Adquisición de señales electroencefalográficas para el movimiento

UNIVERSIDAD POLITCNICA SALESIANA

SEDE CUENCA

CARRERA: INGENIERA ELECTRNICA

TESIS PREVIA A LA OBTENCIN DEL TTULO DE:

INGENIERO ELECTRNICO

TTULO

ADQUISICIN DE SEALES ELECTROENCEFALOGRFICAS PARA ELMOVIMIENTO DE UN PROTOTIPO DE SILLA DE RUEDAS EN UN SISTEMA

BCI.

AUTOR:

SERGIO DANIEL GUEVARA MOSQUERA

DIRECTOR:

ING. EDUARDO PINOS VLEZ

CUENCA, 2012

Agradecimiento

En este momento, en el cual veo cumplida una meta trazada hace varios aos ya,la cual demand mucho esfuerzo y dedicacin, momentos alegres y tristes, triunfos ydecepciones; das en los cuales no se haca esperar la desilusin y otros tantos donde lafelicidad era mayor y aplacaba cualquier adversidad. En este punto de mi camino, llenode responsabilidades y de mucho por caminar an, quiero darte las gracias a ti, a quiende su mano me tom para volver a levantarme y nunca me dej solo, a quien me llen defortaleza y de fuerza y me ha entregado lo que en algn momento era para m imposible.Nada sera sin ti, mi inigualable, mi Padre, mi amigo, mi todo, mi DIOS.

Gracias mami, qu sera de mi sin vos, eres tan importante para m, me demostrastemucha fuerza en los momentos de tristeza, me enseaste a seguir adelante y este logro esgracias a vos. Gracias por todas tus virtudes y tu bondad, te amo mami.Gracias papi por todo tu impulso, por tu ejemplo para superarme, por tu dedicacin

en cada cosa, por todo el apoyo que me has dado, por saber ser incondicional para m yllenarte de bondad cuando te lo he pedido, esto es gracias a vos, te amo papi.

Gracias a todos los que de una u otra manera formaron parte de esto, muchas historiashay para contar y muchos recuerdos que han marcado mi vida para siempre. Historias quees importante no olvidarlas y mantenerlas intactas porque son fundamentales. Muchasde ellas divertidas, otras no tanto, pero todas grabndose en la retina; como ver Virgena los 40 cuando todas las prcticas de analgica estaban en blanco; los partidos de ftbolde cada martes que son imperdible con su capitn; cada comentario imprudente acercadel "anillo"; el que unos hagan amigos en las redes sociales mientras otros trabajan; cadahora perdida por el nunca olvidado Call of Duty; todos los dardos lanzados, los partidosde los domingos con las hormigas que no dan frutos; noches en la alcalda con la tesis enblanco; Innovaty; carnavales que nunca se olvidarn; tantas cosas entre amigos, familiaresque se guardarn para siempre, para todos Gracias.

A la Universidad Politcnica Salesiana y sus docentes por haberme permitido recibirnuevos conocimientos, haberme brindado su apoyo y su amistad en cada momento.. . .

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Dedicatoria

Este proyecto est dedicado al ser ms importante en mi vida. Gracias Dios por todolo que me has entregado, gracias por tu inmensa bondad y tu eterna deidad. Sabiendoque gracias a t he alcanzado cada paso y meta propuestos. De igual manera a mis padrespor su cario y apoyo, y a quienes de una u otra manera formaron parte de este logrodel cual hoy disfruto. . . .

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Ing. Eduardo Pinos Vlez

Haber dirigido y revisado el proyecto de Tesis Adquisicin de seales electroence-falogrcas para el movimiento de un prototipo de silla de ruedas en un sistema BCI.realizado por el seor Sergio Daniel Guevara Mosquera, as como el desarrollo de la parteprctica; en base a ello y cumpliendo con todos los requisitos dados por la UniversidadPolitcnica Salesiana, autorizo la presentacin del mismo.

Cuenca, 29 de Octubre de 2012

Ing. Eduardo Pinos Vlez

DIRECTOR

DECLARACIN DE RESPONSABILIDAD

Los conceptos desarrollados, anlisis realizados y las conclusiones expuestas en elpresente trabajo, son de exclusiva responsabilidad del autor, pudiendo la UniversidadPolitcnica Salesiana hacer uso de la misma para nes acadmicos.

Cuenca, 29 de Octubre de 2012

Sergio Daniel Guevara Mosquera

Resumen

La tecnologa se ha convertido en una herramienta esencial en la vida del ser humanopara propsitos de comunicacin; el hacer uso de la misma es ahora imprescindible paraquienes recurren a ella. Las barreras se acortan y las facilidades que provee la creacinde nuevos dispositivos y nuevos estudios son muchas; las mismas se maximizan cuandose trata de ayudar a quienes por motivos externos a su voluntad han sido privados desus habilidades motoras.Se considera entonces imprescindible el hacer uso de estas tendencias tecnolgicas don-

de se prioriza el desarrollo de sistemas que ayuden al ser humano, an particularmente,el anlisis de tecnologas sobre seales cerebrales para poder realizar aplicaciones deinclusin social.En el Ecuador, el desarrollo tecnolgico se ha inclinado a combatir problemas sociales,

y ayudar a personas con discapacidad a formar parte de este nuevo mundo tecnolgico.Si bien es cierto se han logrado grandes avances en este campo, como por ejemplo eldesarrollo de aplicaciones de inclusin social, an los estudios deben ser profundizadospara poder conseguir en estas personas una vida conforme a sus necesidades.Es por ello que se ha realizado este estudio y este prototipo de silla de ruedas, el cual

recibe seales de control mediante la actividad cerebral del usuario, se ha podido destacarcmo inuyen las mismas al ser humano y cules son sus potenciales aplicaciones dentrode la cotidianeidad del hombre.El desarrollo de este sistema de anlisis cerebral se considera de mucha utilidad para

aplicaciones ya explicadas anteriormente.Considero que la mayor motivacin para realizar este proyecto de tesis es el hecho de

poder ayudar a quienes por discapacidad no tengan movilidad propia. Pudiendo hacerde alguna manera su vida ms prometedora. . . .

7

ndice general

1. ELECTROENCEFALOGRAFA Y SISTEMAS BCI 141.1. Anatoma del encfalo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.1. La Neurona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.1.2. Transmisin elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2. El electroencefalograma y los ritmos cerebrales . . . . . . . . . . . . . . . 171.3. Sistema BCI (Brain Computer Interface) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.3.1. Componentes de un sistema BCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3.2. Aplicaciones de sistemas BCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2. DESCRIPCIN DE HARDWARE 212.1. Medidas de seales electroencefalogrcas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.1. Electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1.2. Colocacin de electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.3. Mtodos de registro EEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2. Descripcin de Emotiv EPOC headset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3. Aplicaciones de Emotiv EPOC headset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3. DESCRIPCIN DE SOFTWARE 303.1. Panel de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.1.1. Expressiv Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.1.2. Aectiv Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1.2.1. Emocin instantnea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.1.2.2. Concentracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.1.2.3. Emocin prolongada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1.3. Cognitiv Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.1.3.1. Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.1.3.2. Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.1.3.3. Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2. Programa EmoKey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.1. Emulacin del teclado en EmoKey . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2.2. Conguracin de reglas EmoKey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4. IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA 424.1. LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.1.1. Programacin del sistema BCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.1.1.1. Libreras de vnculos dinmicos en LabVIEW . . . . . . . 454.1.1.2. Librera Emotiv en LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . 46

8

ndice general

4.1.2. Control de velocidad de los motores . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.1.2.1. Manejo de datos desde LabVIEW . . . . . . . . . . . . . 474.1.2.2. Manejo de datos desde el Microcontrolador . . . . . . . . 51

4.2. Diseo de silla de ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.3. Diseo electrnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.3.1. Driver RoboteQ AX2550 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.3.2. Batera PowerStar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.3.3. Tarjeta electrnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5. PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA 675.1. Funcionamiento de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.1.1. Componentes del propotipo de silla de ruedas con EPOC headset . 675.1.2. Preparacin de EPOC headset y conexiones . . . . . . . . . . . . . 68

5.2. Funcionamiento de software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.3. Resultados del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3.1. Primer usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.3.2. Segundo usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.3.3. Tercer usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.3.4. Cuarto usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.3.5. Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 816.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816.2. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

9

ndice de guras

1.1. reas de la corteza cerebral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2. La neurona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.3. Topologa de la neurona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4. Diagrama de bloques de sistema BCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1. Reaccin electrodo-electrolito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2. Sistema 10-20 para posicin de electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3. Distancia relativa entre entre electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4. Emotiv EPOC headset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.5. Puntos de contacto del Casco EPOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.6. Ubicacin de electrodos de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.7. Ubicacin de Emotiv EPOC headset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.8. Empresa Emotiv Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.9. Nuevas tendencias de aplicaciones de Emotiv Systems . . . . . . . . . . . 292.10. Aplicaciones de la compaia Nintendo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1. Panel frontal del Panel de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2. Expressiv Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3. Sensitivity en Expressiv Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.4. Training en Expressiv Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.5. Aectiv Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.6. Cognitiv Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.7. Cognitiv Suite, pestaa Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.8. Ventana de entrenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.9. Aceptar o rechazar una sesin de entrenamiento . . . . . . . . . . . . . . . 383.10. Opciones avanzadas de modo cognitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.11. Men de conexin con EmoKey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.12. cono de EmoKey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.13. Mapeo de reglas en EmoKey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.1. Panel Frontal y paleta de herramientas de LabVIEW . . . . . . . . . . . . 434.2. Diagrama de Bloques y paleta de herramientas de LabVIEW . . . . . . . 444.3. Conectividad con archivo DLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.4. Seleccin de archivo .dll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.5. Llamar a archivo .dll de Emotiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.6. Eleccin de los parmetros de Emotiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.7. Cargar perles en LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

