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Silla de ruedas comandada por señalesmioeléctricas para discapacidades motrices

graves.M.D. Soria1; D.M. Soria2; D. Beltramone3

1Rondeau 372, Dpto.: 6º “C”, Córdoba, Argentina; Tel: +54 (351) 155-334468, [email protected] Rondeau 372, Dpto.: 6º “C”, Córdoba, Argentina; Tel.: +54 (2652) 155-54264.

[email protected],3Universidad Nacional de Córdoba / Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales / Laboratorio de

Ingeniería en Rehabilitación; CC 755 Correo Central - CP 5000 - Córdoba - Córdoba – Argentina;Tel:+54 (351) 433-4147 ext 103, [email protected]

Resumen. El proyecto se basa en el control de una silla de ruedas motorizada comandada por medio deseñales mioeléctricas de cuatro músculos seleccionados según las capacidades del usuario. El desarrollo sedividió en dos etapas:

1. Adquisición y acondicionamiento de las señales mioeléctricas: La señal mioeléctrica se obtienemediante electrodos de superficie por ser poco invasivos. Se utilizan un total de nueveelectrodos: dos por cada músculo y uno como referencia.

2. Procesamiento y control de una silla de ruedas motorizada por medio de las señalesmioeléctricas.

El dispositivo es controlado por medio de cuatro músculos diferentes, cada uno de los cuales maneja unmovimiento determinado. Si se contrae algún músculo, un microcontrolador producirá el movimientocorrespondiente: ADELANTE, ATRÁS, IZQUIERDA o DERECHA, estableciendo no sólo el umbral deamplitud que debe tener la contracción, sino también un tiempo mínimo durante el cual debe mantenersepara considerarse válida, para mayor seguridad del usuario.

Palabras clave: Señales mioeléctricas; Amplificación, Filtrado y Rectificación; Procesamiento y control;Silla de Ruedas Motorizada; Discapacidad Motriz Grave

1. Introducción y contenidos En la Argentina, según la Ley 22.431 en su artículo 2º, podemos ver el concepto de discapacidad como:“… se considera discapacitada a toda persona que padezca una alteración permanente o prolongada, físicao mental, que en relación a su edad y medio social implique desventajas considerables para su integraciónfamiliar, social, educacional o laboral.”Según las estadísticas dadas a conocer por la Organización Mundial de la Salud (O.M.S.) aproximadamenteel 10% de la población total tiene algún tipo de discapacidad. Pero la discapacidad no afecta sólo a estapoblación sino también a aquellas personas que cuidan de éstas, a sus familiares, a la comunidad y a todasaquellas personas que apoyen el desarrollo comunitario, teniendo de este modo una repercusión en el 25%de la población total.El siguiente trabajo se basa en el desarrollo de una silla de ruedas comandada por señales mioeléctricas deloperador de la misma. Los músculos serán cuidadosamente seleccionados según las posibilidades demovimientos voluntarios que la persona disponga. Este dispositivo está destinado a aquellas personas que

XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica Mar del Plata, 28 al 30 de septiembre de 2011

sufren de una discapacidad motriz grave. Así, las personas con una mínima capacidad motora se veríanbeneficiadas con el uso de este dispositivo, dándole independencia en la movilidad y mejor calidad de vida.

2. Metodología

2.1 Adquisición y acondicionamiento de las señales mioeléctricas.

Fig. 1: Diagrama de bloques de la etapa de adquisición y acondicionamiento de la señal mioeléctrica.

En la Fig. 1 observamos que la primera instancia de este proyecto es la adquisición de la señal mioeléctrica.Para esto, se decidió utilizar electrodos de superficie debido a que realizan el sensado de la señal demanera menos invasiva que aquellos de tipo aguja.Se eligieron electrodos de superficie desechables de plata – cloruro de plata (Ag-AgCl12), porque son fácilesde conseguir, muy económicos e higiénicos.Se colocaron dos electrodos por cada canal, es decir por cada músculo, de manera de sensar la señalmioeléctrica de forma diferencial, utilizándose un único electrodo de referencia para todos los canales Enresumen, en total son necesarios para el funcionamiento del dispositivo nueve electrodos: dos por cadacanal y uno como referencia.Las señales mioeléctricas tienen una amplitud que puede estar entre los 5µVpp y los 500µVpp siendonecesario llevar esa amplitud a un rango de 0 a 5V para poder ser manejada la señal por parte de unmicrocontrolador. De este modo, la ganancia brindada por la etapa de amplificación será de 10000.Como las señales mioeléctricas tienen una frecuencia que varía entre los 20Hz – 30 Hz y los 400Hz –450Hz, se utilizan dos tipos de filtros conectados en cascada (un filtro pasa alto con una frecuencia de cortede aproximadamente 20Hz y un filtro pasa bajo Chebyschev con una frecuencia de corte deaproximadamente 500Hz).

