Desarrollo y análisis de estrategias avanzadas de interacción en sistemas robóticos complejos de rehabilitación y asistencia

Los últimos informes indican que la incidencia de los accidentes cerebro vasculares van en aumento. Los supervivientes de un accidente cerebro vascular generalmente experimentan hemiparesia, lo que provoca un deterioro de las extremidades que implica un notable deterioro de la calidad de vida. La escasez de recursos junto con la necesidad de rehabilitación y asistencia que presentan estas personas, hacen que el cuidado y los ejercicios de rehabilitación que proporcionan las plataformas robóticas de rehabilitación cobren aún más importancia en la actualidad y en los próximos años. La presente Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de una arquitectura multimodal capaz de implementar sistemas robóticos complejos de rehabilitación y asistencia. Con esta arquitectura, se plantea implementar y evaluar los siguientes sistemas. Primero, llevar a cabo la implementación de un sistema complejo de robótica asistencial. Después, desarrollar un sistema para la realización de terapias competitivas. Seguidamente, implementar un sistema para realizar terapias cooperativas. Y finalmente, desarrollar un sistema capaz de implementar terapias de tele-rehabilitación mediante una estrategia de teleoperación maestro-esclavo. Los principales resultados de esta tesis se han publicado en dos artículos en revistas incluidas en el Journal Citation Reports (JCR). La publicación “Feasibility and safety of shared EEG/EOG and vision-guided autonomous whole-arm exoskeleton control to perform activities of daily living” se ha evaluado la implementación de un sistema complejo de robótica asistencial basado en la arquitectura multimodal desarrollada en esta tesis, en el que se ha integrado con éxito multitud de sensores junto con diferentes interfaces de control y dispositivos robóticos para la creación de un sistema autónomo capaz de ayudar a un usuario a realizar actividades de la vida diaria. Por otro lado, en la publicación “Differences in Physiological Reactions Due to a Competitive Rehabilitation Game Modality”, se han analizado los cambios que se producen en el estado afectivo del paciente en una terapia de neurorrehabilitación asistida por robots debidos a una modalidad de juego multijugador de tipo competitivo. Finalmente, cabe destacar que uno de los resultados de la presente tesis ha dado lugar a la patente ES1234596U: Dispositivo robótico interconectable para rehabilitación de extremidades

Intelligent system for upper limb motor function assessment of patients with hemiparesis

[Resumen] La evaluación de la función motora del miembro superior de los pacientes con hemiparesia tras un ictus es necesaria para llevar a cabo el seguimiento de la recuperación de los pacientes y para adaptar la terapia a sus necesidades. Para ello, es necesario desarrollar nuevos métodos sencillos, rápidos y fiables que ayuden al personal clínico. Este artículo presenta un nuevo sistema de evaluación a través de dispositivos Magnetic, Angular Rate, and Gravity Sensor (MARG), con métodos de aprendizaje automático en base a técnicas de alineamiento temporal (DTW) para medir de forma objetiva la calidad de los movimientos ejecutados por el paciente. En este estudio se presentan los primeros resultados obtenidos de un estudio transversal cuyo objetivo es comprobar la eficiencia de este nuevo sistema de evaluación relacionando los resultados obtenidos mediante este sistema, con la clasificación de la función motora del miembro superior de pacientes con ictus basada en la evaluación de la escala Fugl-Meyer (FMA).[Abstract] The assessment of upper limb motor function in stroke patients with hemiparesis is necessary to monitor patients’ recovery and to adapt therapy to their needs. To this end, new simple, fast and reliable methods need to be developed to assist therapists. This article presents a new evaluation system using MARG devices, with machine learning techniques based on temporal alignment techniques to objectively measure the quality of the movements executed by the patient. This study presents the preliminary results obtained from a cross-sectional study whose objective is to evaluate the performance of this new evaluation system by relating the results obtained through this system, with the classification of upper limb motor function of stroke patients based on the evaluation of the Fugl-Meyer scale.Generalitat Valenciana; INNVA1/2021/7

Sistema robótico multimodal de miembro superior para interacción con entornos físicos

[Resumen] Este artículo describe el diseño de un sistema robótico multimodal enfocado a proporcionar a personas con movilidad reducida, la capacidades de interaccionar con objetos reales. Con este sistema se pretende cubrir todo el proceso de interacción, desde la selección del objeto con el que se quiere interactuar, pasando por alcanzar y agarrarlo, hasta volver a dejar el objeto. El sistema se compone de un robot diseñado para rehabilitación de miembro superior, de un exoesqueleto de mano, un sistema de seguimiento de mirada, un dispositivo de seguimiento de objetos, y un sistema de detección de intención de movimiento. Con este propósito, en este artículo se presenta la arquitectura del sistema, especificando los elementos particulares que serán utilizados en un escenario experimental para comprobar la viabilidad del sistema.Este trabajo ha sido financiado por la Comisión Europea (ICT-22-2014: Multimodal and Natural computer interaction) a través del proyecto AIDE: ”Adaptive Multimodal Interfaces to Assist Disabled People in Daily Activities” (Grant agreement no: 645322); y por el Ministerio de Economía y Competitividad a través del proyecto DPI2015-70415-C2-2-Rhttps://doi.org/10.17979/spudc.978849749808

