Comparación de controladores en un prototipo de exoesqueleto de mano para pacientes con ACV isquémico en etapa crónica

Abstract

Los accidentes cerebrovasculares (ACV) afectan a más de 12 millones de personas en el mundo al año, dejando al 80% de los sobrevivientes con limitaciones motoras en las extremidades superiores (UE), lo que compromete su independencia en actividades diarias (ADLs). Las tecnologías de asistencia (ATs) han surgido como una alternativa prometedora para fomentar el uso de las UE sin sobrecargar a los profesionales clínicos. Sin embargo, las investigaciones han enfrentado tres limitaciones principales: (1) un enfoque en dispositivos de rehabilitación, generalmente no portátiles y restringidos a entornos clínicos; (2) la dependencia de simulaciones sin validación experimental; y (3) la falta de evaluación comparativa de estrategias de control en una misma plataforma de hardware, omitiendo la interacción entre diseño mecánico y desempeño del sistema. Estas brechas limitan la generalización de los hallazgos y resaltan la necesidad de enfoques integrados.

Este estudio evalúa el desempeño de dos controladores lineales, un controlador proporcional y un compensador de adelanto-atraso, implementados en un prototipo de exoesqueleto de mano diseñado para asistir en tareas de agarre a personas que sufrieron ACVs. La metodología combinó evaluaciones basadas en simulaciones y pruebas experimentales, centrándose en métricas temporales: tiempo de establecimiento, error en estado estacionario y sobreimpulso. Para el diseño de los controladores, se empleó identificación de sistemas basada en datos, desarrollando un modelo dinámico que describe la interacción entre el sistema de actuación y el punto de contacto exoesqueleto-objeto. Los criterios de evaluación incluyeron variaciones en el material del objeto, perturbaciones externas, ruido de medición e incertidumbre paramétrica, proporcionando un enfoque combinado que supera las limitaciones de estudios previos y contribuye al desarrollo de ATs funcionales.

Los resultados indicaron que el compensador de adelanto-atraso superó al controlador proporcional en la minimización del sobreimpulso y el error en estado estacionario, demostrando mayor capacidad de recuperación frente a perturbaciones externas y ruido de medición. Sin embargo, mostró sensibilidad a variaciones de ganancia, destacando la necesidad de futuras mejoras para equilibrar precisión y robustez. Por otro lado, el controlador proporcional, aunque más simple y menos sensible a incertidumbres paramétricas, presentó sobreimpulsos más grandes y oscilaciones bajo condiciones de perturbación extrema. Respecto al diseño del hardware, un mecanismo subactuado permite priorizar compacidad sin sacrificar grados de libertad, pero dificulta la caracterización de la dinámica del sistema.