Un nuevo sensor para medida del movimiento tembloroso basado

Un nuevo sensor para medida del movimiento tembloroso
basado en giroscopios
E. Rocon, A. Ruíz, L. Bueno, R. Ceres, L. Calderón, J.L. Pons
Instituto de Automática Industrial, CSIC
Crta. Campo Real, Km.0,200
28500 Arganda del Rey, España
Resumen
El objetivo del presente artículo es evaluar
experimentalmente un nuevo método de medición de
velocidad, posición y aceleración angular a través
de giroscopios de un solo eje, sin necesidad de
alguna referencia externa. El método de medición es
aplicado a un sistema ortésico para obtener
información relativa al movimiento de temblor
patológico de un brazo.
Palabras Clave: WOTAS, temblor, giroscopios,
ortesis.
1
Introducción
En el marco del proyecto DRIFTS hemos presentado
el dispositivo WOTAS (Wearable Orthosis for
Tremor Assesment and Supression) con dos
objetivos: monitorización y diagnóstico, y validación
de las estrategias de control desarrolladas en DRIFTS
[2].
El proyecto DRIFTS empezó en abril de 2002 con el
principal objetivo de validar el concepto de supresión
activa del temblor patológico a través de ortesis
ambulatorias. En el marco del proyecto DRIFTS es
muy importante medir la contribución de cada
articulación en el temblor general una vez que el
proyecto apunta hacia dispositivos ambulatorios. Con
este tipo de dispositivos el temblor puede ser
suprimido en el mismo nivel que es producido (ej., en
nivel de la articulación). Este análisis ayudaría a
seleccionar las articulaciones que más influyen en el
movimiento total del temblor. Por lo tanto, se puede
definir las articulaciones que la ortesis debe
estabilizar. Los giroscopios fueron seleccionados
como tecnología para la medida cinemática del
temblor [2], [3], [4], [5], [6].
En este artículo presentamos el concepto de utilizar
un par de giroscopios para la estimación de velocidad
angular de una articulación y, a través de algunas
operaciones matemáticas, obtener la posición y la
aceleración angular de dicha articulación. Este
sistema es una configuración innovadora para la
medida del temblor en el miembro superior, siendo
un sistema propicio para dispositivos ambulatorios.
En la siguiente sección presentaremos todos los
aspectos teóricos para el análisis de la señal de los
giroscopios y describiremos los giroscopios
seleccionados. Los experimentos realizados con el
sistema propuesto serán presentados en la sección 4 y
en la última sección se presenta una discusión sobre
el trabajo realizado y sus conclusiones.
2
Figura 1: WOTAS - Ortesis activa dotada de sensores
y actuadores
Este dispositivo, Figura 1, está constituido por una
ortesis pasiva comercial, un sensor de fuerza
constituido por un puente de Wheatstone en una
combinación de cuatro galgas activas (puente
completo), que mide el par aplicado por los motores
sobre la estructura de WOTAS y por un par de
giroscopios posicionados sobre la estructura de
WOTAS, de manera que miden la velocidad angular
de la articulación del codo.
Giroscopios
Cuando es sometido a una rotación, el giroscopio
mide la deformación de un prisma vibrante interno a
causa del efecto de Coriolis. Como resultado de está
deformación el giroscopio genera un voltaje de salida
que es proporcional a esta velocidad angular de
rotación. La posición angular también puede ser
obtenida fácilmente a través de una simple
integración de la señal del giroscopio. Del mismo
modo se obtener la aceleración al derivar la señal.
Los giroscopios fueron seleccionados basados en dos
aspectos principales:
•
Posibilidad de analizar la contribución de
cada articulación sobre el movimiento total,
•
Facilidad en la integración con el prototipo
final.
Una medida directa de la velocidad angular del
temblor es importante bajo algunas condiciones. Una
aproximación típica para la supresión del temblor, [1]
[7], [8], es la alteración de viscosidad del
movimiento. Este tipo de estrategia de control,
cuando se implementa a través de actuadores activos,
está basada en la realimentación de velocidad. Así
una medida directa de la velocidad angular facilita la
implementación práctica de estos lazos de control.
Los giroscopios de estado sólido son suficientemente
pequeños para permitir la implementación
miniaturizada en dispositivos ortésicos, Figura 2. A
diferencia de los acelerómetros, las medidas de los
giroscopios no son influenciados por la gravedad.
Además las informaciones de frecuencia y amplitud
son precisas en un rango amplio de frecuencias, hasta
DC (frecuencia cero).