Arquitectura de control multimodal para robótica asistencial

[Resumen] Este documento presenta una arquitectura de control multimodal para robótica de asistencia, la cual trata de tener en cuenta las decisiones del usuario para mejorar en el desempeño de las tareas al mismo tiempo que se implementa un método para minimizar posibles errores en el manejo del robot mediante un control visual. A través de la información proporcionada por el sistema de eyetracking, el usuario será capaz de interactuar con el sistema para seleccionar el objeto deseado, indicar la intención de cogerlo o incluso abortar la ejecución. El sistema incorpora un sistema de tracking 3D para conocer la ubicación de los objetos con respecto al manipulador robótico. Este sistema nos sirve tanto para definir la posición que debe alcanzar el robot, como para corregir las posibles desviaciones durante la ejecución de la trayectoria.Este trabajo ha sido financiado por la Comisión Europea a través del proyecto AIDE: Adaptive Multimodal Interfaces to AssistDisabled People in Daily Activities (Grant agreementno: 645322) y por el Ministerio de Economía y Competitividad a través del proyecto DPI2015-70415-C2-2-Rhttps://doi.org/10.17979/spudc.978849749808

Diseño de un sensor óptico de fuerza para exoesqueleto de mano

[Resumen] En este trabajo se presenta el diseño preliminar de un sensor de fuerza integrable en un dispositivo de rehabilitación y asistencia de la mano de tipo exoesqueleto. Como alternativa a las tradicionales células de carga, cuya miniaturización es económicamente costosa, se plantea el uso de un sistema óptico similar a los utilizados en micrometría. Para ello se diseña un tren de elementos ópticos que es sensible a pequeñas deformaciones del elementos estructural que los soporta, traduciendo desviaciones del orden de décimas de milímetro en variaciones milimétricas de la proyección de un haz de luz. En este artículo se plantea la integración del sensor en un exoesqueleto de mano, se detalla el modelado del sistema óptico utilizado para el dimensionamiento de los elementos y finalmente se exponen los resultados de las pruebas de concepto realizadas con un primer prototipo.Ministerio de Economía y Competitividad; DPI2015-70415-C2-2-RGeneralitat Valenciana.Conselleria d'Educació, Cultura i Esport; ACIF 2016/216 GeneralitatGeneralitat Valenciana.Conselleria d'Educació, Cultura i Esport; APOTIP 2016/02

Diseño de un motor de tareas para terapias de neurorehabilitación asistidas por robots

[Resumen] Este artículo presenta el proceso de planteamiento, análisis, diseño e implementación de un motor de tareas diseñado para facilitar la generación de actividades virtuales destinadas a terapias de neuro-rehabilitación de personas que han sufrido un accidente cerebrovascular, asistidos por dispositivos robóticos. Todo el desarrollo del sistema ha seguido la metodología RUP de diseño de software, utilizando herramientas de libre distribución. Por consiguiente, este un método genera tareas virtuales de manera rápida con costes mínimos. Por último, se han implementado tres ejemplos de tareas para comprobar el correcto funcionamiento de los componentes diseñados.Este trabajo ha sido financiado por la Comisión Europea a través del proyecto HomeRehab: Echord++ (GA 601116) y por el Ministerio de Economía y Competitividad a través del proyecto DPI2015-70415-C2-2-Rhttps://doi.org/10.17979/spudc.978849749808

Design and implementation of force control algorithms for an upper-limb rehabilitation robot

[Resumen] El envejecimiento de la población aumentará la incidencia de las enfermedades relacionadas con la edad, como los accidentes cerebrovasculares. La robótica ha demostrado ser efectiva en la aplicación de terapias de rehabilitación a personas que presenten una pérdida de movilidad asociada a estas patologías. Existen numerosos sistemas de control apropiados para la interacción entre robots y pacientes en este tipo de terapias. De entre ellos, en este artículo se propone el uso de campos de potencial de fuerza en un dispositivo robótico de rehabilitación de miembro superior para pacientes que hayan sufrido pérdida de movilidad debido a un accidente cerebrovascular. En la primera parte del artículo se expone la formulación de los campos de potencial y se define el dispositivo robótico en el que han sido implementados. Posteriormente, se plantea una experimentación con sujetos sanos para comprobar la validez de esta estrategia de control. Los resultados muestran una disminución del error en los movimientos de los sujetos y abren la puerta a pruebas posteriores con pacientes reales.[Abstract] The aging of population will increase the incidence of age-related diseases, such as strokes. Robotic devices have proven their effectiveness in rehabilitation therapies for people who have a lack of mobility due to these diseases. There are many different systems to control the robot-human interaction in this type of therapies. This article proposes the use of force potential fields in a robotic upper-limb rehabilitation device for stroke patients. In the first part of the article the formulation of the force potential fields is shown and the robotic device used for the study is presented. Finally, an experimentation with healthy subjects is proposed to check the validity of this control strategy. The results show a decrease in the error in the subjects’movements and open the door to further tests with real patients.Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades; PEJ2018-002670-AMinisterio de Ciencia, Innovación y Universidades; PEJ2018-002684-AGeneralitat Valenciana; ACIF/2018/214Generalitat Valenciana; APOTIP/2020/01

