Universitat Internacional de Catalunya

Computació, Robòtica i Biònica 2

Computació, Robòtica i Biònica 2
6
13552
3
Segon semestre
op
OPTATIVITAT
OPTATIVITAT
Llengua d'impartició principal: anglès

Altres llengües d'impartició: català, castellà

Professorat


Cal convenir una cita amb el professor mitjançant correu electrònic institucional.

Presentació

La primera part de l’assignatura es presenta el potencial del microcontrolador Arduino, i funcionament dels sensors i actuadors més utilitats en la robòtica medica per dotar l’estudiant dels coneixements bàsics pel disseny i implementació de pròtesis actives i interfícies humà-màqina-huma (HMI). També es realitza un breu introducció a l’enginyeria de control moderna per resoldre problemes de mesura i control automàtic en l’àmbit de l'Enginyeria Biomèdica.

La segona part del curs es centrarà en la neuroenginyeria de la funció motora i sensorial, que aporta mètodes del a neurociència i l’enginyeria per a dissenyar solucions a problemes associats a limitacions i disfuncions motores i sensorials. En particular, s’estudiarà la rehabilitació o recuperació de les funcions motrius i sensorials mitjançant l’ús de neuropròtesis. Atès el caràcter multidisciplinari de les pròtesis neuronals, aquest camp ha adoptat múltiples terminologies que s’utilitzen sinònimament, com ara:  dispositius biònics, neuropròtesis o pròtesis neuronals.

Requisits previs

Per accedir a el curs és requisit haver cursat les següents assignatures:

Assignatures de primer curs

Càlcul

Assignatures de segon curs 

Informàtica*

Fonaments i sistemes electrònics

Teoria de senyals i sistemes

Assignaturas de tercer curs

Computació

Robòtica i biònica 1

Neurociències Aplicades a l'ortopròtesi (recomanable, però no obligatòria)

 

*Es requereix haver assolit un bon nivell de programació i pensament computacional.

Objectius

  1. Descriure que és la Neuroenginyeria i les seves principals àrees d’aplicació.
  2. Conèixer les diferents neuropròtesis presents en la Neuroenginyeria i el seu principi de funcionament.
  3. Comprendre la diferència entre un sensor i un actuador.
  4. Diferenciar entre una pròtesis activa i passiva i conèixer els seus avantatges i limitacions.

Competències

  • CB1 - Que els estudiants hagin demostrat posseir i comprendre coneixements en una àrea d'estudi que parteix de la base de l'educació secundària general, i se sol trobar a un nivell que, si bé es recolza en llibres de text avançats, inclou també alguns aspectes que impliquen coneixements procedents de l'avantguarda del seu camp d'estudi
  • CB2 - Que els estudiants sàpiguen aplicar els seus coneixements al seu treball o vocació d'una forma professional i posseeixin les competències que solen demostrar-se per mitjà de l'elaboració i defensa d'arguments i la resolució de problemes dins la seva àrea d'estudi
  • CB4 - Que els estudiants puguin transmetre informació, idees, problemes i solucions a un públic tant especialitzat com no especialitzat
  • CE1 - Resoldre els problemes matemàtics que puguin plantejar-se en l'àmbit de la Bioenginyeria. Aptitud per aplicar els coneixements sobre geometria, càlcul integral, mètodes numèrics i optimització
  • CE12 - Realitzar un projecte en l'àmbit de les tecnologies específiques de Bioenginyeria de naturalesa professional en el qual se sintetitzen i integren les competències adquirides en els ensenyaments.
  • CE13 - Identificar, entendre i utilitzar els principis d'electrònica, sensors, condicionadors i sistemes d'adquisició de senyals biomèdica
  • CE15 - Tenir la capacitat de realitzar un projecte mitjançant l'ús de fonts de dades, i l'aplicació de metodologies, tècniques de recerca i eines pròpies de la Bioenginyeria, i fer una exposició i defensa pública del projecte davant d'un públic especialitzat de manera que es demostri la adquisició de les competències i coneixements propis del Grau
  • CE16 - Aplicar la terminologia pròpia de la Bioenginyeria tant oral com escrita en una tercera llengua.
  • CE17 - Ser capaç d'identificar els conceptes de l'enginyeria que es poden aplicar en el camp de la biologia i de la salut.
  • CE3 - Aplicar a la Bioenginyeria els coneixements fonamentals sobre l'ús i programació dels ordinadors, sistemes operatius, bases de dades i programes informàtics.
  • CE7 - Saber reconèixer l'anatomia i la fisiologia aplicada a les estructures que intervenen en Bioenginyeria.
  • CE8 - Dialogar amb esperit crític sobre idees relacionades amb l'ésser humà i les seves principals dimensions.
  • CG1 - Desenvolupar projectes en els àmbits de la Bioenginyeria que tinguin per objecte la concepció, el disseny i la fabricació de pròtesis i ortopròtesis específiques a una patologia o necessitat determinada.
  • CG10 - Saber treballar en un entorn multilingüe i multidisciplinari
  • CG2 - Promoure els valors propis d'una cultura pacífica, contribuint a la convivència democràtica, el respecte dels drets humans i principis fonamentals com la igualtat i la no discriminació.
  • CG3 - Tenir capacitat per a l'aprenentatge de nous mètodes i teories i ser versàtil per a l'adaptació a noves situacions.
  • CG4 - Resoldre problemes amb iniciativa, presa de decisions, creativitat, raonament crític i de comunicació i transmissió de coneixements, habilitats i destreses en el camp de la Bioenginyeria.
  • CG6 - Aplicar la legislació necessària en l'exercici de la professió
  • CG7 - Analitzar i valorar l'impacte social i mediambiental de les solucions tècniques.
  • CT2 - Tenir capacitat per relacionar el benestar amb la globalització i la sostenibilitat; aconseguir habilitats per utilitzar de forma equilibrada i compatible la tècnica, la tecnologia, l'economia i la sostenibilitat
  • CT3 - Saber comunicar-se de forma oral i escrita amb altres persones sobre els resultats de l'aprenentatge, de l'elaboració del pensament i de la presa de decisions; participar en debats sobre temes de la pròpia especialitat
  • CT4 - Ser capaç de treballar com a membre d'un equip interdisciplinari, ja sigui com un membre més o realitzant tasques de direcció, amb la finalitat de contribuir a desenvolupar projectes amb pragmatisme i sentit de la responsabilitat, assumint compromisos tenint en compte els recursos disponibles
  • CT5 - Realitzar un ús solvent dels recursos d'informació. Gestionar l'adquisició, l'estructuració, l'anàlisi i la visualització de dades i informació en l'àmbit d'especialitat i valorar de forma crítica els resultats d'aquesta gestió.
  • CT6 - Detectar deficiències en el propi coneixement i superar-les mitjançant la reflexió crítica i l'elecció de la millor actuació per ampliar aquest coneixement.
  • CT7 - Dominar una tercera llengua, habitualment l'anglès, amb un nivell adequat oral i escrit i d'acord amb les necessitats que tindran els titulats i titulades

