ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FUCULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA CAPTURA DEL MOVIMIENTO CON UN GRADO DE LIBERTAD DE LOS DEDOS DE UNA MANO Y VISUALIZACIÓN EN UNA PC EN TIEMPO REAL
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
FREDDY OSWALDO MAILA MAILA
[email protected]
DIRECTOR: DR. LUIS CORRALES
[email protected]
Quito, mayo del 2008
DECLARACIÓN
Yo, Freddy Oswaldo Maila Maila, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondiente este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y normatividad institucional vigente.
______________________ Freddy Oswaldo Maila Maila
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Freddy Oswaldo Maila Maila, bajo mi supervisión.
________________________ Dr. Luis Corrales DIRECTOR DEL PROYECTO
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por su guía y presencia constante durante toda mi vida.
Agradezco a los profesores de la Escuela Politécnica Nacional por haberme brindado sus conocimientos y sabiduría para culminar exitosamente la carrera y ser un buen profesional.
Mi gratitud para el doctor Luis Corrales por su dedicación e invaluable ayuda.
DEDICATORIA
A mis padres y hermanos por el inmenso apoyo, amor y dedicación durante toda mi vida.
CONTENIDO
Páginas
RESUMEN ...........................................................................................................i
PRESENTACIÓN............................................................................................... iii
CAPÍTULO1
INTRODUCCIÓN GENERAL
1.1
INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 2
1.2
ANATOMÍA DE LA MANO HUMANA ...................................................... 3 1.2.1 METACARPO ................................................................................... 3 1.2.2 CARPO ............................................................................................. 4 1.2.3 DEDOS ............................................................................................. 4
1.3
ESTUDIO DEL DEDO HUMANO.............................................................. 5
1.4
COMPLEJIDAD PARA MIMIFICAR EL MOVIMIENTO DE LOS DEDOS DE LA MANO HUMANA.......................................................................... 8
CAPÍTULO 2
SELECCIÓN DEL SENSOR PARA LA MEDICIÓN DEL MOVIMIENTO ADUCTOR DE LOS DEDOS DE LA MANO
2.1 SENSORES ............................................................................................. 12 2.1.1 GALGAS EXTENSOMÉTRICAS ..................................................... 12
2.1.1.1 Tipos básicos de galgas extensométricas............................ 15 2.1.2 SENSORES ÓPTICOS ................................................................... 15 2.1.3 SENSORES RESONANTES........................................................... 16 2.1.4 ACELERÓMETRO .......................................................................... 16 2.1.5 FLEX SENSOR ............................................................................... 17
2.2
SELECCIÓN Y JUSTIFICACIÓN DEL SENSOR UTILIZADO ............... 18
2.3
MÉTODOS DE MEDICIÓN CON EL FLEX SENSOR............................. 19
2.4
SELECCIÓN Y JUSTIFICACIÓN DEL MÉTODO SELECCIONADO ..... 21
2.5
PROPUESTA DE DISEÑO ..................................................................... 23 2.5.1 ESPECIFICACIÓN DEL HARDWARE ............................................ 24
CAPÍTULO 3
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE DEL SISTEMA
3.1 CONSIDERACIONES PREVIAS AL DISEÑO ......................................... 27 3.2 CÁLCULO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL SENSOR DE MOVIMIENTO FLEX SENSOR ............................................................... 28 3.3
DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL FLEX SENSOR ................................................................................................ 30 3.3.1 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL
SDDDDSENSOR 1 ....................................................................................... 30 3.3.2 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL QWQWSENSOR 2 ....................................................................................... 37 3.3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL QWQWSENSOR 3 ....................................................................................... 44
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DEL SOFTWARE DE SOPORTE DEL SISTEMA
4.1
INTERFAZ DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN DE DATOS ............... 53 4.1.1CIRCUITO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO PARA EL bbbbbbbbbb
sssssssMICROCONTROLADOR PIC16F877A ........................................... 53 4.1.2 CIRCUITO PARA LA INTEFAZ DE COMUNICACIÓN RS 232....... 55 4.1.3 SELECCIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN ....................... 56 4.1.4 RESUMEN DE CONEXIONES DE LOS DISPOSITIVOS .................. ELECTRÓNICOS AL MICROCONTROLADOR............................... 57 4.2
CONSIDERACIONES
PARA
EL
PROGRAMA
DEL
MICROCONTROLADOR ....................................................................... 57 4.3
DEFINICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS PARA EL PROGRAMA..... 58
4.4
DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA EL MICROCONTROLADOR59 4.4.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA .................................... 59
4.5 CONSIDERACIONES PARA EL PROGRAMA DE VISUALIZACIÓN EN LA PC...................................................................................................... 62 4.6
DEFINICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS PARA EL PROGRAMA..... 62 4.6.1 APLICACIÓN
DE LA TÉCNICA EXPERIMENTAL DE
AGARRE
CILÍNDRICO ................................................................................... 64 4.6.2 OBTENCIÓN DE ECUACIONES QUE DESCRIBEN EL MOVIMIENTO DE LOS DEDOS DE LA MANO .............................. 71 4.6.3 ECUACIONES PARA GRAFICAR EL MOVIMIENTO DE LOS DEDOS DE LA MANO .................................................................... 73 4.7 DESARROLLO DEL PROGRAMA DE VISUALIZACIÓN DEL MOVIMIENTO DE LOS DEDOS DE LA MANO...................................... 75 4.7.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA ..................................... 75
CAPÍTULO 5
PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA
5.1
PRUEBAS DEL PROTOTIPO DISEÑADO............................................. 82 5.1.1 TIEMPO DE EJECUCIÓN ............................................................... 82 5.1.2 MEDICIÓN DE ÁNGULOS ............................................................. 83
5.2
COSTOS DE DESARROLLO ................................................................. 91
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1
CONCLUSIONES ................................................................................... 94
6.2 RECOMENDACIONES ............................................................................ 96
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 97
ANEXOS
ANEXO A HOJA DE DATOS DEL FLEX SENSOR
ANEXO B CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO PARA CAPTURA DE MOVIMIENTO CON UN GRADO DE LIBERTAD DE LOS DEDOS DE UNA MANO
ANEXO C MANUAL DEL USUARIO
i
RESUMEN
En este trabajo se realiza el diseño y construcción de un prototipo para captura del movimiento con un grado de libertad de los dedos de una mano (movimiento aductor) y visualización en una PC en tiempo real.
El prototipo diseñado tiene como base un guante, al cual se le acoplaron sensores y una aplicación encargada de procesar y desplegar la información en la pantalla de una PC.
El hardware del sistema está formado básicamente por un microcontrolador, y un conjunto de tres sensores flexibles. Dos sensores se acoplaron al dedo medio y un sensor al dedo pulgar del guante, de tal forma que al doblar los dedos es posible medir el ángulo de flexión.
Las señales provenientes de los múltiples sensores se ingresan hacia los puertos de conversión analógico/digital (A/D) del microcontrolador, un sensor por puerto (A/D). Una vez que las señales son digitalizadas se construye un vector por cada señal monitoreada de cada sensor. Estos vectores son transferidos a una computadora externa a través de un puerto serial estándar RS 232 a una velocidad de 19200 bits/s. Esta velocidad de transferencia fue suficiente para captar aquellos movimientos que son perceptibles a simple vista.
En VISUAL BASIC 6.0 se desarrolló una aplicación que procesa la información y anima un modelo de mano. La aplicación relaciona los valores enviados por los sensores y los ángulos formados por las partes que componen los dedos cuando estos se flexionan. Para esto se utilizó el algoritmo de Interpolación de Lagrange que permitió encontrar las ecuaciones que describen el movimiento de los dedos. Esta animación muestra un movimiento suave y con un retardo mínimo entre la ejecución del movimiento y su representación gráfica.
ii Pruebas realizadas demostraron que la diferencia entre el ángulo real de las falanges de los dedos y aquellas que se muestran en la PC difieren con un error máximo de aproximadamente ± 2.29 % para el ángulo 1, ± 2.2 % para el ángulo 2, ± 2.38 % para el ángulo 3, ± 1.52 % para el ángulo 4 y ± 2.25% para el ángulo 5.
iii PRESENTACIÓN
En la instrumentación biomédica y bioingeniería se está haciendo mucho esfuerzo para desarrollar sistemas de hardware y software que posibiliten la reproducción de los movimientos de las diferentes partes del cuerpo. Ese conocimiento sería eventualmente empleado en el desarrollo de prótesis destinados a reemplazar las extremidades del ser humano o para programar robots que se muevan con movimientos “naturales”.
En cualquiera de los dos objetivos, y sus derivaciones, es necesario que nuestra institución invierta y haga esfuerzos para mantenerse al tanto dentro de esta cadena de conocimiento.
Inmersos en esta problemática, en el presente trabajo se realiza el diseño y construcción de un prototipo para captura del movimiento con un grado de libertad de los dedos de una mano (movimiento aductor) y visualización en una PC en tiempo real. Con este objetivo se diseña e implementa una solución en particular y sobre esta tarea se reporta en este trabajo. . En el Capítulo 1 se realiza una introducción al proyecto, se estudia la anatomía de la mano humana y se analizada la complejidad para poder mimificar los movimientos de los dedos. En el Capítulo 2 se realiza el análisis de los diferentes tipos de sensores que existen para medir la deflexión. También se procede a la selección del sensor más adecuado para medir la deflexión. Finalmente, se estudian los métodos de acondicionamiento del Flex Sensor y se selecciona el método más adecuado. En el Capítulo 3 se realiza el diseño del circuito acondicionador para cada sensor. En el Capítulo 4 se realiza el diseño del hardware y el software para el microcontrolador PIC16F877A y se hace efectiva la comunicación RS 232 entre el microcontrolador y la PC. Además se diseña el software para la visualización de los movimientos de los dedos de la mano.
iv
En el Capítulo 5 se presentan las pruebas realizadas para comprobar el correcto funcionamiento del prototipo diseñado.
En el Capítulo 6 se realizan las conclusiones y recomendaciones en base a los resultados y la experiencia adquiridos durante la elaboración del proyecto.
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN GENERAL
2 CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN GENERAL
1.1 INTRODUCCIÓN
En la instrumentación biomédica y bioingeniería se está haciendo mucho esfuerzo para desarrollar sistemas de hardware y software que posibiliten la reproducción de los movimientos de las diferentes partes del cuerpo. Ese conocimiento sería eventualmente empleado en el desarrollo de prótesis destinados a reemplazar las extremidades del ser humano o para programar robots que se muevan con movimientos “naturales”.
En cualquiera de los dos objetivos, y sus derivaciones, es necesario que nuestra institución invierta y haga esfuerzos para mantenerse al tanto dentro de esta cadena de conocimiento.
Adicionalmente, este conocimiento permitirá a nuestra Institución involucrarse en líneas de investigación o nuevas carreras como la Robótica o Mecatrónica.
Todavía más importante es el hecho de poder contribuir con tecnología que busque aliviar las lesiones de personas discapacitadas.
Inmersos en esta problemática, en el presente trabajo se realiza el diseño y construcción de un prototipo para captura del movimiento con un grado de libertad de los dedos de una mano (movimiento aductor) y visualización en una PC en tiempo real.
El prototipo a diseñar tendrá como base un guante, al cual se le acoplará un hardware específico, y una aplicación encargada de adecuar y visualizar la información. Este software se ejecutará en una computadora.
3 1.2 ANATOMÍA DE LA MANO HUMANA La mano humana consiste de una palma central de la que surgen cinco dedos, está unida al antebrazo por una unión llamada muñeca. Además, la mano está compuesta de varios músculos y ligamentos diferentes que permiten una gran cantidad de movimientos y destrezas. La mano está constituida por 27 huesos que se agrupan en tres áreas distintas: huesos del carpo, huesos del metacarpo y huesos de los dedos como se muestra en la Figura 1.1 [1].
Figura 1.1 Anatomía de la mano.
1.2.1 METACARPO
El metacarpo constituye el esqueleto de la región palmar y consta de cinco huesos denominados metacarpianos, numerados del uno al cinco contados desde del pulgar hacia fuera, como se observo en la Figura 1.1.
4 Los metacarpianos son huesos largos, con un cuerpo y dos extremos: uno superior o proximal y el otro inferior o distal. El cuerpo es ligeramente curvo en el sentido longitudinal, prismático y triangular y, por consiguiente, tiene tres caras y tres bordes. En la extremidad superior o carpiana, los metacarpianos muestran cinco carillas, tres articulares y dos no articulares. La extremidad inferior o digital tiene la forma de una cabeza articular, aplanada en sentido transversal. Se articula con la primera falange de los dedos.
1.2.2 CARPO
El carpo está formado por ocho huesos pequeños en dos hileras transversales, una hilera superior o antebraquial y una hilera inferior o metacarpiana.
La primera comprende cuatro huesos: el escafoides, el semilunar, el piramidal y el pisiforme como se observa en la Figura 1.2.
La segunda comprende igualmente cuatro: el trapecio, el trapezoide, el grande y el hueso ganchoso como se observa así mismo en la Figura 1.2.
Todos los huesos del carpo son irregularmente cuboideos y por consiguiente tienen seis caras. De estas 6 caras, la anterior o palmar y la posterior o dorsal son rugosas y están en relación con las partes blandas de la región palmar y de la región dorsal. Las otras cuatro, superior o braquial, inferior o metacarpiana, externa o radial e interna o cubital, son lisas y están recubiertas de cartílago.
