Control de un Mvil Por Movimiento Ocular1.INTRODUCCINHoy es importante reconocer que las enfermedades derivadas a partir de los problemas en la comunicacin nerviosa del ser humano son ms frecuentes que en el pasado, de hecho, algunas suelen ser tan graves que impiden la movilidad y/o la falta de interaccin de las personas con su entorno debido a daos neurolgicos severos, que paralizan total o parcialmente el movimiento de las extremidades, ocasionando un elevado grado de discapacidad, que incluso puede llegar al nivel de la comunicacin oral o auditiva. Este trabajo pretende, en esta primera etapa, implementar un mdulo preliminar de asistencia en la interaccin y comunicacin con el entorno cercano para este tipo de personas, que aunque se encuentran sumergidas en un alto nivel de discapacidad fsica, inmovilidad e incomunicacin, tienen la lucidez mental y el control suficiente del sistema motor ocular para maniobrar este dispositivo y as poder desenvolverse dentro de su entorno cotidiano.

2. ORIGEN Y OBTENCIN DEL EOG 2.1 Origen de la Seal EOGEl ElectroOculoGrama (EOG) registra las variaciones de voltaje que ocurren con el que ocurren con el movimiento angular del ojo, ya que la esfera ocular es desde el punto de vista elctrico, un dipolo, con su parte positiva en la crnea y negativa detrs de la retina segn se observa en la figura 1. Este potencial crneo-retiniano se produce por hiperpolarizaciones y despolarizaciones de las clulas nerviosas de la retina [1]. El valor de amplitud de voltaje del EOG vara entre 50 y 3500 Voltios con un rango de frecuencias entre DC (0Hz) y 100Hz, adems su comportamiento es casi lineal para ngulos de mirada de 40 grados y permite detectar movimientos con una precisin inferior a 2 grados. No obstante, la principal desventaja del EOG es su carcter invasivo, lo cual puede llegar a ser molesto para el usuario en la prctica de largas rutinas de utilizacin del dispositivo [1]. An as, este mtodo es uno de los ms econmicos y es relativamente fcil de implementar.

Figura 1. Dipolo Ocular. 1

2.2 Obtencin del EOG La obtencin del EOG debe realizarse como se observa en la figura 2, colocando un figura 2, colocando un sistema de electrodos perbioculares de Plata - Cloruro de plata (Ag-AgCl) debido a su baja polarizacin y un gel de conduccin bioelctrica como electrolito en la interfaz electrodo - piel [1] y [3]. Con esta configuracin de electrodos, se pueden conseguir seales en derivaciones independientes tanto horizontal como vertical y combinarlas para obtener casi cualquier tipo de movimiento ocular. Para realizar el proceso de calibrado se plasma un croquis donde se ubican distintos puntos en las posiciones relativas desde el globo ocular, segn el ngulo de visin en 10, 20, 30, 40 y 50 grados para el eje horizontal y vertical. Tales puntos son presentados secuencialmente en el tiempo y seguidos visualmente por la persona, obteniendo una seal EOG referencial.

Figura 2. Posicin de los electrodos para el registro del EOG.

Figura 3. Ubicacin relativa del sujeto de prueba con respecto al eje horizontal de calibracin del EOG. La figura 4 ilustra una secuencia de ngulos de visin para el sujeto de prueba, quien realiza una serie de movimientos sacdicos (rpidos) horizontales del ojo en la secuencia mostrada. 2

Figura 4. Secuencia de calibracin de la seal EOG ideal, en donde la magnitud del ngulo de mirada crece o disminuye proporcionalmente a la scada generada. Teniendo en cuenta lo anterior, debe generarse una seal de gran similitud a la mostrada en la figura 4. Para ello la bioseal proveniente desde los electrodos debe ser acondicionada, adquirida, registrada y visualizada. Con este fin se ha diseado e implementado el sistema que se muestra en la figura 5, el cual representa el diagrama de bloques del sistema de Acondicionamiento y Adquisicin (A-A) del EOG: donde se observan las diversas transformaciones que sufre la seal EOG desde su obtencin por medio de los electrodos hasta el registro y la visualizacin en el PC. Primero se asla elctricamente al usuario del sistema para as brindarle mayor seguridad ante choques elctricos accidentales. Seguidamente es realizada una preamplificacin diferencial de la bioseal, la cual esta soportada por un amplificador de instrumentacin (AI), con una ganancia de 248 y rechazo en modo comn de 100dB. Luego se usa un filtro pasabanda de segundo orden de tipo variable que limita en ancho de banda del EOG. Se destaca, que este filtrado es indispensable pues la bioseal es de tipo no-lineal y variante en el tiempo, debido a que el EOG es afectado por artefactos producidos a travs de seales ECG, EEG y EMG, cambios en la intensidad luminosa del entorno, estado de nimo de la persona, artefactos de movimiento del interfaz electrodo - piel y el nivel de concentracin al realizar los movimientos oculares, entre otros.