Figura 2: Versión final de los giroscopios
Como los giroscopios proveen velocidad angular
absoluta respecto a su propio eje activo, la
combinación de dos giroscopios independientes
ubicados en la parte proximal y distal de la
articulación, pueden proporcionar información sobre
la velocidad angular de está articulación sin ninguna
referencia externa. La figura 3 ilustra la disposición
de los giroscopios en la plataforma WOTAS, en la
cual al sustraer las medidas del giroscopio 2 a la
medida del giroscopio 1 obtenemos la velocidad de
flexo-extensión del codo.
Figura 3: Vista de la plataforma WOTAS sobre la
articulación del codo.
2.1
Selección del giroscopio
Tal como se presenta en [1], se ha realizado un
análisis
de
los
giroscopios
disponibles
comercialmente y se decidió utilizar el giroscopio
fabricado por Murata GYROSTAR ENC-03J, Figura
4.
Figura 4: Giroscopios seleccionados para WOTAS
Estos mismo giroscopios son utilizados para
estabilización de imágenes en cameras de vídeo, por
lo que se espera que sean una buena alternativa para
medida de la velocidad del temblor. La Tabla 1
resume las principales características operacionales
del giroscopio seleccionado.
Referencia del fabricante
Voltaje de alimentación
Consumo de corriente
Velocidad angular máxima
Salida(Velocidad Angular =0)
Factor de escala
Resolución
Linealidad
Respuesta
Min. Temp.. de operación
Max. Temp. de operación
Min. Temp. Almacenamiento
Max. Temp. Almacenamiento
Peso
ENC-03J
2.7~5.5Vdc
5mA max.
±300deg./sec.
1.35Vdc
0.67mV/deg./sec.
+/-5%FS
50Hz max.
-5°C
75°C
-30°C
85°C
1.0g max.
Tabla 1: Especificaciones del giroscopio
2.2
Electrónica del giroscopio
Se ha desarrollado una electrónica para el tratamiento
de la señal del giroscopio antes de su integración en
el sistema de WOTAS. El circuito básico está
compuesto por un filtro pasa banda con una
frecuencia de corte entra 0.3Hz y 25 Hz [6]. Este es
el rango de frecuencias en que casi toda la energía
del temblor se concentra, conforme estudiado en
nuestra revisión bibliográfica. La figura 5 enseña la
electrónica del giroscopio.
Figura 5: Electrónica del giroscopio
3
Experimentos
El objetivo de los experimentos fue investigar la
posibilidad de usar giroscopios de un solo eje para
obtener información de posición, velocidad y
aceleración angular en un brazo con temblor
patológico, sin requerir ninguna referencia externa.
Primero se realizó la calibración de los giroscopios y
posteriormente se recolectaron los datos para validar
los conceptos teóricos con la información obtenida.
3.1
Calibración de los giroscopios
Estos fueron calibrados para obtener una relación
exacta entre el voltaje de salida del sensor y la
velocidad angular medida desde el miembro
tembloroso. Para realizar esto, un giroscopio se
montó sobre un brazo unido en un extremo al eje de
un motor ultrasónico, como en la Figura 6.
La sensitividad promedio obtenida de los giroscopios
fue 0.105 V/(rad/s).
3.2
Validación del método de medición
Para evaluar el comportamiento del método de
medición propuesto, a partir de la diferencia de las
señales de los dos giroscopios sin utilizar referencias
externas, éstos fueron montados en una configuración
como aparece en la Figura 1.
El experimento se ha desarrollado en dos fases.
Inicialmente, el brazo móvil sobre el cual se
encuentra un giroscopio fue girado repetidamente
describiendo un movimiento senoidal. La velocidad
rotacional fue aproximadamente de 18.8 rad/s. El
otro giroscopio permaneció inmóvil sobre el sistema.
Las salidas de los giroscopios se observan en la
Figura 8 (señales roja y verde), al igual que la
diferencia entre ambas (señal azul).
Figura 6: Giroscopio unido al motor
Un sensor óptico (encoder) unido al eje del motor fue
usado para medir la velocidad angular del
movimiento. El motor se excitó con una señal
senoidal de determinada frecuencia, de modo que el
giroscopio describirá un movimiento de esta forma.
La información de la velocidad angular obtenida de
los giroscopios y el encoder fue tomada para
movimientos de 1, 3, 6 y 12 Hz, a fin de a determinar
la relación entre el valor medido y la frecuencia
angular real del movimiento. Las medidas obtenidas
se observan en la Figura 7 .
