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Introducción
La rehabilitación física tiene efecto positivo en la movilidad articular y general de individuos físicamente impedidos, lo que conlleva a mejorar la calidad de vida (1). También ayuda en el control del dolor y en la mejora de la función del órgano o sistema afectado (2). Los efectos beneficiosos del ejercicio y la actividad física en numerosos aspectos de la salud son hoy en día conocidos y aceptados. En personas con enfermedades donde se ve afectada la movilidad, el ejercicio y un estilo de vida físicamente activo la mejoran y contribuyen positivamente a la prevención de diversas enfermedades crónicas como la diabetes, las enfermedades cardiovasculares y el cáncer, entre otros.
Existen diferentes causas que impiden el movimiento muscular en una persona, una de ellas es la distrofia muscular, enfermedad donde los músculos voluntarios del cuerpo se vuelven más y más débiles y, poco a poco, van dejando de funcionar.
No existe un tratamiento médico que permita detener el progreso de la enfermedad, pero existen ayudas tecnológicas que permiten a las personas con discapacidad mejorar sus habilidades para ayudarlos a vivir de forma autónoma y participar en sus sociedades (3).
Actividades tan sencillas como levantar el brazo para comer o cepillarse los dientes, son un reto para las personas con distrofia por la disminución de fuerza y la falta de movilidad, entre otros aspectos; sin embargo, la tecnología asistida ha desarrollado múltiples opciones para mejorar la calidad de vida de estos pacientes.
En países de ingresos bajos o medianos, solo entre el 5 % y el 15 % de las personas que necesitan dispositivos y tecnologías de apoyo tienen acceso a ellos. La producción es escasa y con frecuencia de poca calidad. Hay insuficiencia de personal capacitado para administrar la facilitación de dichos dispositivos y tecnologías, especialmente a nivel rural. En muchos lugares donde el acceso sería posible, los costos son prohibitivos (4,5).
En la Convención sobre los derechos de las personas con discapacidad (artículos 20 y 26), la resolución WHA58.23 de la Asamblea Mundial de la Salud y las Normas Uniformes sobre la igualdad de oportunidades para las personas con discapacidad se subraya la importancia de los dispositivos de apoyo. Se pide a los estados que promuevan el acceso a los dispositivos y las tecnologías de apoyo a un costo asequible y que proporcionen capacitación a las personas con discapacidad y a los profesionales y el personal que trabajan en los servicios de habilitación y rehabilitación (4).
El diseño y desarrollo de los productos de apoyo permite tener sistemas que se complementan para asegurar unos entornos, productos y servicios que facilitan la autonomía personal en tareas básicas e indispensables como comer. Además, ayudan en el entrenamiento de músculos y al desarrollo cerebral (6).
La rehabilitación física requiere de máquinas donde el paciente se ejercita, tradicionalmente han sido máquinas robustas que se encuentran ubicadas en consultorios o centros de rehabilitación, pero se ha visto que los pacientes encuentran estos espacios fríos y aburridos, por ello se han desarrollado nuevos equipos y sistemas. Los investigadores de varias disciplinas se encuentran diseñando equipos junto con protocolos que permitan a los pacientes realizar los ejercicios de rehabilitación desde su hogar, a la vez que son supervisados continuamente. De esa forma, un especialista del área de la salud supervisa el avance actual de la persona y establece nuevas rutinas de rehabilitación de forma remota, además se podrán almacenar los datos en una base de datos para hacer seguimiento y extraer conclusiones del desempeño de las terapias sobre la persona. Las máquinas desarrolladas deben ser atractivas para el usuario, así como funcionales, de manejo intuitivo, bajo costo, entre otros requerimientos(4).
La integración sinérgica de procesos mecánicos, microelectrónica y procesamiento de la información abre nuevas posibilidades para el diseño de procesos así como para su control automático. Como las interrelaciones durante el diseño juegan un papel importante, la ingeniería simultánea tiene que tener lugar desde el principio. La mecatrónica, como ingeniería que permite la integración entre diferentes disciplinas, resulta óptima en el momento de generar soluciones hardware-software, donde se tienen mecanismos, controlados electrónicamente y con sistemas de comunicación (7,8.9). Para obtener resultados satisfactorios se requiere un diseño sistemático, de allí que este trabajo propone un algoritmo de metodología para desarrollar dispositivos mecatrónicos como ayudas técnicas para personas con discapacidad física.