Figura 5. Esquema del sistema de acondicionamiento, adquisicin, registro y visualizacin del EOG En la figura 6 se ve una seal EOG obtenida experimentalmente con una componente cercana a 0 Hz, observando su variabilidad con respecto a la lnea de base. La figura 7 muestra una 3

seal EOG filtrando su componente DC, mostrando con mayor claridad la importancia del filtrado, pues se observa la repetitividad de la seal para distintas tomas.

Figura 6. Variacin de la lnea de base de una seal EOG debido a factores externos.

Figura 7. Mltiples tomas de una seal EOG sin componente DC.No obstante, aunque se obtiene una repetitividad aceptable de la seal de una toma a otra, tambin es claro que debido a la baja constante de tiempo del filtro, es difcil mantener la mirada en un punto fijo sin que el filtro actu sobre la seal y la obligue a decaer, ocasionando que no pueda conocerse con exactitud la posicin absoluta del ojo, lo cual representa un reto para la fase de calibracin y control del sistema. El filtrado minimiza las interferencias ocasionadas por el acoplamiento capacitivo e inductivo del usuario, la red de energa elctrica y adems, reduce la interferencia ocasionada por dispositivos de conmutacin de alta frecuencia o de alta potencia. Finalmente, la etapa de post-amplificacin y desplazamiento, conformada por un AI de alto desempeo, entrega una ptima bioseal para que pueda ser digitalizada, registrada y luego visualizada. La fase de adquisicin consta de un Conversor Anlogo a Digital que toma una muestra de la seal EOG acondicionada, la digitaliza y la enva serialmente -va SPI- al cerebro de esta placa, un microcontrolador (C) PIC, que a travs de un proceso protocolario de tipo multi-maestro retransmite asncronamente el dato al transceptor de RF. Dicho transceptor enva al espacio libre una trama half-duplex como seal modulada en FSK, a una frecuencia portadora de 916 MHz y una tasa de transmisin de 9600 bps. Tal seal puede ser recibida y decodificada por el PC por medio de otro transceptor inalmbrico. Vale mencionar, que este sistema puede ser tambin almbrico con disponibilidad de interfaces RS4

232, RS-485 y es fcilmente portable, debido a la inclusin de un circuito de conversin DC-DC a base de Bateras, su circuito de carga y conexin a una fuente de alimentacin de energa externa. Finalmente, a travs del software MATLAB se efecta el proceso de comunicacin, registro y visualizacin de la seal EOG adquirida. Ver figura 8.

Figura 8. Toma experimental simultnea del EOG de las Sacadas Horizontales. 3. CALIBRACIN Y CONTROL DEL SISTEMA El esquema de calibracin del EOG y el control del mvil es uno de los fuertes aportes de este proyecto, ya que la tarjeta de A-A cuenta con algunos elementos adicionales. La operacin del C de la tarjeta A-A, cumple las funciones de interfaz entre el PC y dicha tarjeta, y tambin interconecta algunos potencimetros digitales (Digi-Pot) y los Conversores Digital a Anlogo. A travs de la misma interfaz serial SPI, el C reenva desde el PC datos digitales que permiten cambiar los valores de resistencia de los Digi-Pot. Modificando tales valores, se puede alterar la ganancia del pre y post amplificador as como el ancho de banda de los filtros. Desde el PC es posible variar el nivel de referencia de la bioseal, para poder amplificar seales en DC sin saturar los amplificadores. De esta manera se abre la posibilidad de variar las caractersticas de acondicionamiento en hardware, aplicando el sistema para la obtencin de otros biopotenciales. La calibracin consiste en modificar los valores del hardware hasta obtener la mejor seal EOG, con los valores de amplitud adecuados y el ancho de banda requerido. Para ello se hacen distintas tomas de la componente horizontal y vertical en la medida que son indicadas al usuario, a travs de un sistema audio- visual con el esquema de puntos de observacin visto en la figura 3. Luego, los datos son tomados y analizados por el algoritmo de modelamiento inverso del Sistema OculoMotor Humano (SMO) (Ver figura 9) restringido solo a movimientos sacdicos para generar la salida adecuada.

