ADQUISICION Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES DE RODILLA Y CADERA Baculima Pintado Marco Santiago, Castro Castro Castro Miguel Francisco, Urgiles Fernando Autores Universidad Politécnica Salesiana, escuela de Ingeniería Electrónica
[email protected] [email protected] [email protected] Abstract. – Este documento documento pr esenta esenta un a f orma de adqui ri r señ señ al es de l a r odi l l a y cader a, l as mi smas que serán pro p roces cesadas adas tomando en cuenta diferentes aspectos para adquirir una señ señ al. al . L os objeti vos plan teados en en este este tr abaj o de investigaci i nvestigaci ón e impl ementaci ón es obtener las cur vas características de la rodi ll a y cadera cadera en grados en en f unci ón del t iempo, para de es esta manera estos datos envi envi arl os a los actuador actuador es (motor es) es) con el fin de emular la caminata humana para el desarrollo del proyecto fin al exoesqueleto exoesqueleto humano. Cadera, Daq, L abview, Rodil Rodil la. Palabr as Clave.- Clave.- Cadera,
I. INTRODUCCIÓN
mundial, desde el primer prototipo de exoesqueletos desarrollados como es el conocido Hardiman desarrollado por General Electric en el que se dio un primer avance en la elaboración de exoesqueletos. [2]
III. SUSTENTO TEÓRICO 3.1 Ángulos de Cadera, Rodilla
El diseño de exoesqueletos comprende un reto para la ingeniería, esto se debe a que el sistema debe prestar todas las seguridades para el usuario y además de ser una estructura resistente, el dispositivo debe brindar todas las seguridades del caso y ser capaz de emular la caminata humana. En el desarrollo de un exoesqueleto para las extremidades inferiores las partes involucradas son la mecánica, la de software y la de control o potencia, en el desarrollo del del mismo, dentro del software se encuentra la parte de adquisición de las señales de los ángulos generados por el tobillo, rodilla y cadera, en este caso el trabajo se encuentra enfocado en la cadera y rodilla, esto debido a que son las partes del cuerpo que presentan mayor actuación el momento de desarrollar la marcha.
II. ANTECEDENTES
Ilustración 1. Ángulos en el plano sagital de las articulaciones (Grados) durante un único ciclo de la marcha de la cadera derecha, la rodilla y el tobillo. IC = Contacto inicial; OT = del pie sin levantar; HR = elevación del talón; OI = contacto inicial opuesto; TO = punta del pie apoyada; FA = pies adyacentes; TV = tibia vertical [1].
En la ilustración 2, que se basa en los datos Con el transcurso de los años la de Sutherland (1988), muestra el elaboración de los exoesqueletos ha venido movimiento plano sagital medio en las desarrollando grandes teologías a nivel articulaciones de cadera, rodilla y tobillo
realizadas en 49 niños entre 11 y 13 meses. En comparación a la ilustración 1, en el que se muestra los mismos parámetros para una mujer adulta normal. [1] Como se puede ver el patrón de flexión de la cadera y la extensión, difiere de la de los adultos en el grado de extensión, esta se reduce y la cadera no permanece flexionada durante tanto tiempo al final de la fase de oscilación. [1]
uso común, ver figura 1, en las cuales se realizado un mecanizado asemejando a una junta esférica y así conseguir el libre movimiento circular a casi 360°, ya que los potenciómetros no nos brindan esa libertad, ver figura 2. Las dimensiones para las reglas fueron basadas en la figura 3 en la cual nos muestra la distancia ideal de las extremidades de una persona y en base a las pruebas realizadas podemos decir que estas dimensiones fueron bastantes acertadas, debido a que no tuvimos inconveniente en colocar a un varón o mujer de diferentes estaturas. Una vez desarrollado el prototipo y probado su flexibilidad y adaptabilidad a la persona, para el análisis de las señales tomadas, se diseñó un entorno de visualización en LabView en el cual se adquieren las señales y se procesan para mostrarnos el ángulo de movimiento con respecto al tiempo tanto de la cadera como de la rodilla. El entorno de visualización se aprecia en la figura 4.
Ilustración 2. Señales obtenidas en el plano sagital, Ángulos de la rodilla cadera y de tobillo en niños de 1 año de edad, en el que el ángulo de la cadera se ha extendido 15 grados para igualar a la del adulto. [1]
En bases a los patrones expuestos los datos obtenidos se intentaran obtener para de esta manera ser analizados y buscar la semejanza entre los valores descritos y adquiridos.
