Diseño e implementación de una interfaz electromecánica para el manejo de sillas de ruedas monitorizadas

El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) comprende el diseño y desarrollo de un dispositivo que se adapte al joystick de una silla de ruedas para desplazarlo, a partir de los datos recibidos vía Bluetooth, procedentes de un sensor que se coloca en la cabeza del usuario. En la actualidad, existen muy numerosos casos de hipotonía cervical, que se manifiesta en una incorrecta posición de la cabeza como consecuencia de la falta de tono en los músculos del cuello. Son múltiples las causas que la originan, como ictus, enfermedades neurodegenerativas o parálisis cerebral, entre otras, que afectan a un elevado número de personas. De hecho, la parálisis cerebral es la causa de discapacidad motórica más frecuente en niños y una de las más frecuentes también en adultos. El hecho de cursar con hipotonía cervical, al igual que para el resto de patologías, repercute negativamente en la salud del paciente. Esto se debe a que una postura incorrecta de la cabeza acarrea cuantiosos problemas en el bienestar de una persona, y viceversa; cuando está bien posicionada, se mantiene un adecuado estado de salud. La influencia de la postura cervical ha sido, y es, objeto de diversos estudios para conocer sus campos de afectación. Esos estudios aseguran que la posición de la cabeza repercute a nivel de la salud, en la respiración, el ritmo cardiaco, la deglución o el campo visual, y en aspectos más sociales, como en la comunicación o el confort. Este proyecto trata de fomentar el movimiento de los músculos cervicales, mediante el control de una silla de ruedas eléctrica con la cabeza, para prevenir la aparición de problemas secundarios derivados de la falta de higiene postural. Actualmente, ya existen distintas soluciones para mover una silla de ruedas con la cabeza, además de con otras partes del cuerpo como manos, pies, boca o barbilla. El inconveniente de estas soluciones es que presentan un precio elevado, por lo que es una de las cuestiones que se han de solventar en este trabajo. La necesidad de este proyecto la detectó la confederación ASPACE junto con la empresa Werium Assistive Solutions, cuando trabajando con niños con parálisis se dieron cuenta de que no eran capaces de controlar sus propias sillas de ruedas, porque tenían afectadas las extremidades superiores. No así ocurría con el cuello, donde observaron que tenían mayor movilidad, viendo que ejercitarlo sería muy beneficioso para ellos.Esta necesidad se trasladó al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) con el fin de hallar una solución adecuada. Para ello, se establecieron unos objetivos que guiaran y definieran la construcción del dispositivo desde su concepción hasta su puesta en funcionamiento, de manera que: -Sea capaz de recibir señales de Bluetooth procedentes de un sensor. -Permita accionar unos motores en función de esas señales, para controlar el joystick de la silla de ruedas por medio de un dispositivo mecánico. -Sea reconfigurable para poderlo adaptar a distintos niveles de movilidad del cuello. -Implique al usuario como parte activa del sistema de rehabilitación mediante el movimiento de la silla de ruedas, viéndose esto como una actividad más lúdica que sanitaria. -Sea portátil para poder llevarlo sobre la silla de ruedas. -Tenga un coste lo más reducido posible. -Pueda ser utilizado por personal no técnico para su configuración. -Cumpla las especificaciones de seguridad expuestas en el real decreto 1591/2009, del 16 de octubre por el que se regulan los productos sanitarios, incluido en el Boletín Oficial del Estado número 268, del 6 de noviembre de 2009. Con el objetivo de diseñar y desarrollar un dispositivo de manera eficiente, se ha establecido un proceso de cinco etapas: análisis de requisitos, diseño, desarrollo, integración e implementación y evaluación y conclusiones. En la etapa de diseño se distinguen dos partes: el diseño de la estructura y el del sistema electrónico. La etapa de integración e implementación transcurre, en realidad, en paralelo con la etapa de desarrollo, ya que se han realizado pruebas durante