Martínez Cesteros, Javier
Plaza García, Imaculada (dir.) ; Medrano Sánchez, Carlos T. (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Resumen: Los sensores táctiles tienen aplicaciones en muchos campos tales como robótica, videojuegos, rehabilitación o salud. En este estudio varios prototipos de Esterillas Sensibles a la Presión (PSM por sus siglas en inglés) han sido fabricadas. El tamaño de las esterillas es de 32x32 cm2 y el número de sensores es de 16x16. La capa sensible a la presión está basada en Velostat, un material piezoresistivo que se puede adquirir fácilmente. Su reducido precio contrasta con el alto coste de la mayoría de soluciones comerciales, lo que las hace poco prácticas para su uso en hospitales, centros de atención primaria o muchos grupos de investigación. En esta tesis se muestran dos aplicaciones de los prototipos desarrollados.
Nuestros prototipos mejoran en diversos aspectos una versión previa fabricada en nuestro grupo de investigación. Se fabrican empleando técnicas convencionales mediante Placas de Circuito Impreso, de forma que están casi listos para la producción en masa. Con respecto al Sistema de Adquisición de Datos basado en Microcontrolador (¿C), se ha conseguido alcanzar hasta 165 Hz de frecuencia de muestreo, siendo un valor ya adecuado para muchos estudios. Esta mejora ha sido posible gracias a: i) Un rediseño del proceso de transferencia de datos, el cual ahora es en formato binario; ii) Un cambio de Bluetooth a USB; iii) Un código de ejecución rápida utilizando funciones de bajo nivel. Además, un ajuste fino del Conversor Analógico Digital del ¿C ha permitido que su impedancia de entrada alcance varios M¿, aproximándose al valor ideal. Además, este tipo de matrices de sensores resistivos presenta diafonía (¿crosstalk¿). En esta tesis, una implementación rápida de un algoritmo para eliminarlo ha sido codificada, alcanzando la ejecución en tiempo real. La incertidumbre debida al algoritmo también ha sido caracterizada. Asimismo, la conductancia de salida del sensor frente a la presión ahora se comprende mejor gracias a una serie detallada de experimentos con una plataforma neumática. Un modelo conjunto de histéresis (Prandtl-Ishlinskii Modificado) y ¿creep¿ (como una suma de sistemas de primer orden lineales e invariantes en el tiempo) ha sido ajustado a los datos. El modelo explica la histéresis y la tendencia temporal de la salida, aunque hay una gran variabilidad en la salida como función del tiempo que el modelo todavía no captura completamente. Otros dos materiales piezoresistivos también han sido probados, mostrando mayores efectos no lineales que el Velostat.
La primera aplicación desarrollada en la tesis se refiere a estudios de estabilidad humana donde la PSM ha sido comparada con un instrumento de referencia, la plataforma de fuerza, en un conjunto de experimentos con personas. Las trayectorias del Centro de Presión provenientes de ambos instrumentos están altamente correladas, pero es evidente que la esterilla proporciona una amplitud inferior de la trayectoria. Hemos descubierto que la medida mejora si el ¿crosstalk¿ es eliminado y si el modelo de salida del sensor es tenido en cuenta. Más específicamente, el modelo conduce hasta un 37% de mejora en la distancia entre trayectorias, dependiendo del tipo de experimento, comparado con el planteamiento simplista en el que conductancia y presión se suponen proporcionales. Para que el modelo
resulte práctico, un factor de escalado es introducido para extrapolar los resultados obtenidos en la plataforma neumática con una matriz de tamaño reducido a la esterilla de mayores dimensiones utilizada en las pruebas de estabilidad. En este aspecto, la calibración de esterillas grandes merece investigación adicional. Incrementar la resolución de la esterilla también ha mostrado ser un aspecto de mejora futura.
La segunda aplicación se refiere a la monitorización de la postura. En particular, un estudio exploratorio se ha llevado a cabo para relacionar la postura de la columna vertebral con la presión sobre un cojín de meditación en meditación sedente. El interés en la meditación ha crecido en los últimos años y hay evidencias de que aporta beneficios a la salud. Un aspecto clave en la meditación es la verticalidad, manteniendo recta la espalda. Cómo sentarse es muy importante para principiantes. Llevar sensores no es muy cómodo ni práctico, así que hemos estudiado si la postura vertebral puede ser recuperada a partir de las imágenes de presión, inspirados por la literatura previa que realizaba análisis similares para pacientes encamados. Un dispositivo basado en cinco sensores inerciales ha sido desarrollado como sistema de referencia, que se coloca en la espalda de un conjunto de voluntarios durante la meditación sedente, mientras que un prototipo de nuestra PSM ha sido acoplado al cojín de meditación. Dado que estamos trabajando con imágenes de presión y la dificultad inherente a la tarea, se utilizan técnicas de Aprendizaje Automático, en concreto a partir de un sistema de Aprendizaje Profundo que funcionaba bien en el reconocimiento de objetos. El sistema ha sido adaptado en la forma de una Red Neuronal Convolucional y es capaz de predecir los ángulos de la espalda bastante bien (R2 superior a 0.75) para voluntarios cuyos datos se encuentran en el conjunto de entrenamiento. Sin embargo, si esta condición no se cumple las prestaciones decrecen considerablemente. El rol del sexo, altura o peso debería ser investigado en el futuro para afrontar este problema y hacer este sistema práctico para el uso diario.
