcional, el siguiente paso será la implementación de un proceso de optimización bayesiana en el prototipo para identificar los parámetros de actuación y variables de diseño óptimas para minimizar eficientemente funciones objetivo específicas, como el coste metabólico, la trayectoria del centro de masas o la asimetría de la marcha. La optimización bayesiana posibilitará que el exotraje se adapte al comportamiento dinámico real del sistema sujeto-exotraje, considerando factores como destensado de cables, contacto con la piel, patología del sujeto y adaptación al uso del exoesqueleto y particularidades biomecánicas difícilmente cuantificables o medibles durante el funcionamiento.

El desarrollo de modelos computacionales de simulación predictiva de la marcha resulta de gran utilidad a la hora de proponer y analizar dispositivos de asistencia a la marcha. Este trabajo se enmarca en un proyecto de investigación que pretende desarrollar exotrajes de asistencia a la marcha en pacientes de Charcot-Marie-Tooth, una patología hereditaria y degenerativa que provoca debilidad muscular. En su etapa inicial la debilidad se presenta en músculos distales. En el caso del tren inferior, provoca deficiencias en la plantaflexión de tobillo observándose el síndrome del pie caído, entre otras alteraciones. En este trabajo se propone una metodología para realizar simulaciones predictivas de la marcha patológica. En la literatura existe un cierto consenso en que los modelos predictivos para el análisis de la marcha deben plantearse como problemas de control. Para ello, es habitual que la solución obtenida se vaya guiando con datos cinemáticos o cinéticos para que no se vuelva inestable en el tiempo. Se disponen de datos experimentales de ocho pacientes de Charcot-Marie-Tooth del Hospital Universitario Virgen del Rocío de Sevilla. El conjunto de datos experimentales se compone de las trayectorias tridimensionales de marcadores reflectantes colocados según el protocolo de Davis-Heel a lo largo de un ciclo de marcha. Junto con los datos de trayectorias se dispone de datos de fuerzas de reacción con el suelo de una única plataforma de fuerza. Finalmente, se disponen de datos electromiográficos de los principales músculos superficiales del tren inferior, entre ellos el gastrocnemio y el soleo, dos músculos afectados por esta patología. La simulación predictiva a partir de la tipología de datos disponibles plantea dos retos. En primer lugar, para completar un ciclo completo de marcha es necesario disponer de tres plataformas de fuerza que permitan obtener las fuerzas de reacción en el apoyo durante todo el ciclo, incluyendo las fases de doble apoyo. Mediante el método denominado deformación dinámica del tiempo se ha conseguido estimar los datos necesarios para completar un ciclo de marcha con los datos de la placa disponible y la cinemática del ciclo completo. Una vez obtenidos todos los datos de un ciclo de marcha completo, se ha resuelto un problema dinámico inverso en el software Opensim y se ha obtenido la cinemática y la cinética del tren inferior. En segundo lugar, es necesario modelar el comportamiento patológico de los músculos afectados. Se ha propuesto un modelo de contracción para músculos patológicos a partir de los datos electromiográficos registrados en el hospital y de la resolución del problema de reparto de fuerzas musculares realizado en Opensim. De esta forma, se podrá realizar una predicción de la marcha basándose en datos experimentales. Los resultados obtenidos permiten abordar la implementación de un modelo predictivo de la marcha para pacientes de Charcot-Marie-Tooth mediante la resolución de un problema de control óptimo.

Para analizar la funcionalidad del miembro superior (MS) en pacientes tras sufrir un accidente cerebro-vascular (ACV) se han analizado cinemática y cinéticamente capturas de movimiento de tareas de la vida diaria como, por ejemplo, llevarse la mano a la boca. Cada movimiento se ha dividido en tres fases principales: fase de ida (fase de transporte hacia el objetivo), fase de ajuste (fase del movimiento dedicada a localizar con precisión el objetivo) y fase de retorno (fase de transporte hacia la posición original de reposo).La normalización temporal es necesaria para alinear las curvas de mediciones repetidas de un sujeto. De este modo se minimizan o eliminan las variaciones temporales antes del cálculo de la curva que representa el desempeño promedio del sujeto. El método de normalización temporal lineal que define el inicio de una tarea como 0 % y el final de la tarea como 100 % es el empleado habitualmente. Sin embargo, esto no es generalmente aplicable a las tareas del MS, ya que sus movimientos no son periódicos, por lo que se corre el riesgo de alinear los ensayos de manera inapropiada además de obtener un nivel inexacto de varianza entre ensayos.La utilización de un procedimiento de normalización temporal no lineal basado en la técnica de registro de curvas de referencia reduce la varianza temporal intra-sujeto de las curvas de ángulos y momentos articulares. El registro de puntos de referencia es ampliamente aceptado como la técnica de registro de curvas más eficaz. Este procedimiento consta de dos pasos principales: (i) identificación de los puntos de referencia y (ii) construcción de la función de deformación. Su principal ventaja radica en no utilizar una curva media de conjunto no registrada como curva de plantilla. Además, todas las funciones de deformación se construyen en base a puntos de referencia que se identifican directamente a partir de las curvas individuales.En este trabajo se propone la utilización de los tiempos de (i) inicio del movimiento, (ii) ocurrencia del máximo del módulo de la velocidad del marcador situado en el dedo y (iii) fin del movimiento, tanto para la fase de ida como para la de retorno, como los seis puntos de referencia básicos para realizar el registro de puntos de referencia no lineal para normalizar el dominio del tiempo. Para profundizar en el entendimiento del efecto de la normalización temporal no lineal, los resultados obtenidos para las varianzas de las trayectorias experimentales de algunos marcadores se han comparado con las varianzas que se obtienen usando una parametrización de las trayectorias basada, no en el tiempo, sino en la longitud de arco recorrido, es decir, en una parametrización independiente del tiempo. Así, se discuten los resultados obtenidos mediante ambos procedimientos.Este enfoque permite la obtención de curvas medias más realistas de las fuerzas y movimientos del MS en pacientes tras un ACV, lo cual es fundamental para mejorar los programas de rehabilitación y evaluar la evolución funcional de los pacientes.