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El control mioeléctrico proporcional se puede utilizar para (entre otros fines) activar exoesqueletos robóticos de miembros inferiores . Un sistema de control mioeléctrico proporcional utiliza un microcontrolador o computadora que ingresa señales de electromiografía (EMG) de sensores en los músculos de las piernas y luego activa los actuadores de las articulaciones correspondientes proporcionalmente a la señal EMG.
Un exoesqueleto robótico es un tipo de órtesis que utiliza actuadores para ayudar o resistir el movimiento de una articulación de una extremidad intacta; esto no debe confundirse con una prótesis motorizada , que reemplaza una extremidad faltante. Hay cuatro propósitos que pueden lograr los exoesqueletos robóticos de miembros inferiores: [2]
Los exoesqueletos robóticos de miembros inferiores se pueden controlar mediante varios métodos, incluido un pedal (un sensor de presión conectado a la parte inferior del pie), la estimación de la fase de la marcha (usando ángulos articulares para determinar la fase actual de la marcha) y el control mioeléctrico (usando electromiografía ). [2] [3] Este artículo se centra en el control mioeléctrico.
Los sensores en la piel detectan señales electromiográficas (EMG) de los músculos de las piernas del usuario. Las señales EMG se pueden medir de un solo músculo o de muchos, dependiendo del tipo de exoesqueleto y de cuántas articulaciones se accionen. Cada señal medida se envía a un controlador, que puede ser un microcontrolador incorporado (montado en el exoesqueleto) o una computadora cercana. Los microcontroladores incorporados se utilizan para dispositivos de asistencia a largo plazo, ya que el usuario debe poder caminar en diferentes lugares mientras usa el exoesqueleto, mientras que las computadoras que no están incluidas en el exoesqueleto se pueden utilizar con fines terapéuticos o de investigación, ya que el usuario no tiene que caminar demasiado en un entorno clínico o de laboratorio.
El controlador filtra el ruido de las señales EMG y luego las normaliza para analizar mejor el patrón de activación muscular. El valor EMG normalizado de un músculo representa su porcentaje de activación, ya que la señal EMG se normaliza dividiéndola por la lectura EMG máxima posible para el músculo del que proviene. La lectura EMG máxima se genera cuando un músculo está completamente contraído. Un método alternativo a la normalización es hacer coincidir proporcionalmente la potencia del actuador con la señal EMG entre un umbral de activación mínimo y un nivel de saturación superior .
Con un controlador mioeléctrico proporcional, la potencia enviada a un actuador es proporcional a la amplitud de la señal EMG normalizada de un músculo. [4] Cuando el músculo está inactivo, el actuador no recibe potencia del controlador, y cuando el músculo está completamente contraído, el actuador produce un par máximo sobre la articulación que controla. Por ejemplo, una ortesis de tobillo y pie motorizada ( AFO ) podría emplear un músculo artificial neumático para proporcionar un par de flexión plantar proporcional al nivel de activación del sóleo (uno de los músculos de la pantorrilla). Este método de control permite que el exoesqueleto sea controlado por las mismas vías neuronales que los músculos biológicos del usuario y se ha demostrado que permite a las personas caminar con una marcha más normal que otros métodos de control, como el uso de un pedal. [5] El control mioeléctrico proporcional de los exoesqueletos robóticos de miembros inferiores tiene ventajas sobre otros métodos de control, como:
Sin embargo, el control mioeléctrico proporcional también tiene desventajas en comparación con otros métodos de control, entre ellas:
El control proporcional directo funciona bien cuando cada articulación del exoesqueleto se activa en una dirección (activación unidireccional), como un pistón neumático que solo dobla la rodilla, pero es menos eficaz cuando dos actuadores de articulación funcionan en oposición (activación bidireccional). Un ejemplo de esto sería el exoesqueleto de tobillo que utiliza un músculo artificial neumático para la dorsiflexión basado en la EMG del tibial anterior (músculo de la espinilla) y otro músculo artificial neumático para la flexión plantar basado en la EMG del sóleo (músculo de la pantorrilla). Esto podría dar lugar a un alto grado de coactivación de los dos actuadores y dificultar la marcha. [11] Para corregir esta coactivación no deseada, se puede añadir una regla al esquema de control para que la activación artificial del dorsiflexor se inhiba cuando la EMG del sóleo esté por encima de un umbral establecido. El control proporcional con inhibición del flexor permite una marcha más natural que con el control proporcional directo; la inhibición del flexor también permite a los sujetos caminar mucho más fácilmente con exoesqueletos combinados de rodilla y tobillo con actuadores bidireccionales en cada articulación. [7]
La mejora del rendimiento se ocupa de aumentar las capacidades humanas típicas, como la fuerza o la resistencia. Muchos exoesqueletos robóticos de cuerpo completo que se encuentran actualmente en desarrollo utilizan controladores basados en pares y ángulos articulares en lugar de electromiografía. Véase Exoesqueletos motorizados .
