Repotenciación de un prototipo mecatrónico de rehabilitación de rodilla mediante la implementación de modos activos y resistivos con monitoreo inteligente

Abstract

El presente trabajo aborda la repotenciación de un prototipo mecatrónico para rehabilitación de rodilla, partiendo de un dispositivo de Movimiento Pasivo Continuo (CPM) de un grado de libertad. A este se lo transformó en un dispositivo de rehabilitación que incluyó telemetría, control difuso, clasificador con Inteligencia Artificial (IA) y tres modos de operación: pasivo, activo-asistido y resistivo-asistido. El dispositivo se basa en una arquitectura distribuida: una Raspberry Pi 5 como unidad de control de alto nivel y un microcontrolador ESP32 como capa de control de bajo nivel, comunicados entre sí mediante protocolo serial. Para medir la interacción física del paciente con el dispositivo se incorporó una celda de carga tipo S y un sensor de electromiografía de superficie. Para el modo pasivo, se modula la velocidad del motor según el error de posición y la fuerza resistiva del paciente a través del controlador de lógica difusa tipo Mamdani; en código se verificó su equivalencia exacta con el diseño original de Matlab comparando sus veintisiete reglas y funciones de membresía. En el modo activo-asistido se detecta la intención de movimiento por umbrales de fuerza, que completa el recorrido según el esfuerzo aplicado; en cambio, en el modo resistivo-asistido se opone tres niveles de resistencia mecánica configurables. Para la detección de espasmos musculares se entrenó un clasificador de Random Forest (RF) con once características derivadas de las señales de electromiografía, ángulo y fuerza, con el que se alcanzó 91.83% de exactitud en la validación cruzada offline; sin embargo, en tiempo real la exactitud cayó a 57.7%, una brecha documentada como limitación del prototipo. Las pruebas en hardware confirmaron un error de posicionamiento promedio de 2 grados en el modo pasivo y una variación cuantitativa real entre los tres niveles resistivos; ante un evento de espasmo, la parada de emergencia respondió en aproximadamente 32 milisegundos, dentro del diseño de 50 milisegundos.