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10 y 11 de mayo de 2005II Jornadas CYTED, Cartagena de Indias.
Tecnologías de Apoyo a la Discapacidad II Jornadas CYTED Red VII-K II
Dispositivos Potenciadores y Alternativos en Movilidad
Instituto de Automática Industrial Consejo Superior de Investigaciones CientíficasMadrid - España
Ramón Ceres, Juan C. [email protected]
10 y 11 de mayo de 2005II Jornadas CYTED, Cartagena de Indias.
Movilidad
• DEFINICIÓN: Habilidad para el desplazamiento voluntario e independiente a través de un entorno con eventuales accidentes para alcanzar un objetivo determinado.
• IMPORTANCIA. – Incidencia en las actividades de desarrollo físico, perceptivo y cognitivo.– Actividades personales y de interacción social-entorno.
• Falta de estímulo y de comprensión-control del medio: frustración y desmotivación (Campos, Verbeg, Tatlow).
• ETIOLOGÍA de las deficiencias de movilidad:
de tipo físico (musculo-esquelético) sensorial, neurológico y mixto.
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La función de las ayudas técnicas: Tecnologías de Apoyo
• Cubren carencias relacionadas con las deficiencias específicas:Musculoesqueléticas (artritis, osteoporosis), sensoriales (ciegos) y neurológicas (alzheimer)
• ACCIONES:– Soporte y equilibrio (Amputado m. inferior, parapléjico)– Acción motora (EM, Polio)– Acción neurológica
• Planificación y orientación. Modo global (Alzheimer). – Acción sensorial
• Directriz. Modo local (ciego)– Mixta: Coordinación sicomotriz (Par. Cerebral).
• -Crónicas y transitorias-rehabilitadoras. (Postraumatismos, acc. Cardiovasculares)
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Tipos de Ayudas Técnicas
• Dispositivos Potenciadores. Los dispositivos potenciadors tratan de aprovechar la movilidad natural de la propia persona recurriendo por estimulación o reforzamiento interno o externo de estructuras corporales existentes o incluso de prótesis en el caso de falta de extremidades inferiores.
• Dispositivos rehabilitadores
Consisten en plataformas de uso transitorio para la recuperación de conjuntos músculo-esqueléticos o de habilidades sicomotoras asociadas.
• Dispositivos Alternativos
Sustitución de la acción humana mediante dispositivos de desplazamiento independiente accionados o simplemente gobernados por el usuario.
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Tipos de Dispositivos Potenciadores
• Uso:– Crónico– Rehabilitador- Transitorio
• Tipo de Soporte:– Laterales-bilaterales– Troncales
• Accionamiento (fuente de energía):– Muscular– Externo
• Control (coordinación marcha: sensor-actuador):– Pasivos– Activos– Autónomos
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Clases de Dispositivos Potenciadores de la Movilidad
• Bastones y muletas• Barras paralelas• Andadores• Prótesis• Ortesis• Estimuladores eléctricos funcionales (FES)• Plataformas estáticas rehabilitadoras ad hoc• Vehículos especiales (+ sillas de ruedas)• Sistemas de ayuda a la orientación
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1. Bastones y Muletas
• Elementos simples inarticulados de apoyo lateral o bilateral para las diferentes fases de la marcha.
• Bastón: soporte de la mano. Estabilización y distribución de fuerzas de apoyo verticales
• Muleta: Soporte de antebrazo o de extremidad superior completa.Estabilización de fuerzas verticales mayores con posibilidad de
suspensión troncal.
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Bastones y Muletas (2)
Características:
• Rigidez• Ergonomía • Estabilidad• Adherencia del apoyo• Ligereza• Inalterabilidad • Ajuste de altura• Bajo coste
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2. Barras Paralelas
• Estructura de soporte bilateral estable y continua como extensión estática de bastones o muletas
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3. Andadores
Estructuras autoestables y desplazables para soporte troncal que presentan una configuración circundante al cuerpo.
Clases de andadores:• Bases: triangular y rectangular (3 o 4 apoyos).• Apoyos: patas o ruedas
4 patas2 patas + 2 ruedas3 ruedas (+ frenos)4 ruedas (+frenos)
• Pasivos y activos.
• Accesorios: bandeja portaobjetos, asiento, elementos multiapoyo (transiciones).