1.2.3 DEDOS
Los dedos son los órganos esenciales de prensión y del tacto, muy móviles. Sus huesos están articulados con los metacarpianos y también se numeran del 1 a 5 comenzando por el pulgar. Están formados por tres columnitas decrecientes que se denominan falanges (primera, segunda y tercera falanges) aunque a veces reciben los nombres de falange, falangina y
5 falangeta, como se muestra en la Figura 1.2. El pulgar solo consta de dos falanges, faltando la segunda o falangina.
Figura 1.2 Huesos de la mano.
1.3 ESTUDIO DEL DEDO HUMANO [1] El dedo humano esta compuesto de tres articulaciones principales:
1. Articulación
metacarpofal
angica
(MCP):
metacarpiana y la proximal de un dedo o pulgar.
que
une
la
falange
6 2. Articulación interfalángica proximal (PIP): localizada entre las falanges media y proximal del dedo. 3. Articulación interfalángica distal (DIP): ubicada entre las falanges media y distal del dedo.
La Figura 1.3 muestra un esquema del dedo índice y sus falanges y tendones flexores.
Figura 1.3 Dedo índice: (A) zona proximal, (B)zona intermedio, (C) zona distal, (1) microvasos longitudinales intrínsecos, (2) vaina sinovial, (3) vinculum brevis, (4) segmento avascular, (5) y (6) vasos comparables a los del flexor superficial, (7) vinculum longus, (8) vinculum brevis sobre la tercera falange, y (9,10,11) segmentos de zonas avasculares.
Todos los dedos tienen similar aspecto al mostrado en la Figura 1.3. Las dimensiones promedio de las falanges de un dedo índice de una persona adulta se muestran en la Tabla 1.1.
Longitud de la falange distal Longitud de la falange media Longitud de la falange proximal Longitud metacarpal Espesor de la articulación DIP Espesor de la articulación PIP Espesor de la articulación MCP
19.67 24.67 43.57 71.57 5.58 7.57 15.57
± ± ± ± ± ± ±
1.03 1.37 0.98 5.60 0.92 0.45 0.84
Tabla 1.1 Dimensiones del dedo índice en especimenes humanos (mm).
Las articulaciones interfalángicas solo presentan un grado de libertad permitiendo realizar los movimientos de flexión extensión. Los rangos de movimiento de las articulaciones se muestran en la Tabla 1.2.
7 Articulación
Movimiento
DIP
Flexión / Extensión
59.36 / 6.6
PIP
Flexión / Extensión
89.50 / 11.7
MCP
Flexión / Extensión
85.3 / 18.4
Abducción / Aducción
0
MCP
Rango de Movimiento 0
0
0
0
50.4 / 6.6
0
0
0
Tabla 1.2 Rangos de movimientos del dedo índice en el ser humano. (Estudios realizados en siete especimenes de manos)
En los dedos hay tres grupos básicos de músculos: los flexores extrínsecos originados en la parte anterior del antebrazo, el flexor profundo y superficial pertenece a este grupo. Los extensores extrínsecos originados en la parte posterior del antebrazo, el músculo extensor digitorum pertenece a este grupo.
Finalmente, los músculos intrínsecos, cuyo origen va del distal a la articulación de la muñeca. A este grupo pertenecen los lumbricales y los interóseos. Cada grupo juega un papel importante en el movimiento y la estabilidad de los dedos.
La Figura 1.4 muestra los tendones y músculos que forman el sistema de actuación del dedo.
Figura 1.4 Tendones y músculos del dedo índice.
8 1.4 COMPLEJIDAD PARA MIMIFICAR EL MOVIMIENTO DE LOS DEDOS DE LA MANO HUMANA [2]
Los tendones realizan un papel muy importante en los movimientos del dedo. Para una buena modelización es necesario calcular las fuerzas de los músculos a partir de los desplazamientos de cada tendón y relacionar estos desplazamientos con los movimientos angulares que se producen en las articulaciones. El científico Landsmeer propuso un modelo el cual dice que el desplazamiento x de un tendón es linealmente proporcional a la articulación θ. Este trabajo fue más tarde extendido por el científico Storace. El científico Fischer muestra que el ángulo de la articulación DIP (articulación interfalángica distal) depende del ángulo PIP (articulación interfalángica proximal) debido a las interacciones de las falanges media y distal. En la Figura 1.5 se muestra un simple tendón controlando la posición de una articulación.
Figura 1.5 Modelo de un tendón unido a una articulación del dedo. a) Posición inicial. b) Desplazamiento del tendón x=Rθ. c) Tendón flojo x> Rθ.
Por otra parte, el científico Becker se basó en los estudios previos de Lamdsmeer y Storace para relacionar medidas experimentales de los rangos de movimientos de las articulaciones en función de los tendones. Becker obtuvo las siguientes relaciones para poder calcular los desplazamientos de los tendones en función de los ángulos de las articulaciones del dedo, y esta relación se calcula con las expresiones que se muestran en las siguientes ecuaciones [3]. .
9
θ PIP ≤ −
RMCP X θ MCP + E (Extensor) RPIP RPIP
Ec.[1.1]
θ PIP ≤ −
RMCP X θ MCP + F (Flexor) RPIP RPIP
Ec.[1.2]
θ PIP ≤ −
RMCP X θ MCP + I (Intrínseco) RPIP RPIP
Ec.[1.3]
Con este estudio se puede observar lo complejo que es el dedo humano y lo difícil de reproducir su movimiento.
Por otra parte, el científico Schlesinger desarrolló una clasificación de la taxonomía para el estudio de la destreza de las manos humanas, agrupando en seis categorías las estrategias de agarre de la mano humana: agarre cilíndrico, de punta, de gancho, palmar, esférico y de lateral, como se muestra en la Figura 1.6 [4]. .
Figura 1.6 Configuraciones de agarre de la mano.
En el caso presente, el diseño del mecanismo para capturar el movimiento de los dedos de una mano humana con un grado de libertad será obtenido a partir de pruebas experimentales del agarre cilíndrico de la mano humana, a manera
10 de encontrar aquellas dimensiones que permitan una transmisión de movimiento antropomórfico, similar a la del dedo humano. Hasta aquí se ha realizado la introducción al proyecto, se ha estudiado la anatomía de la mano humana y se ha analizado la complejidad para poder mimificar los movimientos de los dedos. En el siguiente capítulo se realizará el estudio de los diferentes tipos de sensores que existen para poder capturar la flexión.
CAPÍTULO 2 SELECCIÓN DEL SENSOR PARA LA MEDICIÓN DEL MOVIMIENTO ADUCTOR DE LOS DEDOS DE LA MANO
12
CAPÍTULO 2
SELECCIÓN DEL SENSOR PARA LA MEDICIÓN DEL MOVIMIENTO ADUCTOR DE LOS DEDOS DE LA MANO
En el presente capítulo se estudian los diferentes tipos de sensores que existen para realizar la medición de la deflexión, y se realizará la selección del sensor más adecuado, para poder sensar la abducción y aducción de los dedos de la mano. 2.1 SENSORES Un sensor es un dispositivo que a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida que es función de la variable medida. La tendencia actual, particularmente en robótica, es emplear el término sensor (captador) para designar el transductor de entrada, y el término actuador o accionamiento para designar el transductor de salida. Los primeros pretenden la obtención de información, mientras que los segundos buscan la conversión de energía. No obstante, se denomina sensor al conjunto de ambos elementos junto con su encapsulado y sus conexiones [5]. Existen diferentes tipos de sensores que sirven para medir la deflexión, los cuales se describen a continuación: 2.1.1 GALGAS EXTENSOMÉTRICAS La galga extensométrica permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de la deformación longitudinal producida en un punto de la superficie de un material dado, en el cual se ha adherido la galga.
13 La unidad de medida de la deformación se representa con épsilon de acuerdo a la expresión que se muestra en la Ecuación [2.1]. Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial. ∈=
∆l l
Ec.[2.1]
El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un cuerpo cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresión, tracción, torsión o flexión. La galga extensométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga. Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está adherido. El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada, tal y como se muestra en la Figura 2.1.
Figura 2.1 Galga extensométrica en reposo.
La resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo, que viene dada por la Ecuación [2.2]:
Ec.[2.2]
14 Basándose en esta última ecuación, se puede afirmar que la resistencia eléctrica del hilo es directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia aumenta cuando éste se alarga como se muestra en la Figura 2.2.
Figura 2.2 Deformación longitudinal de la galga.
De este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en el cual está adherida la galga, provocan una variación de la longitud y, por consiguiente, una variación de la resistencia como se indica en la ecuación [2.3].
Ec.[2.3] Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la deformación de elementos semiconductores. Esta deformación provoca una variación, tanto en la longitud como en la sección, pero de una forma más acusada, en la resistividad del semiconductor. La relación se muestra en la ecuación [2.4]:
Ec.[2.4] Este tipo de sensor semiconductor posee un factor de galga más elevado que el constituido por hilo metálico, como se puede observar en la Figura 2.3.
Figura 2.3 Descripción constructiva
15 2.1.1.1 TIPOS BÁSICOS DE GALGAS EXTENSOMETRICAS Existen dos tipos básicos de galgas: 1. De hilo conductor o lámina conductora El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora y muy flexible, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino. Las terminaciones del hilo acaban en dos terminales a los cuales se conecta el transductor. 2. Semiconductor Las galgas semiconductoras son similares a las anteriores. En este tipo de galgas se sustituye el hilo metálico por un material semiconductor. La principal diferencia constructiva de estas galgas respecto a las anteriores se encuentra en el tamaño; las galgas semiconductoras tienen un tamaño más reducido. El cambio en la resistencia de un material debido a la aplicación de un esfuerzo es llamado efecto piezo-resistivo. Los piezo-resistores son fáciles de fabricar en silicio. Para lograrlo, sólo se introducen impurezas (tipo n ó tipo p) en un pequeño volumen del silicio. 2.1.2 SENSORES ÓPTICOS El silicio es un material refractivo, como son algunos otros materiales que se usan en la fabricación de dispositivos semiconductores (por ejemplo, aluminio).
Esta
característica
óptica
puede
ser
usada
para
captar
desplazamientos o deformaciones en micropuentes, membranas, etc. En esta técnica, el haz de un láser se hace incidir sobre la superficie para monitorizar su desplazamiento o deformación mediante el análisis del patrón de interferencia que resulta. Esta técnica es usada en microscopía atómica para monitorizar la flexión de un haz sobre una punta sensora.
16 2.1.3 SENSORES RESONANTES Son micropuentes que se ponen a oscilar a su frecuencia de resonancia. Cambios en esta frecuencia pueden ser medidos mediante el uso de piezorresistores, o usando técnicas ópticas. Como se puede observar en la Figura 2.4 (a) se muestra un micropuente, entonado en su resonancia, sobre un delgado diafragma. La resonancia del micropuente está relacionada con la fuerza aplicada, con su longitud, su grosor, su masa y el módulo de elasticidad del material a partir del cual fue fabricado. Si la membrana se deforma como se muestra en la Figura 2.4 (b) hay una presión más grande en un lado que en el otro, y entonces la fuerza aplicada al micropuente cambia y la frecuencia de resonancia también cambia.
Figura 2.4 Micropuente.
Alternativamente, un dispositivo resonante puede ser usado como biosensor. Este se cubre con un material que "atrape" la substancia de interés. Esto incrementará la masa y por lo tanto se alterará la frecuencia de resonancia. 2.1.4 ACELERÓMETRO Un sensor de aceleración, o acelerómetro, consiste de una masa suspendida de un delgado puente, como se muestra en la Figura 2.5. Cuando el dispositivo es acelerado, la fuerza que se experimenta dobla el delgado micropuente. Con piezorresistores situados cerca del borde del micropuente se puede detectar la aceleración. Otra opción es captar capacitivamente el desplazamiento de la masa.
17
Figura 2.5 Acelerómetro.
2.1.5 FLEX SENSOR El Flex Sensor, como se muestra en la Figura 2.6, es un sensor que cambia su resistencia dependiendo de la cantidad de curva que experimenta el sensor. Su variación en curvatura es convertido a resistencia eléctrica, cuanto más es la curva, más es el valor de la resistencia. Están generalmente bajo la forma de tira fina a partir de 1" a 5" de largo, largo que varía en resistencia de aproximadamente 10 KΩ a 40 KΩ. Son de uso frecuente en guantes para detectar el movimiento del dedo.
Figura 2.6 Flex Sensor.
Cuando el sensor está recto completamente tiene una resistencia nominal de 10 KΩ. Mientras que si el Flex Sensor es doblado la resistencia aumenta casi proporcionalmente. En 90 grados la resistencia de los sensores aumenta a aproximadamente 35 KΩ, como se puede observar en la Figura 2.7.
18
Figura 2.7 Variación de la resistencia en función del ángulo.