Fig. 2: Placa de acondicionamiento de las señales mioeléctricas.

La etapa de rectificación se utilizó para convertir las señales analógicas obtenidas en señales digitales, conel fin de que puedan ser controladas por un microcontrolador que tiene entrada de señales analógicaspositivas entre la tensión de referencia (0 V) y 5 V. En este proyecto se trabaja con la amplitud de la señalmioeléctrica que se define como la intensidad de contracción muscular y no con la forma de onda de dicha


señal, permitiendo entonces modificarla a través de la rectificación sin interferir con el correctofuncionamiento del circuito.Para ingresar la señal mioeléctrica al microprocesador, determinando si el músculo se encuentra contraído orelajado, se decidió filtrar la señal obtenida del rectificador y convertirla en “0” lógico cuando el músculo seencuentre en reposo o en “1” lógico cuando este contraído utilizando un Schmitt Trigger o disparador deSchmitt. De este modo, se logró simular el comportamiento de un switch. Se decidió utilizar un Schmitt Trigger por ser un prototipo de prueba inicial, con el fin corroborar elfuncionamiento del dispositivo, planteándose como una mejora futura del mismo utilizar un sistema másinteligente donde se pueda manejar la sensibilidad cambiando el umbral con una resistencia variable.

Fig. 3: Distintas etapas de la adquisición de señales mioeléctricas. Imágenes de la placa de rectificación.

2.2 Procesamiento y control de una silla de ruedas por medio de las señales mioeléctricasUna vez realizada la adquisición y acondicionamiento de la señal, se procedió a la etapa de procesamiento ycontrol de la misma. Para esto, se plantearos cuatro hipótesis:

1. Reemplazo de las señales emitidas por el Joystick a través del BIOPAC - MP150.2. Reemplazo de la señal que comunica al Joystick con el control de potencia por medio de un

microcontrolador PIC.3. Reemplazo de la señal emitida por los sensores de efecto Hall del Joystick por medio de un

microcontrolador PIC.4. Control directo de los motores de la silla de ruedas.

Carro móvil controlado por señales mioeléctricas que emulan los movimientos de una silla deruedas.

Se logró obtener los resultados deseados con el “Control directo de los motores de la silla de ruedas”. Paradesarrollar esta hipótesis se decidió construir inicialmente un dispositivo que controle, a través de lasseñales mioeléctricas, dos motores de corriente continua de 12V bidireccionales simulando el movimiento deuna silla de ruedas. Esta situación era prácticamente idéntica a la de la silla, salvo que los motores de éstaúltima son de mayor potencia y el control debe tener estas características. Al controlar 2 motores depequeña potencia, se podía tener un prototipo a pequeña escala de la silla, más práctico a la hora derealizar pruebas.


Fig. 5: Diagrama en bloques.

Como se puede observar en el diagrama de la Fig. 5, se realizó el control de dos motores a través de lasseñales mioeléctricas ya acondicionadas. Para esto se utilizó un carro móvil formado por dos motoresbidireccionales de corriente continua de 12V que son activados por contracciones musculares. Este carro fuecedido por el Ing. Juan Cruz Bigliani, parte del Laboratorio de Investigación Aplicada y Desarrollo (LIADE). Una vez adquirida y acondicionada la señal muscular, ingresa a un microcontrolador PIC que permite elcontrol de estos motores por medio del circuito integrado L293D, que permite construir dos puentes H detransistores.Los motores emulan los movimientos de una silla de ruedas, es decir, adelante, atrás, derecha e izquierda(giro corto: durante estos movimientos ambos motores giran en sentidos contrarios).

Fig. 6: Imagen del prototipo de prueba y la placa final de control del carro móvil.

