Resumen de Modelización biomecánica de accionamientos mecánicos de resistencia variable
El principal objetivo de la presente tesis doctoral es la propuesta de una metodología capaz de caracterizar el comportamiento de un sujeto-accionamiento, cuando este último ofrece una resistencia variable para el operador. La metodología está basada en aspectos teóricos y experimentales, siendo estos últimos propuestos y desarrollados ad-hoc por el autor.
Esta metodología ese ha dividido en diferentes etapas, las cuales abarcan desde el planteamiento hasta la creación del modelo, pasando por la identificación de variables, definición, caracterización y selección.
También se han definido objetivos parciales para alcanzar el objetivo original. Estos objetivos parciales se han centrado en la creación de una base de datos que caracterice con precisión a los diferentes sujetos y en el análisis de la influencia de todas aquellas variables que intervienen en el diseño del accionamiento del embrague, así como parámetros antropométricos (altura, peso o edad) y parámetros físicos como la fuerza muscular o la fatiga.
Dado que este trabajo de investigación pretende ser válido para cualquier tipo de accionamiento mecánico que tenga una resistencia variable al operador, no se han considerado los efectos relativos a los parámetros de diseño asociados al propio mecanismo.
Partiendo del objetivo principal expuesto anteriormente, el presente trabajo propone una metodología para la obtención del diseño de un modelo biomecánico y lo aplica a un conductor accionando el embrague, centrándose en el torso inferior.
La principal novedad de este trabajo es la idea de crear un modelo biomecánico gracias a la recopilación de suficiente información que define al operador del accionamiento, en la aplicación seleccionada un conductor de un automóvil. Para ello, se han utilizado equipamiento e instrumentación. como un vehículo automóvil o un dispositivo de bajo coste sEMG (electromiografía de superficie) programado por el autor de la presente tesis doctoral. Además, se ha medido la fuerza de accionamiento sobre el pedal del embrague gracias a un sensor de pedal instalado en el vehículo comercial. El disponer de toda esa información ha sido imprescindible, pues permite conocer cuál es la situación ergonómica del conductor y de esta forma es posible desarrollar un modelo personalizado.
El estudio ha sido estructurado en diferentes fases, coincidiendo cada una con las diferentes etapas de la metodología propuesta: - Fase 1: consiste en el estudio previo que se ha diseñado con el objetivo de determinar las variables más influyentes que definen la acción de activar y desactivar el mecanismo, en este caso del embrague. Para tal fin, se ha desarrollado un experimento en el que colaboraron diversos voluntarios y que hizo posible registrar la fuerza ejercida sobre el pedal de embrague, además de la actividad muscular (gemelo y cuádriceps). Ese experimento consistió en activar y desactivar el embrague de forma repetida para determinar la evolución de la fuerza y la señal de ambos músculos.
El experimento mostró cómo aparece la fatiga muscular. Por un lado, se demuestra por la disminución de los valores de fuerza máxima aplicada sobre el pedal con las repeticiones y por otro lado por la evolución del valor RMS (Root Mean Square) de la señal EMG recogida, pues sigue la misma tendencia, indicativo de la aparición de fatiga muscular. Además, es importante indicar que la tendencia de los valores RMS del cuádriceps es más pronunciada que la del gemelo. Este hecho hizo que se pudiera descartar del análisis el gemelo, pues el comportamiento del cuádriceps era más crítico.
Como conclusión de este estudio previo, se puede decir que sirvió de ayuda para identificar la aparición de fatiga muscular en la posición del conductor y para diseñar la siguiente de las fases, en la que se incluyeron más variables características, como la posición del asiento del conductor o la distancia entre el conductor y los pedales.
- Fase 2: Considerando los resultados de la primera fase, se ha desarrollado esta segunda fase. En este caso, los experimentos se han centrado en estudiar la relación entre dos parejas de variables: fuerza vs. posición y fuerza vs. fatiga. De esta manera se ha podido estudiar la influencia de la distancia entre el conductor y el pedal e identificar algunos otros aspectos que influyen negativamente en el conductor, como un ángulo de rodilla inadecuado o una fuerza demasiado elevada en el pedal del embrague. Para lograrlo, el estudio se dividió en dos fases diferentes, la fase 2.1 y la fase 2.2.
o Fase 2.1 (fuerza + posición): esta fase también se dividió en dos subfases; fase 2.1A, que analiza la posición del conductor mediante la herramienta de análisis ergonómico REBA (Rapid Entire Body Assessment) y la otra, fase 2.1B, en la que se crea una herramienta en Matlab que propone una solución para minimizar los efectos negativos en la posición del conductor.
Fase 2.1A: se centra en el análisis del accionamiento de pedal mediante la herramienta REBA. Para ello, se ha pedido la colaboración de algunos voluntarios para que condujesen dentro de un circuito cerrado, y así poder medir los valores de fuerza aplicada sobre el pedal de embrague mientras cada uno de ellos conducía. Además, se han recogido sus medidas antropométricas y la experiencia de conducción, entre otras variables. Los resultados muestran que los factores más críticos en el accionamiento del pedal son la fuerza aplicada sobre el pedal y el ángulo de la rodilla, por lo que fue necesario continuar analizando esa situación en la fase 2.1.B.
