Control de fuerza para una prótesis de mano subactuada
Una prótesis de mano que solo abre y cierra no sabe con cuánta fuerza aprieta. Este proyecto le dio esa información a la mano subactuada del laboratorio. Se desarrolló una celda de carga con un sensor óptico y una pieza impresa, con un costo cercano a 5000 pesos, y un controlador que sigue una consigna de fuerza con un retardo menor a 0,5 s.
Contexto
En una mano subactuada, la fuerza de agarre es proporcional a la tensión del tendón de actuación. Medir esa tensión en un solo punto permite regular el agarre completo. Las celdas de carga comerciales son costosas y voluminosas para ir dentro de una prótesis de bajo costo.
La planta: una rigidez que cambia
Al tirar del tendón, la relación entre fuerza y desplazamiento de la prótesis no es lineal. Primero se vencen los resortes de los dedos, luego los dedos hacen contacto con el objeto, y al final la estructura se deforma.
Fuerza contra desplazamiento del tendón, con tres zonas de rigidez
La planta se modeló como tres resortes de distinta rigidez. Un único controlador no se comporta bien en las tres zonas.
Celda de carga
Se probaron tres principios de medición: un resorte con potenciómetro, y dos piezas elásticas con un sensor óptico de herradura que mide cuánto se interrumpe un haz infrarrojo al deformarse la pieza. La versión elegida usa vigas en U.
Pieza deformable con vigas en U
La luz ambiente alteraba la lectura, lo que se corrigió con una carcasa negra.
Celda de carga con carcasa para aislar el sensor de la luz ambiente
Señal del sensor en función de la fuerza aplicada
La celda mide de 0 a 5 kgf con una incertidumbre de 0,1 kgf.
Controlador
Se sintonizó un controlador para cada zona de rigidez, por dos caminos: simulación con un modelo de la planta y sintonización experimental. Las constantes obtenidas difieren, pero ambos controladores responden bien a un escalón.
Banco con motor, celda de carga, resorte y electrónica
Respuesta al escalón de un controlador proporcional y de un PID sintonizados experimentalmente
El controlador final es híbrido: cambia de constantes según la zona de rigidez en la que se encuentra la prótesis.
Resultados
Fuerza deseada y fuerza medida ante una consigna que cambia en el tiempo
Ante una consigna variable, el controlador alcanza la fuerza deseada con un retardo menor a 0,5 s, sobrepasos inferiores a 0,1 kgf y sin oscilaciones. El controlador híbrido se probó sobre la prótesis y resultó estable.
Lo que falta
La consigna de fuerza se generó de forma artificial. No proviene de una señal muscular, y el autor advierte que el ruido de una señal de ese tipo puede causar problemas con la acción derivativa. La celda es grande para alojarse dentro de la mano y su pieza plástica puede fatigarse; se recomienda reducirla y fabricarla en aluminio. La retroalimentación de fuerza hacia el usuario no se implementó.
Relación con Robiolab
Este es el tercer proyecto de la línea de prótesis de mano. Su celda de carga y su controlador se incorporaron, con una pieza deformable rediseñada, en la versión integrada que se probó con un usuario amputado. El sensor ilustra una forma de trabajo frecuente en el laboratorio: convertir una estructura flexible bien diseñada en un instrumento de medición.