IV.
DESARROLLO
Para la adquisición de las señales se diseñó un prototipo de electro goniómetros, en realidad bastante sencillo, este fue realizado con potenciómetros y reglas de
Figura 1. Prototipo de electro goniómetro para adquirir el desplazamiento angular de cadera y rodilla.
Figura 2. Junta esférica creada por los autores, para el acople de las reglas con los potenciómetros.
Figura 5. Diagrama a bloques para la adquisición y análisis del movimiento angular de rodilla y cadera.
Figura 3. Distancias entre las diferentes articulaciones del cuerpo humano del individuo modelo [3]
Figura 4. Interfaz desarrollado en Labview para la adquisición y análisis del movimiento angular de rodilla y cadera.
Al momento de adquirir las señales por primera vez vimos que estas nos mostraban componentes positivas y negativas con una variación entre si demasiado rápidas e influían demasiado al momento del análisis, es por eso que vimos conveniente elevar la señal original al cuadrado y nuevamente sacar su raíz cuadrada y de esta manera como esperábamos obtuvimos señales únicamente con componentes positivas y con menos disturbios. El proceso de adquisición a más detalle se puede ver en la figura 5. Con el prototipo de adquisición y el entorno de análisis desarrollado y probado, procedimos a realizar la toma de señales, adaptando el sistema a una persona de 20 años, ver figura 6. Claramente podemos ver la adaptabilidad del prototipo, así mismo se aprecia en la figura 7, como se toma la muestra de desplazamiento angular de la cadera, el cual además se verifico con un goniómetro
común, de la misma manera se ve en la figura 8, para el análisis de la rodilla.
Figura 8. Verificación de la correcta adquisición del desplazamiento de la rodilla (medición del Angulo con un goniómetro
Con el sistema colocado, procedimos a realizar las pruebas de medición y obtuvimos las curvas que se aprecian en las figuras 9 y 10, que corresponden a la rodilla y cadera respectivamente. Figura 6. Ubicación del sistema de adquisición.
Figura 7. Verificación de la correcta adquisición del desplazamiento de la cadera (medición del Angulo con un goniómetro)
Las muestras adquiridas sin bien es cierto no son las más optimas pero se acercan de manera notable a las propuestas en las ilustraciones 1 y 2 tanto para rodilla y cadera. Cabe resaltar que las muestras tomadas fueron sobre la pierna izquierda de la persona en análisis. Las gráficas presentadas fueron adquiridas originalmente desde el entorno creado en Labview, pero para el análisis los datos fueron exportados a Excel, y aquí graficadas las curvas. Las cuales se aprecian con gran calidad de detalle para trabajos futuros o mejoras del sistema de adquisición.
conocida de los potenciómetros, ya que estos no brindan una medida exacta, sin embargo los resultados obtenidos apreciados en las figuras 9 y 10, son bastante aceptables. A pesar de tener un sistema exacto de adquisición vemos que nuestro prototipo es aceptable comparado con sistemas de adquisición altamente costosos y con entornos complicados de utilizar. Figura 9. Curva correspondiente al desplazamiento angular de la rodilla con respecto al tiempo.
VI. Referencias [1] Whittle M. W. GAIT ANLYSIS AN INTRODUCTION, Editorial Heidi Harrison, (2007). [2] Acosta E. O., Quintero V., Velasco Toledo N. SELECCIÓN DE ACTUADORES Y SENSORES PARA EL TOBILLO Y LA RODILLA DE EMI-UMNG (2013) de: http://www.scielo.org.co/scielo.php?pid=S01 24-81702013000100004&script=sci_arttext
Figura 10. Curva correspondiente al desplazamiento angular de la cadera con respecto al tiempo.
V. Conclusiones El sistema de adquisición propuesto con potenciómetros y reglas comunes, resulto ser un medio bastante aceptable para el procesamiento de señales de rodilla y cadera, las muestras adquiridas mediante estas se acercan notablemente a las ilustraciones 1 y 2, en la cual se basó nuestro diseño, ya que estas curvas son las más acercadas a la realidad del movimiento de la rodilla y cadera. Las curvas obtenidas no resultaron de alta fidelidad debido a una característica
[3] Biomecánica de la rodilla y lesiones, disponible en: http://www.muscleblog.es/2010/09/biomeca nica-dela-rodilla-y-lesiones-sentadillaprofunda-vs-sentadilla-horizontal
