Pruebas y Validación de Sillas de Ruedas Impulsadas por

Pruebas y Validación de Sillas de Ruedas Impulsadas por Acompañantes con NI
CompactDAQ y LabVIEW
"Usamos CompactDAQ y LabVIEW para crear una
solución que adquiere y registra datos
simultáneamente, así como también sincroniza
canales de E/S, muy por encima de nuestras
expectativas"
- Derrick Boampong, PAMELA Facility (http://www.ucl.ac.uk/arg/pamela)
El Reto:
Crear un sistema de control de asistencia para una silla de ruedas impulsada por un acompañante que se adapta fácilmente a la capacidad de un
individuo y proporciona apoyo suficiente para el acompañante.
Lea el Caso
de Estudio
Completo
La Solución:
Al usar la plataforma CompactDAQ y software LabVIEW para desarrollar e implementar un método de control de asistencia basado en la relación de
fuerza-velocidad (FV) del individuo al impulsar la silla de ruedas en terrenos difíciles.
Autor(es):
Derrick Boampong - PAMELA Facility (http://www.ucl.ac.uk/arg/pamela)
Nick Tyler - PAMELA Facility, UCL (http://www.ucl.ac.uk/arg/pamela)
Catherine Holloway - PAMELA Facility, UCL (http://www.ucl.ac.uk/arg/pamela)
Tatsuto Suzuki - PAMELA Facility, UCL (http://www.ucl.ac.uk/arg/pamela)
El Pedestrian Accessibility and Movement Environment Laboratory (PAMELA) (www.ucl.ac.uk/arg/pamela), el único laboratorio de peatones
multisensorial en el mundo, es parte del Grupo de Investigación de Accesibilidad (ARG) en el Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Geomática
en la Universidad Colegio de Londres(UCL).
Fig.1 Centro PAMELA en UCL
El centro abarca una plataforma configurable y controlada por PC, iluminación variable y sistemas de sonido dinámico ambisonic (Figura 1). Los
investigadores de PAMELA utilizan seguimiento de ojos, análisis de movimiento corporal, movimiento inercial, medida de presión, sistemas de grabación
de video y audio, EEG, EMG, respuesta galvánica de la piel, transductores de fuerza, placas de fuerza y otros equipos para obtener y analizar datos
vinculados entre sí usando el software LabVIEW (http://www.ni.com/labview/).
Contexto del Proyecto
Debido a los avances en la medicina, está incrementando la expectativa de vida en Reino Unido. Sin embargo, el 85% de las personas mayores de 70
años sufre de problemas de movilidad y el 25% de las personas que sufren de enfermedades cerebrovasculares y osteoartritis necesita usar dispositivos
de asistencia debido a la poca movilidad. Una silla de ruedas impulsada por un acompañante, usada comúnmente por personas de la tercera edad con
limitaciones de movilidad, juega un papel clave en el mejoramiento de la accesibilidad.
Conforme incrementa la edad promedio de la población y la distribución de la clase trabajadora joven y jubilados cambia para favorecer a los jubilados,
hay menos asistentes jóvenes de sillas de ruedas. Generalmente los conyugues, que incluso pueden ser de la tercera edad, son quienes asisten con la
silla de ruedas. Dependiendo del tipo de silla de ruedas y el peso del ocupante, una silla puede pesar 100kg o más, haciendo difícil de maniobrar y
posiblemente inseguro para tanto para el ocupante como para el acompañante. También, el esfuerzo del acompañante por mantener al ocupante seguro
al desplazarse en una subida o en un piso irregular puede causar exceso de ejercicio o dolor de espalda, hombro o codo. Necesitamos reducir las cargas
para impulsar de los asistentes que ayudan a las personas con discapacidad.
Anexar dispositivos de asistencia a las sillas de ruedas es una manera de reducir la carga para impulsar. Muchos de dichos dispositivos de asistencia
logran aumentar la maniobrabilidad de la silla de ruedas. Sin embargo, no optimizan la relación entre la fuerza de asistencia y la capacidad individual
para reducir el gasto de energía del acompañante, un tema que está creciendo en popularidad como un área en la que los sistemas de control de
asistencia pueden ayudar a la sociedad. Esto se debe principalmente al método de control usado comúnmente en el dispositivo de asistencia es
simplemente que la fuerza de asistencia es proporcional a la fuerza de impulso. La fuerza de empuje de las personas mayores en particular varía, por lo
que es difícil adaptar los parámetros actuales del sistema de control a la capacidad del individuo.