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Figura 9. Modelo directo e inverso del SMO. Finalmente, con el modelo generado el algoritmo se traslada al esquema de ejecucin en tiempo real: 1. obteniendo la seal EOG,2. generando la salida del modelo, 3. Calculando la regin de inters visual y 4. Efectuando la accin de control sobre la plataforma mvil. Existen mltiples formas de obtener el modelo inverso en lazo abierto.

Figura 10. Diagramas de simulacin de salida deseada y obtenida por cada modelo para el ngulo de visin. Algunos modelos son obtenidos mediante identificacin de sistemas dinmicos lineales: mtodos de estimacin del vector de estados en forma paramtrica (armax, arx, boxjenkins, output error) y en el espacio de estados (n4s3) [4]. Otros tipos de modelado e identificacin se fundamentan en los desarrollos de la inteligencia artificial: Redes neuronales artificiales feed-forward, redes neuronales artificiales retardadas (tapped delay) [2], Lgica difusa y sistemas hbridos, entre ellos ANFIS [5] que es una de las arquitecturas de tipo naurodifuso. Tambin encontramos la posibilidad de combinar un esquema de identificacin con una red neuronal, conformando los modelos enarmas [6] que maximizan la potencialidad del modelado para mtrico, junto con la capacidad de aprender. Por ltimo, se ha desarrollado un algoritmo de deteccin de movimientos sacdicos basado en la estimacin de mximos y mnimos locales. La figura 10 muestra algunas de las experiencias realizadas dentro de este proyecto en los campos ya mencionados. 3.1 LA PLATAFORMA MVIL En la plataforma mvil, la traccin trasera es generada por dos moto-reductores, y cada uno posee un encoger ptico, con el que se determina isomtricamente la posicin del mvil. En la parte centro-delantera, tiene una tercera rueda con libre movimiento que le da estabilidad mecnica al robot. En la figura 11 se pueden ver los elementos que conforman a la plataforma. En primer lugar, se presenta la tarjeta de control e interfaz de comunicacin, que est compuesta principalmente por un C, que se encarga de tomar las seales provenientes de los sensores Infrarrojos (IR), sensores ultrasnicos (US), y los encades para enviarla al PC con fines de procesamiento, a travs del modul transceptor de RF, el cual posee la mismas caractersticas de los ya mencionados. Tambin, se encarga de entregar las seales de control provenientes del PC a la tarjeta de potencia, que maneja un circuito en puente H para controlar tanto el sentido de giro de cada uno de los motores como su velocidad. Los sensores IR y US, poseen un alcance de aproximadamente 30cm, y entregan a 6

su salida una seal de magnitud proporcional a la distancia de deteccin. Tal seal es digitalizada y enviada continuamente al PC, para actualizar permanentemente la percepcin del entorno cercano al mvil. Los sensores IR en este caso, adolecen de detectar distancias que son relativas al ndice de reflexin del objeto detectado; para contrarrestar esta deficiencia se implementaron sensores US que salvan tal restriccin.

Figura 11. Diagrama la estructura del robot mvil.

Esta informacin, sumada a la provista por los encades, le permite al modelo, en un plano XY determinar la posicin relativa del mvil con respecto al entorno, desde luego, con un nivel aceptable de tolerancia e imprecisin. Por ltimo se le instalo una mini-cmara inalmbrica sintonizada a una frecuencia de operacin en UHF y permite al usuario visualizar el entorno cercano que rodea al mvil y as poder observar en la pantalla del PC, algunos de los obstculos visibles, para determinar trayectorias a seguir o posibles movimientos del robot. Un rasgo adicional de la cmara, es la posibilidad de poder desplazarla angularmente a derecha e izquierda en movimiento panormico aproximado de 270 grados y hacia arriba y abajo en un movimiento de inclinacin de 140 grados, ejecutando los movimientos oculares correspondientes. El movimiento de la cmara, es efectuado por dos servomotores acoplados a ella. La alimentacin de los circuitos y los motores en base a bateras y su correspondiente circuito de carga y conversin DC-DC que proporciona los voltajes requeridos por cada etapa de la plataforma. 4. Diseo del Sistema Para capturar los oculogramas se utilizo electrodos superficiales desechables tipo ECG.los electrodos son colocados en la parte superior e inferior de la rbita sirven para determinar el movimiento vertical y colocando electrodos en la zona lateral de los ojos se adquiere el movimiento horizontal.