Métodos
Los avances tecnológicos actuales presentan una sinergia entre diferentes disciplinas para dar un resultado completo como solución a la necesidad planteada, de allí que, en la obtención de productos o diseños desde la ingeniería, se hace necesario contar con métodos o técnicas para resolver los problemas identificados. El propósito de poseer y aplicar una metodología que permita desarrollar dispositivos para ayudas técnicas, es disponer de un procedimiento racional enfocado al cumplimiento de un objetivo, o una serie de objetivos, lo que contribuye a fomentar el acercamiento directo a los problemas, activar la creatividad y el entendimiento, facilitar la búsqueda de soluciones óptimas, aplicar correctamente los conocimientos, permitir la compatibilidad de conceptos, métodos y descubrimientos de varias disciplinas, así como a reducir tiempos, costos y errores.
Los aparatos mecatrónicos como ayudas técnicas tienen tres partes fundamentales: parte mecánica, parte electrónica y el sistema de comunicación, en la figura 1 se observa la relación entre ellos.
Fig. 1 - Partes fundamentales de un dispositivo mecatrónico para ayuda técnica dirigido a personas con discapacidad.
La maquinaria, parte mecánica que incluye el mecanismo, se encarga tanto de transformar la energía para hacer un trabajo como de realizar el trabajo; la mecánica incluye un conjunto de piezas o elementos que ajustados entre sí y empleando energía hacen un trabajo o cumplen una función (10). Esta maquinaria debe ser eficiente, liviana, multitarea, reprogramable electrónicamente, capaz de llevar a cabo una variedad de movimientos o tareas por medios autónomos; esto hace notar, que el diseño de mecanismos es un campo de la microeconomía y la teoría de juegos, donde se considera cómo implementar un sistema que responda con soluciones óptimas a un problema planteado, involucrando múltiples agentes, cada uno con información y aporte a la solución (11,12).
La parte electrónica incluye la combinación de componentes electrónicos organizados en circuitos, destinados a controlar y aprovechar las señales eléctricas. El diseño electrónico permite obtener un circuito ya sea para almacenamiento, transporte o transformación de información. Todo desarrollo electrónico involucra tres partes relacionadas entre sí para un buen funcionamiento: el hardware, el firmware y el software (13,14).
El hardware es el aspecto físico de los dispositivos, son los componentes electrónicos, sensores, actuadores, tarjetas electrónicas, placa de circuitos impresos o PCB (por sus siglas en inglés), entre otros.
El firmware se refiere a las instrucciones o programas permanentes de dispositivos informáticos, esta programación es de muy bajo nivel, se almacena en memorias presentes en los microprocesadores, microcontroladores o sistemas embebidos, la característica es que el usuario común no puede acceder ni alterar los programas.
El software es el conjunto de procedimientos, reglas, documentación y datos que conforman programas y rutinas, están residentes en dispositivos tales como computadoras, teléfonos inteligentes, tabletas, etc. El software permite realizar tareas específicas en estos dispositivos.
En los dispositivos electrónicos, el hardware ejecuta las operaciones indicadas a través de códigos por el firmware, puede ser lectura de sensores, activación de actuadores, almacenamiento de información, recepción y transmisión de datos, por citar algunas; el firmware sigue las órdenes del software, realiza la toma de decisiones según la programación que contiene, interconecta hardware y software, etc.; el software realiza las tareas de procesamiento de datos, visualización de los mismos en una interfaz de usuario, y en general los procesos macro del dispositivo.
El sistema de comunicación permite transferir información de un punto a otro entre circuitos, sistemas electrónicos y mecánicos, lleva a cabo tareas de supervisión y control, es decir, se encarga de transmitir las señales para intercomunicar las diferentes partes de los dispositivos mecatrónicos. Para cumplir su función tiene tres componentes básicos: el transmisor, el canal de transmisión y el receptor.
El transmisor envía el mensaje al canal en forma de señal.