10

ndice de guras

4.8. Librera de VISA en LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.9. Eleccin del tipo de driver a crear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.10. Obtencin del Id. de Hardware del nuevo dispositivo . . . . . . . . . . . . 494.11. Eleccin del dispositivo de ID de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.12. Nombre de recurso VISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.13. Escribir datos y habilitarlos en VISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.14. Esperar evento desde un dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.15. Cerrar comunicacin mediante VISA Close . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.16. Distribucin de pines del Microcontrolador 18F2550 . . . . . . . . . . . . . 524.17. Ventana de ayuda para EasyHID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.18. Generacin de proyecto con EasyHID USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.19. Diagrama de ujo del programa de control de motores . . . . . . . . . . . 554.20. Diseo de silla de ruedas en 3DMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.21. Ubicacin de laptop en silla de ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.22. Diseo de ejes y motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.23. Acoplamiento de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.24. Ubicacin de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.25. Dispositivos electrnicos en silla de ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.26. Carcasa para dispositivos electrnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.27. Vista diagonal de silla de ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.28. Driver AX2550 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.29. Batera PowerStar 12V 22Ah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.30. Diseo de tarjeta electrnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.31. Diseo 3D de tarjeta electrnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.1. Componentes del prototipo de silla de ruedas con EPOC headset . . . . . 685.2. Conexin receptor del EPOC headset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.3. Panel frontal de sofware de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.4. Resultados de entrenamiento en niveles cognitivos . . . . . . . . . . . . . . 725.5. Nivel emocional al iniciar las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.6. Nivel emocional al nalizar las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.7. Resultados de entrenamiento en niveles cognitivos . . . . . . . . . . . . . . 745.8. Nivel emocional al iniciar las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.9. Nivel emocional al nalizar las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.10. Resultados de entrenamiento en niveles cognitivos . . . . . . . . . . . . . . 765.11. Nivel emocional al iniciar las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.12. Nivel emocional al nalizar las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.13. Resultados de entrenamiento en niveles cognitivos . . . . . . . . . . . . . . 785.14. Nivel emocional al iniciar las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.15. Nivel emocional al nalizar las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

11

ndice de algoritmos

4.1. Programa creado por EasyHID Wizard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

12

ndice de cuadros

1.1. Caractersticas frecuenciales y de amplitud de seales cerebrales . . . . . . 17

3.1. Gua de colores para seal de electrodos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2. Parmetros de EmoKey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.1. Cuadro comparativo de desempeo en usuarios . . . . . . . . . . . . . . . 80

13

1 ELECTROENCEFALOGRAFA YSISTEMAS BCI1

El entorno en el cual un ser humano se desenvuelve, lleva consigo un gran aprendizaje.Desde el mismo momento en el que hace uso de su actividad sensorial y motora, guardainformacin proporcionada por canales electroqumicos, atribuyndolos a mecanismos deinteraccin con el exterior.[6][10][11]

Cada proceso de control muscular, acarrea un periodo de instruccin proporcionadodesde edades muy cortas. Y ese control voluntario, aunque sea mnimo, es necesario parala vida de los seres humanos.

Aquellas personas quienes, por motivos de accidentes traumticos, son imposibilitadosde tener una movilidad independiente, o tienen parlisis muscular; no tienen la posibilidadde hacer uso de este control en sus msculos, por ende est obligados a vivir de maneradependiente; pero a pesar de aquello, su sensacin corporal la mantienen intacta, y sunivel cognitivo guarda todas sus capacidades. [9][11][13][19]

1.1. Anatoma del encfalo

El encfalo, es el rgano que controla funciones tales como el raciocinio, las emociones,el movimiento corporal, etc. [5][10]

ste se divide mediante una cisura2 longitudinal en hemisferio izquierdo y derecho, ystos a su vez se dividen en cuatro lbulos: frontal, parietal, occipital y temporal. [5]La corteza cerebral, responsable de distintas funciones, se divide en varias reas, como

por ejemplo: los lbulos parietales encargados de la sensibilidad, los occipitales de lavisin, los parietales del odo y los frontales encargados de funciones tales como resolverproblemas de lgica matemtica y tambin del control muscular.

La simetra entre los hemisferios no otorga las mismas funciones, al contrario, stas sondistintas; eso quiere decir que, el hemisferio izquierdo controla las funciones de la partederecha del cuerpo y el hemisferio derecho de la parte izquierda del cuerpo.La gura 1.1 ensea dichas reas.[11]

1Brain Computer Interface2Cisura es cualquier depresin o surco, normal o de otro tipo; especialmente en la corteza cerebral.

14

1 ELECTROENCEFALOGRAFA Y SISTEMAS BCI

[11]

Figura 1.1: reas de la corteza cerebral

1.1.1. La Neurona

Otro aspecto de mucha importancia en el encfalo son las neuronas, denominada comola unidad fundamental del sistema nervioso de los vertebrados y los hombres las cualesgeneran una actividad elctrica pudiendo existir en un ser humano entre 50 y 100 billones,las cuales se conectan unas con otras creando una red de neuronas. Ver gura 1.2 [5][7][8]

[10]

Figura 1.2: La neurona

Toda neurona se compone de tres partes bsicas: Cuerpo celular, axn, dendritas.

Cuerpo celular: Llamado tambin soma, es la parte ms gruesa que contiene loscomponentes de la clula tales como ncleo, ribosomas y retculo endoplasmticoy la mitocondria.

Axn: Tiene una forma de cable, transporta el mensaje electroqumico por toda laclula. De acuerdo al tipo de neurona, el axn puede tener una capa de mielina3

3Es una capa aislante que se forma alrededor de los nervios, incluyendo los que se encuentran en el

cerebro y la mdula espinal, y se compone de proteinas y sustancias grasas

15


que acta como aislante. Encontrando este tipo de neuronas en nervios perifricoscomo sensores y motores, y las no mielinizadas se encuentran en el cerebro y lamdula.

Dendritas: Son las encargadas de realizar las conexiones con las otras neuronas, locula permite la percepcin con el entorno exterior.

La longitud de las neuronas puede variar desde unos milmetros como por ejemplo lasneuronas cerebrales hasta varios decmetros como es el caso de las neuronas tctiles.La forma tambin vara de acuerdo a su funcin, ya que las neuronas motoras tienen

el cuerpo celular en un extremo, las dendritas en el otro extremo y el axn en la mitad;mientras que las sensoriales tienen dendritas en ambos extremos conectados por axonescon el cuerpo celular en la mitad. Ver gura 1.3[7][8][9]

[10]

Figura 1.3: Topologa de la neurona

El contacto entre las neuronas se denomina sinapsis, recalcando que la informacin delas neuronas pasa de una a otra a travs de este medio. Este proceso comunicativo entreneuronas comienza con una descarga qumico-elctrica, pero al llegar el impulso al axn,la neurona segrega una sustancia, la cual se aloja en el espacio sinptico ubicado entre laneurona transmisora y la receptora. Este proceso se producir hacia varias neuronas.[25]

1.1.2. Transmisin elctrica

Una neurona se polariza cuando tiene carga negativa en el interior de la membranacelular con respecto al exterior. Esto sucede por motivos de la circulacin de iones depotasio. A la vez, molculas de carga negativa se mantienen en el interior de la clula y losiones de sodio se presentan en el exterior de la clula, teniendo un valor de -70mV.[11][12]

Al aplicar una corriente estimuladora, los iones de potasio ingresan a la clula y ladespolarizan generando despus una carga elctrica positiva.

16


Este efecto es denominado potencial de accin. Cada vez que se haya alcanzado estepotencial, se propaga por el axn con un intercambio de iones.Luego una concentracin de sodio en el interior origina la expulsin de los iones de

potasio y de sodio restableciendo la carga negativa en el interior de la clula, y brevementeeste potencial se hace ms negativo llegando a -80 o -90 mV.El proceso dura aproximadamente una milsima de segundo, y luego de un periodo

refractario, la clula puede volver a repetir dicho proceso.[5][11][12][13]

Esta actividad elctrica es generada por estmulos procedentes de rganos receptores,ya sea odos, ojos, tacto, etc. O tambin pueden tener una relacin con otros nervios.Toda esta actividad elctrica, puede ser medida obteniendo con ello la electroence-

falografa, y a las seales que se obtienen de dicha medicin, un electroencefalograma,aunque es importante aclarar que no todos los tipos de actividad neuronal tienen elmismo impacto en la lectura electroencefalogrca.[25]

1.2. El electroencefalograma y los ritmos cerebrales

El electroencefalograma se dene como la interpretacin de registros grcos de laactividad elctrica generada por las neuronas en el interior del cerebro, obtenidos a travsdel crneo por medio de electrodos situados en la supercie del cuero cabelludo.

Este sistema de electroencefalografa fue descrito por Jasper en 1958, quien supervisla reunin de Sociedades de Electroencefalografa EEG la cual desarroll el sistema delocalizacin de electrodos.

La actividad de electroencefalografa puede medir oscilaciones continuas o cambiosde potencial relacionado a la aparicin de algn evento. Existe una variedad de ritmosdestacados por su banda de frecuencia, la localizacin en el cerebro, la amplitud de laseal, y aspectos inherentes de cada uno de ellos. Siendo importante recalcar que estosparmetros son muy variantes segn el estado mental del sujeto que es medido. De estose ha derivado a denir cuatro ritmos importantes dentro de la electroencefalografa, loscuales se describen en la tabla 1.1.[5][9][10]

Cuadro 1.1: Caractersticas frecuenciales y de amplitud de seales cerebralesRitmos Banda de frecuencia (Hz) Amplitud de seal (V)

Delta () 0.5 - 3.5 20 - 200Theta () 4 - 7 20 - 100Alfa () 8 - 13 20 - 60Beta () 14 - 30 2 - 20Mu () 8 - 13 10 - 50

[11]

Ritmos Delta: es de gran amplitud, y baja frecuencia. En adultos, esta onda aparecesolo en un estado de sueo muy profundo. Si se presenta en un sujeto despiertopuede deberse a un sntoma patolgico.

17


Ritmos theta: es poco comn, se presenta ms a menudo en nios, mientras que enadultos se percibe en estados de mucho estrs.

Ritmos alfa: se produce en cualquier persona con los ojos cerrados o en estado derelajacin y poca actividad mental. Este ritmo se atena con los ojos abiertos. Esms prominente en la regin posterior del cerebro.

Ritmos beta: se presenta en estados de concentracin mental, tambin se encuentraestrechamente relacionado con el movimiento de las extremidades y se lo detectaprincipalmente en la regin central y frontal del cerebro.

