Diseño del sistema de control de una prótesis transfemoral a partir del reconocimiento de la intención de movimiento

Abstract

En las personas sanas se genera una potencia significativa y otras funciones de locomoción en la rodilla y el tobillo al realizar las actividades: (i) de caminata, (ii) al ponerse de pie, (iii)sentarse, (iv)subir escaleras y otras. Las prótesis transfemorales comerciales mayormente disponibles pueden almacenar y/o disipar energía, pero mayormente no pueden generar potencia durante un ciclo de la marcha. En consecuencia, los amputados transfemorales pueden gastar hasta un 60% más de energía metabólica en relación con las personas sanas, ejerciendo hasta tres veces más la potencia y por ende se realiza un mayor esfuerzo en la cadera resultando está afectada. Por consiguiente, una prótesis con la capacidad de generar una potencia similar a la de una pierna de una persona sana, podría reducir la necesidad de un mayor esfuerzo por parte del paciente amputado. Uno de los principales desafíos que conlleva el desarrollo de una prótesis activa de miembro inferior es el medio por el cual el usuario puede controlar la prótesis, y es por ello que este trabajo se enfoca en el desarrollo del sistema de control de la misma. El trabajo que se presenta consta de siete capítulos, en el primero se plantea los objetivos y los alcances. Se parte de una detallada descripción de la metodología empleada para diseñar el sistema de control, la cual se plantea a partir del modelo descrito en la metodología VDI2206. En el segundo capítulo se describe el fundamento teórico; se revisa también el estado del arte para las prótesis transfemorales activas en el ámbito tecnológico y técnico, enfatizando en el reconocimiento de la intención de movimiento, el control jerárquico de prótesis trasfemorales, y diferentes algoritmos de control usados para control de fuerza y posición. En el tercer capítulo, se presentan los requerimientos considerando el estándar de seguridad ISO13482; se presenta también un diagrama funcional de todo el sistema protésico y se desarrolla las funciones que aplican también para el sistema de control. Con base en ese análisis funcional se selecciona el tipo de estrategia a seguir para desarrollar el sistema de control para la prótesis a partir de una evaluación técnica económica basada en la VDI2225. En el siguiente capítulo se aborda un diseño de configuración para el sistema de control seleccionado en el capítulo anterior. Más adelante en el capítulo cuatro, se describe el procedimiento para reconocer la intención de movimiento a partir de las señales electromiografícas (EMG) empleando algoritmos de reducción de dimensiones, clasificadores del modo de la actividad, entre otros. En el capítulo inmediato se detalla el desarrollo del sistema de control concerniente al control de impedancia, el cual es el nexo entre el sistema de reconocimiento de la intención de movimiento y los sistemas de control de fuerza en la prótesis transfemoral activa (PTA). En el capítulo seis se sintoniza y simula el sistema de control de fuerza para la rodilla y el tobillo para un actuador serial elástico y para un actuador serial – paralelo elástico. En el capítulo final se realiza una integración del sistema y su correspondiente validación virtual. Por último, se detallan las conclusiones.