2.2 SELECCIÓN Y JUSTIFICACION DEL SENSOR UTILIZADO Después de revisar algunos tipos de sensores con los cuales se puede medir la deflexión se optó por utilizar el Flex Sensor. Para la selección se tomo en cuenta los siguientes parámetros: Medio: El sensor se acoplará sobre los dedos del guante permitiendo medir la deflexión de los mismos. Rango: Cuando el substrato se dobla, el sensor produce una resistencia de salida proporcional al radio de curva, sin deflexión se tiene una resistencia de 10 KΩ y con una deflexión de 90 grados se tiene de 35 KΩ. Características eléctricas: Trabaja con un voltaje de polarización de 5 V DC a 12 V DC. Salida: Variación de la resistencia del sensor cuando este se deflexiona. Costo: Su costo no es muy elevado. Aplicación: El Flex Sensor se utiliza en guantes de juego, controles de autos, aparatos de medición, instrumentos musicales, palancas de mando, y más.
19 En base a estos parámetros y tomando en cuenta que el sensor provee un buen rango dinámico de variación. Además trabaja con voltaje de polarización normalizado y la señal de salida es fácil de acondicionar, el Flex Sensor se ajusta bien para esta aplicación en particular.
2.3 MÉTODOS DE MEDICIÓN CON EL FLEX SENSOR
El fabricante recomienda trabajar para las diferentes aplicaciones del Flex Sensor con las configuraciones de circuitos que se describen a continuación: 1. Divisor de voltaje El Flex Sensor como divisor de voltaje aumenta el voltaje de salida con la deflexión del sensor. Vin +5V
Flex Sensor
R1 Vout
R2
Figura 2.8 Flex Sensor como divisor de voltaje.
Como se puede observar en la Figura 2.8, el Flex Sensor está conectado en serie con la resistencia R2. La tensión de entrada Vin, que puede ser, o no, la tensión de la fuente de alimentación, conectada a R1 (Flex Sensor), la otra resistencia R2 conectada a masa. La tensión de la salida Vout, es el voltaje sobre R2. Con la ecuación [2.5] se obtiene Vout. R1 Vout = Vin R1 + R 2
Ec.[2.5]
20
2. Circuito comparador para accionamiento El comparador hace que, si la tensión de entrada en el borne positivo es mayor que la tensión conectada al borne negativo, la salida Vout será igual a +V. En caso contrario, la salida tendrá una tensión -V. De esta manera se puede utilizar el Flex Sensor como interruptor, sin pasar a través de un microcontrolador, como se muestra en la Figura 2.9.
Vin +5V
R2
Vin +5V
R3 R4
Vout Flex Sensor
R5
R1
Figura 2.9 Circuito comparador para accionamiento.
3. Amplificador inversor En este circuito, la entrada (+) está a masa, y la señal se aplica a la entrada (-) a través del Flex Sensor (R1), con realimentación desde la salida a través de R2. Debe usarse en situaciones cuando se trabaja con pocos grados de deflexión. En la Figura 2.10 se observa el circuito.
21 Vin +5V
R2 Flex Sensor
R1 Vout
Figura 2.10 Amplificador inversor.
R2 Vout = −Vin R1
Ec.[2.6]
2.4 SELECCIÓN Y JUSTIFICACIÓN DEL MÉTODO SELECCIONADO
Se analizan los circuitos recomendados por el fabricante para la utilización del Flex Sensor:
1. Divisor de voltaje:
Con la ecuación [2.5], se encuentra Vout min cuando el sensor se encuentra en condiciones normales (sin deflexión). Se asume R2 = 15 K Ω y se tiene R1min = 10 K Ω (resistencia mínima presentada por sensor).
Entonces: Vout min =
R1 min * Vin R1 min + R 2
Vout min =
10 KΩ * 5V 10 KΩ + 15 KΩ
Vout min = 2V
22
Se utiliza nuevamente la ecuación [2.5], para encontrar Voutmáx cuando el sensor se encuentra en su máxima deflexión. Se tiene que R1máx = 40 K Ω (resistencia máxima presentada por el sensor).
Entonces: Voutmáx = Vout min =
R1máx * Vin R1máx + R 2
40 KΩ * 5V 40 KΩ + 15 KΩ
Vout min = 3.63V
Con la ecuación [2.7] se obtiene la variación de voltaje: ∆V = Voutmáx − Vout min
Ec.[2.7]
∆V = 3.63V − 2V ∆V = 1.63V
De este análisis se puede decir que esta configuración puede ser la más conveniente para
ser utilizada en el presente caso puesto que a la
salida de este circuito se tienen voltajes positivos y en el orden de los voltios.
2. Circuito comparador para accionamiento:
Esta configuración no puede ser utilizada en el presente trabajo debido a que en esta configuración el Flex Sensor actúa como interruptor.
3. Amplificador inversor:
En esta configuración el voltaje que se obtiene a la salida del amplificador es negativo. Entonces se debe considerar que para ingresar esta señal al conversor analógico digital del microcontrolador debe ser
23
positiva, por lo que se necesita otra etapa de amplificación para invertir la señal del primer amplificador, haciendo que el diseño sea más complejo.
Después de experimentar con las alternativas indicadas, al final se optó por el método de divisor de voltaje que es uno de los circuitos que recomienda el fabricante, debido a que el principio de funcionamiento del Flex Sensor es resistivo y la variación de la resistencia es proporcional a la deflexión, con un rango de variación entre 10 KΩ y 40 KΩ aproximadamente, con lo que se obtiene un rango de variación de voltaje de salida en el orden de los voltios.
Para este caso en particular no hace falta implementar circuitos más complejos que encarecen el costo de la aplicación ya que la señal que se obtiene a la salida del divisor de voltaje es fácil de acondicionarla.
El
voltaje de salida del divisor de voltaje se ingresará a una etapa de
amplificación, para obtener un voltaje normalizado de 0 a 5 voltios.
2.5 PROPUESTA DE DISEÑO En la Figura 2.11 se muestra el diagrama de bloques del sistema de control del movimiento aductor de los dedos de la mano a implementarse.
Figura 2.11 Gráfico en bloques.
24
1. El guante constituye la base para capturar el movimiento aductor de los dedos de la mano. 2. El sensor mide la variable de deflexión de los dedos del guante. 3. El transmisor es el circuito electrónico con etapas de amplificación, filtros, etc. La señal que entrega debe ser entendible con el controlador a utilizarse. 4. El
controlador
puede
estar
conformado
por
comparadores,
sumadores, integradores o microcontroladores. 5. El interfaz de comunicación RS 232 se utiliza para comunicarse entre el microcontrolador y la PC. 6. La PC se utiliza para la visualización del movimiento aductor de los dedos de la mano. 2.5.1 ESPECIFICACIÓN DEL HARDWARE Los bloques indicados en la Figura 2.11 deberán cumplir las siguientes funciones: 1. Para la medición del movimiento aductor de los dedos de la mano se utiliza tres Flex sensor. La señal que entrega cada sensor
se la
acondicionará para que varíe en un rango de voltaje de 0 a 5 voltios. Cada señal ingresará respectivamente a un canal analógico del microcontrolador (PIC16F877A). 2. Para
el
control
del
sistema
se
empleará
el
microcontrolador
(PIC16F877A). Para este se diseñara y construirá tanto el software y hardware de soporte. 3. Para la interfaz de comunicación se utilizará el protocolo de comunicación RS 232, la cual emplea el circuito integrado MAX 232.
25
En este capítulo se han analizado los diferentes tipos de sensores que existen para medir la deflexión, seleccionándose el Flex Sensor, el mismo que cuando el substrato está doblado produce una resistencia de salida proporcional al radio de curva. Se estudió los métodos de acondicionamiento del Flex Sensor recomendado por el fabricante, seleccionándose el método de divisor de voltaje debido a que el principio del Flex Sensor es resistivo y su rango de variación de resistencia es alto. En el siguiente capítulo se realizará el diseño de los circuitos electrónicos para los Flex Sensor.
CAPÍTULO 3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE DEL SISTEMA
27
CAPÍTULO 3
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE DEL SISTEMA
En el presente capítulo se realiza el diseño del circuito acondicionador para los Flex Sensor.
3.1 CONSIDERACIONES PREVIAS AL DISEÑO
Para que el microcontrolador PIC16F877A pueda realizar sus funciones requiere de los siguientes circuitos:
1. Sensores de movimiento Flex Sensor.
2. Circuitos de acondicionamiento de señal para los Flex Sensor.
Es necesario conocer los valores extremos de resistencia que presentan los sensores cuando son aplicados al presente caso. Para esto se deberá tomar valores de resistencia es decir; cuando los sensores
se encuentren sin
flexionar se tomará un valor de resistencia mínima, y cuando el sensor se encuentre en su máxima deflexión se tomará un valor de resistencia máximo, con esto se obtendrá por cada sensor un rango de variación de resistencia que dependerá de la posición en la que se encuentre ubicado cada sensor en el guante.
En esta parte se tratarán los valores de resistencia extremos presentados por cada sensor ya que estos valores servirán para realizar el diseño del hardware. Los valores que se encuentran dentro del rango de variación de resistencia que presenta cada sensor serán tratados en la parte de software.
28
3.2 CÁLCULO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL SENSOR DE MOVIMIENTO FLEX SENSOR
Cuando el Flex Sensor se encuentra sin deflexión; es decir, completamente recto tiene una resistencia nominal de 10 KΩ. Mientras que si el Flex Sensor es doblado la resistencia aumenta casi proporcionalmente.
En el presente caso se trabaja con tres Flex Sensor a los cuales se los denomina sensor 1, sensor 2 y sensor 3. Cada sensor es colocado en una parte diferente del guante. El sensor 1 se coloca en el dedo pulgar, el sensor 2 es colocado en la posición comprendida falange
del dedo medio y el
entre el metacarpio y la primera
sensor 3 es colocado
en
la posición
comprendida entre la primera, segunda y tercera falange del dedo medio. En la Figura 3.1 se puede apreciar la posición de cada sensor sobre el guante.
Figura 3.1 Posición de los sensores sobre el guante.
Una vez colocados los sensores en el guante, se procedió a medir experimental los valores de resistencia a cada sensor, utilizando la técnica experimental de agarre cilíndrico de la mano humana. El primer valor
de
resistencia (Rsmin) se mide cuando el sensor se encuentra en posición inicial;
29
es decir, cuando el sensor no tiene ninguna deflexión. El segundo valor de resistencia (Rsmáx) se mide cuando el sensor se encuentra en la posición final; es decir, cuando el sensor se encuentra en su máxima deflexión. La posición inicial y final del sensor depende de la posición del dedo, cuando el dedo se encuentra sin deflexión se dice que está en posición inicial y cuando el dedo se encuentra totalmente flexionado se dice que está en la posición final. Esto se puede observar en la Figura 3.2 a) y b)
(a)
(b)
Figura3.2 Posición de los dedos de la mano. a) Posición inicial, b) Posición final
En la Tabla 3.1 se puede observar los valores medidos experimentalmente a cada sensor, tanto en la posición inicial como final, utilizando la técnica experimental de agarre cilíndrico de la mano humana. Además se presenta el rango de variación de la resistencia de cada sensor.
Sensor 1 2 3
Posición Inicial (Rsmin) [K Ω ] 10 11,5 11
Posición Final (Rsmáx) [K Ω ] 18 19 42
Rango de variación de la resistencia [K Ω ] 8 7,5 31
Tabla 3.1 Valores de resistencia tomados experimentalmente.
Hasta ahora se han obtenido los valores de Rsmin y Rsmáx con estos datos se diseñaran los circuitos acondicionadores para cada sensor. Los demás valores que se encuentran dentro de cada uno de los rangos de cada sensor se tratarán en la parte de software.
30
3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA
EL
FLEX
SENSOR
El circuito debe ser diseñado tal que a su salida se obtenga un máximo de 5 V puesto que este voltaje es el máximo que acepta el conversor análogo digital
del
microcontrolador
PIC16F877A.
Tomado
en
cuenta
esta
consideración, el circuito diseñado debe ser tal que, con un valor inicial de resistencia (Rsmin), el voltaje que se obtenga a la salida del sensor debe dar 0 V, y con un valor de resistencia final (Rsmáx) debe dar un voltaje de salida 5 V.
Puesto que se utilizan tres sensores, entonces se diseñará un circuito acondicionador para cada sensor.
3.3.1 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL SENSOR 1
Los requerimientos para el diseño del circuito acondicionador 1 son: 1. Cuándo el sensor 1 tenga una resistencia mínima (Rs1min) de 10 K Ω el voltaje que se obtenga a la salida del sensor 1 deberá ser 0 V. 2. Cuando el sensor 1 tenga una resistencia máxima (Rs1máx) de 18 K Ω el voltaje máximo que se deberá obtener a la salida será de 5 V.
Antes de empezar con los cálculos se debe considerar que se va trabajar con una fuente de voltaje Vcc de 5 V DC.
Se empieza calculando el voltaje de salida mínimo (Vo1min), para lo cual se parte del circuito de la Figura 3.3.
31
Figura 3.3 Circuito divisor de voltaje para encontrar Vo1min.
De la Figura 3.3 se tiene que Vo1min esta dada por la siguiente ecuación:
Vo1 min =
Rs1 min * Vcc Rs1 min + R1
Ec.[3.1]
→ Se asume R1 = 15 K Ω
Vo1min =
10 KΩ * 5V 10 KΩ + 15KΩ
Dando como resultado:
→ Vo1 min = 2V Para calcular el voltaje de salida máximo (Vo1máx) se parte del mismo circuito de la Figura 3.3 pero esta vez se substituye Rs1min por Rs1máx, resultando:
Vo1máx =
→ Se asume R1 = 15 K Ω
Rs1máx * Vcc Rs1máx + R1
Ec.[3.2]
32 Vo1máx =
18 KΩ * 5V 18 KΩ + 15 KΩ
Dando como resultado:
→ Vo1máx = 2.72V Del análisis anterior se desprende que se debe restar 2 V al voltaje de salida del acondicionador, para obtener 0 V cuando Rs1min es 10 K Ω . Esto es, el voltaje a restarse (Vr1) es:
→ Vr1 = Vo1min = 2 V En la Figura 3.4 se propone el circuito para generar Vr1
Figura 3.4 Circuito divisor de voltaje para generar Vr1.