La seal Obtenida por los electrodos esta en el orden de los mili voltios y tiene una frecuencia que vara entre 1 y 40Hz, la seal obtenida con los electrodos desechables fue acondicionada A fin de poderla introducir en una tarjeta de adquisicin de datos. A continuacin mostramos los circuitos de acondicionamiento analgico de los electrooculogramas 7

5. Interface de entrada a PCHoy en da existen situaciones donde es necesario convertir, o bien, emular un puerto serie RS232 a partir de un puerto USB. Esto se debe a que muchas de las computadoras modernas no incluyen el puerto serie, ya que para aplicaciones informaticas se considera obsoleto. Sin embargo existen muchas aplicaciones en electrnica donde resulta muy conveniente usar el 8

protocolo RS232 para el intercambio de informacin y la PC resulta la interfase ms conveniente. Afortunadamente hay en el mercado una variedad de convertidores de USB a RS232 integrados en un cable o bien como adaptador.

Lo que hacen estos adaptadores es emular un puerto serie mediante el puerto USB Estos adaptadores vienen con un software que una vez instalado crea un puerto serie virtual a travs del puerto USB. En la ventana de administrador de dispositivos de Windows, accesible desde el panel de control/Sistema se muestran los puertos COM y ,previa instalacin del controlador, se observa el puerto Prolific USB-to Serial Comm Port, en este caso asignado como el COM10. El numero de COM que se le asigna a este puerto se configura automticamente en la instalacin pero se puede cambiar a cualquier otro que este disponible hasta 256, basta con ver las propiedades de ese puerto dando doble clic sobre el COM y posteriormente modificar el numero. No puede haber dos puertos con el mismo nmero. De esta manera se puede intercambiar informacin entre una PC y un dispositivo externo que utilice la norma RS232 mediante el puerto USB.

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5.1 El puerto serie en Windows En las comunicaciones seriales usando la norma RS232 se debe tomar en cuenta de que la recepcin de un dato ocurre de manera asncrona, es decir, puede ocurrir en cualquier momento. El hardware de la computadora se encarga de interrumpir cualquier proceso que est en ejecucin cuando un nuevo dato llega al puerto. Es posible que el sistema operativo no pueda atender al nuevo dato de entrada, por lo que lo almacena en un buffer que contiene la secuencia de datos que van llegando. Windows se encarga de la gestin de los puertos y nosotros podemos acceder a ellos de dos formas: Mediante las funciones de la API de Windows o bien usando el control de comunicaciones de Visual Basic. El mtodo mas recomendado es usar la API de Windows ya que fundamentalmente este sistema operativo es multitarea y es de lo ms conveniente que nuestras aplicaciones no se apropien de los recursos del sistema, es mejor dejar a Windows la tarea de la operacin sobre el puerto. Sin embargo Visual Basic permite manipular las comunicaciones seriales por medio de un control llamado Microsoft Comm Control. Mediante este control se gestionan las comunicaciones de manera simple y por medio de propiedades y mtodos tpicos de Visual Basic. Este control se agrega desde la ventana Componentes de Visual Basic

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Dentro de una aplicacin, este control permite configurar las comunicaciones seriales mediante el puerto COM (Visual Basic 6 solo se permite abrir hasta un puerto COM16), el BaudRate, la paridad, el control de flujo, etc.

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6. ConclusionesPara poder interpretar mejor las seales EOG, se realizo el estudio de las seales biopotenciales y se investigo su respectivo funcionamiento. A partir de este hecho, se pudo observar que existen diferentes tipos de seales biopotenciales en el cuerpo humano. Por otro lado, se encontr la forma correcta de colocar los electrodos alrededor del ojo para poder registrar la seal EOG.

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