Evaluation of Alternating Current in the Measurement of Galvanic Skin Response (GSR)

[Resumen] Las terapias de rehabilitación asistidas por robot consiguen aumentar la motivación del paciente y la intensidad del ejercicio. Para ello, uno de los métodos con resultados muy prometedores es el uso de algoritmos de adaptación de la dificultad. Estos algoritmos se basan normalmente en parámetros de rendimiento del juego. Sin embargo, considerar el estado anímico del paciente podr´ıa mejorar la toma de decisiones en este tipo de estrategias. Una de las señales fisiológicas más utilizadas para la estimación del estado del paciente es el GSR. Los sensores de GSR utilizan corriente continua para realizar la medida de la conductancia de la piel. En este artículo, se propone el uso de corriente alterna a la hora de medir la conductancia de la piel. Este tipo de corriente puede aportar más información puesto que es capaz de penetrar a mayor profundidad en la piel del usuario. En este estudio se ha diseñado y evaluado un sensor de GSR de corriente continua y alterna para la estimación del estado del paciente durante un juego de rehabilitación con diferentes niveles de dificultad.Comunitat Valenciana; ACIF/2018/214Comunitat Valenciana; APOTIP/2020/014Comunitat Valenciana; APOTIP/2021/022Este estudio ha sido subvencionado por la Conselleria de Educación, Cultura y Deporte de la Generalitat Valenciana (GVA), a través de la ayuda ACIF/2018/214, de la ayuda APOTIP/2020/014 y de la ayuda APOTIP/2021/022 y por el Ministerio de Ciencia e Innovación, perteneciente a la Agencia Estatal de Investigación (AEI), a través del proyecto PID2019-108310RB-I00/AEI/10.13039/ 501100011033https://doi.org/10.17979/spudc.978849749804

Intelligent system for the assessment of joint movements in motor and cognitive rehabilitation based on wearables with applications to telerehabilitation services

[Resumen] En este artículo se propone un novedoso sistema de medición y evaluación de la calidad de los gestos de las extremidades superiores. Mediante tres dispositivos llevables se estiman los movimientos de las articulaciones y posteriormente un modelo OIESGP clasifica el gesto que el sujeto está ejecutando. Entonces, la combinación de la predicción del modelo con la medición de la distancia DTW mejora la valoración de los movimientos articulares, pudiendo decidir la calidad del gesto realizado. En este artículo, se muestran los resultados de la evaluación del movimiento del miembro superior con un sujeto sano y dos pacientes con accidente cerebrovascular. Los resultados demuestran que la fusión del modelo de predicción, con cinco movimientos articulares, y la distancia DTW ofrece un sistema inteligente para evaluar la calidad de un movimiento ejecutado, teniendo en cuenta cada variable de forma independiente. Al final del artículo, se muestra el estado actual del proyecto de valorización de la patente P202130072 que protege el sistema anteriormente comentado.[Abstract] This article proposes a novel measurement and evaluation system of the quality of the gestures of the upper extremities. Through three wearable devices, the movements of the joints are estimated and subsequently an OIESGP model classifies the gesture that the subject is executing. Then, the combination of the model prediction with the DTW distance measurement improves the assessment of joint movements, being able to decide the quality of the gesture performed. In this article, the results of upper limb motion assessment with a healthy subject and two stroke patients are shown. The results demonstrate that the fusion of the prediction model, with five joint movements, and the DTW distance offers an intelligent system to evaluate the quality of an executed movement, taking into account each variable independently. At the end of the article, the current status of the patent P202130072 appraisal project that protects the aforementioned system is shown.Agencia Valenciana de Innovación; INNVA1/2021/7

Cardiovascular predictive model during water immersion

[Resumen] El sistema cardiovascular se ve afectado cuando el cuerpo humano se sumerge en un entorno acuático. Para estudiar y predecir las respuestas del sistema cardiovascular durante la inmersión se ha desarrollado un modelo de alto nivel. El modelo presentado se compone de un conjunto de ecuaciones en diferencias que describe el comportamiento del sistema cardiovascular de acuerdo con el nivel de inmersión. El modelo se evalúa en simulación y se compara con los efectos descritos en la literatura científica en sesiones experimentales.[Abstract] The cardiovascular system is affected when the human body is immersed in water. To understand and predict the effects on the cardiovascular system during immersion, a high-order model is presented. The model describes the cardiovascular responses according to immersion level with a set of difference equations. The model is evaluated in simulation, and the simulated responses are compared to effects reported in the scientific literature in experimental scenarios.Ministerio de Ciencia e Innovación; PID2019-108310RB-I00/AEI/10.13039/50110001103