El voltaje a restar Vr1 esta dado por la siguiente ecuación:
Vr1 =
R3 * Vcc R 2 + R3
Ec.[3.3]
De la Ecuación [3.3] se despeja R3: R3 =
Vr1 * R 2 Vcc − Vr1
Ec.[3.4]
33
→ Se asume R2 = 10 K Ω Se reemplazan los valores conocidos en la Ecuación [3.4]:
R3 =
2V * 10 KΩ 5V − 2V
Dando como resultado:
→ R 3 = 6 .6 K Ω Esta vez se prefirió seleccionar un potenciómetro de 10 K Ω Es necesario añadir otro circuito a esta etapa para obtener 0 V cuando se tenga un RS1min de 10 K Ω y 5 V cuando se tenga un RS1máx de 18 K Ω . Con este propósito se implementa el circuito restador 1 que se muestra en la Figura 3.5.
Figura 3.5 Circuito restador 1
→ Se asume que: R4 = R5 y R6 = R7
34
Se sabe que:
→ Vr1 = 2V Se calcula el VoS11min con la siguiente ecuación:
VoS11 min =
R6 (Vo1 min − Vr1) R4
Ec.[3.5]
Reemplazando Vo1min = 2 V en la Ecuación [3.5]:
VoS11 min =
R6 (2V − 2V ) R4
Dando como resultado:
→ VoS11 min = 0V
Para calcular el VoS11máx se tiene la siguiente ecuación:
VoS11máx =
R6 (Vo1máx − Vr1) R4
Ec.[3.6]
De la Ecuación [3.6] se despeja R6/R4:
R6 VoS11máx = R 4 (Vo1máx − Vr1)
→ Se asume VoS11máx = 5.7 V Se reemplaza los valores conocidos en la Ecuación [3.7]:
R6 5.7V = R 4 (2.72V − 2V )
Ec.[3.7]
35
R6 = 7.91 R4
→ Se asume R6 = 100 K Ω Dando como resultado:
→ R4 = 12.6 K Ω Nuevamente aquí se opta por un potenciómetro de 20 K Ω . Se consideró VoS11máx = 5.7 V debido a que se utiliza un diodo para recortar la señal negativa del circuito acondicionador, y para fijar la señal a 5.1 V se utiliza un zener.
Como el voltaje que cae sobre el diodo es igual a 0.7 V se tiene:
VoS1 = VoS11máx – VD1
Ec.[3.8]
VoS1 = 5.7 V - 0.7 V
Obteniendo a la salida del acondicionador 1:
→ VoS1 = 5 V
En la Figura 3.6 se muestra el esquemático del circuito completo del acondicionador de señal para el sensor 1.
36
37
3.3.2 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL SENSOR 2
Los requerimientos para el diseño del circuito acondicionador 2 son:
1. Cuándo el sensor 2 tenga una resistencia mínima (Rs2min) de 11.5 K Ω el voltaje que se obtenga a la salida del sensor 2 deberá ser 0 V. 2. Cuando el sensor 2 tenga una resistencia máxima (Rs2máx) de 19 K Ω el voltaje máximo que se deberá obtener a la salida será de 5 Voltios.
Antes de proceder con los cálculos se debe considerar que se va trabajar con una fuente de voltaje Vcc de 5 V DC.
Se empieza por obtener el voltaje de salida mínimo (Vo2min), para lo cual se propone el circuito de la Figura 3.7.
Figura 3.7 Circuito divisor de voltaje para encontrar Vo2min.
De la Figura 3.7 se tiene que Vo2min esta dada por la siguiente ecuación:
Vo 2 min =
→ Se asume R1 = 15 K Ω
Rs 2 min * Vcc Rs 2 min + R1
Ec.[3.9]
38
Vo2 min =
11.5KΩ * 5V 11.5 KΩ + 15KΩ
Dando como resultado:
→ Vo2 min = 2.16V Para obtener el voltaje de salida máximo (Vo2máx) se reemplaza Rs2min por Rs2máx en el circuito de la Figura 3.7, resultando:
Vo 2máx =
RS 2máx * Vcc RS 2máx + R1
Ec.[3.10]
→ Se asume R1 = 15 K Ω
Vo 2máx =
19 KΩ * 5V 19 KΩ + 15 KΩ
Dando como resultado:
→ Vo2máx = 2.79V Del análisis anterior se desprende que se debe restar 2.16 V al voltaje de salida del acondicionador 2, para obtener 0 V cuando Rs2min es 11.5 K Ω . Esto es, el voltaje a restarse (Vr2) es:
→ Vr2 = Vo2min = 2.16 V En la Figura 3.8 se muestra el circuito para obtener Vr2
39
Figura 3.8 Circuito divisor de voltaje para obtener Vr2.
Se tiene que Vr2 esta dada por la siguiente ecuación:
Vr 2 =
R3 * Vcc R 2 + R3
Ec.[3.11]
De la Ecuación [3.11] se despeja R3:
R3 =
Vr 2 * R 2 Vcc − Vr 2
Ec.[3.12]
→ Se asume R2 = 10 K Ω Se reemplaza los valores conocidos en la Ecuación [3.12]:
R3 =
2.16V * 10 KΩ 5V − 2.16V
Dando como resultado:
→ R3 = 7.6 KΩ Esta vez se selecciona un potenciómetro de 10 K Ω . Como en el caso del sensor 1, es necesario hacer un ajuste en esta etapa para obtener 0 V cuando se tenga una Rs2min de 11.5 K Ω y 5 V cuando se
40
tenga una Rs2máx de 19 K Ω . Para esto se implementa el circuito restador 2 que se muestra en la Figura 3.9.
Figura 3.9 Circuito restador 2.
→ Se asume que: R4 = R5 y R6 = R7 Se conoce que:
→ Vr2 = 2.16 V Se calcula el VoS22min con la siguiente ecuación:
VoS 22 min =
R6 (Vo2 min − Vr 2) R4
Reemplazando Vo2min en la Ecuación [3.13]:
VoS 22 min =
R6 (2.16V − 2.16V ) R4
Ec.[3.13]
41
Dando como resultado:
→ VoS 22 min = 0V Para calcular el VoS22máx se tiene la siguiente ecuación:
VoS 22máx =
R6 (Vo2máx − Vr 2) R4
Ec.[3.14]
De la Ecuación [3.14] se despeja R6/R4:
R6 VoS 22máx = R 4 (Vo 2máx − Vr 2)
→ Se asume VoS22máx = 5.7 V Se reemplaza este valor en la Ecuación [3.15]:
R6 5.7V = R 4 (2.79.V − 2.16V )
R6 = 9.04[ KΩ ] R4
→ Se asume R6 = 100 K Ω Dando como resultado:
→ R4 = 11.05 K Ω Entonces se selecciona el potenciómetro de 20 K Ω .
Ec.[3.15]
42
Igual que en el caso anterior, se concideró VoS22máx = 5.7 V debido a que se utiliza un diodo para recortar la señal negativa del circuito acondicionador 2, y para fijar la señal a 5.1 V se utiliza un zener.
Como el voltaje que cae sobre el diodo es igual a 0.7 V se tiene:
VoS2 = VoS22máx – VD1
Ec.[3.16]
VoS2 = 5.7 V - 0.7 V
Obteniendo a la salida del acondicionador 2:
→ VoS2 = 5 V En la Figura 3.10 se muestra el esquemático del circuito completo del acondicionador de señal para el sensor 2.
43
44
3.3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL SENSOR 3 Los requerimientos para el diseño del circuito acondicionador 3 son: 1. Cuándo el sensor 3 tenga una resistencia mínima (Rs3min) de 11 K Ω el voltaje que se obtenga a la salida del sensor 3 deberá ser 0 V. 2. Cuando el sensor 3 tenga una resistencia máxima (Rs3máx) de 42 K Ω el voltaje máximo que se deberá obtener a la salida será de 5 V.
Antes de proceder con los cálculos se debe considerar que se va trabajar con una fuente de voltaje Vcc de 5 V DC.
Se empieza por obtener el voltaje de salida mínimo (Vo3min), se propone el circuito de la Figura 3.11.
Figura 3.11 Circuito divisor de voltaje para encontrar Vo3min.
De la Figura 3.11 se tiene que Vo3min esta dada por la siguiente ecuación:
Vo3 min =
→ Se asume R1 = 15 K Ω
Rs3 min * Vcc Rs3 min + R1
Ec.[3.17]
45
Vo3 min =
11KΩ * 5V 11KΩ + 15KΩ
Dando como resultado:
→ Vo3 min = 2.11V Para obtener el voltaje de salida máximo (Vo3máx) se reemplaza Rs3min por Rs3máx en el circuito de la Figura 3.11, resultando:
Vo3máx =
Rs3máx * Vcc Rs3máx + R1
Ec.[3.18]
→ Se asume R1 = 15 K Ω
Vo3máx =
42 KΩ * 5V 42 KΩ + 15 KΩ
Dando como resultado
→ Vo3máx = 3.68V Del análisis anterior se desprende que se debe restar 2.11 V al voltaje de salida del acondicionador 3, para obtener 0 V cuando Rs3min es 11 K Ω . Esto es, el voltaje a restarse (Vr3) es:
→ Vr3 = Vo3min = 2.11 V En la Figura 3.12 se muestra el circuito para generar Vr3
46
Figura 3.12 Circuito divisor de voltaje para generar Vr3.
Se tiene que Vr3 esta dado por la siguiente ecuación:
Vr 3 =
R3 * Vcc R 2 + R3
Ec.[3.19]
De la Ecuación [3.19] se despeja R3:
R3 =
Vr 3 * R 2 Vcc − Vr 3
→ Se asume R2 = 10 K Ω Se reemplaza los datos conocidos en la Ecuación [3.20]:
R3 =
2.11V * 10 KΩ 5V − 2.11V
Dando como resultado:
→ R 3 = 7 .3 K Ω Esta vez se selecciona un potenciómetro de 10 K Ω .
Ec.[3.20]
47
Como en el caso de los sensores 1 y 2, es necesario hacer un ajuste en esta etapa para obtener 0 V cuando se tenga una Rs3min de 11 K Ω y 5 V cuando se tenga una Rs3máx de 42 K Ω . Para esto se implementa el circuito restador 3 que se muestra en la Figura 3.13.
Figura 3.13 Circuito restador 3.
→ Se asume que: R4 = R5 y R6 = R7 Se conoce que:
→ Vr3= 2.11V Se calcula el VoS33min con la siguiente ecuación:
VoS 33 min =
R6 (Vo3 min − Vr 3) R4
Reemplazando Vo2min en la Ecuación [3.21]:
VoS 33 min =
R6 (2.11V − 2.11V ) R4
Ec.[3.21]
48
Dando como resultado: VoS 33 min = 0V
Para calcular el VoS33máx se tiene la siguiente ecuación:
VoS 33máx =
R6 (Vo3máx − Vr 3) R4
Ec.[3.22]
De la Ecuación [3.22] se despeja R6/R4:
R6 VoS 33máx = R 4 (Vo3máx − Vr 3)
Ec.[3.22]
→ Se asume VoS33máx = 5.7 V Se remplazan los datos conocidos en la Ecuación [3.22]:
R6 5.7V = R 4 (3.68.V − 2.16V )
R6 = 3.75 R4
→ Se asume R6 = 100 K Ω Dando como resultado:
→ R4 = 26.66 K Ω Nuevamente aquí se opta por un potenciómetro de 30 K Ω . Igualmente que en los casos anteriores, se consideró VoS33máx = 5.7 V debido a que se utiliza un diodo para recortar la señal negativa del circuito acondicionador 3, y para fijar la señal a 5.1 V se utiliza un zener.
49
Como el voltaje que cae sobre el diodo es igual a 0.7 V se tiene:
VoS3 = VoS33máx – Vd
Ec.[3.16]
VoS3 = 5.7 V - 0.7 V
Obteniendo a la salida del amplificador 3:
→ VoS3 = 5 V En la Figura 3.14 se muestra el esquemático del circuito completo del acondicionador de señal para el sensor 3.
50
51
En este capítulo se diseñó el circuito acondicionador para cada sensor.
El primer acondicionador fue diseñado tal que cuando el sensor 1 tenga una resistencia de 10 K Ω el voltaje de salida del acondicionador de 0 V y cuando tenga 18 K Ω de 5 V. El segundo acondicionador se diseño tal que cuando el sensor 2 tenga una resistencia de 11.5 K Ω el voltaje de salida de 0 V y cuando tenga 19 K Ω de 5 V.
El tercer acondicionador se diseño tal que cuando el sensor 3 tenga una resistencia de 11 K Ω el voltaje de salida de 0 V y cuando tenga 42 K Ω de 5 V.