• Características: (= bastones), estabilidad y plegado.Dispositivos Potenciadores
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Ejemplos de Andadores
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Andadores Activos
• Andadores rodantes de dirección y/o tracción asistidas mediante instrumentación “inteligente” y fuente energética adicional (baterias). Deterioro severo de movilidad física con eventual pérdida sensorial (visión)
• Función:
– soporte y empuje, – guía– híbrido
• Incorporación de motores, sensores y ciertos elementos electrónicos de
control.
• Objetivo: dotar de un instrumento de movilidad a pacientes en cama o en silla de ruedas que no son capaces de usar andadores convencionales. Complementario a barras paralelas, inmersión en agua, con menor coste de intervención terapeuta y menor riesgo.
• Ventajas de la deambulación: sicológicas (autoestima), sociales de relación (posición vertical y desplazamiento) y fisiológicas (aumento de actividad musculoesquelética, neurológica y sensorial, evitación de problemas urológicos, digestivos, úlceras y otros). MAYOR INDEPENDENCIA
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Técnicas en Andadores Activos
• Algoritmos inteligentes de control, control robusto
• Sistemas sensoriales exteroceptivos (láser, US, IR, visión, odometría…)
• Estrategias de navegación y evitación de obstáculos
• Interfaces hombre-andador por fuerza de agarre y empuje (intención) con distintos principios de medida (muelles-encoders, …)
• Algunos ejemplos de desarrollos:– Care-O-Bot– PAM-AID– VA-PAMAID– PAMM– MARC, Hitachi, KAIST…– ASAS
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MARC(Eldecare Robot)
• Medical Automation Research Center- Univ. Virginia.• Sobre andador comercial de 3 ruedas:
sonar y láser, codificadores en tres ruedas. Medida de fuerza en puños: estimación de intenciones.
• No avance motorizado,• solo control de dirección. • Controlador por agente inteligente,
determina la trayectoria a partir datos de intenciones del usuario, historia, posición y orientación y genera un modelo de la ruta más segura. Control humano (modo normal),
el controlador toma el control cuando prevé una colisión .
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PAM-AID (Personal Adaptive Mobility Aid).G. Lacy
Población mayor fisicamente débil y deficiente visual (20%, mayores de
65 años).• Proyecto EU (Trinity College- Dublin) • Varios prototipos. Versión evolucionada, fabricada por Haptica.• Estructura convencional de 4 ruedas y un manillar de guiado. • Pruebas en el NCBIreland.• El sensores ultrasónicos y láser central + odométria y fuerza en el
manillar.• Modos de conducción: control humano (comunicación por voz) o
semiautomático (evita obstáculos).
– VA-PAMAID
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Care-O-bot (IPA- Fraunhofer- Stugart)
• Tres prototipos evolucionados. • Unido al usuario mediante dos barras interactivas con
sensores de fuerza en sus empuñaduras. I• Técnicas odométricas• Navegación modo más complejo “destino prefijado”: métodos
reactivos de evitación de obstáculos con planificación de trayectorias con láser de barrido y entradas del usuario.
• Aplicaciones domésticas y en museos
-----Andador-”sentador”
(Mederic- Univ. P-M Curie-Paris)
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ASASAndador Seudorobótico de Alta Seguridad
• IAI-CSIC/ Forta/ Sogealba
• Objetivos:– Aumento de la estabilidad y del soporte de la masa corporal.– Mejora del patrón de movilidad.– Disminución del esfuerzo de empuje.– Mayor facilidad y seguridad del control humano del sistema rodante.
• Diseño de la estructura del andador:• Apoyo de antebrazos y manos• Aumento de la base• Aumento de fricción de la superficie de contacto de las ruedas.
• Motorización independiente de las ruedas traseras.• Control electrónico ajustable de la velocidad • Eliminación de frenos.• Dirección por accionamento selectivo de un motor u otro.
• Incorporación de sensores de posición relativa y seguimiento.
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ASAS
PRUEBAS:
Interiores: Pasillos, cambios de
Dirección, cruces, puertas…
Exteriores: rampas, obstáculos,
Viandantes, suelo irregular…
Protocolo: mejoras objetivas/
Subjetivas.
(SOGEALBA)
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4. Plataformas Estáticas Rehabilitadoras
• Objetivo: – ayudar y entrenar al uso del sistema musculoesquelético para
recuperación del mismo y de las habilidades de coordinación sicomotoras en general, especialmente relacionadas con los movimientos de marcha. (remo, bicicleta, cinta sin fin-suspensión controlada…)
– aumento de la actividad metabólica y consumo de oxígeno, reduciendo riegos cardiovasculares, renales, pulmonares y de infecciones.