Ritmos mu: es un ritmo presente en la mayora de adultos, y aunque tenga carac-tersticas similares a las del ritmo alfa, sus propiedades son distintas. Se registra enla regin central del cerebro, se relaciona con las funciones motoras del cerebro yno se atena con los ojos abiertos sino cuando se realiza algn tipo de movimientoo se intenta realizar dicho movimiento. Es importante esta ltima seal ya que esde la misma de donde parte el sistema BCI.

1.3. Sistema BCI (Brain Computer Interface)

Los potenciales generados en el cerebro han sido la ruta para el desarrollo de apli-caciones que comuniquen el cerebro con dispositivos mecnicos externos; produciendocon esto, la Interfaz Cerebro Computadora, o sus siglas en ingls BCI (Brain ComputerInterface).

Los sistemas BCI involucran aspectos tan importantes como el control voluntario delas seales electroencefalogrcas, la sincronizacin de ritmos cerebrales, la medicin,interpretacin y clasicacin de aquella actividad neuronal. Consiguiendo con esto porejemplo el control de prtesis robotizadas, sistemas de comunicacin verbal, y como secomprueba en esta tesis: sillas de ruedas elctricas , etc. [5][10][16][18]

A pesar de que existan ms tcnicas de adquisicin de seales, como la magnetoence-falografa o la tomografa por emisin de positrones, actualmente la tcnica que entregamejores resultados es la electroencefalografa por motivos de precio y tiempo de reaccinpara el control del dispositivo. [18]

Para poder tener un buen desempeo en el sistema BCI, es necesario que quien loutilice, sepa aprender a controlar la amplitud de varios de los ritmos cerebrales. Larespuesta de ritmos mu u otros potenciales se obtienen en la zona senso-motora del cortexcerebral. El aprendizaje de control de estos potenciales puede dar lugar al movimientodel cursor de la computadora de manera bidimensional.Otro punto neurlgico de esta tesis es el control del dispositivo externo mediante esti-

mulacin sensorial y potenciales relacionados a actividad motora.

Los movimientos reales o imaginados que una persona puede tener, provocan una grancantidad de actividad cerebral produciendo con estos, respuestas exgenas y endgenas.

18


Los sistemas endgenos se basan en el reconocimiento de patrones cerebrales sin lanecesidad de un estmulo externo, sino se producen por la voluntad del usuario. Comoejemplo de este proceso es el uso de ritmos o para el control de un dispositivo cuandoel usuario imagina o intenta realizar movimientos. [16][18]

Los sistemas exgenos, a diferencia de los anteriores, basan su control a estmulosexternos y se obtiene la respuesta cerebral de los mismos. Un ejemplo de estos dispositivossera el determinar la direccin de la mirada o la postura del usuario para obtener unarespuesta cerebral.[11][14]

1.3.1. Componentes de un sistema BCI

Independientemente del sistema de adquisicin de las seales electroencefalogrcas,los sistemas BCI pueden referirse de manera general a la gura 1.4[11][14][18]

Figura 1.4: Diagrama de bloques de sistema BCI

Adquisicin de seales: Para el uso de un sistema electroencefalogrco, la sealobtenida en microvoltios, debe ser ltrada debido a fuentes de perturbacin exter-nas. Se debe tener en cuenta el poseer un sistema de adquisicin robusto, dondesea permitido utilizarlo en ambientes ruidosos. Se puede utilizar mtodos de l-trado espacial o temporal para la discriminacin de la seal deseada con otras nodeseadas.

Procesamiento: En cuanto al procesamiento, los mtodos utilizados en un sistemaBCI son importantes para reducir la relacin seal ruido. Pero todo procesamientoen este sistema depender del manejo de la interaccin entre el usuario y el sistema.Como se observa en la gura 1.4 el procesamiento se divide en varias etapas. La ex-traccin de caractersticas se sintetiza en obtener un conjunto de caractersticas dela informacin ms relevante para caracterizarlo. En efecto, los modelos autorregre-sivos son tiles para describir la actividad EEG ya que asumen procesos gaussianos.El aprendizaje es la etapa que se encarga de aprender determinados patrones ce-rebrales durante el entrenamiento. Claramente se entiende que es el componente

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crtico de todo sistema BCI ya que convierte la seal electro siolgica en una sealde mando para un dispositivo externo; de su tasa de acierto depende el desempeodel sistema. Los algoritmos de control transforman las caractersticas de la entradaen cdigos de control del dispositivo. Estos algoritmos adquieren la seal, extraenlas caractersticas que maniestan las rdenes que el usuario ha presentado y latransforma en comandos para controlar al dispositivo al que se ha aplicado.

Control a dispositivos externos: En este bloque simplemente se convierten los pa-trones en comandos de control para el dispositivo externo.

Los principios del sistema BCI hacen referencia tambin a una retroalimentacin quepermite supervisar el funcionamiento del dispositivo a controlar por parte del usuario,ya sea esto su activacin, desactivacin, o su funcionamiento, que en el caso de esta tesishace referencia a los movimientos que la silla de ruedas elctrica pueda realizar ya seahacia adelante, atrs, izquierda o derecha segn la rden que el usuario imparta.[6][7]

1.3.2. Aplicaciones de sistemas BCI

La actualidad de la tecnologa BCI ha avanzado a pasos acelerados y se ha abiertoun abanico de posibilidades en trminos de investigacin lo explican investigadores dela Universidad de Zaragoza.[26] Muchos grupos investigativos han realizado propuestasde movimiento del cursor en la computadora, al punto de poder seleccionar un cono ouna letra dentro de la pantalla. Pero estos sistemas no tienen an una comercializacinmasiva ya sea por el costo relativamente elevado y la fabricacin del mismo. Adems latasa de transferencia de la informacin obtenida, an no ha podido evaluarse en un rangoigual o mayor a los sistemas convencionales.

Al realizar un sistema BCI, deben quedar claramente denidos los objetivos sobre loscuales se lo va efectuar, y cules deben ser las limitaciones sobre el mismo.

Usuarios con una enfermedad progresiva como la esclerosis lateral amiotrca o enfer-medad de Lou Gehrig4 podran eventualmente utilizar dispositivos BCI que permitirnque su salida controle una interfaz convencional de comunicacin; de este modo, mien-tras su enfermedad avanza, el usuario tiene la posibilidad de hacer uso de su sistema ymanejarlo correctamente. [19][27]

Tambin pueden ser beneciados pacientes que tengan un dao traumtico que hayaafectado la mdula espinal y convertirlas en prtesis de dichas extremidades, todo mien-tras stas sean seguras y efectivas. O por otro lado el hacer uso de los sistemas BCI seorientan a la ciencia de la rehabilitacin conocido este como el desarrollo del conocimientocorporal permitiendo describir procesos sobre los cuales el paciente puede paulatinamenteretomar sus funciones motora mientras se emula con el sistema.[10][11][13]

4La condicin es llamada enfermedad de Lou Gerig en honor al jugador de Baseball de los Yankess

quien fue diagnosticado en 1933 y muri de ella en 1941.

20

2 DESCRIPCIN DE HARDWARE

Como se explic anteriormente, el electroencefalograma es el registro de la actividadelctrica que se genera en el cerebro por las neuronas en el interior del mismo; siendosta obtenida mediante electrodos que se sitan en la supercie del cuero cabelludo.

2.1. Medidas de seales electroencefalogrcas

La adquisicin de las seales bioelctricas se la obtiene mediante electrodos, los cualesdependiendo de la forma de captacin del registro pueden tomar diferentes nombres.Existen diferentes tcnicas para medir la actividad elctrica del cerebro diferencindose

una con otra por el nivel de profundidad de donde se capta la seal.

Por ejemplo si se hace uso de electrodos superciales en la base del crneo mediantede electrodos basales, toma el nombre de electroencefalograma o EEG; si se hace uso deelectrodos quirrgicos de supercie toma el nombre de electrocorticograma o EcoG, conelectrodos que poseen un dimetro de 4 milmetros; y tambin el estreo electroencefalo-grama o E-EEG para cuando se trata de electrodos quirrgicos de aplicacin profunda,en este caso se hace uso de microelectrodos.[5][11][13]

A medida que el registro de la actividad elctrica del cerebro se realiza ms cerca delcerebro, se puede obtener una seal ms limpia y mejor resolucin pero se obtiene unaactividad de un menor nmero de neuronas. Adems, el hecho de realizar un sistemainvasivo requiere de intervencin quirrgica por ello se hace uso del mismo solo en casosespeciales. [11][17][27]

Mientras que, por motivos de su uso habitual en los seres humanos, y su caractersticade no invasivo, se hace uso de la tcnica EEG. Pero claramente se sabr que el realizar lamedida de la actividad cerebral sobre el cuero cabelludo provocar sobre los resultadosun incremento de ruido, adems del incremento de artefactos, que no es ms que la sealcerebral mezclada con movimientos musculares de los ojos o miogrcos, la cual se reducecon procesamiento de la seal.

2.1.1. Electrodos

De acuerdo a lo explicado anteriormente, se opt por usar la tcnica EEG, y con ello,el inminente el uso de electrodos superciales, los cuales se componen de ciertos compo-nentes qumicos que permiten convertir las corrientes inicas existentes en la superciede la piel, en corriente elctrica; y para tener un buen contacto entre la piel y el electrodose hace uso de una solucin salina o un gel electroltico.[10][11]

21


El ujo de electrones se da debido a una reaccin de oxidacin-reduccin. Es entoncesdonde los iones negativos uyen hacia el electrodo produciendo carga negativa. Luego,para contrarrestar esto, en el electrodo que es producido por tomos metlicos, se generauna reaccin qumica traducida en un desprendimiento de iones positivos y con ello unujo de electrones que se mueven en sentido contrario al de la corriente.

La gura 2.1 explica el proceso de convertir el ujo de iones en ujo de corriente, enla gura e- representa un electrn, a- un in negativo y c+ un in positivo.

