Denis Mendoza-Fuentes. Piura, abril de 2017 FACULTAD DE INGENIERÍA. Máster en Ingeniería Mecánico-Eléctrica con Mención en Automática y Optimización

Transcripción

1 MODELAMIENTO Y CONTROL DE UN EXOESQUELETO DE EXTREMIDADES INFERIORES PARA PACIENTES CON ESCLEROSIS LATERAL AMIOTRÓFICA (ELA) Y ESCLEROSIS MÚLTIPLE (EM) Denis Mendoza-Fuentes Piura, abril de 2017 FACULTAD DE INGENIERÍA Máster en Ingeniería Mecánico-Eléctrica con Mención en Automática y Optimización Mendoza, D. (2017). Modelamiento y control de un exoesqueleto de extremidades inferiores para pacientes con Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) y Esclerosis Múltiple (EM) (Tesis de Máster en Ingeniería Mecánico-Eléctrica con Mención en Automática y Optimización). Universidad de Piura. Facultad de Ingeniería. Piura, Perú.

2 MODELAMIENTO Y CONTROL DE UN EXOESQUELETO DE EXTREMIDADES INFERIORES PARA PACIENTES CON ESCLEROSIS LATERAL AMIOTRÓFICA (ELA) Y ESCLEROSIS MÚLTIPLE (EM) Esta obra está bajo una licencia Creative Commons Atribución- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú Repositorio institucional PIRHUA Universidad de Piura

3 Denis Mendoza-Fuentes Resumen En el presente trabajo se presenta el modelamiento matemático de un exoesqueleto, el diseño de un sistema de captación de señales electroencefalográficas y el desarrollo de una estrategia de control que permitirá al exoesqueleto emular la marcha humana con el fin de permitir a los pacientes recuperar la capacidad motriz perdida como consecuencia de las enfermedades mencionadas en el título de la tesis. A lo largo de los capítulos usted podrá informarse sobre el impacto que tienen la ELA y EM en los pacientes que la padecen. Para ello es expondrá de manera concisa y clara la etiología y síntomas que padecen estos pacientes. Luego se enterará de la evolución que han tenido los exoesqueletos en los últimos años, así como también las tecnologías actuales orientadas a mejorar la calidad de vida de las personas que padecen las enfermedades antes mencionadas ya sea utilizando señales electroencefalográficas, señales electromiográficas o ambas. Finalmente se le explicará de manera detallada el modelamiento geométrico, cinemático y dinámico de un exoesqueleto para extremidades inferiores con tres grados de libertad; así como también la estrategia de control que lo gobernará empleando señales electroencefalográficas. Esta obra está bajo una licencia Creative Commons Atribución- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú No olvide citar esta obra.

4 UNIVERSIDAD DE PIURA FACULTAD DE INGENIERÍA MODELAMIENTO Y CONTROL DE UN EXOESQUELETO DE EXTREMIDADES INFERIORES PARA PACIENTES CON ESCLEROSIS LATERAL AMIOTRÓFICA (ELA) Y ESCLEROSIS MÚLTIPLE (EM) Tesis para optar el Título de Máster en Ingeniería Mecánico Eléctrica con mención en Automática y Optimización DENIS ALEXIS MENDOZA FUENTES Asesor: Dr. Ing. Carlos Jahel Ojeda Díaz Piura, abril 2017

5 Índice general Prólogo..iii Resumen.v Introducción 1 Capítulo 1 Enfermedades neurodegenerativas: Impacto en la capacidad motriz del paciente y su tratamiento Introducción Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) y Esclerosis Múltiple (EM): causas y efectos en la capacidad motriz Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) Esclerosis Múltiple (EM) Terapias y rehabilitación para pacientes con ELA y EM Tratamiento rehabilitador para pacientes con ELA Tratamiento rehabilitador para pacientes con EM Situación actual de la ELA y EM en el mundo 8 Capítulo 2 Estado del arte de sistemas robóticos para la recuperación de la capacidad motriz en pacientes con ELA y EM Exoesqueleto: Definición y clasificación Exoesqueletos para extremidades superiores Exoesqueletos para extremidades inferiores Tecnologías actuales basadas en señales electroencefalográficas y/o señales electromiográficas Exoesqueleto basado en potenciales de estado estable evocados visualmente Walk Again Project Mindwalker HAL Hybrid Assistive Limb de Cyberdine Instrumentación y estrategias de control basadas en señales electroencefalográficas y/o señales electromiográficas Instrumentación Estrategias de control..21

6 Capítulo 3 Antropometría y biomecánica de la marcha humana Antropometría Biomecánica de la marcha humana Capítulo 4 Modelamiento del exoesqueleto Análisis geométrico Modelo geométrico directo Modelo geométrico inverso Análisis cinemático Modelo cinemático directo Modelo cinemático inverso Análisis dinámico Modelo dinámico inverso (Formulación de Lagrange) Modelo dinámico inverso (Método de Newton Euler) Modelo dinámico directo Generación de trayectorias.81 Capítulo 5 Control del exoesqueleto Problema de control Control empleando señales electroencefalográficas Sensor Emotiv Epoc Análisis de señales electroencefalográficas Giroscopio Estrategia de control para el exoesqueleto Control por par computado Control cascada de todo el exoesqueleto 98 Conclusiones y recomendaciones Conclusiones 103 Recomendaciones.105 Bibliografía. 107 Anexos 113 Anexo A Programa SenalesEEG.m Anexo B Programa ControlEEG.m