El canal de transmisión o medio es el enlace eléctrico entre el transmisor y el receptor, siendo el puente de unión entre la fuente y el destino.
El receptor recibe del canal la señal deseada.
Resultados
Algoritmo propuesto
El proceso de desarrollo de ayudas técnicas para personas con discapacidad, involucra varias etapas relacionadas entre sí, se tiene el proceso investigativo, el dispositivo mecánico, el sistema electrónico y el sistema de comunicación, como se puede ver en la figura 2. Por lo anterior, se ha desarrollado un algoritmo que reúne la combinación de metodologías para cada etapa: una metodología para el desarrollo del proceso investigativo, otra para el diseño e implementación del dispositivo electrónico, una para el sistema de comunicación y otra para el diseño y desarrollo del dispositivo mecánico.
Desarrollo del proceso investigativo
Para la obtención de dispositivos que permitan la correspondencia entre las personas con discapacidad con su medio ambiente, se demanda determinar la tecnología de fabricación teniendo en cuenta las necesidades a cubrir, el tipo de discapacidad, la afectación musculo-esquelética, la población objeto (rango de edad, sexo). Como consecuencia, es imperativo tener como primera medida el planteamiento general de la investigación.
La propuesta y desarrollo de dispositivos de ayuda técnica inicia con el estudio del proceso investigativo, donde se establece la necesidad del dispositivo, se plantea el problema a abordar, por qué se quiere realizar, a donde se quiere llegar, se buscan las teorías, conceptos y/o definiciones que sustentan el proyecto, así como el estado del arte del tema del laboratorio. En general, el proceso investigativo se realiza siguiendo los pasos fundamentales que se ven en la figura 3.
Fig. 3 - Desarrollo del proceso investigativo, la metodología propuesta incluye 6 ítems relacionados entre sí y que son el fondo de la ayuda técnica a implementar.
Descripción del sistema: en este punto se establece el área de investigación de forma clara y meticulosa.
Descripción del problema: donde se especifica el problema detallada y claramente, aquí se establecen los límites del problema.
Definición de objetivos: se determina el alcance del proyecto, a dónde se quiere llegar teniendo en cuenta los resultados esperados y el ámbito donde se situará el desarrollo.
Justificación: se resaltan las motivaciones existentes que permiten el desarrollo y la ejecución del proyecto.
Desarrollo del marco de referencia: construcción del conocimiento previo, revisión de las estructuras teóricas y experiencias existentes mundialmente.
Definición del diseño metodológico: en su conjunto incluye tres fases generales, el diseño y construcción del dispositivo mecánico, la determinación del sistema de comunicación y el diseño y construcción del sistema electrónico.
Desarrollo del Sistema Electrónico
El sistema electrónico del prototipo a desarrollar debe ser descrito, verificable en su funcionamiento mediante la simulación del mismo, para luego llegar a implementar el prototipo físicamente y finalmente validar su funcionamiento. Por ello, se deben seguir los siguientes pasos:
Planificar y organizar las actividades a realizar.
Fijar las particularidades del grupo de trabajo.
Estipular los requerimientos y las especificaciones técnicas del sistema. Esto es la descripción de la idea, puede hacerse uso de un diagrama en bloques, un diagrama de flujo, entre otros.
Establecer los elementos del dispositivo y determinar las herramientas hardware-software a utilizar. Verificar la consecución de los mismos, en cuanto a costo y adquisición.
Diseñar el circuito electrónico, simular y verificar el funcionamiento del diseño.
Implementar físicamente el diseño.
Validar con pruebas la implementación.
Las fases descritas se muestran en la figura 4.
Desarrollo del Dispositivo Mecánico
Consiste en definir las formas y geometrías fundamentales de la parte mecánica del sistema, también se definen los materiales a utilizar y los procesos de fabricación asociados. Es vital considerar las técnicas y tecnologías a las que se tienen acceso, así como el costo de estas. Esta fase se encarga de proporcionar un esquema general del sistema, sobre el que se puedan analizar de forma eficaz: función, duración, fabricación, montaje, funcionamiento, costes y seguridad.