Resultats d'aprenentatge

Saber programar un microcontrolador per obtenir les dades d’un sensor.

Saber programar un microcontrolador activar i desactivar actuadors.

Descriure les neuropròtesis perifèriques i la reinervació muscular.

Descriure les neuropròtesis sensorials.

Descriure el funcionament d’una pròtesi mioelèctrica.

Conèixer els principals sensors i actuadors presents en una pròtesis mecatrònica. 

Continguts

Bloc 1. Computació i robòtica.

1. La plataforma Arduino.

1.1 La família d'Arduino.

1.2 La placa Arduino UNO.

1.2 La placa Arduino MKR1001.

1.3 L’entorn de desenvolupament integrat, IDE.

1.4 Ports d'entrada i sortida. Entrades i sortides digitals. Entrades analògiques. Sortides analògiques. Ports PWM.

1.5 El llenguatge de programació d'Arduino.

1.6 Extensions per a Arduino (shields).

 

2. Sensors i actuadors

2.1 Actuadors: motor de corrent continu, servomotors, LEDs, LCDs.

2.1.1 Connexió de l'Arduino amb actuadors.

2.2. Sensors: potenciòmetres, força, temperatura.

2.2.1  Connexió de l'Arduino amb sensors.

2.3 Les biblioteques de l'Arduino pel control de sensors i actuadors.

 

3. Protocols de comunicació

3.1 Protocol UART.

3.2 Protocol SPI.

3.3 Protocol I2C.

3.4 Protocol Wi-Fi.

3.5 Ethernet.

3.6 Bluetooth.

 

4 Connexió de l'Arduino amb programari extern.

4.1 Connexió de l'Arduino amb Matlab.

4.2 Connexió de l'Arduino amb Simulink.

 

Activitats experimentals: adquirir dades de sensors, control de la velocitat i posició dels motors de corrent continu, control de la posició dels servomotors.

 

Bloc 2. Biònica. Funció motora i sensorial.


1. El senyal muscular (EMG)

1.1 Origen del senyal muscular.

1.2. Registre i processament de l’activitat muscular.

1.2.1 Electromiografia (EMG).

1.2.2 Interfícies neuronals PNS.

 

2. Neuroprostèsics.

2.1 Neuroprotesies motores.

2.1.1 Sistema Nerviós Perifèric.

2.1.2 Medul·la espinal.

2.2. Neuroprotesies sensorials.

2.2.1 Pròtesis de retina.

2.2.2 Pròtesis coclears.

2.2.3 Pròtesis vestibulars.

2.2.4 Optogenètica.

 

Activitats experimentals: sinergies musculars a partir del senyal EMG. processament del senyal d'EMG i control de braços protèstics. Processament del senyal acumulatiu d'ENG.