Descripción del Sistema
Propusimos un sistema de control de asistencia basado en relación de fuerza-velocidad (FV) del individuo que incluía las siguientes características:
Asistir si la fuerza de impulso no es suficiente por la capacidad natural del acompañante
Usar la capacidad natural de impulso del acompañante a una carga baja de impulso para reducir el consumo de energía
Adaptarse fácilmente a la capacidad o rendimiento de impulso del individuo
Investigamos este controlador de alto rendimiento para asistir el comportamiento del impulso del acompañante representado por la carga de impulso de
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Investigamos este controlador de alto rendimiento para asistir el comportamiento del impulso del acompañante representado por la carga de impulso de
la silla de ruedas en un superficie plana en tres pendientes longitudinales del 6.5% (3.6 grados), 9.0% (5.0 grados) y 12.0% (6.9 grados) en la plataforma
PAMELA (Figura 2).
Figura 2. Configuración de Rampas de la Plataforma PAMELA
Hemos instrumentado una silla de ruedas estándar NHS 9L con dos ruedas delanteras de poliuretano y ruedas traseras con sensores de fuerza MC3A de
6 ejes para medir la fuerza de impulso del acompañante, codificadores rotatorios de 500 p/r para medir la velocidad de silla de ruedas, un sensor de
distancia para medir la distancia del acompañante a la silla de ruedas y sandalias equipadas con interruptores de pie para medir el tiempo de contacto
con los pies. Las señales desde todos los sensores fueron cableados a un módulo NI 9205 de la Serie C (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/208800) e insertado en el chasis NI cDAQ-9174 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/207535).
Desarrollamos un VI (Figura 3) para adquirir y registrar los datos apropiados desde las señales.
Figura 3. Panel Frontal del VI de WC Instrumentado Adquiriendo y Registrando Datos
Participantes experimentados empujaron la silla de ruedas instrumentada en una superficie nivelada y en las tres diferentes pendientes longitudinales y
cada una de las capacidades de impulso de los individuos fue calculada de acuerdo a las fuerzas aplicadas, velocidad de la silla de ruedas, patrones
para caminar y postura. Los resultados experimentales, los cuales fueron medidos con LabVIEW, mostraron que una fuerza de impulso natural del
acompañante estaba entre un 10% hasta 30% de su fuerza máxima y fue disminuida en proporción con la velocidad al caminar. La cantidad de esfuerzo
(fuerza) aplicada por los acompañantes incrementó conforme incrementaron la carga de la silla de ruedas (hasta 96kg) y la gradiente de la pendiente
(hasta 12%). Además, los acompañantes necesitaron longitud de paso grande y baja cadencia para ejercer grandes fuerzas de impulso.
Figura 4. Silla de Ruedas Instrumentada
De acuerdo a los experimentos iniciales, creamos relaciones de FV para cada persona usando gráficas de la fuerza que aplicaron para alcanzar una
velocidad determinada y obtener la relación entre estos parámetros. Establecimos el límite de asistencia al 30% de la fuerza de impulso usada por los
acompañantes y equipamos las ruedas traseras a la silla de ruedas instrumentada estándar NHS (Figura 4) con motores DC eléctricos y un sistema
accionado por cadena (Figura 5). Los controladores de motor con reguladores de derivación instalados en el parte posterior del asiento de silla de ruedas
controlaron los motores. Añadimos el módulo de salida NI 9263 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/208806) al sistema inicial de NI para
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controlaron los motores. Añadimos el módulo de salida NI 9263 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/208806) al sistema inicial de NI para
suministrar el voltaje de salida de FV calculado a los motores eléctricos para energizar directamente las ruedas traseras cuando fuera necesario. Era
crucial sincronizar las señales de E/S para probar y validar exitosamente el sistema de control. Solamente podíamos lograr esto con hardware de NI y
LabVIEW.
