Los trastornos neurológicos afectan al desarrollo motor de pacientes pediátricos, retrasando hitos del desarrollo como la capacidad de caminar de manera independiente y de explorar su entorno, ralentizando así su aprendizaje. La espasticidad desempeña un papel decisivo en estos trastornos, generando rigidez muscular y limitando el rango de movimiento articular; sin embargo, estos y otros efectos secundarios pueden paliarse si se tratan durante los primeros años de vida, pero los fisioterapeutas están desbordados. En consecuencia, existe la creciente necesidad de incorporar dispositivos robóticos pediátricos en este tipo de terapias con el objetivo de mejorar la fuerza muscular y la neuroplasticidad, apostando por tecnologías personalizadas, modulares, más baratas y menos pesadas. Los exotrajes o exosuits ofrecen una solución prometedora al utilizar materiales flexibles que imitan los movimientos naturales y evitan algunas de las limitaciones experimentadas por los exoesqueletos tradicionales, proporcionando una experiencia cómoda para el usuario. Entre estos exotrajes, los principales desafíos radican en conseguir desarrollar una transferencia de fuerza efectiva desde los actuadores a los puntos de actuación o articulaciones y el desarrollo de actuadores soft o blandos que proporcionen diseños sencillos. Además, una sensorización efectiva es crucial para compensar la ausencia de estructuras rígidas. Por lo tanto, esta tesis se centra en el diseño, desarrollo y validación de un exotraje que utiliza actuadores soft para asistir el movimiento de la rodilla y el tobillo de pacientes pediátricos. Además, se engloba dentro del proyecto nacional Discover2Walk, cuyo objetivo es crear un sistema robótico para mejorar la marcha en niños pequeños con parálisis cerebral. Tras realizar una extensa revisión de la literatura, se decidió que el dispositivo a desarrollar debería consistir en un exotraje vestible, que sujete el peso corporal y con un controlador de posición para gobernar el comportamiento de los actuadores. En cuanto a los grados de libertad actuados en cada articulación, la literatura sugiere que la actividad de la rodilla y el tobillo se lleva a cabo, principalmente, en el plano sagital, especial mente durante la marcha. Sin embargo, es de vital importancia eliminar las restricciones del resto de grados de libertad para mejorar la comodidad y la estabilidad. Además, se crearon diferentes bancos de prueba o maniquíes con el objetivo de probar los prototipos diseñados y poder adaptar los parámetros y controladores. Con este propósito en mente, se obtuvieron medidas anatómicas del usuario diana junto con las restricciones biomecánicas y rangos de movimiento necesarios. Las piezas necesarias fueron creadas utilizando técnicas básicas de impresión 3D y modelado de resinas mediante moldes. Entre los diferentes actuadores, se seleccionaron las aleaciones de memoria de forma (Nitinol) debido a su alta potencia específica, su capacidad de actuar en forma de hilos y su fácil miniaturización, su alta eficiencia, su bajo coste, su baja complejidad, su excelente biocompatibilidad, estabilidad térmica y resistencia eléctrica; además del gran respaldo científico que apoya su uso en aplicaciones biomédicas. Por otro lado, los requerimientos de par articulares en individuos pediátricos, muy lejos de los requerimientos experimentados por la población adulta, convierten el Nitinol en un material adecuado. Sin embargo, el NitiNol trabaja en un ancho de banda limitado y durante las diferentes pruebas el funcionamiento del dispositivo experimentó un retraso de 0.5 s. Además, la fuerza de recuperación en el extremo del actuador afecta a su control, y la esterilización de los trajes de neopreno suponía un reto. Entre las propuestas futuras, se incluye la mejora de la frecuencia de actuación con el uso de sistemas basados en múltiples hilos; el modelado los retrasos para mejorar la capacidad de respuesta; y la creación de protocolos de vestido y desvestido y piezas de anclaje más adecuadas para respaldar la modularidad del exotraje, poder cumplir los procedimientos de esterilización y poder adquirir trajes de diferentes tallas que se adapten mejor a los cuerpos de los sujetos. Además, se necesitaba una nueva sensorización en el dispositivo, ya que los sensores de rotación absoluta que se utilizan en los exoesqueletos convencionales fueron descartados ya que se colocan en ejes de rotación fijos; mientras que los sensores "soft" presentaban una elevada incertidumbre. Esto colocó a los sensores inerciales en el punto de mira debido a su independencia y la capacidad ser utilizados en cualquier entorno. Su uso para seguir las posiciones articulares de la flexo-extensión de la rodilla y el tobillo en tiempo real demostró ser preciso, utilizando Procesos Gaussianos para mejorar las métricas del tobillo. Finalmente, se consiguió la integración del software con el dispositivo desarrollado en el proyecto nacional Discover2Walk en términos de frecuencias de trabajo y comunicación. En cuanto a la integración del hardware, solo se pudo validar la órtesis del tobillo debido a las restricciones biomecánicas entre ambos dispositivos, obteniendo resultados prometedores. Sin embargo, al realizar las pruebas del dispositivo sobre un sujeto sano, se encontraron algunos problemas, lo que resultó en la ruptura del hilo de actuación. Se plantearon y validaron dos hipótesis al respecto, y se propusieron dos soluciones. La primera incluía el uso de bucles de control adaptativos basados en mediciones de fuerza; la segunda, mejorar el aislamiento entre los cables Bowden y las fibras de la aleación de memoria. Adicionalmente, como línea futura, se propone la estandarización del rendimiento y el desempeño del actuador mediante un dispositivo que incorpore métricas de posición, temperatura y fuerza para evitar la incertidumbre asociada; y la exploración de herramientas de aprendizaje automático para modelar el comportamiento del sistema.

