El control de prótesis robótica es un método para controlar una prótesis de tal manera que la prótesis robótica controlada restablezca una marcha biológicamente precisa a una persona con una pérdida de una extremidad. [1] Esta es una rama especial del control que tiene énfasis en la interacción entre humanos y robótica.
En la década de 1970, varios investigadores desarrollaron una prótesis transfemoral electrohidráulica anclada. [2] [3] [4] [5] [6] [7] Solo incluía una articulación de rodilla accionada hidráulicamente y controlada por dispositivos electrónicos externos utilizando un tipo de control llamado control de eco. [4] El control de eco intenta tomar la cinemática de la pierna sana y controlar la pierna protésica para que coincida con la pierna intacta cuando llega a esa parte del ciclo de la marcha. [3] En 1988, Popovic y Schwirtlich crearon una articulación de rodilla activa alimentada por baterías, alimentada por motores de CC y controlada por un robusto algoritmo de control de seguimiento de posición. [8] [9] El control de seguimiento es un método común de control utilizado para forzar un estado particular, como la posición, la velocidad o el par, para seguir una trayectoria particular. Estos son sólo dos ejemplos de trabajos previos que se han realizado en este campo.
Esta forma de control es un enfoque utilizado para controlar las interacciones dinámicas entre el entorno y un manipulador. [10] Esto funciona tratando el entorno como una admitancia y el manipulador como la impedancia. [11] La relación que esto impone para las prótesis robóticas es la relación entre la producción de fuerza en respuesta al movimiento impuesto por el entorno. Esto se traduce en el par requerido en cada articulación durante una sola zancada, representado como una serie de funciones de impedancia pasiva conectadas por partes a lo largo de un ciclo de marcha. [10] El control de impedancia no regula la fuerza o la posición de forma independiente, sino que regula la relación entre la fuerza, la posición y la velocidad. Para diseñar un controlador de impedancia, se utiliza un análisis de regresión de los datos de la marcha para parametrizar una función de impedancia. Para prótesis de miembros inferiores, la función de impedancia es similar a la siguiente ecuación. [12]
Los términos k (rigidez del resorte), θ 0 (ángulo de equilibrio) y b (coeficiente de amortiguación) son parámetros encontrados mediante regresión y ajustados para diferentes partes del ciclo de la marcha y para una velocidad específica. Luego, esta relación se programa en un microcontrolador para determinar el par requerido en diferentes partes de la fase de marcha.
La electromiografía (EMG) es una técnica utilizada para evaluar y registrar la actividad eléctrica producida por los músculos esqueléticos . [13] Los algoritmos avanzados de reconocimiento de patrones pueden tomar estas grabaciones y decodificar los patrones de señales EMG únicos generados por los músculos durante movimientos específicos. Los patrones se pueden utilizar para determinar la intención del usuario y proporcionar control para una prótesis. [14] Para las prótesis robóticas de miembros inferiores, es importante poder determinar si el usuario quiere caminar en un terreno nivelado, subir una pendiente o subir escaleras. Actualmente, aquí es donde entra en juego el control mioeléctrico. Durante las transiciones entre estos diferentes modos de operación, la señal EMG se vuelve altamente variable y puede usarse para complementar la información de los sensores mecánicos para determinar el modo de operación previsto. [14] Cada paciente que utiliza una prótesis robótica adaptada para este tipo de control debe tener su sistema entrenado específicamente para él. Esto se hace haciéndolos pasar por los diferentes modos de operación y usando esos datos para entrenar su algoritmo de reconocimiento de patrones. [14]
El mecanismo de adaptación de velocidad es un mecanismo que se utiliza para determinar el par requerido de las articulaciones a diferentes velocidades de movimiento. [1] Durante la fase de postura se ha visto que la cuasirigidez, que es la derivada de la relación del ángulo de torsión con respecto al ángulo, cambia constantemente en función de la velocidad de marcha. [1] Esto significa que durante la fase de postura, dependiendo de la velocidad con la que se mueve el sujeto, existe una relación de ángulo de torsión derivable que puede usarse para controlar una prótesis de miembro inferior. Durante la fase de balanceo, el par articular aumenta proporcionalmente a la velocidad de marcha y la duración de la fase de balanceo disminuye proporcionalmente al tiempo de zancada. [1] Estas propiedades permiten derivar trayectorias que se pueden controlar y que describen con precisión la trayectoria del ángulo durante la fase de oscilación. Debido a que estos dos mecanismos permanecen constantes de persona a persona, este método elimina la velocidad y el ajuste específico del paciente que requieren la mayoría de los controladores de prótesis de extremidades inferiores. [1]
La marcha al caminar se clasifica como un sistema híbrido , lo que significa que tiene una dinámica dividida. Con este problema único, se desarrolló un conjunto de soluciones para sistemas híbridos que sufren impactos denominado Funciones de Lyapunov de control de estabilización exponencial rápida (RES-CLF). [15] La función de control de Lyapunov se utiliza para estabilizar un sistema no lineal en un conjunto deseado de estados. Los RES-CLF se pueden realizar utilizando programas cuadráticos que tomen varias restricciones de desigualdad y devuelvan un resultado óptimo. [15] Un problema con estos es que requieren un modelo del sistema para desarrollar los RES-CLF. Para eliminar la necesidad de ajustarse a individuos específicos, se utilizaron programas cuadráticos independientes modelo (MIQP) para derivar los CLF. Estos CLF solo se centran en reducir el error en la salida deseada sin ningún conocimiento de cuál debería ser el par deseado. Para proporcionar esta información, se agrega un control de impedancia para proporcionar un término de avance que permite al MIQP recopilar información sobre el sistema que está controlando sin tener un modelo completo del sistema. [15]
Las soluciones comerciales aprovechan las señales EMG superficiales para controlar la prótesis. Además, los investigadores están investigando soluciones alternativas que aprovechen diferentes fuentes biológicas:
El control miocinético representa una alternativa al control mioeléctrico estándar. Su objetivo es medir la deformación muscular durante la contracción en lugar de la actividad eléctrica del músculo. En 2017 surgió recientemente un enfoque novedoso que se basa en detectar el campo magnético de imanes permanentes implantados directamente en los músculos residuales. [16] [17] Localizar la posición del imán equivale a medir la contracción/alargamiento del músculo en el que está implantado a medida que el imán se mueve con él. Esta información se puede utilizar para interpretar el movimiento voluntario del sujeto y en consecuencia controlar la prótesis. Las señales magnéticas generadas por los imanes son detectadas por sensores externos colocados alrededor del muñón. Luego, la localización se implementa mediante un método de optimización que realiza el seguimiento resolviendo el problema magnético inverso (p. ej., algoritmo de Levenberg-Marquardt ). [dieciséis]
