Impedancia mecánica entre un actuador neumático blando y un dedo humano
Un guante de rehabilitación que mueve los dedos de un paciente necesita saber cuánto se opone el dedo al movimiento. Este trabajo propone medirlo mediante la impedancia mecánica, es decir, la relación entre el torque que aplica el actuador y la velocidad angular con la que responde el dedo. Se fabricó un actuador neumático blando para el dedo índice, se planteó un modelo simplificado y se construyó un banco de pruebas. La metodología quedó establecida; la validación experimental no se logró, y el trabajo documenta por qué.
Contexto
Tras un accidente cerebrovascular, la recuperación de la mano depende de repetir movimientos muchas veces. Los guantes exoesqueleto blandos permiten hacerlo sin la presencia constante de un terapeuta, pero su control suele basarse en dos tipos de señal con limitaciones conocidas: las variables cinemáticas no reflejan la intención del paciente, y la electromiografía es difícil de captar justamente en esta población.
La impedancia mecánica describe la interacción física misma. Un dedo que coopera y uno que se resiste al movimiento, por dolor o por espasticidad, deberían producir impedancias distintas ante el mismo estímulo.
El actuador
El actuador es una cámara de silicona con fuelles en una cara, que se curva al presurizarse. Se fabricó por vaciado en moldes impresos en 3D, y buena parte del trabajo consistió en estabilizar el proceso: se compararon geometrías, moldes de dos y tres partes, impresión en PLA y en resina, dos elastómeros y distintas condiciones de curado. El documento registra las fallas encontradas (poros por moldes cerrados, curado incompleto por desmoldante o por temperatura, rupturas en la pared) y las condiciones que las evitan.
Moldes de dos y de tres partes para el vaciado del actuador
La configuración final produce una flexión progresiva entre 8 y 25 psi.
Montaje de control de la línea de aire: compresor (1), regulación (2) y válvulas (3)
Modelo y banco de pruebas
El modelo trata el dedo como tres eslabones (falanges proximal, medial y distal) y calcula el torque en cada articulación a partir de la fuerza de contacto sobre cada falange. La impedancia se obtiene como el cociente entre ese torque y la velocidad angular correspondiente.
Torque generado por la fuerza de contacto sobre la falange proximal
Las fuerzas se midieron con sensores resistivos (FSR) ubicados entre el actuador y cada falange, y los ángulos mediante seguimiento de marcadores en video. Las pruebas se hicieron a 10, 15 y 20 psi y a varias frecuencias de movimiento.
Montaje del experimento simplificado
Resultados
Los valores de impedancia obtenidos fueron inconsistentes, e incluso negativos en algunos casos, por lo que no fue posible establecer rangos confiables para una estrategia de control.
Rangos de impedancia por frecuencia para tres presiones de inflado
El trabajo identifica tres causas:
- Los FSR presentaron histéresis y deriva bajo carga cíclica, confirmadas en calibraciones posteriores.
- El seguimiento visual inicial era impreciso. Tras rediseñarlo con marcadores de colores distintos y regiones de interés por marcador, el error en la amplitud de los tres ángulos articulares frente a una trayectoria de referencia de la literatura bajó de 48,9 %, 46,6 % y 149,1 % a 8,9 %, 25 % y 5,7 %.
- La ejecución manual del movimiento introdujo variabilidad entre repeticiones.
Ángulos articulares obtenidos con el sistema de seguimiento refinado
Lo que falta
El paso siguiente es de instrumentación: reemplazar los FSR por celdas de carga miniatura, calibrar el sistema de visión en unidades angulares reales y repetir el experimento. Solo con mediciones confiables tiene sentido evaluar si la impedancia distingue entre un dedo que coopera y uno que se resiste, y probarlo con personas en rehabilitación.
Relación con Robiolab
El proyecto reúne dos líneas del laboratorio, los actuadores blandos y los dispositivos vestibles de rehabilitación, alrededor de una pregunta de interacción física entre humano y robot. El resultado negativo es informativo: en dispositivos blandos el contacto es distribuido y deformable, y medir fuerzas en esa interfaz es un problema abierto que también aparece en la órtesis de codo y en el torniquete blando.