Metodologia i activitats formatives

Modalitat totalment presencial a l'aula



ACTIVITAT FORMATIVA METODOLOGIA COMPETÈNCIES
L'aprenentatge orientat a projectes és un mètode basat en l'aprenentatge experiencial i reflexiu en el qual tenen una gran importància el procés investigador al voltant d'un tema, amb la finalitat de resoldre problemes complexos a partir de solucions obertes o abordar temes difícils que permetin la generació de coneixement nou i desenvolupament de noves habilitats per part dels estudiants. La classe magistral, serà l'escenari per: Aprendre i utilitzar la terminologia i estructures lingüístiques relacionades amb l'àmbit científic. Practicar i desenvolupar destreses de comunicació oral i escrita. I per aprendre com analitzar bibliografia i literatura sobre temes de Bioenginyeria. Practicar pautes per identificar i entendre les idees principals a durant la classe magistral. Aquesta activitat formativa és una eina essencial en la formació des del seu origen i ha de tenir una presència molt important en aquesta estructura de grau. Lectura de textos dirigits amb el fi d'accedir al pensament crític, el qual compleix un paper fonamental en la formació de ciutadans conscients i responsables Activitat no presencial, en aquesta activitat l'estudiant realitza una tasca de sedimentació i repòs del coneixement, necessari sempre abans de fer una tasca nova. El plantejament d'exercicis i problemes per part del professor, ajuda l'alumne a avançar en el procés enginyeril del disseny, guiat pel professor es van aconseguint fites parcials que faciliten la integració del coneixement teòric adquirit. Activitat no presencial, en aquesta activitat l'estudiant realitza exercicis de forma autònoma, sense la presència del professor. En aquesta fase apareixen sempre més dubtes, però al no tenir l'opció de preguntar immediatament es produeix un esforç addicional per part de l'alumne. Les classes pràctiques permeten a l'alumne interactuar en primera persona amb les eines de treball, en petits grups o de forma individual es realitzen petites demostracions pràctiques dels coneixements teòrics adquirits durant les classes teòriques A les classes teòriques s'ha d'establir el saber fonamental i científic que s'assenten les bases del coneixement i rigor que exigeix ​​l'estudi de l'enginyeria La metodologia docent basada en la reflexió, poden proporcionar a l'alumne en un menor espai de temps, coneixements i habilitats útils per abordar problemes d'una forma eficaç El treball en grup és una eina essencial en la societat actual. En el camp de la bioenginyeria on els processos de disseny i productius no els realitza una única persona és essencial aprendre a treballar de forma mancomunada. El treball individual, a través de l'estudi, la recerca d'informació, el processament de dades i la interiorització dels coneixements permeten a l'alumne consolidar el seu aprenentatge. CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CE1 CE10 CE12 CE13 CE15 CE16 CE17 CE21 CE3 CE5 CE7 CE8 CG1 CG10 CG2 CG3 CG4 CG5 CG6 CG7 CG8 CG9 CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7

Sistemes i criteris d'avaluació

Modalitat totalment presencial a l'aula



La qualificació final de l'assignatura s'obtindrà com;

Nota=0,4·Nlab+0,6·Nproj

On

Nlab : Nota pràctiques laboratori

Nproj : Nota projecte final

 

No hi ha examen parcial. No hi examen final.

Per a optar a l'apte és imprescindible realitzar les pràctiques de laboratori de l'assignatura.

 

Consideracions importants:

  1. Plagi, copiar o qualsevol altra acció que es pugui considerar trampa suposarà un zero en aquest apartat d'avaluació. Realitzar-en els exàmens suposarà el suspens immediat de l'assignatura.
  2. En segona convocatòria no es podrà obtenir la qualificació de "Matrícula d'Honor", de manera que la qualificació màxima serà de "Excel·lent".
  3. No s'acceptaran canvis en el calendari, dates d'exàmens o en el sistema d'avaluació.
  4. Els estudiants d'intercanvi (Erasmus i d'altres) o repetidors estaran sotmesos a les mateixes condicions que la resta de l'alumnat.

Bibliografia i recursos

[1] Farina et al. Introduction to Neural Engineering for Motor Rehabilitation. IEEE Press Series on Biomedical Engineering Book.

[2] Tojeiro Calaza, Germán. 2014. Taller de Arduino: un enfoque práctico para principiantes. Barcelona, Marcombo.

[3] Wilcher, Don. 2012. Learn electronics with Arduino. New York, Apress.

 

Període d'avaluació

E: data d'examen | R: data de revisió | 1: primera convocatòria | 2: segona convocatòria:
  • E1 23/05/2023 P2A02 14:00h