Neurological disorders usually affect pediatric motor development, delaying milestones such as independent walking and environmental exploring, hampering the learning processes in toddlers. Spasticity usually plays a decisive role in these disorders, worsening muscle stiffness and joint movement; however, these and other secondary effects can be palliated if treated during their firsts life-years, but physiotherapists are overwhelmed. Consequently, there is a growing need for weightless, priceless and personalized pediatric robotic devices aiming to enhance muscle strength and neuroplasticity. Soft exosuits offer a promising solution by using flexible materials that mimic natural movements, avoiding the constraints experienced by traditional exoskeletons and providing a comfortable user-experience. Among these exosuits, key challenges include effective force transfer from actuators to joints and the development of soft actuators which provide lightweight designs. Additionally, effective sensorization is crucial to compensate for the absence of rigid structures. Thus, this thesis focuses on the design, development and testing of a soft exosuit using soft actuators to assist both the knee and ankle movement of pediatric patients. It takes part in the Discover2Walk national project, aiming to create a robotic system to enhance walking in toddlers with cerebral palsy. After performing an extensive literature review, it was decided that the target device should consist in a wearable exosuit, with the body-weight suspended and a position controller to govern the actuators behavior. Regarding the degrees of freedom actuated in each joint, key findings indicated that the knee and ankle movements occur mainly in the sagittal plane, specially during gait. However, leaving the other degrees of freedom unconstrained may enhance comfort and stability. Different test benches or dummies were created with the objective of testing the device prototypes and adapting the measurements and controllers. For this purpose, anatomical measurements were obtained for the target user along with biomechanical constrains and ranges of movement. Basic 3D printing and casting was enough to build these test benches. Among the different actuators, Shape Memory Alloys (Nitinol) were selected due to their high specific power, their high tension so they could be used in the shape of wires, their miniaturization capabilities, their high efficiency, their reduced cost, their low complexity, their excellent biocompatibility, thermal stability and electric resistivity; in addition to the great scientific background supporting their use in biomedical applications. Moreover, pediatric torque specifications made Nitinol suitable. However, shape memory alloys exhibited a limited bandwidth and the device developed experienced a 0.5 s delay, with weight dependence affecting control, and where the sterilization of neoprene suits was cumbersome. Future guidelines include improving shape memory alloys frequency with multi-wire systems, modeling delays for better responsiveness, and creating dressing and undressing protocols and easier anchoring pieces so that the exosuit modularity expected to accomplish with sterilization procedures and the possibility to have different suit sizes is covered. Moreover, new sensing systems were needed, as traditional absolute rotation sensors placed on the fixed joints were disregarded while soft sensors were left behind because of the uncertainty associated, placing inertial sensors in the spotlight due to their independence and their usability in any environment. Their use to track the knee and ankle sagittal angular positions in real time was proven accurate, using Gaussian Processes to enhance the ankle metrics. Finally, the software integration with the Discover2Walk national project device was successful in terms of working frequencies and communication. Regarding hardware integration, only the ankle orthosis could be validated due to biomechanical constrains between both devices, obtaining promising results. However, when testing the device over a healthy subject, some issues were encountered, resulting in the Shape Memory Alloy wire breakage. Two hypotheses were posed and validated, and two solutions were proposed. The first one included using adaptive control loops based on force measurements; the second one, enhancing insulation between Bowden cables and Shape Memory Alloy fibers. Additionally, future guidelines propose the standardization of the actuator performance and control with position, temperature and force metrics to avoid uncertainty and the exploration of machine learning tools to model the system behavior.