En el siguiente capítulo, para realizar
el control de todo el sistema, se
empleará el microcontrolador PIC16F877A para el cual se diseñará y construirá, tanto el software como el hardware de soporte. Además, se realizará el circuito interfaz de comunicación RS 232 y el software para la representación gráfica de los movimientos de los dedos de la mano, para esto se utilizará el paquete computacional VISUAL BASIC 6.0.
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DEL SOFTWARE DE SOPORTE DEL SISTEMA
53
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DEL SOFTWARE DE SOPORTE DEL SISTEMA
En
el
presente
capítulo,
basado
en
el
hardware
para
el
microprocesador, se detalla sobre el software que se implementará en el mismo para realizar el control de todo el sistema. Además se detalla el diseño del software de soporte para la visualización de los movimientos de los dedos de la mano en el paquete computacional VISUAL BASIC 6.0.
4.1 INTERFAZ DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN DE DATOS
La interfaz de adquisición y transmisión de datos está constituida por los siguientes circuitos:
1.iCircuito
básico
de
funcionamiento
para
el
microcontrolador
S PIC16F877A. 2. Circuito de señalización. 3. Circuito para la interfaz de comunicación RS 232. 4. La fuente de alimentación.
4.1.1 CIRCUITO
BÁSICO
DE
FUNCIONAMIENTO
PARA
EL
MICROCONTROLADOR PIC16F877A
En la Figura 4.1 se muestra el circuito básico de funcionamiento para el microcontrolador. Se trabajó con un cristal de 4 MHz y capacitores de 15 pF; estos valores están dentro de aquellos que recomienda el fabricante.
54
Figura 4.1 Circuito básico de funcionamiento para el PIC16F877A.
En la Figura 4.1 se muestra el circuito para la conexión de un led que se utilizó para indicar cuando el microcontrolador envía los datos al PC. Esté circuito se conecta al puerto B del microcontrolador.
Para dimensionar la resistencia R para el led se partió de la corriente máxima de salida Imáx = 25 mA que soporta el microcontrolador.
Se asume una corriente de 15 mA, y se encuentra R con la siguiente ecuación:
R=
V I
R=
5V 15mA
R = 333.33Ω → R = 330Ω
Ec.[4.1]
55
4.1.2 CIRCUITO PARA LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN RS 232
Para el diseño del circuito de comunicación entre el PIC16F877A y la PC se consideró lo siguiente:
1. Para conectar el PC al microcontrolador PIC16F877A por el puerto serie se requieren las señales Tx, Rx y GND. El PC utiliza la norma RS 232, por lo que los niveles de tensión de los pines están comprendidos entre +12 y -12 voltios.
2. El microcontrolador PIC16F877A trabaja con niveles TTL (0-5V).
Tomando en cuenta lo indicado es necesario intercalar un circuito que adapte los niveles de voltaje del PC y del microcontrolador PIC16F877A.
Para adaptar los niveles RS232 y TTL se utiliza el chip el MAX 232. Este chip dispone internamente de 2 conversores de niveles TTL al bus standard RS 232 y viceversa, para comunicación serie, con lo que en total se pude manejar 4 señales del puerto serie del PC, Transmisión (TX), Recepción (RX), Request To Send (RTS), Clear To Send (CTS), aunque en el caso presente se utilizará las señales de TX y RX. Para que el chip MAX 232 funcione correctamente se conecta cuatro condensadores externos de 1 micro-faradios. Nuevamente estos valores están dentro de aquellos que recomienda el fabricante. En la Figura 4.2 se muestra el circuito para la interfaz de comunicación RS 232.
56
Figura 4.2 Circuito para la interfaz de comunicación RS 232.
4.1.3 SELECCIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Para la selección de la fuente de alimentación se tomaron en consideración los voltajes y corrientes
de polarización que necesitan los
dispositivos electrónicos que se muestra en la Tabla 4.1.
Cantidad
Dispositivo electrónicos
Voltaje (+V)
Voltaje (-V)
Corriente (mA)
Corriente total (mA)
3
TL084
12
12
5,6
11,2
1
PIC16F877A
5
20
20
1
MAX 232
5
10
10
3
Flex sensor
5
10
10
Tabla 4.1 Datos de voltaje y corriente.
En la Tabla 4.2 se muestra las características de la fuente seleccionada:
57
Voltaje Corriente Frecuencia Entrada AC
115V
7/4A
Salida DC
12V -12V 5V
12A 0.5A 25A
60Hz
Tabla 4.2 Características de la fuente.
4.1.4 RESUMEN
DE
CONEXIONES
DE
LOS
DISPOSITIVOS
ELECTRÓNICOS AL MICROCONTROLADOR
En la Tabla 4.3 se muestra el resumen de
las
conexiones al
microcontrolador de los circuitos diseñados.
Puerto
Pines
A B C
0 1 2 7 6 7
Circuitos Acondicionador del sensor 2 Acondicionador del sensor 3 Acondicionador del sensor 1 Led de señalización Transmisión Recepción
Tabla 4.3 Resumen de conexiones del microprocesador con los dispositivos electrónicos.
4.2 CONSIDERACIONES
PARA
EL
PROGRAMA
DEL
MICROCONTROLADOR
Para desarrollar el programa del microcontrolador es necesario primero identificar las funciones que debe realizar el mismo. A continuación se describen las funciones que realiza el microcontrolador:
58
1. Realizar la lectura de los valores enviados por los Flex Sensor a través de
los
puertos
de
conversión
analógicos/digitales
(A/D)
del
microcontrolador.
2. Enviar los valores
tomados de los sensores mediante comunicación
serial.
4.3
DEFINICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS PARA EL PROGRAMA
Como ya se explicó, se utiliza tres sensores, los cuales cada uno tiene un circuito acondicionador, los mismos que van canalizados hacia los puertos de conversión analógicos/digitales (A/D) del microcontrolador.
Los puertos de conversión analógicos/digitales (A/D) del microcontrolador se encargan de convertir un valor analógico de voltaje enviado por los sensores a su correspondiente combinación binaria. En el caso presente se trabaja con un convertidor de 8 bits por lo que se tendrá combinaciones binarias de 0 a 255. Cuando al puerto A/D del microcontrolador ingrese 0 V se tendrá la combinación binaria 0 y cuando al puerto A/D ingrese 5 V se tendrá la combinación binaria 255.
El programa toma 10 valores consecutivos de cada sensor, los suma y extrae el promedio. El motivo de tomar estos valores es para poder eliminar posibles ruidos que se infiltren en las señales enviadas por los sensores. El valor resultante es enviado a través del puerto de comunicación serial del microcontrolador a una velocidad de 19200 bits/s con 8 bits de datos, un bit de parada y sin bit de paridad, esta velocidad de transmisión es suficiente para captar aquellos movimientos que son perceptibles a simple vista.
Para el envió de los datos de los tres sensores se utiliza el siguiente convenio:
Primer dato: Caracteres A, B y C, para identificar los sensores: A: Sensor número 1. B: Sensor número 2.
59
C: Sensor número 3. Segundo dato: Valor promedio del dato obtenido del sensor. Tercer dato: Número 13, sirve para identificar finalización de vector.
A continuación se presenta en forma de vector como se enviarán los datos de cada sensor:
Sensor 1: [ A, valor promedio,13 ] Sensor 2: [ B, valor promedio,13 ] Sensor 3: [ C, valor promedio,13 ]
4.4 DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA EL MICROCONTROLADOR
El programa utilizado por el microcontrolador maneja periféricos de entrada y salida, lectura de valores de las señales de los sensores a través del conversor A/D, y transmisión de datos a través del puerto serial, cuyas características y particularidades se detallaron anteriormente.
A continuación se explica, mediante el uso de diagramas de flujo, el funcionamiento del programa.
4.4.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA
La estructura de las tareas del programa implementado en el microcontrolador se muestra en la Figura 4.3. Se describe más ampliamente a continuación en lenguaje estructurado.
60 Inicio
Configurar parámetros de comunicación
Encerar variables
Leer dato sensor 1
Transmitir dato sensor 1
Leer dato sensor 2
Transmitir dato sensor 2
Leer dato sensor 3
Transmitir dato sensor 3
Fin
Figura 4.3 Diagrama de flujo del programa implementado en el microcontrolador PIC16F877A.
61
Configurar parámetros de comunicación Configurar velocidad de transmisión: 19200 Bits/s Paridad: Sin paridad Bits de datos: 8 Bits de parada: 1 Fin Tarea Encerar variables Inicializar todas las variables con valor cero Fin tarea Leer dato sensor 1 Leer conversor A/D 2 (sensor 1) Tomar 10 datos Calcular valor promedio de los 10 datos (valor 1) Fin Tarea Transmitir dato sensor 1 Enviar vector: Vector = [A, valor 1,13] Encender led indicador Fin Tarea Leer dato sensor 2 Leer conversor A/D 0 (sensor 2) Tomar 10 datos Calcular valor promedio de los 10 datos (valor 2) Fin Tarea Transmitir dato sensor 2 Enviar vector: Vector = [B, valor 2,13] Encender led indicador Fin Tarea Leer dato sensor 3 Leer conversor A/D 1 (sensor 3) Tomar 10 datos Calcular valor promedio de los 10 datos (valor 3) Fin Tarea Transmitir dato sensor 3 Enviar vector: Vector = [C, valor 3,13] Encender led indicador Fin Tarea
62
4.5 CONSIDERACIONES PARA EL PROGRAMA DE VISUALIZACIÓN EN LA PC
Para el desarrollo del programa de visualización se utiliza el paquete computacional VISUAL BASIC 6.0. Para poder desarrollar el programa primero se debe identificar las funciones que debe realizar el mismo:
1. Recibir los vectores enviados por el microcontrolador a través del puerto serial del PC.
2. Animar un modelo de mano con un movimiento suave y con un retardo mínimo entre la ejecución del movimiento y su representación gráfica.
4.6 DEFINICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS PARA EL PROGRAMA Para poder visualizar los movimientos de los dedos de la mano humana es necesario conocer los ángulos ( θ ) que se forman entre las partes que componen el dedo humano cuando estos se flexionan, así como el tamaño de las falanges ( l ). Los ángulos y longitudes se muestran en la Figura 4.4:
Figura 4.4 Ángulos formados por las partes del dedo.
De acuerdo a la Figura 4.4 se tiene para el dedo medio los siguientes ángulos:
63
1. Ángulo 1 ( θ 1) que es el ángulo formado entre el hueso del metacarpo y la primera falange. 2. Ángulo 2( θ 2) que es el ángulo formado entre la primera falange y la segunda falange. 3. Ángulo 3 ( θ 3) que es el ángulo formado entre la segunda falange y la tercera falange. Para el dedo pulgar se tienen dos ángulos: 1. Ángulo 4 ( θ 4) formado entre el hueso del metacarpo y la primera falange. 2. Ángulo 5 ( θ 5) formado entre la primera falange y tercera falange. Entonces, para poder visualizar los movimientos de los dedos de la mano es necesario interpretar los datos enviados por los sensores y relacionarlos con los ángulos formados por las partes del dedo humano cuando este se flexione es decir: 1. Los valores enviados del sensor 1 deberán relacionarse con θ 4 y θ 5. 2. Los valores enviados del sensor 2 deberán relacionarse con θ 1. 3. Los valores enviados del sensor 3 deberán relacionarse con θ 2 y θ 3. La forma de relacionar estos datos es mediante ecuaciones, las cuales deben ser tal que permitan obtener a partir de un valor enviado por el sensor un valor de ángulo; es decir: 1. Con el valor que envié el sensor 1 se obtendrá θ 4 y θ 5. 2. Con el valor que envié el sensor 2 se obtendrá θ 1. 3. Con el valor que envié el sensor 3 se obtendrá θ 2 y θ 3. Ahora, para poder encontrar estas ecuaciones es necesario crear tablas con cierto número de datos tanto de ángulos y valores enviados por los sensores cuando los dedos se encuentren en diferentes posiciones de flexión. Con estos datos y con ayuda del algoritmo de Interpolación de Lagrange se encontrará las ecuaciones. El algoritmo de Interpolación de Lagrange permite obtener, a partir de una serie de puntos, una ecuación cuya curva pasa por todos ellos o lo más
64
cerca posible [6]. Estas ecuaciones ayudarán a describir el movimiento de los dedos de la mano humana. Tomando en cuenta lo antes mencionado, y sabiendo que la reproducción de los movimientos de los dedos de la mano humano es muy compleja, se optó por utilizar la técnica experimental de agarre cilíndrico de la mano humana, la cual consiste en agarrar un cilindro permitiendo que la mano tome dicha forma como se muestra en la Figura 4.5. Esta técnica permite obtener los ángulos formados por las partes del dedo humano como se indicó en la Figura 4.4 y los valores enviados por los sensores cuando los dedos se encuentran en dicha posición. Con estos datos se puede crear las tablas que ayudarán a encontrar las ecuaciones antes mencionadas.
Figura 4.5 Técnica experimental de agarre cilíndrico.
4.6.1 APLICACIÓN DE LA TÉCNICA EXPERIMENTAL DE AGARRE CILÍNDRICO
Para la creación de las tablas se han construido once cilindros con diámetros que varían desde 1cm hasta 11cm. Esto permite tener once posiciones parciales diferentes de agarre cilíndrico de la mano. A estas once posiciones se suman dos más que son la posición inicial y final, obteniendo en total trece posiciones, donde la posición inicial será cuando la mano se encuentre sin flexión y la posición final será cuando la mano se encuentra totalmente flexionada y las posiciones intermedias serán nombradas de acuerdo al diámetro del cilindro es decir si el cilindro tiene de diámetro 1 cm entonces corresponderá a la posición 1 y si es de 2 cm de diámetro corresponderá a la
65
posición 2 y así sucesivamente. Estas posiciones servirán como base para poder reproducir los movimientos de los dedos de la mano humana.