[11]

Figura 2.1: Reaccin electrodo-electrolito

Los electrodos superciales ms utilizados son conformados por Plata-Cloruro de platapor la estabilidad elctrica que proporcionan una conversin entre corriente inica aelctrica constante e independiente de la frecuencia.[11]

2.1.2. Colocacin de electrodos

El sistema ms utilizado es el sistema 10-20 determinado por parte de la FederacinInternacional de Sociedades de Electroencefalografa el cual ha entregado una gran a-bilidad en la recolocacin de los electrodos para cada parte del crneo. [10][12]

Cada una de las posiciones de los electrodos se ha determinado mediante ciertos regis-tros o marcas que ya se han estandarizado sobre el cuero cabelludo. Esto es debido a queestas medidas establecen intersecciones que posicionan los electrodos con una separacinentre ellos en una distancia relativa de 10 o 20 por ciento de la longitud total de la lneasobre la cual estn los electrodos. [8][9][11]

Las marcas estandarizadas sobre las cuales se realizarn las medidas antes mencionadastoman el nombre de: nasin, inin, A1 y A2, correspondiendo stas dos ltimas a losoricios de las oreja izquierda y derecha respectivamente, como se observa en la gura2.2. y en la gura 2.3

22


[10]

Figura 2.2: Sistema 10-20 para posicin de electrodos

[10]

Figura 2.3: Distancia relativa entre entre electrodos

Cada una de las posiciones de los electrodos se identica por una letra que indica lazona sobre la cual se obtiene la actividad elctrica, es decir F para el lbulo frontal,P para el lbulo parietal, T para el lbulo temporal, O para el lbulo occipital, Cpara el rea central Fp para el polo frontal; y un nmero para identicar el hemisferio,para aclarar, aquellas posiciones que recaen sobre el hemisferio izquierdo llevan consigoun nmero impar y aquellas que recaen sobre el hemisferio derecho llevan un nmero par.La letra Z identica la lnea central del cerebro.[5][11]

23


2.1.3. Mtodos de registro EEG

Para poder tener un registro EEG, es necesario tener una seal y una referencia, espor ello que se utilizan varios mtodos de conexin de los electrodos dependiendo de loscanales que tenga el sistema y del propsito de uso.

Existen mtodos como el registro unipolar o referencial donde cada electrodo entregauna seal independiente estando todas ellas referenciadas a un punto comn o de refe-rencia, el cual entrega un potencial cero. Este potencial cero puede encontrarse situadoen el lbulo de la oreja, el mastoide1 o el mentn.[11]

Otro mtodo es el registro bipolar donde se toman parejas de electrodos, dos a dos, yel registro es sobre la diferencia de potencial entre cada par de electrodos.Dentro de este tipo de registro es posible realizar una gran cantidad de combinaciones

llamadas montajes.[17]

2.2. Descripcin de Emotiv EPOC headset

La adquisicin de las seales electroencefalogrcas se realizan mediante el EmotivEPOC headset. [22]

Este dispositivo se forma a partir de 14 canales que se posicionan especcamente enciertas reas del cuero cabelludo, tiene dos referencias ubicadas detrs de la oreja, unreceptor USB con el cual las seales adquiridas son enviadas mediante una comunicacinwireless a la computadora, adems de una batera de litio recargable.

Es importante destacar cada uno de los componentes del dispositivo para poder com-prender la manera de utilizarlo, todos estos referenciados a lo que se observa en la gura2.4 donde se muestra el Emotiv EPOC headset.

Los tipos de electrodos utilizados son superciales distinguindose ya que son adheri-dos; esto quiere decir que se conforman de pequeos discos metlicos que se jan con unapasta conductora entregando con esto una resistencia de contacto a la seal muy baja.

Estos electrodos se encuentran sujetos a una especie de brazos de plstico que garan-tizan su correcta ubicacin ya que son correctivos de ciertos puntos dentro del cue-ro cabelludo; siendo los mismos obtenidos del sistema internacional 10-20 explicadoanteriormente.[22]

1El mastoide es una prominente proyeccin redondeada del hueso temporal localizado detrs del con-

ducto auditivo enterno y constituye un importante punto de interseccin de msculos.

24


[22]

Figura 2.4: Emotiv EPOC headset

En la gura 2.5 se observan los puntos sobre los cuales se est obteniendo la seal enel EPOC headset.

[22]

Figura 2.5: Puntos de contacto del Casco EPOC

En este caso, las referencias toman el nombre de CMS y DRL a cada lado, los cuales de-ben ser ubicados detrs de la oreja o encima de ella siendo estos puntos muy importantespara el correcto funcionamiento del dispositivo, ya que si no se los ubica correctamenteo si no entregan un potencial cero, no se obtendr una correcta lectura sobre la seal yel resto de sensores no reportar seal alguna.[22][27]

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Cada uno de los electrodos est tambin dotado de una almohadilla que es humedecidaen una solucin salina la cual favorece la conduccin de la actividad elctrica.

Las dos referencias se distinguen de los dems sensores ya que tienen una coberturaplstica en vez de la almohadilla humedecida como se observa en la gura 2.6

Figura 2.6: Ubicacin de electrodos de referencia

Un factor de gran ayuda y comodidad es el enlace inalmbrico con la PC siendo ni-camente el impedimento el alcance de la seal que tenga el receptor. Y a manera desolucin de este inconveniente se puede hacer uso de un cable USB que se conecte alreceptor teniendo ms radio de movilidad.

La manera de ubicar en la cabeza el Emotiv EPOC headset es la que se observa en lagura 2.7

Con las dos manos, se debe colocar el EPOC headset desde arriba de la cabeza, des-cendiendo hasta que se llegue a ubicar los sensores como se observa en la gura 2.7relacionando con los puntos de la gura 2.5 con las referencias CMS y DRL detrs de lasorejas y poniendo atencin en que los sensores de la parte frontal tienen que ser ubicadosaproximadamente a dos o tres dedos desde las cejas hacia el sensor.[22]

Por ltimo, no se puede dejar de mencionar el girscopo que contiene el EPOC head-set, el cual est compuesto por dos acelermetros que facilitan la informacin sobre losmovimientos que el usuario realice con su cabeza. Es importante este aporte ya que sepueden realizar varios tipos de aplicaciones relacionndolos con estos sensores.[22]

26


[22]

Figura 2.7: Ubicacin de Emotiv EPOC headset

2.3. Aplicaciones de Emotiv EPOC headset

Emotiv Systems es una empresa Australiana fundada en 2003 que se dedica a desarro-llar aplicaciones de interfaz entre el cerebro y la computadora. [23][24]

[23]

Figura 2.8: Empresa Emotiv Systems

Para esta seccin se realizar un anlisis de la tecnologa que sustenta este dispositivo ycmo la empresa Emotiv Systems ha adaptado esta tecnologa a los videojuegos; ademsde incluir ciertas aplicaciones para un futuro no muy lejano.

Como se haba expresado anteriormente, para realizar una interfaz neural basada enEEG es necesario un entrenamiento. En este caso, la realimentacin visual es esencialen el entrenamiento y algunos diseos dependen de la habilidad del usuario de podercontrolar su actividad cerebral.

Entre las propuestas de realimentacin se tiene como estrategia el uso de realidad

27


virtual que otorga una realimentacin realista y es eciente en interfaces neurales.En todo esto, Emotiv Systems ha creado diferentes tipos de expresiones, emociones,

y acciones como por ejemplo la expresin facial de sonrer, la emocin de aburrimiento,etc. Todas stas traducidas en acciones de un avatar en la pantalla.

Con estas caractersticas, Emotiv EPOC se promocion con un juego de video quetiene como meta realizar las tareas que un sensei pide, por ejemplo el de levantar unapiedra. Los electrodos del casco recogen los resultados de las ondas cerebrales, el sistemalo almacena y reconoce el patrn que corresponde a la funcin. [22]

La clave de un correcto funcionamiento del sistema Emotiv EPOC es que el usuariose concentre; y que de ser posible, el usuario emule los movimientos que se piden en eljuego para mantener la concentracin.

Muchos investigadores trabajan arduamente para que al perfeccionar esta tecnologa,muchas personas tengan la posibilidad de escribir e-mails o ajustar el aire acondicionadousando nicamente su pensamiento y su concentracin.

Es importante mencionar que un grupo de la Universidad del sur de la Florida trabajaen el diseo de una silla asistencial con un brazo robtico especialmente para personascon parlisis total. El sistema transmite la seal del cerebro y lo traduce a una seal parael brazo robtico, el cual se mueve acorde a la orden dada con el pensamiento.

Si bien es cierto, por ahora el EPOC es considerado como parte del entretenimiento,la empresa Emotiv Systems espera crear un portal online para los usuarios llamadoEmortal, diseado para ser navegado mediante el EPOC headset donde cada contenidoes representado especialmente por diferentes formaciones de paisajes urbansticos. Conesto, los usuarios podrn navegar mediante su cityscape como se muestra en la gura 2.9,y encontrar nuevas aplicaciones y juegos para descargarse.

28


[23]

Figura 2.9: Nuevas tendencias de aplicaciones de Emotiv Systems

Emotiv tambin ha anunciado su futura colaboracin con IBM para el mejoramientode la tecniliga BCI y tambin para la investigacin de nuevas aplicaciones, plataformasde simulacin y otras reas ajenas a los juegos de video.Una idea es que los usuarios tengan la posibilidad de experimentar entrenamientos

virtuales en todos los mbitos de la realidad.

Por ltimo es importante mencionar que la compaa de Nintendo tambin piensaaplicar esta tecnologa a aplicaciones que interpreten ondas cerebrales en la consola Wii.

[23]

Figura 2.10: Aplicaciones de la compaia Nintendo

29

3 DESCRIPCIN DE SOFTWARE

En el captulo anterior se analiz las aplicaciones que posee el casco Emotiv EPOC,en esta ocasin se analizar el kit de desarrollo Emotiv, el cual consiste en un grupo delibreras que permiten la comunicacin con el hardware antes mencionado. Es as comocon el uso del Panel de control, el EmoComposer, EmoKey y ejemplos, se lograr realizarla aplicacin de tesis para el movimiento de la silla de ruedas.

La instalacin de estas aplicaciones es bsicamente la misma a cualquier programa.Es necesario introducir una licencia, la cual la compaa Emotiv entrega, instalndosetambin con estos Microsoft .Net Frameworks necesario para el funcionamiento de lasaplicaciones.