Una de las aplicaciones de un exoesqueleto de miembro inferior robótico es ayudar a una persona discapacitada a moverse para poder caminar. Las personas con lesiones en la médula espinal, músculos de las piernas debilitados, control neuromuscular deficiente o que hayan sufrido un derrame cerebral podrían beneficiarse de usar un dispositivo de este tipo. El exoesqueleto proporciona torsión sobre una articulación en la misma dirección en la que los datos EMG indican que la articulación está girando. Por ejemplo, las señales EMG altas en el vasto medial (un músculo cuádriceps) y las señales EMG bajas en el bíceps femoral (un músculo isquiotibial) indicarían que el usuario está extendiendo su pierna, por lo tanto, el exoesqueleto proporcionaría torsión en la rodilla para ayudar a estirar la pierna.
El control mioeléctrico proporcional y los exoesqueletos robóticos se han utilizado en dispositivos para miembros superiores durante décadas, pero los ingenieros recién han comenzado a utilizarlos en dispositivos para miembros inferiores para comprender mejor la biomecánica humana y el control neural de la locomoción. [12] [13] Al utilizar un exoesqueleto con un controlador mioeléctrico proporcional, los científicos pueden utilizar un medio no invasivo para estudiar la plasticidad neural asociada con la modificación de la fuerza de un músculo (fuerza biológica +/- artificial), así como también cómo se forman las memorias motoras para el control locomotor. [11]
Los exoesqueletos robóticos de miembros inferiores tienen el potencial de ayudar a una persona a recuperarse de una lesión como un derrame cerebral, una lesión de la médula espinal u otras discapacidades neurológicas. Los trastornos motores neurológicos a menudo resultan en una amplitud de activación muscular volitiva reducida, propiocepción deteriorada y coordinación muscular desordenada; un exoesqueleto robótico con control mioeléctrico proporcional puede mejorar los tres al amplificar la relación entre la activación muscular y la retroalimentación propioceptiva. Al aumentar las consecuencias de la activación muscular, un exoesqueleto puede mejorar la retroalimentación sensorial de una manera fisiológica, lo que a su vez puede mejorar el control motor [2] Las personas con lesión de la médula espinal o que han tenido un derrame cerebral pueden mejorar sus capacidades motoras a través de una rehabilitación intensa de la marcha, [14] que puede requerir hasta tres fisioterapeutas para ayudar a sostener parcialmente el peso corporal del individuo. [15] Los exoesqueletos robóticos de miembros inferiores podrían ayudar en ambas áreas.
El sistema neuromuscular tiene torques articulares específicos que intenta generar mientras camina. Los exoesqueletos de asistencia producen parte del torque necesario para mover una o más articulaciones de las piernas mientras camina, lo que permite que una persona sana genere menos torque muscular en esas articulaciones y use menos energía metabólica. El torque muscular se reduce lo suficiente para mantener el torque neto sobre cada articulación aproximadamente igual que cuando camina sin un exoesqueleto. [16] El torque neto sobre cada articulación es el torque muscular más el torque del actuador. Las personas discapacitadas no ven una gran disminución, si es que hay alguna, en el torque muscular mientras caminan con un exoesqueleto porque sus músculos no son lo suficientemente fuertes para caminar con un paso normal, o en absoluto; el exoesqueleto proporciona el torque restante necesario para que caminen.