Se obtuvieron los resultados esperados, logrando controlar los movimientos de los motores a partir decontracciones voluntarias de ciertos músculos.Llegamos así a la conclusión de que el dispositivo diseñado en este proyecto para la adquisición yprocesamiento de las señales mioeléctricas puede ser utilizado no sólo para el control de los motores de unasilla de ruedas, sino también para el control de cualquier otro equipo electromecánico principalmente confines terapéuticos o de rehabilitación.


2.2.2 Control directo de los motores de la silla de ruedas.

Fig. 7: Diagrama en bloques.

La silla de ruedas con la que se cuenta para el desarrollo del presente proyecto está compuesta de dosmotores de corriente continua de 24V y 2500 rpm, que llega a alcanzar un consumo de corriente dealrededor de los 36A. La misma se alimenta por medio de una batería de 24V y 36A/h.Para el control de los movimientos de los motores el dispositivo cuenta con dos frenos, uno por cada motor,los cuales se desactivan al energizar un solenoide solidario a los mismos y se utiliza como medida deseguridad. Así, cuando la silla está en una pendiente y ambos motores se encuentran apagados o fuera defuncionamiento, ésta permanece frenada y estable.Estos motores de corriente continua son controlados a través de un puente H de transistores, la cual es unade las configuraciones más utilizadas para el control de motores de corriente continua cuando es necesarioinvertir el sentido de giro del motor. Se tomó la decisión de diseñar el puente H para controlar cada motor de manera externa reemplazando laplaca de control de potencias que viene con la silla.El PIC controla directamente los Gates de los MOSFET altos del puente H, sin embargo, los Gates de losMOSFET bajos son controlados a través de compuertas NAND para otorgarle mayor seguridad al circuito, yaque de esta manera se evita que ambos MOSFET bajos de un mismo puente se accionen simultáneamente.Se utilizó un pin del PIC como habilitación: cuando éste es un “1 lógico” se habilita el MOSFET bajo derechoy se apaga el MOSFET bajo izquierdo, lo opuesto ocurre cuando el pin de habilitación es un “0 lógico”.El PIC maneja niveles de voltaje de 0V a 5V y los Gates de los MOSFET deben ser activados con 12V,motivo por el cual se decidió utilizar transistores 2N2222 para que actúen como switch.Es importante aclarar que se trabaja con lógica inversa, ya que la señal es invertida luego de atravesar eltransistor.Para evitar el consumo excesivo de corriente por los MOSFET se trabajó con una señal PWM al 40%, conuna frecuencia de 5KHz.En la puesta en marcha del dispositivo se obtuvo el correcto funcionamiento de los motores de la silla deruedas mediante contracciones mioeléctricas.Se obtuvo un circuito electrónico que, además de lograr los objetivos propuestos en este proyecto, permiteutilizarse para el accionamiento de cualquier otro dispositivo electromecánico con fines terapéuticos o derehabilitación, como por ejemplo el control de un brazo robótico.


Fig. 8: Imagen de la placa de potencia de los motores terminada.

Se dejó esta alternativa como última instancia debido a que desde un principio se quiso aprovechar lasetapas de control y potencia con las que cuenta la silla de ruedas.El diseño fue pensado como un prototipo inicial en donde se manejan los movimientos a una velocidadmedia constante y en cuatro direcciones básicas: adelante, retroceso y giros. Debido a esto se puedenplantear varias mejorar del mismo, siendo una de éstas la posibilidad de controlar la velocidad de losmotores a través de contracciones musculares de distintas intensidades.

3. Resultados y discusión Este trabajo se dividió en dos partes principales. En la primera, que definimos como “Adquisición yacondicionamiento de las señales mioeléctricas”, se logró el objetivo general del presente trabajo: adquirirlas señales mioeléctricas generadas con los músculos con capacidad de contracción voluntaria en personasque presenten una discapacidad motriz grave, para su utilización en el posterior control de una silla deruedas. Se construyó un equipo capaz de tomar estas señales y acondicionarlas con la posibilidad de serintegrado dentro de cualquier otro sistema electromecánico con el fin de controlarlo, basándose en lasseñales adquiridas. En el presente trabajo se utilizó con el objetivo de generar los distintos movimientos quedebe ser capaz de efectuar la silla.Para la segunda parte de Procesamiento y control de las señales mioeléctricas se decidió construir undispositivo que controle, a través de las señales mioeléctricas, el movimiento de dos motores bidireccionalesde corriente continua de 12V, los cuales se encuentran formando parte de un carro móvil. Este carro es controlado por cuatro señales mioeléctricas adquiridas por medio de la contracción de cuatromúsculos diferentes, los cuales pueden ser elegidos según las capacidades del usuario. El mismo presentacuatro movimientos: adelante, atrás, izquierda y derecha, simulando los desplazamientos de una silla deruedas con giro corto. Finalmente se aplicó lo realizado en la silla de ruedas motorizada agregando unaetapa de potencia, logrando controlar todos los movimientos necesarios.