A continuacin se analizarn los componentes del kit de Emotiv.

3.1. Panel de Control

Dentro de las aplicaciones desarrolladas por la compaa Emotiv se encuentra el Panelde Control, que permite el acceso a distintas funciones obtenidas a partir del casco EmotivEPOC.La gura 3.1 ensea el panel frontal que tiene el panel de control de donde se derivan

ciertas funciones, las cuales se explican a continuacin.

Figura 3.1: Panel frontal del Panel de Control

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En el panel frontal se encuentra una regin en la parte superior que indica el estadodel sistema, el tiempo que el EPOC se encuentra conectado con relacin al software, laintensidad de la seal inalmbrica y el nivel de la batera. Estos datos son muy impor-tantes tenerlos presentes ya que de esto parte todas las dems aplicaciones. De la mismaforma en la parte superior se puede seleccionar el casco sobre el cual se operar, sabiendode antemano que se pueden conectar dos cascos simultneamente y cargar el nombre deusuario con los perles y entrenamientos que ste tenga. [22]

En la parte inferior, con la apariencia de una cabeza, se encuentra descrito el estadode la seal receptada por los electrodos.

Se visualiza la disposicin de los electrodos y la calidad de la seal dependiendo delcolor que se muestre sobre cada una de las guas.El cdigo de colores con una breve descripcin se presenta a continuacin en la tabla

3.1

Cuadro 3.1: Gua de colores para seal de electrodos.

Si se observa en el panel frontal, existe tambin en la regin central un men con cuatroopciones dentro de los cuales se encuentra: Headset setup que fue referido ya, ExpressivSuite, Aectiv Suite, Cognitiv Suite.Cada uno de estos con caractersticas y aplicaciones propias que se explicar a conti-

nuacin y que sern de mucha importancia para la realizacin del proyecto.

3.1.1. Expressiv Suite

La caracterstica de este tipo de aplicacin es el uso de las seales electroencefalogr-cas para la determinacin de los gestos faciales que el usuario realiza.

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Figura 3.2: Expressiv Suite

Dentro de los gestos que pueden ser determinados tenemos los siguientes, donde cadauno de stos son representados por un avatar, y adems se genera una serie de grcascon los niveles, en su mayora lgicos de cada uno de los gestos realizados.[22]

Pestaear: El nivel bajo indica un estado de no pestaeo y el nivel alto indica unpestaeo.

Guiar el ojo izquierdo o derecho: Estos dos gestos se detectan en una mismagrca. Una linea central indica que no se han producido guios mientras que unguio con el ojo izquierdo es indicado por un nivel bajo y un guio con el ojoderecho es indicado por un nivel alto

Mirar hacia la izquierda o derecha: De igual manera al anterior, estos gestosse detectan en una grca. El mirar al frente se graca como una linea en un nivelcentral. Mirar a la izquierda se indica con un nivel bajo y mirar a la derecha seindica con un nivel alto.

Levantar las cejas: Un nivel bajo signica que no hay una expresin detectada,mientras que un nivel alto simboliza que se ha producido el gesto.

Fruncirse: Un nivel bajo signica que no hay una expresin detectada, mientrasque un nivel alto simboliza que se ha producido el gesto.

Sonreir: Un nivel bajo signica que no hay una expresin detectada, mientras queun nivel creciente simboliza que se ha producido el gesto.

Apretar: Un nivel bajo signica que no hay una expresin detectada, mientrasque un nivel creciente simboliza que se ha producido el gesto.

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Sonrisa hacia la izquierda o derecha: Estos dos gestos se detectan en unamisma grca. Un nivel central indica que no se ha producido el gesto; un nivelbajo indica que se ha realizado el gesto a la izquierda y un nivel alto indica lagesticulacin hacia la derecha.

Reir: Un nivel bajo signica que no hay una expresin detectada, mientras que unnivel creciente simboliza que se ha producido el gesto.

Dentro de Expressiv Suite se encuentran dos pestaas: Sensitivity y Training, cadauna de estas con sus funciones. El modo de sensibilidad posee deslizadores que permi-ten congurar la deteccin de la expresin facial, entonces se procede a incrementar lasensibilidad de esa expresin.

Figura 3.3: Sensitivity en Expressiv Suite

Por otro lado, como se mencion anteriormente, se cuenta con el entrenamiento, don-de mientras el usuario realice un entrenamiento de estos datos, el sistema mejorar ensu deteccin. Nota: No todas las expresiones pueden ser entrenadas, particularmenteexpresiones relacionadas con el movimiento de los ojos o su pestaeo.

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Figura 3.4: Training en Expressiv Suite

3.1.2. Aectiv Suite

La tercera pestaa del submen al cual se hace referencia corresponde al modo afecti-vo donde se detectan los cambios emocionales que se generan sobre el usuario. Estos norequieren de entrenamiento ya que se generan directamente por las caractersticas inhe-rentes de las seales cerebrales, sin embargo, cada una de estas caractersticas se guardaindividualmente al generar el nuevo usuario antes mencionado.

Emotiv ofrece distintos tipos de seales detectadas a partir de tres caractersticasprincipales: emocin instantnea, concentracin y emocin prolongada. Luego, de cadauna de estas se derivan otras seales que han sido relacionadas a las anteriores.

3.1.2.1. Emocin instantnea

Referido a un sentimiento emocional positivo. La emocin es caracterizada por la ac-tivacin del sistema nervioso simptico que resulta en caractersticas semejantes a di-latacin de la pupila, estimulacin de las glndulas sudorparas, aumenta la frecuenciacardiaca y la tensin muscular. Por lo que esta seal presentada en Aectiv Suite serelaciona con cambios de ocurrencia relativamente cortos.

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3.1.2.2. Concentracin

Relacionado con niveles de alerta y de la direccin de la atencin del usuario. Ca-racterizado por un incremento en las ondas beta, contrastado con un decremento en laamplitud de las ondas alfa. Si al contrario, las ondas alfa son las de gran amplitud y lasbeta son las que desaparecen, se debe a un nivel afectivo de meditacin o aburrimiento.

3.1.2.3. Emocin prolongada

Denido de la misma manera que la emocin instantnea pero se relaciona a periodosde tiempo ms largos.

Figura 3.5: Aectiv Suite

3.1.3. Cognitiv Suite

La ltima pestaa est referida a la deteccin y entrenamiento del modo cognitivo.Evala la actividad de las seales cerebrales del usuario producidas por el intento de

realizar el movimiento de un objeto real o virtual. Se ha diseado para realizar 13 tipos demovimientos: 6 movimientos en la direccin, 6 de rotacin y el desaparecer del objeto.[22]

Mientras ms se incrementa la cantidad de movimientos a realizar, la dicultad au-menta y el mantener un control adecuado sobre el objeto al cual se quiere mover. Comoes claro, se necesita de un adecuado tiempo de entrenamiento para poder tener un controldel objeto, y ms an si se est haciendo uso de varios movimientos a la vez.

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Figura 3.6: Cognitiv Suite

El panel Cognitiv Suite usa un cubo virtual sobre el cual se representan los movimientosque fueron mencionados. Sobre este control se tienen tres submens referidos a Action,Training y Advanced.

3.1.3.1. Action

Esta pestaa muestra informacin sobre el estado actual de la deteccin cognitivay permite al usuario denir su estado de acciones a controlar. Cuenta adems con unporcentaje de entrenamiento sobre cada una de las acciones antes mencionadas y cuentacon botones Add, Remove y Edit; los cuales son utilizados para aadir, quitar o editaralguna de las acciones escogidas para el movimiento del cubo 3D.

Figura 3.7: Cognitiv Suite, pestaa Action

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3.1.3.2. Training

La pestaa de entrenamiento consiste en tres procesos explicados a continuacin: Pri-mero se tiene que seleccionar una accin de la lista de movimientos que pueden serrealizados. Solo las acciones que se han seleccionado en la ventana Action pueden serentrenadas; y la accin por defecto para ser entrenada es "Neutral", que hace referenciaa no tener ninguna accin cognitiva sobre el cubo.[22]

Luego, cuando se haya seleccionado una de las acciones a entrenar, se selecciona StartTraining y se inicia la obtencin de patrones. Mientras avanza el entrenamiento es im-portante que el usuario se concentre en el movimiento que pretende realizar durante eltiempo del mismo (aproximadamente 8 segundos). De la misma manera, evitar gesticu-laciones o movimientos de la cabeza muy prominentes ya que pueden interferir con lasseales EEG obtenidas.

Figura 3.8: Ventana de entrenamiento

Habiendo ya sido realizado el entrenamiento para cualquiera de los movimientos, elusuario puede aceptar o rechazar dicho entrenamiento. Esta posibilidad de aceptar orechazar los resultados obtenidos pueden basarse en la calidad de entrenamiento que setuvo en los 8 segundos. Suele suceder que por falta de concentracin, el usuario no tuvoun rendimiento aceptable, entonces se puede rechazar estos datos; pues si se aceptan, ylos mismos no fueron buenos, el porcentaje de entrenamiento al que se haca referenciaen la sub seccin Actions disminuye. Es por ello que se debe tener presente los resultadosa guardar y los que no.[22]

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Figura 3.9: Aceptar o rechazar una sesin de entrenamiento

3.1.3.3. Advanced

Por ltimo, existe tambin la ventana de opciones cognitivas avanzadas. Por defectostos son congurados para la gran mayora de los usuarios, es por ello que Emotivrecomienda no manipular esta ventana a no ser que se lo haga con el personal de Emotiv,quienes tienen mayor conocimiento sobre los detalles internos de Emotiv.

Figura 3.10: Opciones avanzadas de modo cognitivo

3.2. Programa EmoKey

EmoKey traduce todos los resultados de la deteccin de Emotiv para ponerlo sobreciertas teclas predenidas para el teclado, creando unas reglas lgicas denidas por elusuario creando una interfaz entre el usuario y EmoKey. Luego, este conjunto de pul-saciones de teclas conocidas como "Mapping Emokey" pueden ser guardadas para unaprxima reutilizacin.[22]

Por defecto, EmoKey intentar conectarse con el Panel de Control de Emotiv, (laaplicacin a la que se hizo referencia anteriormente)cuando inicie la aplicacin. Si poralguna razn, el Panel de Control no funcionare, se mostrar una advertencia en la partesuperior de la aplicacin. La razn para conectarse con esta aplicacin es para que el

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usuario seleccione su perl, congure los parmetros de deteccin y obtenga la calidadde contacto con los electrodos.