Fase 2.1B: gracias a los resultados obtenidos en la fase anterior, se ha diseñado una herramienta para obtener la distancia óptima del conductor entre el pedal de embrague y su cadera mediante Matlab. Esta herramienta permite calcular esta distancia a partir de dos parámetros antropométricos diferentes medidos cuando una persona se encuentra de pie y erguido, la distancia entre la rodilla y el suelo (KH (Knee Height)) y la distancia entre el suelo y la cadera (HH (Hip Height)). Estos resultados fueron comprobados con nuevos experimentos de conducción real sobre una pista cerrada. En esta ocasión los voluntarios tuvieron que conducir empleando tres distancias diferentes: la menor distancia posible, la distancia óptima obtenida mediante la herramienta de Matlab basándose en las características del conductor y una distancia lo más alejada posible. Los resultados muestran como la fuerza que cada conductor aplica sobre el pedal de embrague está directamente relacionada con la distancia calculada por la herramienta de Matlab de forma que, gracias al uso de la herramienta diseñada se puede reducir el riesgo de sufrir algún tipo de lesiones, comprobado este hecho por medio de la puntuación obtenida mediante REBA.
o Fase 2.2 (fuerza + fatiga): esta fase también se dividió en dos nuevas subfases. En la fase 2.2A se valida, gracias a una colaboración con la Universidad de Manchester, el sistema sEMG de bajo coste diseñado y utilizado en la presente tesis. En la fase 2.2B se ha diseñado y desarrollado un nuevo experimento para caracterizar el cuádriceps y obtener los niveles de fatiga de cada uno de los voluntarios que participaron en el experimento.
Fase 2.2A: para la validación del sistema sEMG de bajo coste (diseñado en la presente tesis) se han llevado a cabo una serie de ensayos con diversos voluntarios. En este caso los experimentos se han enfocado en la comparación de la señal sEMG obtenida por medio del sistema de bajo coste con la señal de un sistema comercial sEMG. Los resultados mostrados demuestran que, aunque el dispositivo de bajo coste tiene algunas limitaciones, los resultados que se obtienen con él son válidos.
Fase 2.2B: el objetivo del experimento realizado en esta fase ha sido caracterizar la fatiga en el cuádriceps, uno de los principales músculos que actúa cuando un conductor activa el pedal del embrague. El ejercicio propuesto ha sido una contracción isométrica del cuádriceps durante 90 segundos. Este experimento no solo ha permitido proporcionar una caracterización del músculo, sino que también ha proporcionado una base de datos útil para el desarrollo de los modelos presentados en la siguiente fase.
- Fase 3: En esta fase final se presentan los dos modelos desarrollados en esta tesis mediante dos herramientas diferentes, el primero empleando Lógica Difusa (Fuzzy Logic) y el segundo combinando redes neuronales y lógica difusa ANFIS (Adaptive-Network-based Fuzzy Inference System). Cada uno de los modelos se centra en la caracterización de un sujeto, enfocado en una parte, pero con el propósito de ser un todo.
El modelo de lógica difusa se ha desarrollado para predecir la fuerza ejercida sobre el pedal del embrague por el conductor en función del género, la experiencia de conducción, el peso y la ratio HH/KH. Los resultados muestran un R2 por encima del 99% y, teniendo en cuenta que la predicción de modelos biomecánicos es bastante compleja debido a la gran variabilidad que una sola persona puede ofrecer en función del estado en el que se encuentra, las diferencias del orden del 5% de media podrían considerarse aceptables.
El modelo ANFIS se ha desarrollado a partir de los resultados obtenidos en la fase 2.2, con el objetivo de calcular el nivel de condición física (NF) de una persona. Los parámetros de entrada son edad, género, IMC (Índice de Masa Corporal) y horas de ejercicio por semana. La salida del sistema es la variable NF, definida como la combinación de diferentes parámetros basada en las recomendaciones de la OMS (Organización Mundial de la Salud), la cual indica que se debe de realizar una actividad física de 150 minutos semanales de intensidad baja ó 75 minutos semanales de intensidad alta, más una actividad de 300 minutos semanales de intensidad baja ó 150 minutos de intensidad alta. También la variable NF está definida por medio de los tiempos de fatiga registrados en los experimentos de la fase 2.2. El entrenamiento del modelo ANFIS se ha realizado utilizando los datos del 80% de los voluntarios que participaron en el experimento de la fase 2.2. El control del modelo se ha realizado con el 20% de la muestra. La ratio de error obtenido fue de 0,3144, es decir, un error del 8,73%. Los resultados obtenidos aportan similitudes por debajo del 9%, similitudes muy superiores a las esperadas y por tanto bastante representativas.
La posibilidad de combinar ambos modelos para diseñar la posición del conductor es uno de los puntos más relevantes del presente trabajo. Además, es importante destacar que los modelos desarrollados se basan en datos recogidos en diferentes experimentos de conducción desarrollados en condiciones reales con un vehículo real y en movimiento y no con un simulador de cabina.
Los resultados obtenidos en esta tesis doctoral son muy interesantes, pues la metodología propuesta ha demostrado ser aplicable, y en el caso concreto de aplicación de fuerzas sobre el pedal de embrague tratado en la presente tesis doctoral, ha proporcionado dos modelos biomecánicos. Esto abre posibles nuevas líneas de investigación para la mejora de la posición de conducción en otros entornos hombre-máquina de similares características.
Además, los resultados han demostrado que la metodología propuesta para la modelización biomecánica de accionamientos mecánicos de resistencia variable puede extrapolarse a miembros superiores o incluso el cuerpo completo.