Cuando la mano agarre cada uno de los cilindros se obtendrá gráficamente la posición en que se encuentran los dedos como se muestra en la Figura 4.6. Esto permitirá encontrar gráficamente los ángulos que se forman entre las partes que componen el dedo humano.
Figura 4.6 Visualización de los ángulos formados por las partes del dedo.
Por lo tanto, cuando el guante agarre cada uno de los cilindros se obtendrán los valores enviados por los sensores. Estos valores serán capturados mediante el software MicroCode Studio – PICBASIC Pro, que tiene una aplicación que permite realizar comunicación serial con el microcontrolador PIC16F877A.
Para la creación de las tablas se tomarán nueve muestras por cada variable en cada una de las posiciones antes mencionadas, Las variables a tomar son: ángulo 1, ángulo 2, ángulo 3, ángulo 4, ángulo 5 y los valores enviados por los tres sensores. El motivo de tomar nueve muestras es para sacar un valor promedio por variable, que permita un acercamiento al valor real con el cual se trabajará en el presente caso. A continuación se muestran las tablas correspondientes:
66
67
68
69
70
71
4.6.2 OBTENCIÓN DE ECUACIONES QUE DESCRIBEN EL MOVIMIENTO DE LOS DEDOS DE LA MANO
Como se pudo observar, en cada una de las tablas antes mostradas se tiene el valor promedio tanto de los valores enviados por los sensores y el de los ángulos. Con estos valores promedios y utilizando el algoritmo de Interpolación de Lagrange se obtiene las ecuaciones que ayudarán a describir el movimiento de los dedos de la mano. 1. Ecuaciones de Lagrange obtenida con los datos de la Tabla 4.4 para encontrar el valor del ángulo 1 ( θ 1) a partir del valor (X) enviado por el sensor 2. Si 0 ≤ X ≤ 17 entonces:
θ 1 (X) = 165.121 * ( X 2 - 4.0845 * X *(X
2
2
+ 4.23138) * ( X - 2.68177 *
X + 2.25167)
X + 0.727354) * ( X 2 + 0.426256 * X + 0.157303)
- 0.814568 *
Ec.[4.2] Si 17 < X ≤ 234 entonces:
θ 1 (X) = - 0.00000349951 * ( X 2
* ( X - 21.5488 *
2
- 27.3272) * ( X - 44.629 *
X + 543.931)
X + 187.19) * ( X 2 + 1.32118 * X + 17.0827) Ec.[4.3]
2. Ecuaciones de Lagrange obtenida con los datos de la Tabla 4.5 para encontrar el valor del ángulo 2 ( θ 2) a partir del valor (X) enviado por el sensor 3. Si 0 ≤ X ≤ 41 entonces:
θ 2 (X) = -0.0757724 * ( X *
2
- 5.91182) * ( X - 9.44117 *
X + 26.3346) * ( X 2 - 3.73105
X + 9.69759) * ( X 2 + 0.803821 * X + 1.57344)
Ec.[4.4]
Si 41 < X ≤ 235 entonces:
θ 2 (X)
2
= -0.00000655835 * ( X - 24.9656) * ( X - 41.8446 * 20.0411 *
X + 485.771) * ( X 2 -
X + 190.757) * ( X 2 - 2.26123 * X + 18.516)
Ec.[4.5]
72
3. Ecuaciones de Lagrange obtenida con los datos de la Tabla 4.6 para encontrar el valor del ángulo 3 ( θ 3) a partir del valor (X) enviado por el sensor 3. Si 0 ≤ X ≤ 41 entonces:
θ 3 (X)
2
= -0.0771723 * ( X - 6.07648) * ( X - 9.63968 * 4.03201 *
X + 27.1491) * ( X 2 -
X + 10.1791) * ( X 2 + 0.52433 * X + 1.38897)
Ec.[4.6]
Si 41 < X ≤ 235 entonces:
θ 3 (X)
2
= -0.00000187911 * ( X - 27.849) * ( X - 48.0028 * 22.762 *
X + 660.076) * ( X 2 -
X + 258.711) * ( X 2 - 1.13769 * X + 24.7071)
Ec.[4.7]
4. Ecuaciones de Lagrange obtenida con los datos de la Tabla 4.7 para encontrar el valor del ángulo 4 ( θ 4) a partir del valor (X) enviado por el sensor 1. Si 0 ≤ X ≤ 236 entonces:
θ 4 (X)
2
= -0.000149931 * ( X - 34.9149) * ( X - 48.6488 * 6.85898 *
X +740.044) * ( X 2 -
Ec.[4.8]
X + 79.9878)
5. Ecuaciones de Lagrange obtenida con los datos de la Tabla 4.8 para encontrar valor del ángulo 5 ( θ 5 ) a partir del valor (X) enviado por el sensor 1. Si 0 ≤ X < 46 entonces:
θ 5 (X)
2
= -0.0460875 * ( X - 5.73567) * ( X - 8.92424 * 2.99788 *
X + 24.2928) * ( X 2 -
X + 9.27621) * ( X 2 + 2.2831 * X + 3.02174)
Ec.[4.9]
Si 46 < X ≤ 236 entonces:
θ 5 (X)
2
= 0.000928904 * ( X - 58.1502 * 179.153)
X + 953.784) * ( X 2 + 0.449652 * X +
Ec.[4.10]
73
Como se pudo observar, en algunos casos se ha creado dos ecuaciones por tabla. Además, para encontrar las ecuaciones se dividió para diez el valor de X; es decir, los valores enviados por los sensores. Todo esto se realizó para facilitar el cálculo y poder encontrar las ecuaciones que sirven para describir el movimiento de los dedos de la mano.
4.6.3 ECUACIONES PARA GRAFICAR EL MOVIMIENTO DE LOS DEDOS DE LA MANO Para graficar los dedos de la mano, a más de saber los ángulos ( θ ), es necesario saber el tamaño de las falanges. En Tabla 4.9 se muestran las longitudes promedio típicas de las falanges de los dedos medio y pulgar [7].
Tamaño de las falanges del dedo medio [cm] tamaño de las falanges del dedo pulgar [cm]
Primera falange (l1)
Segunda falange (l2)
Tercera falange (l3)
5
3,5
2,5
4
-
3
Tabla 4.9 Longitudes de las falanges tomados de una mano en particular.
Conocido los valores de las longitudes de las falanges ( l ) y los ángulos ( θ ) formados entre las falanges, se procederá a encontrar las coordenadas para poder graficar los dedos en el sistema de referencia inercial X-Y como se muestra en la Figura 4.7.
Figura 4.7 Representación esquemática de los falanges que representan a uno de los dedos de la mano cuyas longitudes están representadas por l1, l2 y l3.
74
De la Figura 4.7 se desprenden las siguientes ecuaciones que sirven para graficar las falanges en el sistema de referencia inercial X-Y:
1. Las siguientes ecuaciones sirven para encontrar las coordenadas para posesionar la primera falange en el sistema de referencia inercial X-Y : X 1 = cos(θ 1) * l1
Ec.[4.11]
Y 1 = sen(θ 1) * l1
Ec.[4.12]
2. Las siguientes ecuaciones sirven para encontrar las coordenadas para posesionar la segunda falange en el sistema de referencia inercial X-Y : X 2 = l1 * cos(θ 1) + l 2 * cos(θ 1 + θ 2 + 180)
Ec.[4.13]
Y 2 = l1 * sen(θ 1) + l 2 * sen(θ 1 + θ 2 + 180)
Ec.[4.14]
3. Las siguientes ecuaciones sirven para encontrar las coordenadas para posesionar la tercera falange en el sistema de referencia inercial X-Y : X 3 = X 2 + l 2 * cos(θ 1 + θ 2 − 180) + l 3 * cos(θ 1 + θ 2 + θ 3)
Ec.[4.15]
Y 3 = Y 2 + l 2 * sen(θ 1 + θ 2 − 180) + l 3 * sen(θ 1 + θ 2 + θ 3)
Ec.[4.16]
Se debe tomar en cuenta que para graficar el dedo pulgar solo se necesita graficar dos falanges puesto que este solo esta compuesto por dos. Para esto se asume en la Figura 4.7 que X1 = X4, X2 = X5, Y1 = Y4, Y2 = Y5, θ 1 = θ 4 θ 2 = θ 5 , l1 = l4 y l2 = l5. Con esto se obtiene las ecuaciones siguientes:
4. Las ecuaciones siguientes sirven para encontrar las coordenadas para posesionar la primera falange del dedo pulgar en el sistema de referencia inercial X-Y: X 4 = cos(θ 4) * l 4 Y 4 = sen(θ 4) * l 4
Ec.[4.17] Ec.[4.18]
75
5. Las siguientes ecuaciones sirven para encontrar las coordenadas para posesionar la tercera falange del dedo pulgar en el sistema de referencia inercial X-Y:
4.7 DESARROLLO
X 5 = l 4 * cos(θ 4) + l 5 * cos(θ 4 + θ 5 + 180)
Ec.[4.19]
Y 5 = l 4 * sen(θ 4) + l 5 * sen(θ 4 + θ 5 + 180)
Ec.[4.20]
DEL
PROGRAMA
DE
VISUALIZACIÓN
DEL
MOVIMIENTO DE LOS DEDOS DE LA MANO
El programa
realizado en visual Basic 6.0, a más de realizar la
comunicación serial debe ser capaz de distinguir los datos enviados por el microcontrolador y con esta información animar un modelo de mano. Esta animación como ya se mencionó deberá mostrar un movimiento suave y con un retardo mínimo entre la ejecución del movimiento y su representación gráfica.
A continuación se explica, mediante el uso de diagramas de flujo, el funcionamiento de las partes principales del programa como son: lectura de los datos a través del puerto serial, discriminación de datos enviados por los sensores, utilización de los datos para encontrar los ángulos de las falanges y graficación de los mismos en el sistema de referencia inercial X -Y.
4.7.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA
La estructura de las tareas del programa realizado en Visual Basic 6.0 se muestra en la Figura 4.8. A continuación se describe brevemente en lenguaje estructurado.
76
Inicio
Configurar parámetros para comunicación serial
Generar pantalla presentación
Continuar
SI
Datos en Buffer ?
NO
Hardware desconectado Tomar datos enviados por el microprocesador
Discriminar datos
CASO A
CASO B
CASO C
Generar el ángulo 4 y ángulo 5
Generar el ángulo 1
Generar el ángulo 2 y ángulo 3
Generar de las coordenadas X,Y para la primera y tercera falange del dedo pulgar
Generar las coordenadas X,Y para la primera falange del dedo medio
Generar las coordenadas X,Y para la segunda y tercera falange del dedo medio
Representar gráficamente las coordenadas X,Y
Fin
Figura 4.8 Diagrama de flujo del programa implementado en el paquete computación VISUAL BASIC 6.0.