Figura 3.11: Men de conexin con EmoKey

Como se observa en la gura 3.11, la conguracin de la conexin puede ser cambiadaen el submen Connect. Si EmoKey no puede conectarse con la aplicacin requerida, elcono de EmoKey cambiar de naranja a gris. Si esto ocurre, se debe correr nuevamentela aplicacin a la que se quiere conectar y escoger Reconnect.

3.2.1. Emulacin del teclado en EmoKey

EmoKey emula un teclado compatible a Windows y enva lo que se ingrese a este"teclado" al sistema operativo. Luego la aplicacin a la cual se quiere ingresar los datos,recibe las teclas emuladas. Es importante el saber que el cerrar la ventana EmoKeynicamente esconde la aplicacin, pero no la cierra; como se puede ver en la gura ,la aplicacin sigue corriendo. Para en realidad cerrar la aplicacin se debe escoger Quitdesde el cono de la barra de Windows.

Figura 3.12: cono de EmoKey

3.2.2. Conguracin de reglas EmoKey

La gura 3.13 muestra un ejemplo de un mapeo en EmoKey, til para comunicarsecon una aplicacin de Mensajera Instantnea, y la forma en la que se debe congurar.

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Figura 3.13: Mapeo de reglas en EmoKey

En este caso, EmoKey traducir los eventos relacionados con la risa. Es decir, setomarn los patrones risa de Expressiv Suite y los de emocin instantnea de AectivSuite, cada uno con su rango de valores; lo que causar que en la aplicacin de mensajerainstantnea, se enve "jajaja" automticamente cuando el usuario est riendo.

Cada regla o secuencia de teclas puede ser aadida mediante el botn Add Rule. Deigual manera, para eliminar una regla ya aadida se utiliza el botn Delete Rule.La tabla 3.2 explica la ventana de EmoKey y sus diferentes parmetros.

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Cuadro 3.2: Parmetros de EmoKey

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4 IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA

Este captulo est separado para la explicacin del programa implementado en Lab-VIEW con el n de realizar la interfaz entre el cerebro y la computadora. Se realizarun anlisis de las facilidades y ventajas que existen al programar sobre esta plataforma,adems del uso de las bibliotecas de vnculos dinmicos dinmicas de Emotiv (edk.dll yedk_utils.dll) que sirven para la obtencin de los patrones y el uso adecuado de los mis-mos en LabVIEW. Se analizar tambin los requerimientos necesarios para la utilizacindel Emotiv EPOC headset. Cosa que ya fue explicada anteriormente pero se retomarnciertos parmetros que son de importancia. Por ltimo se analizar la parte mecnica yelectrnica de la silla de ruedas, que es el dispositivo a comandar.

4.1. LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un lenguajede programacin grco til para adquisicin de datos, as como para la industria y elcontrol de procesos. Una facilidad que entrega esta plataforma es el fcil manejo con dis-positivos hardware, por ejemplo tarjetas de adquisicin de datos (DAQ), procesamientode imgenes, comunicacin serial y USB, etc.

De la misma manera permite integrar con herramientas de programacin como sonMatlab, C++, Java, etc., obteniendo un sistema ms robusto.

Entre las ventajas ms importantes tenemos las siguientes:

Facilidad de programacin por ser intuituvo.

Incorporacin de aplicaciones escritas en otros lenguajes

Velocidad de procesamiento alta

Permite realizar actualizaciones rpidas tanto para hardware o software

Entorno amigable y rpido de utilizar.

Cada programa realizado sobre LabVIEW consta de un panel frontal y un diagrama debloques.

Sobre el panel frontal se visualizan los botones, grcas, datos de lectura y de adqui-sicin, indicadores y controles, etc. Es decir, en el panel frontal estarn las herramientasque el usuario va a manipular.

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El diagrama de bloques por su parte constituye el cdigo fuente de la aplicacin. Sobreste, se realizan todos los proceso para los botones, entradas, datos, etc., que fueroncreados en el panel frontal.Es claro que posee tambin funciones, atributos, estructurasque todo lenguaje de programacin tiene, como es el caso del bucle while, for, if, etc.

Figura 4.1: Panel Frontal y paleta de herramientas de LabVIEW

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Figura 4.2: Diagrama de Bloques y paleta de herramientas de LabVIEW

4.1.1. Programacin del sistema BCI

Como se analiz anteriormente, el sistema ser programado en LabVIEW por susmltiples ventajas. Dado que Emotiv cuenta con el Panel de Control y EmoKey, se hadispuesto el utilizar una librera creada para labVIEW, que tiene por objetivo obtenerlos patrones generados en los programas mencionados anteriormente y enviarlos a laplataforma donde se proceder al control de la silla de ruedas.

Para esto se hace uso de las libreras de vnculos dinmicos edk.dll, y edk_utils.dll.Una librera dinmica o un archivo DLL es una biblioteca contenedora de datos y

cdigo que puede ser utilizado por varias aplicaciones al mismo tiempo. [1]

Mediante las DLL, se puede realizar actualizaciones ms rpidas de los programas,pues si hay ciertos parmetros que cambian constantemente; el manejo independientede esos datos dentro de una DLL pueden ser actualizados con mayor facilidad y ya nohabr la necesidad de instalar otro programa. Por estos motivos, se usa menos recursosde programacin, y cdigo instalado en el disco duro, evitando con ello la duplicidad delmismo. [1]

La aplicacin que ser programado en LabVIEW utiliza estas DLL, pero creando unadependencia. Es decir, se utiliza un archivo DLL en otro archivo DLL; por lo tanto elprograma ya no es independiente y el programa puede tener problemas si la dependenciase rompe.Por ejemplo, si una DLL se actualiza a una nueva versin, o si esta DLL se quita del

equipo, se rompe la dependencia; denominndolo a esto como conicto de DLL.

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Mencionado todo lo anterior, se iniciar explicando la manera en la que se hace uso deestas bibliotecas dinmicas en LabVIEW, y acto seguido se analizarn las funciones dela librera Emotiv en LabVIEW.

4.1.1.1. Libreras de vnculos dinmicos en LabVIEW

Para el uso de una DLL se utiliza el men Conectivity, sobre el cual se implementa un.net que sirve para agregar un constructor, este constructor es el que llama a la librerapara hacer a este programa dependiente de otro. Tambin se hace uso de Invoke Node,sobre el cual se crean los enlaces para el uso de las clases o mtodos.

Figura 4.3: Conectividad con archivo DLL

Figura 4.4: Seleccin de archivo .dll

En este sentido, se aclara que no se ha creado toda la librera de Emotiv, sino que se hausado una biblioteca creada ya, y se la ha modicado para las necesidades particulares.Pero es importante aclarar la manera en la que se crea la conectividad entre los archivospues a partir de esto, se ha utilizado la librera.

Dentro del programa, se tiene que llamar al archivo, y para la librera de Emotiv, seprocede como se observa en la gura 4.5.

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Figura 4.5: Llamar a archivo .dll de Emotiv

4.1.1.2. Librera Emotiv en LabVIEW

A continuacin se tiene que elegir los parmetros sobre los cuales se obtendrn lospatrones del neuroheadset de Emotiv, y correr la aplicacin.

Figura 4.6: Eleccin de los parmetros de Emotiv

De la misma manera que el Panel de Control tiene sus perles, los cuales pueden sercargados, en LabVIEW se pueden cargar estos perles como se observa en la gura 4.7

Figura 4.7: Cargar perles en LabVIEW

Es importante aclarar que tanto LabVIEW como esta biblioteca de Emotiv, son defcil interpretacin, permitiendo programar de acuerdo a los requerimientos particulares.Por otro lado, a la librera se ha aadido recursos y funciones los cuales fueron hechos

estrictamente para un mejor manejo del dispositivo de esta tesis y para tener una mejorinterfaz grca en el Panel Frontal que permita al usuario poder tener un control msptimo; como es el caso de la calidad de los contactos.

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4.1.2. Control de velocidad de los motores

Dentro de este punto, se examinan dos procesos claves para la programacin y con-guracin de un sistema BCI.El primero de ellos es el relacionado al envo de datos desde LabVIEW, los mismos

que ya obtenidos desde el EPOC headset, fueron analizados y entregan la respuestacorrespondiente. Y el segundo hace referencia a la recepcin de dichos datos y el controlde los motores segn la indicacin antes validada.

4.1.2.1. Manejo de datos desde LabVIEW

Para este n, se ha dado uso a la librera VISA, Virtual Instrument Software Archi-tecture (Arquitectura de Software de Instrumentacin Virtual), se ha convertido en unode los estndares ms utilizados para la programacin de aplicaciones E/S basado en lainstrumentacin.[2]

VISA en s es un API1 de alto nivel, pudiendo controlar mediante el mismo GPIB,instrumentacin serial, catalogndose robusto por el hecho de poder comunicarse coninstrumentos sin la necesidad de referirse a una interfaz especca.[2]

En LabVIEW la librera VISA es muy til, pues permite realizar una comunicacinUSB con un microcontrolador pudiendo con ello, generar en hardware las sentencias decontrol especicadas en software.

La librera VISA es la que se observa en la gura 4.8 programando desde el panelfrontal todos los requerimientos para su correcto desempeo.

Figura 4.8: Librera de VISA en LabVIEW

En primer lugar se tiene que generar un driver, el cual asocia la programacin deLabVIEW con el micro controlador. Para la generacin del driver se realiza lo siguiente:

1Application Programming Interface

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Se tiene que crear el driver para la comunicacin con LabVIEW, con el n de que hayaenvo y recepcin de datos en los dos sentidos.Se hace uso de NI-VISA Driver Wizard como se observa en la gura 4.9

Figura 4.9: Eleccin del tipo de driver a crear

Elegida la opcin USB, es necesario revisar en el Administrador de dispositivos, cul esel identicador para el nuevo dispositivo instalado en la PC. Para esto hay que ubicarseen el Id. de Hardware como se observa en la gura 4.10

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Figura 4.10: Obtencin del Id. de Hardware del nuevo dispositivo

Para luego escogerlo en el NI-VISA Driver y nalizar con la creacin del driver.