4. Conclusiones y trabajos futuros La primera etapa de este proyecto fue la adquisición. Ya que de esta etapa dependen los resultadosobtenidos posteriormente, fue imprescindible su correcto funcionamiento. Esto implicó mucho tiempo debidoa la necesidad de aprendizaje sobre los diferentes softwares y dispositivos utilizados, como así también porlas constantes modificaciones que se realizaron a lo largo del proyecto.Esta etapa se concluyó de manera exitosa, obteniéndose como resultado un dispositivo que se adecuaperfectamente a los requerimientos del proyecto, gracias al cual es posible hacer uso de la actividadmuscular para controlar cualquier equipo electromecánico.El circuito permite obtener una señal mioeléctrica con una amplitud lo suficientemente elevada como paramanipularla a través de microcontroladores y con un nivel de ruido dentro de los rangos aceptables. Elmismo se alimenta con baterías otorgándole al dispositivo no sólo portabilidad, sino también seguridadeléctrica al usuario.


En la etapa de procesamiento y control de una silla de ruedas motorizada por medio de las señalesmioeléctricas se plantearon cuatro hipótesis, lográndose los resultados deseados a través del “Controldirecto de los motores de la silla de ruedas”.Se decidió construir un dispositivo que controle, a través de las señales mioeléctricas, dos motoresbidireccionales de corriente continua simulando los movimientos de una silla de ruedas convencional(adelante, atrás, izquierda y derecha). Esta situación era prácticamente idéntica a la de la silla, salvo que losmotores de ésta última son de mayor potencia y el control debe tener estas características. Finalmente seaplicó lo realizado a la silla, cumpliendo con los objetivos planteados inicialmente. Llegamos así a la conclusión de que el dispositivo diseñado en este proyecto para la adquisición yprocesamiento de las señales mioeléctricas puede ser utilizado no sólo para el control de los motores de unasilla de ruedas, sino también para el control de cualquier otro equipo electromecánico principalmente confines terapéuticos o de rehabilitación, como por ejemplo: brazos ortopédicos, dispositivos de entretenimiento,etc.Además, el diseño del mismo fue pensado para lograr un equipo portátil de pequeñas dimensiones,reducido consumo energético, bajo costo económico y seguridad al usuario.

5. Aplicaciones y mejoras Este dispositivo puede ser utilizado para diversas aplicaciones biomédicas, algunas son:

Prótesis y ortesis de miembros superiores e inferiores. Brazo robótico, exoesqueleto, etc. Control a distancia de distintos dispositivos y herramientas por parte de personas con o sin

discapacidad. Interfaz de comunicación para personas con discapacidades del habla. Como asistencia para el control de equipos. Como interfaz de usuario para el accionamiento de diversos equipos, no sólo de rehabilitación

sino también algunos que necesiten un accionamiento distinto al manual tradicional.Planteamos las siguientes mejoras del trabajo:

Trabajar digitalmente las señales obtenidas de la etapa de rectificación con el fin controlar lavelocidad de la silla de ruedas a través de la intensidad de las contracciones musculares enforma proporcional a las mismas.

Mediante el uso de acelerómetros determinar los movimientos realizados por la silla, de tal formade corroborar que la silla realmente se mueva según lo deseado por el usuario y, como medidade seguridad, si se genera una colisión o algún movimiento brusco, el microcontrolador detengael dispositivo. Este proyecto se realizó en forma paralela con resultados satisfactorios, aunque nose llegó a implementar todavía en la silla de ruedas.