el montaje del sistema electrónico, en sus dos partes por separado, Bluetooth y motores, y una vez integrado el sistema. Es por eso que se ha realizado un programa principal, que implementa la funcionalidad básica del dispositivo, y otros programas auxiliares, para realizar las pruebas de la parte del Bluetooth y de los motores. En el programa principal, hay una parte inicial de variables que puede modificar el terapeuta o fisioterapeuta que use el dispositivo, con las que se puede elegir el ángulo mínimo y máximo que se van a considerar en el movimiento de la cabeza, el plano con el que se van a realizar los giros (frontal o transversal), y el nivel de dificultad, que efectúa más o menos desplazamiento del joystick, según sea menor o mayor respectivamente. Dicho programa incluye la lectura de los datos del sensor y el movimiento de los motores atendiendo a la configuración de las variables anteriores. Las pruebas realizadas con los programas auxiliares corroboran el correcto funcionamiento de cada parte independientemente. Por su parte, las pruebas con el programa principal verifican la adecuada integración entre el Bluetooth y los motores, y confirman que se cumple la funcionalidad pensada para el dispositivo. Esto es, cuando el ángulo recibido está por debajo del mínimo, el joystick retorna a su posición de equilibrio; no moviéndose en caso de ya estar en ella. Si está entre el mínimo y el máximo, se mueve proporcionalmente a su relación con el máximo. Y si está por encima del máximo, se mueve como si tuviese tal valor. También se observa en dichas pruebas que, según se aumenta el nivel de dificultad, el desplazamiento efectivo es menor. Asimismo, se aprecia que al seleccionar el ángulo frontal o el transversal, el sistema ignora el valor dado al otro ángulo, tal y como se había planteado. Como líneas futuras de investigación y desarrollo se han identificado algunas mejoras del dispositivo en aspectos como la adaptabilidad a otros tipos de joystick pudiendo expandir así su aplicabilidad. Por otro lado, sería interesante incluir una interfaz de usuario que facilitase la configuración del dispositivo. Igualmente sería conveniente aumentar la autonomía de uso, conectando el Arduino y los motores a la alimentación de la silla. Otro aspecto que resultaría útil sería el guardado de los datos procedentes del sensor, para su análisis posterior. Algo más avanzado se encontraría en el desarrollo de un algoritmo adaptativo que se modificase automáticamente durante su ejecución, adecuándose al estado del usuario. Un último aspecto a mejorar, sería el incremento de la protección del sistema, tanto del cableado como del dispositivo de control. Por último, se ha realizado un análisis de los impactos del proyecto a nivel sanitario, económico, social y ambiental. El principal impacto es a nivel sanitario, pues el proyecto constituye un sistema de entrenamiento cervical para la rehabilitación de esta zona, y la prevención de la degeneración muscular, que origine patologías graves derivadas de una postura incorrecta, consecuencia de la hipotonía cervical. En cuanto nivel económico, el principal impacto está en la reducción del coste frente a otras alternativas, haciendo más abordable el acceso a estas soluciones a las familias y a los centros sanitarios que trabajan con personas que necesitan este tipo de productos.El impacto social radica, principalmente, en el beneficio sanitario que se deriva de la aplicación del producto, influyendo positivamente tanto en el paciente como en su entorno. Por su parte, el impacto ambiental tiene dos vertientes, por un lado, la posibilidad de reutilización múltiples veces del dispositivo, y por otro, un impacto algo más negativo, que es la utilización de pilas y baterías para la alimentación del Arduino y de los motores; aunque, el hecho de ser recargables para ambos, permite alargar su vida útil. Por todo lo expuesto anteriormente, cabe concluir que, en este Trabajo de Fin de Grado, se ha desarrollado un dispositivo de bajo coste que permite controlar el joystick de una silla de ruedas motorizada, fomentando el movimiento cervical y previniendo al mismo tiempo, futuros problemas de salud