Figura 4.11: Eleccin del dispositivo de ID de hardware

Realizado lo anterior, se procede a programar la interfaz para el envo de los datoshacia el micro controlador.

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Primero se tiene que iniciar una sesin para el dispositivo especco mediante un nom-bre de recurso VISA. Esto quiere decir, que el driver creado produce un nombre especcopara ese dispositivo y es necesario denirlo dentro de VISA.

Figura 4.12: Nombre de recurso VISA

A continuacin, los datos obtenidos mediante el EPOC headset tienen que ser enviadosa escribirse en el microcontrolador mediante la funcin VISA write la cual escribe losdatos desde el buer de escritura hacia el dispositivo o interfaz especicada anteriormenteen el nombre de recurso.Este dato tiene que ser enviado mediante un String, , y si son varios datos los que se

deben enviar, se deben concatenar mediante la funcin Concatenar String. A partir deestos datos, se debe habilitar la comunicacin mediante VISA Enable Event, como seobserva en la gura 4.13

Figura 4.13: Escribir datos y habilitarlos en VISA

Otro recurso importante para mencionar es que desde el micro controlador se puedenenviar datos para ser leidos por VISA y realizar alguna funcin dentro de LabVIEW.Estas funciones se realizan en esta aplicacin, ya que se han utilizado sensores que ha-

bilitan o deshabilitan el movimiento de la silla de ruedas dependiendo de la proximidadde un objeto, teniendo en cuenta que el microcontrolador recibe los datos de la aproxi-macin del objeto y cuando llega al lmite analgico denido, se interrumpe el proceso yla silla no se mueve. Esto ser explicado ms adelante a profundidad.

Por ahora, se retomar este tema explicando la manera en la que se obtienen los datos

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enviados desde el microcontrolador.Para este efecto, es necesaria la funcin VISA Wait on Event, la cual permite obtener

un dato a partir del dispositivo denido en el nombre de recurso, el cual luego sercargado a una variable; dependiendo del uso y valor de este dato, se realizan las diferentescondiciones y sentencias que el programador requiera.

En este caso puntual, el valor analgico de los sensores inhibir cierto tipo de movi-miento de la silla de ruedas, mostrndose una leyenda que explica cul es el movimientoque no puede ser realizado y las posibles rutas que el usuario puede tomar con el n deanular esta interrupcin. Ver gura 4.14

Figura 4.14: Esperar evento desde un dispositivo

Por ltimo, se debe cerrar la comunicacin mediante la funcin VISA Close, la cualsimplemente, al cerrar el programa corta todo enlace que exista entre el dispositivo y elsoftware.

Figura 4.15: Cerrar comunicacin mediante VISA Close

4.1.2.2. Manejo de datos desde el Microcontrolador

En el micro controlador se tiene que programar las secuencias, sentencias e interrup-ciones que sirvan para el control de los motores de la silla de ruedas.

El microcontrolador utilizado es el 18F2550 de la familia de Microchip, el cual cuentacon caractersticas inherentes para tener una comunicacin USB con LabVIEW. Ademsse lo ha elegido por su relevancia frente a otras familias.[3]La gura 4.16 presenta la distribucin de los pines del 18F2550 y con sus respectivas

funciones.

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[3]

Figura 4.16: Distribucin de pines del Microcontrolador 18F2550

Entre sus caractersticas ms importantes tenemos las siguientes:

Memoria de programa de 32Kb, memoria de datos de 2Kb, memoria EEPROM de256 bytes.

4 Puertos de entrada/salida, 4 mdulos de timer, y 10 canales del mdulo de con-versin analgica/digital con adquisicin y resolucin de 10 bits.

Posee una interfaz USB con la PC de velocidad de 1.5 Mbps hasta velocidades de12 Mbps.

Posee dos mdulos PWM.[3]

Para realizar la interfaz entre el microcontrolador y la PC es necesario generar un softwareprototipo que se asocie al driver que fue referido anteriormente.Para este efecto se ha hecho uso de MicoCode Studio, siendo ste un software sobre el

cual se puede programar los PICs con interfaz a la PC, siguiendo los pasos referidos acontinuacin:

Como primer paso se tiene que generar el programa para descargar en el microcon-trolador. Haciendo uso de EasyHID USB, se abrir una ventana con funciones paraimplementar la comunicacin USB entre la PC y el microcontrolador. Ver gura 4.17.

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Figura 4.17: Ventana de ayuda para EasyHID

Habiendo congurado el nombre del producto y del usuario, se procede a generar elproyecto para que se creen los programas para la comunicacin.

Figura 4.18: Generacin de proyecto con EasyHID USB

Habiendo culminado con estos pasos; en la ubicacin que se le di a la creacin del

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proyecto, se busca el nuevo programa creado y est listo para ser editado segn lasconveniencias.

Algoritmo 4.1 Programa creado por EasyHID Wizard' include the HID descriptor include "DESCUSBProject.bas"DEFINE OSC 48 DEFINE LOADER_USED 1USBBuerSizeMax con 8USBBuerSizeTX con 8USBBuerSizeRX con 8USBBuer Var Byte[USBBuerSizeMax]USBBuerCount Var ByteProgramStart: gosub DoUSBInDoUSBIn:USBBuerCount = USBBuerSizeRXUSBServiceUSBIn 1, USBBuer, USBBuerCount, DoUSBInreturnDoUSBOut:USBBuerCount = USBBuerSizeTXUSBServiceUSBOut 1, USBBuer, USBBuerCount, DoUSBOutreturn

Para entender mejor la programacin que se ha hecho, se analiza el siguiente diagramade bloques. Ver gura 4.19

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Figura 4.19: Diagrama de ujo del programa de control de motores

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4.2. Diseo de silla de ruedas

El diseo de la silla de ruedas ha sido hecho de acuerdo a las necesidades de unapersona con discapacidad y los requerimientos del sistema.

En la gura 4.20 se observa el diseo en 3D, realizado en 3DMAX, mismo que seexplicar a continuacin con ms detalle.

Figura 4.20: Diseo de silla de ruedas en 3DMAX

Como se puede observar, a una silla de ruedas regular se han acoplado varios artefactosy dispositivos con el n de cumplir los requerimientos del sistema.

En la parte frontal se ha acoplado una especie de mesilla, donde se ubicar a la laptop;ya que como se hubo explicado anteriormente, el usuario necesita tener un feedback visualy adems en el Panel Frontal se presentarn rdenes hacia el usuario de acuerdo a la sealque los sensores entreguen.

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Figura 4.21: Ubicacin de laptop en silla de ruedas

La ubicacin de los motores result de un diseo mecnico de acoplamiento de los ejesde los motores con los pasadores de las ruedas de la silla; ubicando tambin a los extremosde las ruedas un acople para seguridad y poder soldar con el pasador de la rueda, comose observa en la gura 4.22

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Figura 4.22: Diseo de ejes y motores

Figura 4.23: Acoplamiento de motores

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La ubicacin de los sensores se ha dispuesto como se observa en la gura 4.24. Fueroncolocados en esos lugares con el n de cuidar de la laptop y adems de una posiblecolisin, y tambin con el objetivo de poder tener mayor rea de proteccin y de lecturade aproximacin de un objeto a la silla de ruedas.

Figura 4.24: Ubicacin de sensores

En la parte inferior de la silla de ruedas se ha ubicado todos los componentes elec-trnicos que permiten el movimiento de la misma. Entre estos se encuentra la bateraPowerStar, el driver RoboteQ AX2550 para la direccin del movimiento y la tarjetaelectrnica como se observa en la gura 4.25

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Figura 4.25: Dispositivos electrnicos en silla de ruedas

Estos dispositivos han sido cubiertos por una carcasa de metal, la cual los protege deposibles daos y por motivos de esttica.

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Figura 4.26: Carcasa para dispositivos electrnicos

El diseo nal es el que se observa en la gura 4.27

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Figura 4.27: Vista diagonal de silla de ruedas

4.3. Diseo electrnico

Esta seccin est dedicada a explicar cada uno de los componentes electrnicos utili-zados para el funcionamiento de la silla de ruedas.

4.3.1. Driver RoboteQ AX2550

Para el correcto control de los motores, es necesaria la implementacin de un circui-to de control. Este dispositivo driver, especcamente el RoboteQ AX2550 controla nosolamente la direccin de giro de los motores de manera individual, sino que tambin esposible controlar la velocidad a la que giran.[4]

Para su correcto funcionamiento, se debe dimensionar de acuerdo a la cantidad decorriente que consumen los motores que han sido acoplados; se debe tener presente datoscomo corriente pico, protecciones contra sobrecorrientes y temperaturas excesivas

Entre las caractersticas ms importantes tenemos:

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Dos salidas independientes, es decir comando de dos motores

Control analgico, R/C, serial

Corriente:

60 A 1h 80 A 3min 100A 1min 120A 30seg

Corriente pico: >250A

8 mosfests por salida, con resistencia de 5mOhm en total

2 entradas analgicas (8bits-resolucin)

3 entradas digitales para uso general[4]

Figura 4.28: Driver AX2550

4.3.2. Batera PowerStar

La eleccin de la batera a utilizar tiene que ir de acuerdo a la corriente que consumanlos motores, los cuales son los principales dispositivos de carga paar los circuitos de lasilla de ruedas. Existen varios tipos de tecnologas de bateras cada una con sus ventajas ydesventajas como pueden ser: Niquel-Cadmio, Niquel-MetalHdrido, Plomo-cido, Litio-Polmeros, etc. Pero ciertos datos son determinantes al momento de la eleccin; porejemplo, la tensin nominal es de 12V y tener presente los picos de descarga que puedenser demasiado altos, necesitando una batera que puedan manejar corrientes altas porello la eleccin ha sido la batera de PowerStar, de 12V y 22Ah. [4]

Entre las caractersticas se puede recalcar que es a prueba de fuga de cido y es undiseo creado para soportar abuso.