77 Configurar parámetros para comunicación serial Configurar el Puerto com1 Configurar velocidad de transmisión: 19200 bits/s Paridad: Sin paridad Bits de datos: 8 Bits de parada: 1 Configurar para leer todo el buffer y vaciarlo completamente Configurar para producir el evento OnComm cada 1 caracter Abrir el puerto Fin de Tarea Generar pantalla presentación Mostrar en una pantalla los siguientes mensajes durante 3 segundos: ESCUELA POLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA VISUALIZACION DEL MOVIMIENTO DE LA MANO REALIZADO POR : FREDDY MAILA:
Fin Tarea Seleccionar puerto Seleccionar puerto de comunicación: Com1 Com2 Com3 Si no se selecciona el puerto: Mostrar mensaje “Seleccionar Puerto” Caso contrario: Leer datos enviados por el microcontrolador en el buffer Fin Tarea Hardware desconectado Mostrar mensaje “Hardware desconectado “ Fin tarea Tomar datos enviados por el microcontrolador Tomar el vector y guardarlo en una variable: Buffer = [Primer dato, Segundo dato, Tecer dato] Primer dato: Caracteres A, B y C, Segundo dato: Valor promedio del dato obtenido del sensor Tercer dato: Número 13, Filtrar de Buffer el Tercer dato obteniendo: Buffer 1 = [Primer dato, Segundo dato] Fin de Tarea
78 Discriminar datos Filtrar de Buffer 1 el Primer dato y comparar: Si primer dato es igual a “ A ” ir a caso A Si primer dato es igual a “ B ” ir a caso B Si primer dato es igual a “ C ” ir a caso C Fin de Tarea CASO A Generar el ángulo 4 y ángulo 5 Dividir el segundo dato para diez y reemplazar en las ecuaciones correspondientes para encontrar el ángulo 4 ( θ 4) y el ángulo 5 ( θ 5). Ecuaciones: Ec.[4.8], Ec.[4.9], Ec.[4.10]. Fin de Tarea Generar las coordenadas X-Y para la primera y tercera falange del dedo pulgar Sumar 280 a
θ4
y este valor reemplazar en las ecuaciones correspondientes para
encontrar las coordenadas X4, Y4 para posesionar la primera falange en el sistema de referencia inercial X-Y. Ecuaciones: Ec.[4.17], Ec.[4.18]. Reemplazar
θ4
y
θ5
en las ecuaciones correspondientes para encontrar las
coordenadas X5, Y5 para posesionar la tercera falange en el sistema de referencia inercial X-Y. Ecuaciones: Ec.[4.19], Ec.[4.20]. Fin de Tarea FIN CASO A CASO B Generar el ángulo 1 Dividir el segundo dato para diez y reemplazar en las ecuaciones correspondientes para encontrar el ángulo 1 ( θ 1). Ecuaciones: Ec.[4.2] y Ec.4.3] Fin de Tarea Generar las coordenadas X-Y para la primera falange del dedo medio Reemplazar
θ1
en las ecuaciones correspondientes para encontrar las coordenadas
X1, Y1 para posesionar la primera falange en el sistema de referencia inercial X-Y. Ecuaciones: Ec.[4.11] y Ec.[4.12]. Fin de Tarea FIN CASO B CASO C Generar el ángulo 2 y ángulo 3 Dividir el segundo dato para diez y reemplazar en las ecuaciones correspondientes para encontrar el ángulo 2 ( θ 2) y el ángulo 3 ( θ 3). Ecuaciones: Ec.[4.4], Ec.[4.5], Ec.[4.6], Ec.[4.7]. Fin de Tarea
79 Generar las coordenadas X-Y para la segunda y tercera falange del dedo medio Reemplazar
θ1
y
θ2
en las ecuaciones correspondientes para encontrar las
coordenadas X2, Y2 para posesionar la segunda falange en el sistema de referencia inercial X-Y. Ecuaciones: Ec.[4.13], Ec.[4.14]. Reemplazar
θ 1, θ 2, θ 3
en las ecuaciones correspondientes para encontrar las
coordenadas X3, Y3 para posesionar la tercera falange en el sistema de referencia inercial X-Y. Ecuaciones: Ec.[4.15], Ec.[4.16]. Fin de Tarea FIN CASO C Representar gráficamente las coordenadas X-Y Borrar la pantalla Crear un sistema de referencia Posesionar las coordenadas (X1, Y1); (X2, Y2); (X3, Y3) en el sistema de referencia, unirlas mediante líneas y graficar en la pantalla. Esto es para graficar el dedo medio. Desplazar las coordenadas (X1, Y1); (X2, Y2); (X3, Y3) en el sistema de referencia unirlas con líneas y graficar en la pantalla. Esto es para graficar el dedo índice. Desplazar las coordenadas (X1, Y1); (X2, Y2); (X3, Y3) en el sistema de referencia, unirlas con líneas y graficar en la pantalla. Esto es para graficar el dedo anular. Desplazar las coordenadas (X1, Y1); (X2, Y2); (X3, Y3) en el sistema de referencia, unirlas con líneas y graficar en la pantalla. Esto es para graficar el dedo meñique. Posesionar las coordenadas (X4, Y4); (X5, Y5) en el sistema de referencia, unirlas mediante líneas y graficar en la pantalla. Esto es para graficar el dedo pulgar. Fin de Tarea
En este capítulo se diseño el hardware y el software para el microcontrolador PIC16F877A, se realizó la interfaz de comunicación RS 232. Además se diseño el software para la visualización de los movimientos de los dedos de la mano este software fue realizado en el paquete computacional VISUAL BASIC 6.0. Para la comunicación RS 232 se utilizó el chip MAX 232 el cual adapta los niveles de voltaje RS 232 a TTL y viceversa. El software del microprocesador fue diseñado tal que pueda monitorear las señales de los tres sensores y la información obtenida pueda ser enviada a la PC a una velocidad de 19200 bits/s con 8 bits de datos, un bit de parada y sin bit de paridad.
80
El software de visualización fue diseñado para capturar la información enviada por el microprocesador y con esta información capturada pueda animar un modelo de mano el cual muestra un movimiento suave y con un retardo mínimo entre la ejecución del movimiento y su representación gráfica. En el siguiente capítulo se realizarán las pruebas del prototipo diseñado y además se realizarán pruebas de todo el sistema implementado.
CAPÍTULO 5
PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA
82
CAPÍTULO 5
PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA
En el presente capítulo se describen las pruebas que se realizaron para probar el prototipo en su tarea principal de capturar los movimientos de los dedos de la mano.
5.1 PRUEBAS DEL PROTOTIPO DISEÑADO
Tomando en consideración que el prototipo diseñado sirve para capturar los movimientos de los dedos de la mano humana, se han realizado dos pruebas.
5.1.1 TIEMPO DE EJECUCIÓN
Consiste en medir el tiempo en que el prototipo diseñado se tarda en representar gráficamente en la PC la ejecución del movimiento de los dedos; es decir, determinar el tiempo que tarda el software en reproducir los movimientos en la PC. Se observó que la PC presenta un retardo mínimo (menos de 1 segundo) para graficar movimientos rápidos. En cambio cuando el movimiento de los dedos es suave no se pudo observar un retardo entre la ejecución del movimiento y su representación gráfica en la PC.
El retardo presentado se considera aceptable sí se toma en consideración que el ojo humano presenta un fenómeno muy interesante, el de la persistencia. Si en un instante se coloca un objeto frente a los ojos y después de cierto intervalo se lo retira de repente, el ojo tiene la sensación de seguir viendo el objeto durante un tiempo muy corto, aun cuando éste ya no se encuentre frente al ojo; es decir, la visión del objeto persiste [8].
83
5.1.2 MEDICIÓN DE ÁNGULOS
Consiste en determinar si la representación gráfica de los movimientos de los dedos de la mano presentados en la PC, son iguales a los mostrados físicamente. Para determinar esto se toma en cuenta los ángulos que se forman entre las partes que componen el dedo humano cuando estos se flexionan ( θ 1, θ 2, θ 3, θ 4, θ 5) como se muestra la Figura 5.1.
Figura 5.1 Ángulos formados por las partes del dedo.
De acuerdo a la Figura 5.1 se tiene para el dedo medio los siguientes ángulos: 1. Ángulo 1 ( θ 1) que es el ángulo formado entre el hueso del metacarpo y la primera falange. 2. Ángulo 2( θ 2) que es el ángulo formado entre la primera falange y la segunda falange. 3. Ángulo 3 ( θ 3) que es el ángulo formado entre la segunda falange y la tercera falange. Para el dedo pulgar se tienen dos ángulos: 4. Ángulo 4 ( θ 4) formado entre el hueso del metacarpo y la primera falange. 5. Ángulo 5 ( θ 5) formado entre la primera falange y tercera falange. Los ángulos fueron medidos en los dedos físicamente y en la representación gráfica de los mismos en la PC. Para realizar esta prueba se utilizo la técnica
84
de agarre cilíndrico de la mano y se tomó como referencia las trece posiciones que fueron utilizadas para el diseño, donde la posición inicial es cuando la mano se encuentra sin flexión y la posición final es cuando la mano se encuentra totalmente flexionada. Las posiciones intermedias se nombraron de acuerdo al diámetro del cilindro; es decir, si el cilindro tiene de diámetro 1 cm entonces corresponde a la posición 1 y si es de 2 cm de diámetro corresponde a la posición 2 y así sucesivamente.
A continuación se presenta un ejemplo de cómo se procedió con las pruebas para la medición de los ángulos ( θ 1, θ 2, θ 3, θ 4, θ 5), para esto se utilizó como referencia el cilindro de diámetro 4 cm que corresponde a la posición 4.
1. Se agarra el cilindro con el guante y se captura la imagen mostrada en la PC, como se observa en la Figura 5.2 (a y b) y en la cual se hace referencia a la medición de uno de los ángulos ( θ 2). Un procedimiento similar se utilizó para la medición de los demás ángulos.
(a)
85
(b) Figura 5.2 Gráfico de la mano mostrado en la PC. a) Cilindro tomado con el guante. b) Pantalla capturada.
2. Se tomó el mismo cilindro sin el guante, como se muestra en la Figura 5.3 y se obtuvieron los valores físicos (reales) de los ángulos ( θ 1, θ 2,
θ 3, θ 4, θ 5).
Figura 5.3 Foto real de la mano.
86
En las siguientes tablas se presentan las mediciones realizadas en cada una de las trece posiciones antes mencionadas y además se calcula el error relativo:
Posición inicial Posición 11 Posición 10 Posición 9 Posición 8 Posición 7 Posición 6 Posición 5 Posición 4 Posición 3 Posición 2 Posición 1 Posición final
VALORES TOMADOS ÁNGULO 1 Valor físico Valor gráfico [grados] [grados] 180 180 171 174 167 168 164 166 161 159 156 153 144 145 141 139 131 128 105 107 92 94 90 91 89 87 Error relativo promedio
Error relativo [%] 0 1,75 0,59 1,21 1,24 1,92 0,69 1,41 2,29 1,90 2,17 1,11 2,24 1,42
Tabla 5.1 Valores tomados del ángulo 1.
Posición inicial Posición 11 Posición 10 Posición 9 Posición 8 Posición 7 Posición 6 Posición 5 Posición 4 Posición 3 Posición 2 Posición 1 Posición final
VALORES TOMADOS ÁNGULO 2 Valor físico Valor gráfico [grados] [grados] 180 180 158 160 154 155 152 151 150 149 148 147 145 146 141 139 132 130 119 121 104 105 91 93 74 75 Error relativo promedio Tabla 5.2 Valores tomados del ángulo 2.
Error relativo [%] 0 1,26 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 1,41 1,51 1,68 0,96 2,2 1,35 1,05
87
Posición inicial Posición 11 Posición 10 Posición 9 Posición 8 Posición 7 Posición 6 Posición 5 Posición 4 Posición 3 Posición 2 Posición 1 Posición final
VALORES TOMADOS ÁNGULO 3 Valor físico Valor gráfico [grados] [grados] 180 180 152 154 149 150 147 148 145 146 144 143 142 141 139 136 133 135 126 123 115 117 110 111 105 106 Error relativo promedio
Error relativo [%] 0 1,31 0,67 0,68 0,68 0,69 0,70 2,15 1,50 2,38 1,73 0,90 0,95 1,10
Tabla 5.3 Valores tomados del ángulo 3.
Posición inicial Posición 11 Posición 10 Posición 9 Posición 8 Posición 7 Posición 6 Posición 5 Posición 4 Posición 3 Posición 2 Posición 1 Posición final
VALORES TOMADOS ÁNGULO 4 Valor físico Valor gráfico [grados] [grados] 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 170 168 152 154 142 144 131 129 124 125 122 123 Error relativo promedio Tabla 5.4 Valores tomados del ángulo 4.
Error relativo [%] 0 0 0 0 0 0 0 1,17 1,31 1,40 1,52 0,80 0,81 1,16
88
Posición inicial Posición 11 Posición 10 Posición 9 Posición 8 Posición 7 Posición 6 Posición 5 Posición 4 Posición 3 Posición 2 Posición 1 Posición final
VALORES TOMADOS ÁNGULO 5 Valor físico Valor gráfico [grados] [grados] 180 180 167 170 161 162 157 156 150 152 144 145 138 136 133 130 128 126 117 116 107 109 100 102 96 97 Error relativo promedio
Error relativo [%] 0 1,79 0,62 0,63 1,33 0,69 1,44 2,25 1,55 0,85 1,86 2 1,04 1,4
Tabla 5.5 Valores tomados del ángulo 5.
De acuerdo a las Figuras 5.2 (a y b) y 5.3, y a los valores medidos y tabulados de las Tablas (5.1, 5.2, 5.3, 5.4 y 5.5) se puede observar que la gráfica mostrada en la pantalla es semejante a la de la Figura 5.3 (Foto real de la mano).
Una vez realizadas las pruebas y analizando los resultados se puede afirmar que el prototipo de captura de movimiento de los dedos de la mano da resultados aceptables para pruebas que se realicen bajo las mismas condiciones de diseño; es decir, con la misma mano que sirvió como base para el diseño.
Para la representación gráfica se ha considerado las medidas de los ángulos formados por los dedos y que se capturan por medio de los sensores, obteniéndose un error relativo que se calcula y se analiza a continuación:
Desde el punto de vista de la robótica conviene hacer un análisis de lo que representa el error relativo obtenido en las Tablas (5.1, 5.2, 5.3, 5.4 y 5.5). Este análisis se lo realiza en base al error relativo máximo. En la Tabla 5.6 se presenta el error relativo máximo presentado para cada ángulo.
89
Para el análisis se utiliza como ejemplo la posición 4:
Se realizan los cálculos para el ángulo 1 y se obtienen los siguientes resultados:
Angulo máximo de desvió = Valor físico * error relativo máximo/100 Angulo máximo de desvió = 131 ο * 2.29 / 100 = 2.99
ο
Valor gráfico (+) = Valor físico + Ángulo máximo de desvió Valor gráfico (+) = 131 ο + 2.99 ο = 133.99 ο Valor gráfico (-) = Valor físico - Ángulo máximo de desvió Valor gráfico (-) = 131 ο - 2.99 ο = 128.0 ο
Con esto se obtiene el valor gráfico máximo y valor gráfico mínimo que puede tener el angulo1 en el peor de los casos con relación al valor físico (real).