Cambiar la batería actual por una batería litio: de menor peso, menos nociva para elmedioambiente y requiere de un menor tiempo de carga. Esto permitiría una mayor manipulaciónde la silla, ya que disminuiría notablemente el peso de la misma.

Controlar el arranque y frenado de la silla mediante una rampa que aumente de a poco el DutyCycle del PWM (arranque) o que disminuya del mismo modo (parada). Esto generaría unarranque y una parada más suaves.

En el caso del carro móvil, además de las mejoras antes nombradas sería más eficiente generar sucontrol mediante señales mioeléctricas de manera inalámbrica

Se pueden aplicar mejoras a la silla, como por ejemplo uno con ruedas ovaladas de baja presióncombinadas con orugas, podría permitir al usuario de la silla superar diferentes barrerasarquitectónicas como escaleras

6. Agradecimientos


En primer lugar, nos gustaría agradecer a la Universidad Nacional de Córdoba, en particular a la Facultad deCiencias Exactas, Físicas y Naturales (F. C. E. F y N.), que nos ofrecieron la oportunidad de elaborar elsiguiente proyecto de investigación en el ámbito de la Ingeniería Biomédica. Agradecemos así mismo al Laboratorio de Investigación Aplicada y Desarrollo (L. I. A. D. E.) por parte de laUniversidad, y particularmente, el apoyo y asesoramiento recibido por los miembros de dicho laboratorio: elIng. Juan CruzBigliani, el Ing. Ronald del Águila, Juan Atea y el Ing. Ezequiel Chesini.Tampoco podemos dejar de nombrar, por su colaboración y buena voluntad; a compañeros y amigos como:Renzo Bechler Abdala y Diego Gonzáles Dondo.Por supuesto, en el ámbito personal, debemos agradecer la colaboración de todo el soporte recibido porfamilia y amigos. Sin ellos este trabajo hubiese resultado una ardua tarea.Y finalmente, pero no menos importante, queremos agradecer a todo el personal de la Escuela, en especialal Equipo Directivo, la oportunidad de mostrar nuestro proyecto.Muchas gracias a todos

Referencias [1] Apunte de la cátedra de Ingeniería en Rehabilitación. Bases y conceptos de la discapacidad. Año 2010. Ing.Diego Beltramone.[2] Libro de Medicina. Tratado de fisiología medica de Guyton y Hall. McGRAW-HILL Interamericana. Décimaedición. Año 2002.[3] “Electromyography: Physiology, Engineering, and Noninvasive Applications”, IEEE, 2004. Roberto Merletti &Philip A. Parker.[4] Recomendaciones SENIAM. http://www.seniam.org/[5] Libro de Electrónica Analógica. Manual de Laboratorio para los dispositivos electrónicos y teoría de loscircuitos. Por Robert L. Boylestad.[6] Manual para uso del BIOPAC – MP150 y el programa Acqknowledge 3.7.[7] Manual de silla de ruedas. Cuidados, usos, manipulación y mantenimiento.[8] Trabajo final Switch actuado por señales mioeléctricas del Ing. Daniel Alejandro Ullúa con el profesor asesorIng. Diego Beltramone. Año 2007.[9] Trabajo final Sistema de Biotelemetría basado en Bluetooth del Ing. Víctor Hugo Villanueva con el profesorasesor Ing. Diego Beltramone. Año 2008.[10] Páginas webs visitadas (activas en febrero de 2011):

http://www.discapacitados.org.es/Discapacidad/Definicion/ http://www.oni.escuelas.edu.ar/2004/neuquen/690/disca10.htm http://www.seniam.org/ http://www.ruv.itesm.mx/portal/promocion/qs/dgacit/reglamento/formato.htm http://centros.edu.xunta.es/iesbreamo/galeria/displayimage.php?album=132&pos=54 http://histogrupo5morfo.blogspot.com/ http://www.cienciasdelmovimiento.cl/ http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%202.%20Amplificadores%20de%20Instrumentacion.pdf http://lifesignals.wordpress.com/2008/06/19/vhsynth/ http://www.lintoninst.co.uk/biopac_mp150.htm http://www.tiendaortopedia.com/index.php?cPath=23&&page=2 http://www.frbb.utn.edu.ar/robotica/archivos/silla_de_ruedas.pdf http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/079/htm/sec_5.htm http://www.scribd.com/doc/24421918/Protocolo-1-Wire


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