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Figura 4.29: Batera PowerStar 12V 22Ah

4.3.3. Tarjeta electrnica

La tarjeta electrnica fue diseada de acuerdo a las especicaciones y requerimientosque se tiene al momento de controlar la silla de ruedas.

El diseo fue realizado en Proteus. Se hizo uso del Pic 18F2550, el cual es el dispositivoms importante de la tarjeta electrnica, adems de la interfaz USB con la PC y ciertoscomponentes necesarios para la conexin de la tarjeta con el driver y borneras para lossensores.

La gura 4.30 muestra el diseo de la tarjeta electrnica, la cual cuenta con un plano atierra por motivos de seguridad por corrientes parsitas, adems por motivos de cuidar ala terjeta de la etapa de potencia, ya que al manejar elevadas corrientes puede provocardaos sobre la misma. El diseos se realiz con una sola capa y los resultados obtenidosfueron ptimos, a pesar de la cantidad de instrumentacin.Cuenta tambin con borneras que permiten conectar adecuadamente las entradas

analgicas mismas que harn lectura de cada dato enviado desde los sensores. Permi-te tambin tener la posibilidad de hacer una conexin hacia transistores de potencia si,de acuerdo a las necesidades se requiera de otro tipo de dispositivos.

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Figura 4.30: Diseo de tarjeta electrnica

En la gura 4.31 se observa en un diseo en 3D el resultado de la tarjeta electrnica.

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Figura 4.31: Diseo 3D de tarjeta electrnica

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5 PRUEBAS Y RESULTADOS DELSISTEMA

Este captulo est dedicado a las pruebas, datos sobresalientes acerca del funciona-miento del sistema de la silla de ruedas, posibles fallas, retardos, etc. Todo esto con eln de dar a conocer las prestaciones y facilidades que tiene el prototipo.

5.1. Funcionamiento de hardware

Se analizar la correcta utilizacin de los componentes y la preparacin del prototipopara su funcionamiento.

5.1.1. Componentes del propotipo de silla de ruedas con EPOC headset

El prototipo posee los siguientes componentes, denidos a continuacin:

Emotiv EPOC headset

Cable USB

Solucin salina

Prototipo de silla de ruedas elctrica

Computadora Portatil

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5 PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA

Figura 5.1: Componentes del prototipo de silla de ruedas con EPOC headset

5.1.2. Preparacin de EPOC headset y conexiones

El funcionamiento de este prototipo, como se lo mencion en captulos anteriores esen base a una interfaz USB con la PC. Como se observa en la gura 5.2 se debe conectarlos terminales USB entre la tarjeta electrnica y la PC.Posteriormente, se debe conectar el receptor wireless del EPOC headset a otro puerto

USB.

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Figura 5.2: Conexin receptor del EPOC headset

A continuacin el usuario se coloca el EPOC headset y se percata que los contactossean ptimos para la adquisicin de las seales.

Hecho esto, se debe encender la silla de ruedas y el driver mediante un switch que seha dispuesto en la parte trasera de la misma, con esto el hardware se encuentra listo parasu funcionamiento.

5.2. Funcionamiento de software

Se ha buscado que el manejo del software sea muy intuitivo y que entregue grandesfacilidades. No se han escatimado esfuerzos al momento de entregar todas las rdenesposibles para que el usuario pueda controlar la silla de ruedas de una manera muy rpida.

Mirando las necesidades que se han adquirido durante las pruebas que se realizaron,se han implementado nuevas rdenes, adems de dar mayores facilidades para el uso dela plataforma LabVIEW. Con todo lo mencionado, se presenta la Figura 5.3 con todaslas especicaciones del programa.

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Figura 5.3: Panel frontal de sofware de control

Como se ha observado, se ha diferenciado los parmetros ms importantes numerados,los cuales se explican a continuacin.

Nmero 1: Esta opcin me permite como usuario tener la posibilidad de podercomandar la silla de ruedas mediante gesticulaciones faciales o niveles cognitivos.

Nmero 2: En estos indicadores se muestra el movimiento que est realizando lasilla de ruedas en ese preciso momento.

Nmero 3: Este texto forma parte de un cuadro de indicaciones que permite proveeral usuario la manera en la que debe controlar a la silla de ruedas. No son ms queindicaciones acerca del sistema.

Nmero 4: Esta opcin provee un encendido general del sistema de control, (ni-camente software), de donde manualmente se puede controlar si la silla se puedemover o no. Por otro lado, tambin se ha dispuesto de un botn de paro, el cualapaga todo el sistema de software.

Nmero 5: Una de las opciones ms interesantes es el poder tener un nivel potencialdel sistema cognitivo, es aqu donde se puede adquirir esta seal y visualizarla.

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Nmero 6: Para una mejor lectura del nivel emocional del usuario, se ha dispuestode una grca con los parmetros emotivos de quien controla la silla. Dado esto,se puede tener un mejor anlisis sobre los impactos que puede tener este sistemamientras se lo utiliza.

Nmero 7: Esta leyenda que se presenta, es una respuesta que mediante la proxi-midad de los sensores, se observar, con el n de dar ayuda a quien controle la sillade ruedas.

No cabe duda que, el dar una mayor facilidad de manejo del software, es fundamentalpara que el usuario no centre tanto su concentracin en cmo utilizar al mismo, sino encontrolar al sistema.

5.3. Resultados del sistema

Durante las pruebas del sistema, se ha buscado que el mismo entregue grandes facili-dades de manejo, que no haya confusiones y que pueda tener la posibilidad de generaren el usuario cierta tranquilidad y no ansiedad. En este sentido, con varias personas sehicieron pruebas de control. Mirando claramente los cambios que se deban realizar, selleg a un sistema de software y hardware que se cree, entrega muy buenas respuestaspor parte de quienes usaron el sistema.

En este sentido, se presenta a continuacin datos estadsticos sobre el entrenamiento,tiempos de manejo del sistema, facilidad de control, niveles emotivos, etc. Todo con eln de corroborar que el sistema es aceptable a los usuarios.

Las pruebas se las realiz a varios usuarios, pero se destacan los siguientes.

5.3.1. Primer usuario

En primer lugar, para poder realizar el control de la silla de ruedas es necesario obtenerlos patrones de entrenamiento tanto para las gesticulaciones faciales como para el nivelcognitivo.

El primer usuario tiene 25 aos, de gnero masculino, no tiene problemas de motricidad,el entrenamiento se realiz a las 10 am.Despus de 1h22 minutos se obtuvieron los resultados de las guras 5.4

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Figura 5.4: Resultados de entrenamiento en niveles cognitivos

Con estos patrones, se procede a transformar los mismso en niveles de control; utili-zndolos en el software de la plataforma LabVIEW. En este sentido, es necesario realizarpruebas para vericar que el entrenamiento es el adecuado, de lo contrario se debe con-tinuar el entrenamiento de los patrones.

Luego de un tiempo aproximado de pruebas de 30 minutos, el primer usuario lugrrealizar un control aceptable de la silla de ruedas con la opcin de gesticulacin, mientrasque la opcin de niveles cognitivos no entreg la mejor respuesta. Entre otras conjetu-ras se puede decir que el nivel cognitivo fue utilizado despus de utilizar la opcin degesticulacin y la concentracin ya haba mermado.

Los niveles emocionales son los presentados en las siguientes guras. Ver guras 5.55.6

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Figura 5.5: Nivel emocional al iniciar las pruebas

Figura 5.6: Nivel emocional al nalizar las pruebas

5.3.2. Segundo usuario

En el caso del segundo usuario, tiene 17 aos de gnero femenino, sin problemas demotricidad; el entrenamiento de los patrones se realiz en 1h03 minutos, iniciando a las11h30, obteniendo los siguientes resultados. Ver gura 5.7

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De igual manera que al usuario anterior, estos patrones de entrenamiento se los usa enel software de control.

En este caso, a este usuario se le pidi que primero realice pruebas de funcionamientocon los niveles cognitivos para despus realizar pruebas con gesticulaciones faciales.Hubo una mejor respuesta con la primera opcin, en contraste con el usuario anterior

quien tuvo mayores problemas de concentracin; ya que el tiempo dispuesto en las pruebasllegaba a 2 horas.

Este usuario pudo manejar mejor el control de la silla de ruedas con los niveles cog-nitivos en aproximadamente 20 minutos, y tambin se pudo desempear de mejor formaen la opcin de gesticulacin ya que no es necesario el tener un nivel de concentracinalto para poder hacer uso de este control.

Los niveles emocionales son los presentados en las siguientes guras. Ver guras 5.8 y5.9

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Figura 5.8: Nivel emocional al iniciar las pruebas

Figura 5.9: Nivel emocional al nalizar las pruebas

5.3.3. Tercer usuario

Hasta este momento han pasado aproximadamente 3 horas, y es despus de este tiem-po que el tercer usuario va a realizar su entrenamiento. ste tiene 57 aos, de gnerofemenino, sin problemas de motricidad, iniciando el entrenamiento a las 14h00

Esto tiene un sentido; y es saber qu resultado tiene el cansancio y la espera en losusuarios. Es por ello que se realiz las pruebas con tres usuarios presentes al mismo

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tiempo pero con diferentes tiempos de entrenamiento y diferente disposicin.

El entrenamiento del tercer usuario tuvo una duracin aproximada de 1h30 minutos,con un cierto grado de cansancio, obteniendo los resultados de las guras 5.10


De igual manera que los usuarios anteriores, estos patrones de entrenamiento se losusa en el software de control.

Por los resultados obtenidos con el segundo usuario se pidi al tercer usuario queprimer intente controlar la silla de ruedas mediante los niveles cognitivos, obteniendo unarespuesta no muy aceptable, teniendo que continuar con el entrenamiento de patronespor un tiempo ms, llegando a 1h45 minutos sin alcanzar grandes diferencias.

Nuevamente se intent utilizar niveles cognitivos para el control con un mejor resultado,pero no el ptimo.A partir de estos datos, se le indic que realice el control de la silla de ruedas con

gesticulaciones obteniendo mejores respuestas que la anterior. Nuevamente recalcandoque en

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Adquisición de señales electroencefalográficas para el movimiento