• Población: lesionados medulares, ELA…Ejemplos:• Concept2. Sistema de ejercicio natural de extremidades superiores y tronco,
con estimulación eléctrica funcional en extremidades inferiores.(remo+bici)• Kamnik-Williamson “robot de ayuda al levantamiento” con FES, medida de
fuerzas y realimentación al usuario.
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
Ángulo
(gra
dos)
Rodilla
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-0.5
0
0.5
1
Par(
Nm
/kg))
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1
-0.5
0
0.5
1
Pote
ncia
(W/k
g))
Porcentaje del ciclo de marcha
Rodilla
5. Ortoprotésis de miembro inferior.La marcha humana
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5. Ortoprotésica de miembro inferior
A. PRÓTESIS : Restauración de una función tras amputación.
• Niveles de Amputación:– Pie– Transtibial– Rodilla– Transfemoral– Desarticulación de Cadera
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Prótesis de miembro inferior Prótesis clásicas
Amputación de fémur (1868 – guerra civil EEUU)
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Prótesis de pie
• Complejidad en función de los grados de movilidad y la imitación de la función articular.
• Estado del arte: Pies prostéticos de “respuesta dinámica”
Ejemplo: FlexFoot (Multiaxial y retorno de energía)
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Prótesis de rodilla (1)
• Articulación de la rodilla:– Respuesta a la carga– Absorción de impacto– Fuerza estabilizadora– Flexión controlada
• Estado del arte / Categorías:– Bloqueo manual: Prótesis más
estable disponible– Fricción constante:
permite una única velocidad de marcha en terreno plano
– Control de apoyo: Alta estabilidad, sólo permite la flexión una vez se ha transmitido el peso a la pierna no protésica
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Prótesis de rodilla (2)• Estado del arte / Categorías: (continuación)
– Hidráulicas: • Prescrita a pacientes con capacidad de marcha
diferentes velocidades. • Control voluntario
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Prótesis de rodilla (3)
- Soluciones Activas: • C-LEG (Otto Bock):
– Control automático de la rodilla.
– Autonomía funcional.– Alta seguridad en fase de
apoyo y oscilación controlada- Terrenos inclinados,
escaleras, rampas- Potencial y tiempo de uso:
velocidades hasta 5 kph y 5 km en un día.
- RHEO KNEE (OSSUR)Actuador
Magnetoreológico Principio: Imitación del trabajo muscular excéntrico
Sensores: Rotación y distribución del peso.Tipo de Control: reactivo Dispositivos Potenciadores
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Prótesis de rodilla (3)
• Biónica: Power Knee (OSSUR)
Fuente de Potencia Electromecánica
Inteligencia artificial
Sensores: fuerza, rotación articular
Estado: Prototipo en desarrollo
Principio: Imitación de acción muscular: excéntrica + concéntrica
Tipo de Control: Predictivo
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Ortoprotésica de miembro inferior
B. ORTESIS : Restauración de una función ante enfermedades ortopédicas y neurológicas
• Patologías:– Polio– Parálisis cerebral– Accidente cerebro vascular
(terapéutico).- Esclerosis múltiple
• Propósitos:– Corrección– Estabilización– Descarga
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Ortesis de miembro inferior (1)
• Prescripción: Diagnóstico a priori en función de la condición física
Tipos de Ortesis:- Ortesis de Tobillo:
- Absorción y recuperación energética
para levantar el pie
- Ortesis de Rodilla:
- Descarga del peso
- Rehabilitación postoperatoria
- Estabilización tras lesión en ligamentos
Ortesis de CaderaPie Equino
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Ortesis de miembro inferior (2)Ortesis de Rodilla Y Tobillo:
- Acciones compensatorias durante la marcha patológica
Problema principal: Riesgo de caída, alta reducción de la movilidad
Estado del Arte:
- KAFO (pasiva)
- Bloqueo Permanente
- Bloqueo selectivo (mecánico)
- Respuesta a la carga
Paciente Postpolio
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Ortesis de miembro inferior (3)
Ortesis Avanzadas de Rodilla Y Tobillo:Estado del Arte:
- Control de apoyo: Control de Rodilla en Fase de apoyo mediante microcontrolador. (Becker)
- Proyecto Europeo Gait: “Ortesis Inteligente de miembro inferior”
- Diseño mecánico- Compensación Funcional - Monitorización
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Aspectos TecnológicosOrtesis Prótesis
Sensores -Fuerza/Presión-Angular-Inerciales (velocidad, aceleración)
Actuadores Compensaciones:
1) Parciales: Frenos, amortiguadores
2) Activas
- Tobillo: 120 Nm (Despegue del pie)
- Restricciones: volumen, peso y autonomía
3) Híbridas (FES)
Acciones
1. Control de resistencia: MR, hidráulica.
2. Nuevas prótesis motorizadas.
Control - Reactivo + adaptativo (aprendizaje)
- Proactivo: detección de estados y actividades
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6. Estimuladores Eléctricos Funcionales FES
Generadores artificiales de señales eléctricas para la excitación de nervios: contracción de músculos motores de forma armónica-desarrollo de movimientos de marcha
Patologías: alteraciones o inactividad neurológica (pareplejia). Ortesis neurológicas o también neuroprótesis.