Resumen (otro idioma):
Nuestros prototipos mejoran en diversos aspectos una versión previa fabricada en nuestro grupo de investigación. Se fabrican empleando técnicas convencionales mediante Placas de Circuito Impreso, de forma que están casi listos para la producción en masa. Con respecto al Sistema de Adquisición de Datos basado en Microcontrolador (¿C), se ha conseguido alcanzar hasta 165 Hz de frecuencia de muestreo, siendo un valor ya adecuado para muchos estudios. Esta mejora ha sido posible gracias a: i) Un rediseño del proceso de transferencia de datos, el cual ahora es en formato binario; ii) Un cambio de Bluetooth a USB; iii) Un código de ejecución rápida utilizando funciones de bajo nivel. Además, un ajuste fino del Conversor Analógico Digital del ¿C ha permitido que su impedancia de entrada alcance varios M¿, aproximándose al valor ideal. Además, este tipo de matrices de sensores resistivos presenta diafonía (¿crosstalk¿). En esta tesis, una implementación rápida de un algoritmo para eliminarlo ha sido codificada, alcanzando la ejecución en tiempo real. La incertidumbre debida al algoritmo también ha sido caracterizada. Asimismo, la conductancia de salida del sensor frente a la presión ahora se comprende mejor gracias a una serie detallada de experimentos con una plataforma neumática. Un modelo conjunto de histéresis (Prandtl-Ishlinskii Modificado) y ¿creep¿ (como una suma de sistemas de primer orden lineales e invariantes en el tiempo) ha sido ajustado a los datos. El modelo explica la histéresis y la tendencia temporal de la salida, aunque hay una gran variabilidad en la salida como función del tiempo que el modelo todavía no captura completamente. Otros dos materiales piezoresistivos también han sido probados, mostrando mayores efectos no lineales que el Velostat.
La primera aplicación desarrollada en la tesis se refiere a estudios de estabilidad humana donde la PSM ha sido comparada con un instrumento de referencia, la plataforma de fuerza, en un conjunto de experimentos con personas. Las trayectorias del Centro de Presión provenientes de ambos instrumentos están altamente correladas, pero es evidente que la esterilla proporciona una amplitud inferior de la trayectoria. Hemos descubierto que la medida mejora si el ¿crosstalk¿ es eliminado y si el modelo de salida del sensor es tenido en cuenta. Más específicamente, el modelo conduce hasta un 37% de mejora en la distancia entre trayectorias, dependiendo del tipo de experimento, comparado con el planteamiento simplista en el que conductancia y presión se suponen proporcionales. Para que el modelo
resulte práctico, un factor de escalado es introducido para extrapolar los resultados obtenidos en la plataforma neumática con una matriz de tamaño reducido a la esterilla de mayores dimensiones utilizada en las pruebas de estabilidad. En este aspecto, la calibración de esterillas grandes merece investigación adicional. Incrementar la resolución de la esterilla también ha mostrado ser un aspecto de mejora futura.
La segunda aplicación se refiere a la monitorización de la postura. En particular, un estudio exploratorio se ha llevado a cabo para relacionar la postura de la columna vertebral con la presión sobre un cojín de meditación en meditación sedente. El interés en la meditación ha crecido en los últimos años y hay evidencias de que aporta beneficios a la salud. Un aspecto clave en la meditación es la verticalidad, manteniendo recta la espalda. Cómo sentarse es muy importante para principiantes. Llevar sensores no es muy cómodo ni práctico, así que hemos estudiado si la postura vertebral puede ser recuperada a partir de las imágenes de presión, inspirados por la literatura previa que realizaba análisis similares para pacientes encamados. Un dispositivo basado en cinco sensores inerciales ha sido desarrollado como sistema de referencia, que se coloca en la espalda de un conjunto de voluntarios durante la meditación sedente, mientras que un prototipo de nuestra PSM ha sido acoplado al cojín de meditación. Dado que estamos trabajando con imágenes de presión y la dificultad inherente a la tarea, se utilizan técnicas de Aprendizaje Automático, en concreto a partir de un sistema de Aprendizaje Profundo que funcionaba bien en el reconocimiento de objetos. El sistema ha sido adaptado en la forma de una Red Neuronal Convolucional y es capaz de predecir los ángulos de la espalda bastante bien (R2 superior a 0.75) para voluntarios cuyos datos se encuentran en el conjunto de entrenamiento. Sin embargo, si esta condición no se cumple las prestaciones decrecen considerablemente. El rol del sexo, altura o peso debería ser investigado en el futuro para afrontar este problema y hacer este sistema práctico para el uso diario.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: tecnología electrónica ; instrumentos electrónicos ; instrumentos médicos ; diseño de sistemas sensores
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Electrónica
Plan(es): Plan 513
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 21 09 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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Registro creado el 2024-02-07, última modificación el 2024-02-07