Figura 7: Medidas de los giroscopios (rojo) y del
encoder (azul)
Figura 8: Señales con el sistema parado
En la otra fase del experimento, igualmente el brazo
móvil sobre el cual se encuentra un giroscopio fue
rotado repetidamente describiendo un movimiento de
tipo senoidal a la misma frecuencia de antes. Al
mismo tiempo el sistema total, junto con el otro
giroscopio, se hizo girar con movimientos aleatorios.
En la Figura 9 se observan las salidas de los dos
giroscopios (señales roja y verde) y la diferencia
entre ambas (señal azul).
Figura 9: Señales con los dos giroscopios obtenidas
Una comparación entre las señales de velocidad
angular obtenidas de los giroscopios en las dos fases
del experimento se observa en la Figuras 10.
Harwin, Rui Loureiro, Nicolas Guernion, and Wayne
Hays (University of Reading (UREAD, UK), Depts.
Of Cybernetics and Chemistry); Jose Pons y Eduardo
Rocon (IAI (CSIC, España)); John Williams y
Angela Davies (Dept. of Textile Design and
Production, De Montfort University (DMU, UK)); y
Steen Skaarup (Department of Chemistry, Technical
University of Denmark (DTU).
Referencias
[1] Adelstein BD, Peripheral mechanical loading
and the mechanism of abnormal intention
tremor, MIT thesis, 1981.
Figura 10. Comparación entre las dos señales,
sistema parado (rojo) y sistema en movimiento (azul)
La anterior figura muestra la robustez que los
giroscopios pueden proporcionar para obtener
información cuantitativa de velocidad, posición y
aceleración angular en una articulación, sin necesidad
de alguna referencia externa.
Se han obtenido errores en las mediciones debido al
ruido y al offset en la salida de los giroscopios. Sin
embargo, estos efectos han sido compensados con
resultados satisfactorios mediante algoritmos de
filtrado.
4
Conclusiones
[2] E. Rocon, A. Ruiz, L. Bueno, R. Ceres, L.
Calderón, J.L. Pons, Monitorización y
Supresión Ortésico del Temblor Patológico,
para ser publicado.
[3] E. Rocon, L. Bueno, R. Ceres, L. Calderon, J.L.
Pons, Theorical Control Discussion On Tremor
Suppression via Biomechanical Loading,
Proceeding of the AAATE conference. Dublín,
Irlanda, 2003.
[4] I. Pappas, T. Keller, M. Popovic, Experimental
Evaluation of the Gyroscope Sensor used in a
New Gait Phase Detection System, 4th Annual
Conference of the International Functional
Electrical Stimulation Society, Sendai, Japan,
1999.
Hemos concluido que las señales de los giroscopios
se deben procesar antes de obtener la información
deseada, a fin de tener una precisión aceptable.
[5] K. Tong, M. Granat., A Practical gait analysis
system using gyroscopes, Medical Engineering
& Physics, 1999.
El sistema de medidas expuesto es adecuado para la
aplicación a sistemas ambulatorios y específicamente
a dispositivos portátiles que realizan mediciones en
las articulaciones del miembro superior.
[6] M, Manto, M. Topping, M. Soede, J. SanchezLacuesta, W. Harwin, J. Pons, J. Williams, S.
Skararup, L. Normie, Dynamically Responsive
Intervention for Tremor Suppression, IEEE
Engineering in Medicine and Biology, 22(3):
120-132, Junio, 2003.
Agradecimientos
A los autores les gustaría agradecer a la Comisión
Europea que parcialmente ha financiado este trabajo
bajo contrato QLK6-CT-2002-00536. Igualmente
están agradecidos a todos los demás participantes del
consorcio DRIFTS por sus cometarios y ayudas.
Agradecemos a las siguientes personas su
contribución al proyecto: Lawrence Normie
(GeronTech – The Israeli Centre for Assistive
Technology and Ageing (coordinador del proyecto)),
Mike Topping and Mark Heath (Staffordshire
University (SU), UK); Rilana Cima, Mathijs Soede,
and Richard Geers (iRv, Insitute for Rehabilitation
Research Netherands); Javier Sanchez-Lacuesta and
Juan Manuel Belda Lois (Insituto de Biomecánica
(IBV), España; Mario Manto y Stephane Camut
(Free University of Brussels, Bélgica); William
[7] Pledgie S., Barner K., Agrawal S., Tremor
suppression through impedance control, IEEE
Transactions on rehabilitation engineering, vol.
8, nº 01, 2000.
[8] Rosen M, Aldenstein B. The effect of
mechanical impedance on abnormal intention
tremor. In: Proceedings of the 9th Annual
Northeast
Bioengineering
Conference.
Elmsford, NY. New York: Pegamon Press, Inc.,
1981