Figura 5. Rueda Trasera Motorizada
Creamos un nuevo VI (Figura 6) para incluir la regla de control de asistencia que calcula y genera la fuerza de asistencia cuando la fuerza de impulso del
acompañante excede un límite definido por una relación de FV de los experimentos iniciales . Usamos el VI para probar el método de relación de FV
propuesto y el controlador de asistencia proporcional (P) usado comúnmente. El controlador P generó las fuerzas de asistencia del producto de las
fuerzas del acompañante y la ganancia de asistencia. Pedimos a los acompañantes que repitieran los experimentos iniciales con la ayuda de los
controladores de asistencia. La flexibilidad de LabVIEW significó que podíamos establecer y ajustar fácilmente el límite asistencia y la ganancia al
rendimiento de impulso del individuo para hacer el impulso más fácil en pendientes empinadas.
Figura 6. Panel Frontal del VI de WC Instrumentado
Los experimentos mostraron que el método de control de FV no proporciona fuerza de asistencia al estar bajo el límite de asistencia, a diferencia del
método de control P el cual siempre está ‘siempre activo’. En cambio, el nuevo sistema de control FV proporciona las fuerzas de asistencia únicamente
cuando el acompañante impulsa a una fuerza mayor que el límite de asistencia definido por su relación de FV.
Beneficios del Sistema
El sistema de control que creamos utiliza únicamente la potencia de impulso del acompañante hasta el límite de asistencia, la cual es ajustable fácilmente
al rendimiento de impulso del individuo. Por lo tanto, el sistema garantiza que la fuerza de asistencia es usada únicamente cuando es necesaria y reduce
significativamente la cantidad de energía eléctrica usada. Esta es una ventaja importante comparada con los sistemas de control de asistencia
proporcional usados comúnmente. Además, un acompañante puede empujar la silla de ruedas como una forma de ejercicio moderado, con la opción de
usar la potencia de impulso cuando es requerido.
Las mejoras logradas por medio de este estudio proporcionan fuerzas de asistencia suficientes con menor consumo de energía, reducen la posibilidad de
lesiones y facilitan la carga del acompañante al empujar en largas distancias. Esto mejora la calidad de vida del ocupante con discapacidad y del
acompañante, particularmente personas mayores, que pueden maniobrar la silla de ruedas más fácilmente al aire libre y en terrenos difíciles.
El sistema de control también puede optimizar otros sistemas de asistencia, sistemas de rehabilitación y sistemas de capacitación a la capacidad del
individuo.
Software y Hardware de NI Excedieron las Expectativas
Usamos CompactDAQ (http://www.ni.com/gettingstarted/setuphardware/dataacquisition/compactdaq.htm) y LabVIEW (http://www.ni.com/labview/) para
crear una solución que adquiere y registra datos simultáneamente, así como también sincroniza canales de E/S, muy por encima de nuestras
expectativas LabVIEW ofreció una fácil integración con hardware de terceros y como usuarios principiantes, el entorno de programación gráfica lo
encontramos intuitivo.
El ambiente del panel frontal amigable nos ayudó a incorporar parámetros como ganancia de asistencia, constante de tiempo y la relación de FV para
ajustar y controlar fácilmente motores de asistencia en la silla de ruedas. Sin esta característica, únicamente podíamos haber probado la regla de control
propuesta en una silla de ruedas simulada.
Información del Autor:
Derrick Boampong
PAMELA Facility (http://www.ucl.ac.uk/arg/pamela)
PAMELA Facility, UCL, Unit1 Bush Industrial Estates, Station Road, Tufnel Park
London N19 5UN
Reino Unido
Tel: 0207 281 2976
[email protected] (mailto:[email protected])
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Rueda Trasera Motorizada
Configuración de Rampas de la Plataforma PAMELA
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Centro PAMELA en UCL
Panel Frontal del VI de WC Instrumentado Adquiriendo y Registrando Datos
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Silla de Ruedas Instrumentada
Panel Frontal del VI de WC Instrumentado
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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