Diseño e implementación de un controlador difuso para un actuador blando utilizado en un exoesqueleto robótico flexible para la rehabilitación de extremidades inferiores en recién nacidos con mielomeningocele

Abstract

El presente trabajo formó parte del proyecto financiado por PROCIENCIA, cuyo objetivo principal fue automatizar la rehabilitación de las piernas de bebés de hasta seis meses de edad con mielomeningocele. La rehabilitación de los bebés afectados consiste en realizar movimientos de flexión y extensión en la pierna por un especialista en terapia física. Además, en colaboración con un especialista médico, se establecieron las siguientes especificaciones a cumplir: tres segundos de flexión, cinco de extensión y cinco de reposo entre cada movimiento de la rodilla, asegurando que el movimiento sea suave en todo momento. Para ello, se utilizó un actuador flexible accionado por vacío como parte del sistema de rehabilitación. El controlador se enfrentó a dos desafíos principales: las variaciones antropométricas y la falta de un modelo matemático. El primero se refiere a la necesidad de que el controlador pueda funcionar dentro de un rango de pesos y longitudes que se asemejen a los de un recién nacido de hasta seis meses de edad. Por otro lado, el segundo desafío radica en la ausencia de un modelo matemático, lo que limita considerablemente las opciones de controladores disponibles para su implementación. Teniendo en cuenta estos desafíos, se propuso el uso de un controlador difuso. Los resultados de la implementación demostraron que el controlador difuso es capaz de cumplir con los requisitos de movimiento dentro del rango de cero a seis meses sin necesidad de ajustar sus parámetros internos para cada mes. También se implementó un controlador PID para realizar una comparación, sin embargo, este mostró ser muy sensible a las variaciones antropométricas entre los distintos meses, lo que dificultó (en algunos casos) obtener las ganancias adecuadas para cumplir con los requisitos propuestos.

The present work was part of a founded project by PROCIENCIA, whose main objective was to automate the rehabilitation of the legs of infants up to six months of age with myelomeningocele. The rehabilitation of the affected babies consists of performing smooth flexion/extension movements on the leg by a physical therapy specialist. In addition, with a medical specialist, the following specifications were established: three seconds of flexion, five of extension and five of rest between each knee movement. For this purpose, a flexible vacuum actuator was used as part of a rehabilitation system. The controller faced two main challenges: anthropometric variations and the lack of a mathematical model. The first relates to the need for the controller to be able to operate within a range of weights and lengths that resemble those of a newborn up to six months of age. On the other hand, the second challenge lies in the absence of a mathematical model, which considerably limits the controller options available for implementation. Taking these challenges into account, the use of a fuzzy controller was proposed. The results of the implementation showed that the fuzzy controller is able to meet the motion requirements within the range of zero to six months without the need to adjust its internal parameters for each month. A PID controller was also implemented for comparison, however, it was shown to be very sensitive to anthropometric variations between months, making it difficult (in some cases) to obtain adequate gains to meet the proposed requirements.