Aproximación al control de manos protésicas mediante estimación de posturas de agarre en base a ACP y RNAs
Resumen:
El
presente proyecto pretende contribuir a un mejor conocimiento del
agarre humano a partir de la sinergia entre técnicas de inteligencia
artificial muy utilizadas en el campo de la robótica y técnicas de
reducción de la dimensionalidad muy conocidas en el ámbito de la
biomecánica de la mano humana. De esta sinergia emerge el objetivo
principal del proyecto: determinar patrones posturales en agarres
habituales en actividades de la vida diaria que orienten el control de
una mano protésica virtual de movilidad elevada.
Hasta la fecha se han desarrollado gran variedad de manos robóticas y
protésicas, unos para lograr una estabilidad de agarre y destreza de
manipulación similar a la de la mano humana y otros destinados a lograr
un mejor antropomorfismo y apariencia cosmética. Sin embargo, las
prótesis de mano actuales son muy simples desde un punto de vista
biomecánico. El problema radica en la dificultad de establecer una
comunicación adecuada entre el usuario y la prótesis. No hay una forma
sencilla de que lograr la interacción entre el amputado y una prótesis
diestra de múltiples GDL, como las desarrolladas en las últimas
décadas, puesto que requiere bien demasiadas señales de control
independientes o bien un controlador inteligente. Las tendencias en el
control de manos robóticas y protésicas indican que una novedad en este
ámbito podría lograrse mediante la observación e imitación del
comportamiento biomecánico natural, en base a un espacio de
dimensionalidad reducida.
El trabajo plantea la utilización del análisis de componentes
principales para reducir la dimensionalidad del problema de control en
conjunción con las redes neuronales artificiales, que permitan obtener
de manera automática posturas de agarre de apariencia natural para una
mano virtual de movilidad elevada en agarres de tipo pinza y cilíndrico
sobre objetos cilíndricos de diferentes diámetros. De esta manera se
puede establecer el mínimo número de entradas de control necesarias
para que una mano protésica avanzada pueda realizar actividades de la
vida diaria en base a los patrones identificados y determinar así su
posibilidad de control en tiempo real, por medio del empleo de redes
neuronales artificiales. Este planteamiento supone una aportación en el
estudio de control de prótesis, puesto que el empleo de las redes
neuronales artificiales es una metodología de estimación y control poco
empleada en este ámbito y que presenta grandes ventajas de
implementación y ejecución en tiempo real.
Para lograr el objetivo principal del proyecto se plantean cinco
objetivos específicos. El primero consiste en obtener una base de datos
de posturas de agarre de distintos sujetos realizando los agarres
mencionados sobre objetos cilíndricos de distintos diámetros. El
segundo aborda la reducción de la dimensionalidad de los agarres
realizados mediante el análisis por componentes principales,
determinando las sinergias posturales que se producen durante el
proceso de agarre de la mano humana. El tercero supone la
implementación de dos redes neuronales artificiales capaces de
automatizar la estimación de las posturas de agarre a partir de las
sinergias posturales detectadas para los agarres estudiados. El cuarto
objetivo implica el desarrollo de un modelo virtual de mano 25 GDL para
la simulación de las posturas de agarre obtenidas, mediante el uso de
software libre de simulación y modelado 3D. Finalmente, el quinto
objetivo supondrá la implementación y evaluación mediante simulación
distintas estrategias de control de la posición de la mano virtual
generada tomando como entradas de control las sinergias posturales
obtenidas.
La investigación propuesta puede ser de gran interés en diversas
aplicaciones, entre las que pueden citarse: mejora del diseño de brazos
biónicos o protésicos, desarrollo de manos robóticas eficientes para
aplicaciones domésticas o industriales, desarrollo de dispositivos
hápticos de realidad virtual, mejora del diseño de productos o
herramientas manipulados por las personas y asistencia a los cirujanos
en la planificación quirúrgica de la mano.