Estimuladores superficiales (electrodos externos)Liberson: sincronización de fases de marcha (apoyo y oscilación- estadios inicial, medio y final) por conmutador-talón (principio y del fin de la fase de apoyo). Pulsos aplicados a nervios motores próximos a rodilla para contraer los músculos de las articulaciones. Problemas: colocación estable de los electrodos sobre la piel, sudoración…
Estimuladores implantados (cirugía). Sist. electrónico externo-generación pulsos y transmisión RF, sensor sincronismo de marcha y receptor subcutáneo RF con electrodos bipolares de platino colocados sobre el músculo.
• Problemas: fatiga muscular, fiabilidad de los sistemas, diferencia de comportamiento de pacientes
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Dispositivos de ayuda a la orientación para la movilidad
• Globales:– Localizan a la persona en un entorno amplio.– Suministran información (e-mapas) sobre ese entorno.– Generan órdenes f(origen/ destino).
• Locales:– Informan del entorno próximo muy acotado.– Detectores de obstáculos (y accidentes) y de caminos.– Presentan una información muy simple y sintética.
• Visuales:– Información integral de la escena
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Navegadores Globales
• Utilizan: – Técnicas de localización por elementos activos con
posiciones conocidas y Mapas electrónicos (Atlas, Strider).
• Principios:– RF- Global Positioning System GPS- DGPS– (Tormes, Mobic, Strider, Sendero).– Campo magnético (Columbia Talking Compass)– IR (Talking Signs).– US (IAI-CSIC)
• Problemas:– Zonas de sombra– Entornos descritos/ estructurados
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Navegadores visuales
• Sistema vOICE (P. Meijer)
• Principio: – captación de video conversión de señal canal auditivo.
• Elementos:– Cámara de video– Computador– Cascos audífonos
• Dificultad de procesamiento y aprendizaje:– Construcción de “imágenes acústicas complejas”
(soundscapes) representativas de la escena (topología, formas, colores...): “ver los sonidos
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Sistema vOICE
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Detectores Locales
Técnicas activas.
Principio de detección:- Ultrasonidos: MOVIUS, Guide Cane, Mowat sensor, Sonicguide, Detector de Notingham, Shangai Acoustical Lab., Polaron, Pathsounder, Sensory 6, Walkmate- Láser: Laser-cane - IR: Pilot Light
• Problemas:– Detección de accidentes (escaleras)– Limitaciones de comunicación:
• Canal sensitivo- Interfaz• Escrutinio de información
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TREBOL (IAI-CSIC)
• 3 zonas de detección:• Frontal 30º y laterales 80º: 5 sectores angulares; 2m rango• 6 pares transd. Piezoelectricos
• Preprocesamiento analógico• Procesador c-196 Intel
• Comunicación: Auditiva- vibratoria
• Extensión: TREBOLI
Dispositivos Potenciadores
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FOCUS (IAI-CSIC)
• Detección Diferencial:
1 Transmisor
2 Receptores
• Comunicación:
2 vibradores-suspens.
Dispositivos Potenciadores
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Dispositivos Alternativos
• Sillas de ruedasentornos-funciones, configuraciones, tamaños, poblaciones, propulsión, accesorios…
– conducción semiautomática o asistida
• Scooters
• Automóviles
• Vehículos especiales
• (Otros dispositivos de desplazamiento: grúas)
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Vehículos Especiales
Rifton (Blair Dev Cent. CA)
• Vehículo-niños-e.bífida
distr. Musc., P.C.• 2+2+1 ruedas• Posición vertical• Control postural• Versión comercial
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Vehículos Especiales
Handbike RowcycleDep. VA- Cent. P. Alto Fresno-CA
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Vehículos Especiales
PALMA
P. CYTED
Concepto:
• Niveles
• Interfaces
Fines
Pruebas
P. IBK
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Conclusiones
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Gracias