En la obtención de la parte mecánica del prototipo se presentan frecuentes actividades de análisis y de síntesis y numerosas acciones de verificación, estas tareas se alternan y complementan en todo momento. Es esencial la acertada evaluación de soluciones para poder identificar los errores e ir perfeccionando el diseño continuamente.
Se proponen una serie de actividades en el diseño mecánico, donde se incluye el análisis para clarificar la terea y determinar las especificaciones mecánicas del prototipo; la obtención de un modelo mediante el diseño, la simulación, evaluación y optimización del mismo, aquí se elaboran los esquemas preliminares y formas de diseño, se evalúan respecto a criterios técnicos y económicos y se selecciona el diseño que más prestaciones otorga; se llega entonces a un esquema preliminar, donde se completa el diseño de las formas, se realiza verificación de errores, efectividad de costo y se listan las piezas de forma preliminar y documentos para la producción; finalmente, se alcanza el esquema final, con detalles finales, dibujos de detalle y completamiento de la documentación. La figura 5 muestra la metodología para el diseño y obtención de dispositivo mecánico.
Para dar a conocer la propuesta mecánica se utilizan diferentes herramientas como dibujos a escala con las restricciones impuestas por el medio donde se expondrá el prototipo, diseños preliminares de los elementos y componentes, esquemas con los componentes, software para la evaluación de diseños y documentación del proceso.
Sistema de Comunicación
Como se explicó, todo sistema de comunicación consta de tres partes, transmisor, canal de comunicación y receptor (15). El diseño de un sistema de comunicación debe considerar el desarrollo óptimo de estas tres etapas para lograr una eficiente comunicación entre todos los componentes del dispositivo, es decir, tener tiempo reducido en la cantidad total de datos transmitidos por unidad de tiempo, baja probabilidad de errores con la pérdida de información o información errónea, proponer la probabilidad de detección de errores para aumentar la eficacia de los controles y asegurar buena conexión.
La metodología propuesta consta de una serie de etapas elementales y básicas a seguir para lograr la obtención del sistema de comunicación, los aspectos desarrollados dentro de cada etapa generan criterios que ayudan a establecer el diseño apropiado. En la figura 6 se dan a conocer las etapas. En primer lugar se tiene una etapa específica donde se puntualizan las necesidades técnicas necesarias dentro de la comunicación en el dispositivo, analizando las características del sistema de transmisión y recepción dependiendo de los dispositivos mecánico y electrónico, el ambiente donde se encuentra, el tiempo de respuesta requerido y la aplicación. En segundo lugar, se realiza el diseño del prototipo del sistema de comunicación, indicando los elementos electrónicos que proveen la solución requerida. En tercer lugar, está la simulación para comprobar el desempeño del diseño realizado, supliendo los posibles errores presentes. En cuarto lugar, se realiza la implementación del hardware y software que realizan la comunicación. En quinto y último lugar se hacen las pruebas de conexión de la parte mecánica con la electrónica y se verifica el comportamiento del sistema; se deben solventar las posibles dificultades que se presenten.
Discusión
La propuesta del algoritmo de metodología para el desarrollo de dispositivos mecatrónicos, se aplicó a una primera necesidad, disponer de un sistema mecatrónico que asistiera a personas con discapacidad física, específicamente con distrofia muscular, en el momento de comer. La aplicación de este algoritmo permitió generar dos sistemas: Un primer prototipo de exoesqueleto, que se encuentra en fase de pruebas; un segundo aparato para ejercicios de rehabilitación que se encuentra en la fase de diseño. Se observó que, siguiendo la metodología planteada, el tiempo de planificación y obtención de los aparatos se redujo, además se tuvo bajo desperdicio de material y se logró un sistema funcional.
El trabajo conjunto entre ingenieros y personal médico es crucial en el momento de proponer, ejecutar, desarrollar y validar los dispositivos. Por un lado, es imprescindible tener clara la necesidad a abordar, en este momento la información del personal médico es invaluable; por otro lado, conocer las limitaciones de diseño mecánico y electrónico, permite generar soluciones realistas.
La metodología formulada debe ser probada en el diseño de otros mecanismos mecatrónicos, para validar su aplicabilidad.