Para los demás ángulos se procede de la misma forma. A continuación se presenta en la Tabla 5.6 los valores obtenidos para los demás ángulos:
Error relativo máximo (%) Angulo 1 Angulo 2 Angulo 3 Angulo 4 Angulo 5
2,29 2,2 2,38 1,52 2,25
Valor físico [grados] 131 132 133 152 128
Valor gráfico (+) [grados]
Valor gráfico (-) [grados]
133,99 134,90 136,16 154,31 130,88
128,0 129,09 129,83 149,68 125,12
Tabla 5.6 Valores obtenidos para los ángulos.
Con los datos de la Tabla 5.6 se grafican las falanges de los dedos para el ejemplo presente:
90
Figura 5.4 Desviación del dedo medio para la posición 4.
Figura 5.5 Desviación del dedo pulgar para la posición 4.
En base a los cálculos realizados se obtuvo como resultado un ángulo de desviación máximo de ± 2.99 ± 3.15
ο
ο
para el ángulo 3, ± 2.31
para el ángulo 1, ± 2.9 ο
ο
para el ángulo 4 y ± 2.88
para el ángulo 2, ο
para el ángulo 5,
haciendo que la grafica se desvíe con respecto a su valor físico (real) como se mostró en las Figuras 5.4 y 5.5.
Estos ángulos se consideran aceptables puesto que sus valores han sido calculados para el error relativo máximo que pueda presentar cada ángulo. Además, si se hace una referencia con la mano humana se puede decir que la mano esta formada de varios músculos los cuales le ayudan a tener un rango de variación al agarrar algún objeto; es decir, los músculos permiten agarrar el
91
mismo objeto tanto suavemente como rígidamente sin causar daño alguno sobre este. Entonces, si se construye una pinza o mano robótica se debe utilizar materiales amortiguadores que actúen como los músculos y piel gruesa de la mano, por ejemplo esponjas, con esto se puede compensar el margen de error. Es decir, si no se utilizan estos materiales cuando estos equipos agarren objetos muy frágiles podrían causar daño sobre ellos o incluso romperlos. Pero, si el prototipo diseñado es empleado para hacer animación virtual el riesgo de romper algo desaparece y el error en el gráfico perdería su importancia.
5.2 COSTOS DE DESARROLLO
Una vez diseñado y probado el prototipo se describen los materiales utilizados para la construcción del mismo. En la Tabla 5.8 se presentan los materiales con su respectivo costo.
Cantidad
Descripción
Costo Unitario
Costo USD
3
Flex Sensor
12
36
1
Microcontrolador (PIC16F877A)
7
7
3
Amplificador Operacional(Tl084)
0,5
1,5
1
Oscilador (4Mhz)
0,4
0,4
3
Diodos(1N4007)
0,05
0,15
3
Tener(5,1V)
0,2
0,6
2
Leds
0,1
0,2
7
Condensadores
0,05
0,35
2
Condensador Electrolítico
0,1
0,2
18
Resistencias
0,02
0,36
9
Potenciómetros(precisión)
0,5
4,5
1,9
1,9
1
Transformador
92
1
Pulsadores
0,2
0,2
25
Borneras
0,15
3,75
1
Placa de baquelita
1,5
1,5
1
Materiales construcción de la placa
5
5
1
Case
30
30
1
Jack para RJ45
0,7
0,7
1
Conector RJ45
0,07
0,07
1
Guante
3
3
1
Cable de poder
0,85
0,85
3
Conector DB9 macho
0,07
0,21
1
Otros
20
20
Total(USD)
118,44
Tabla 5.8 Lista de materiales. El costo de los materiales utilizados para la construcción del prototipo es de 118.44 dólares americanos. Costo de mano de obra: 355.32 dólares americanos. Costo del prototipo diseñado: 473.76 dólares americanos.
En este capítulo se han realizado pruebas del prototipo que demuestran su validez en su objetivo de animar una representación de la mano en la PC, con un grado de libertad. Además se presentó el costo de construcción del prototipo.
A
continuación
se
recomendaciones de este trabajo.
procede
a
extraer
las
conclusiones
y
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
94
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En este capítulo se presentan las conclusiones extraídas en base a los resultados de las pruebas realizadas en el desarrollo de este trabajo. Luego de la experiencia adquirida, se procede a indicar recomendaciones sobre este o futuros trabajos
6.1 CONCLUSIONES
1. El prototipo que se ha diseñado solo abarca la captura del movimiento con un grado de libertad de los dedos de una mano y visualización en una PC en tiempo real. De los resultados obtenidos se puede concluir que sería posible hacer lo mismo con el resto de los dedos.
2. El prototipo diseñado está constituido por dos partes: hardware y software. El hardware del sistema está formado básicamente por un microcontrolador PIC16F877A y tres sensores (Flex Sensor). Los resultados demostraron que estos dispositivos resultaron adecuados para la realización de este proyecto.
3. Para medir la flexión de los dedos se optó por utilizar los sensores Flex Sensor. Los resultados muestran que estos sensores cumplieron con los requerimientos para la
aplicación en particular. Estos sensores
proveyeron un buen rango dinámico de variación, trabajan con voltaje de polarización normalizado y la señal de salida es fácil de acondicionar, y tienen un bajo costo.
4. Para poder capturar el movimiento se utilizó como base un guante al cual se le acoplaron los tres sensores, uno en el dedo pulgar y dos en el dedo medio. Los sensores fueron acoplados en el guante de tal forma
95
que cuando los dedos se flexionan sea posible medir su ángulo de flexión y poder reproducir dicho movimiento gráficamente en la PC. No se utilizaron más sensores puesto que con las mediciones realizadas al dedo medio se han reproducido los movimientos para los dedos índice, anular y meñique, ya que el movimiento de estos dedos es similar para tareas de agarre. Por supuesto, si se trataría de capturar la actividad cuando, por ejemplo, se toca piano; entonces si se requerirían de más sensores.
5. El hardware diseñado puede monitorear las señales de los tres sensores y la información obtenida es enviada a la PC a una velocidad de 19200 bits/s, con 8 bits de datos, un bit de parada y sin bit de paridad. Esta velocidad de transferencia demostró ser suficiente para captar aquellos movimientos que son perceptibles a simple vista.
6. Para poder relacionar los valores enviados por los sensor y los movimientos de los dedos de la mano cuando estos se flexionan, se utilizo la técnica experimental de agarre cilíndrico de la mano humana, puesto que no existe un método que permita reproducir los movimientos de los dedos de la mano con exactitud ya que reproducir estos movimientos es muy complejo. Con esta técnica se obtuvieron valores de ángulos y valores enviados por los sensores en posiciones diferentes. Los resultados que se obtuvieron permiten concluir que este método si es suficiente para cuando la mano realice tareas de “agarre”.
7. El software del sistema muestra una pantalla donde se observa el movimiento de los dedos. Esta animación muestra un movimiento suave y con retardo mínimo (menos de 1 segundo) entra la ejecución del movimiento y su representación gráfica. Si se aumentan más sensores, a menos que se modifique el hardware de la PC, es posible que aumente el retardo.
8. El prototipo ha sido diseñado y construido en forma modular para que el montaje y desmontaje del prototipo sea fácil.
96
9. Del resultado de las pruebas se puede concluir finalmente que el prótido diseñado cumple con todos los objetivos, exigencias y requerimientos planteados en el presente trabajo, y además su elaboración tiene bajo costo.
6.2 RECOMENDACIONES
1. Antes de empezar a utilizar el prototipo se debe primero conectar el cable de comunicación serial y el guante en sus respectivos terminales y una vez conectados se debe prender el prototipo. Esto es para evitar que se puedan producir daños a los dispositivos utilizados. Una vez conectados todos los elementos se debe ejecutar el software de visualización en la PC.
2. No se debe conectar o desconectar
el guante o el cable de
comunicación durante el proceso de utilización para evitar que se produzca algún daño en el sistema. Para realizar cualquiera de estas acciones se debe apagar el prototipo.
3. Si durante la ejecución el programa de visualización aparece un mensaje de error, se debe apagar el prototipo y revisar que todos los elementos estén bien conectados. Esto
se realiza para evitar algún tipo de
cortocircuito o mal funcionamiento del sistema.
4. Para poder capturar el movimiento de los dedos, el guante debe ser utilizado por una persona adulta ya que este tiene la talla de una mano adulta. 5. Se recomienda que en la Carrera se busque y se dé cabida a este tipo de proyectos. No solo que el graduado logra así enfrentar y resolver un problema real y concreto, sino que se ayuda a la Institución en el desarrollo de tecnología propia permitiéndole así involucrarse en líneas de investigación o nuevas carreras como la Robótica o Mecatrónica.
97
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] MICHAEL DOFOUR, “Anatomía del Aparato Locomotor “, Tomo 2, Editorial Elservier Masson, España, 2002, pp. 145-160.
[2] J.M.F. LAMDSMEER, “Study in the anatomy of articulation I. The equilibrium of the intercalated bone”, Acta. Morph Scand, vol.3, 1982, pp. 249-269.
[3] JEFF C. BECKER AND NITISH V. THAKOR, ” A study of the range of motion of human fingers with application to anthropomorphic designs ”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 35, no. 2, February 1988, pp. 110-117.
[4] TAYLOR G.L., SCHARTZ R.J., “ The Anatomy and Mechanics of the Human Hand”, Artificial Limbs, 1955, Vol.2, pp.22-35.
[5] CREUS SOLE ANTONIO, “Instrumentación Industrial”, Quinta Edición, Editorial Alfaomega Marcombo, España,1993.
[6] STEVEN C. CHAPRA, ”Métodos Numéricos para Ingenieros”, Cuarta Edición, Editorial McGraw-Hill, España, 2003, Capitulo 18, literal 18.2.
[7] BEARE / MEYERS, “El Tratado de Enfermería Mosby”, Primera Edición, Mosby-Doyma Libros S.A., España-Madrid, 1995, pp.1317-1325.
[8] SISTECOM, “La Luz y el Ojo Humano”, 2001, http://www.siste.com.ar / vision_del_ojo.htm
[9] COUGHLIN
ROBERT,
“Amplificadores Operacionales
y
Circuitos
Integrados Lineales”, Quinta Edición, Editorial Prentice Hall, México, 1982.
98
[10] DIEGO BENÍTEZ PHD, LUIS CORRALES PHD, ING. ANA RODAS, “Curso Básico en Instrumentación Industrial”, Escuela Politécnica Nacional, 2002.
[11] SCOUT B. FRAME, MD, FACS, FCCM,”Soporte Vital Básico y Avanzado en
el
Trauma
Prehospitalario”,
Quinta
Edición,
Editorial
GEA
CONSULTORÍA, Madrid - España, 2004.
[12] DOUGLAS M. ANDERSON, “Diccionario MOSBY Medicina, Enfermería y Ciencias de la Salud”, Sexta Edición, Volumen 1, Editorial Diorki Servicios Integrales, Madrid-España, 2003.
[13] ÁNGULO JOSÉ, ÁNGULO IGNACIO. “Microcontroladores PIC: Diseño Práctico de Aplicaciones”, Segunda Edición, Mc Graw Hill, España, 1999.
[14] MICRO ENGINEERING LABS, “Manual PicBasic Pro Ver. 2.33”, 2001.
[15] MICROCHIP TECHNOLOGY, “Data Sheet PIC16F877A”, USA, 2001.
[16] MICHAEL HALVORSON, ”Aprenda Visual Basic
YA 6.0”, Primera
Edición, Barcelona-España,1999.
[17] MCGRAW HILL,”Microsoft Visual Basic 6.0 Manual del Programador”, Tercera Edición, Madrid-España, 2001.
ANEXO A HOJA DE DATOS DEL FLEX SENSOR
A-1
ANEXO A HOJAS DE DATOS DEL FLEX SENSOR A.1 FLEX SENSOR The Flex Sensor is a unique component that changes resistance when bent. An un flexed sensor has a nominal resistance of 10,000 ohms (10 K). As the flex sensor is bent the resistance gradually increases. When the sensor is bent at 90 degrees its resistance will range between 30-40 K ohms. The flex sensor may be bent greater that 360 degrees depending upon the radius of the curve. Operating temperature is -45F to 125F.
The sensor measures 1/4 inch wide, 4 1/2 inches long and only .019 inches thick!
Some applications for the Flex Sensor are: • • •
Collision detection on mobile robots VR Gloves and VR suits
Physics applications and experiments
ANEXO B CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO PARA CAPTURA DE MOVIMIENTO CON UN GRADO DE LIBERTAD DE LOS DEDOS DE UNA MANO
B-1
ANEXO B
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO PARA CAPTURA DE MOVIMIENTO CON UN GRADO DE LIBERTAD DE LOS DEDOS DE UNA MANO
B.1 CIRCUITOS IMPRESOS UTILIZADOS EN EL PROTOTIPO
Figura B.1 Diagrama impreso de la fuente de poder.
Figura B.2 Diagrama impreso de los circuitos amplificadores.
B-2
Figura B.3 Diagrama impreso para el microcontrolador y la comunicación serial.
B.2 PLACAS CONSTRUIDAS PARA EL PROTOTIPO
Figura B.4 Placa para el microcontrolador y la comunicación serial.
B-3
Figura B.5 Placa de los circuitos amplificadores.
Figura B.6 Placa de la fuente de poder.
B-4
Figura B.7 Placa instalada en el case del prototipo.
Figura B.8 Case del prototipo.
B-5
Figura B.9 Guante con los sensores.
ANEXO C MANUAL DEL USUARIO
C-1
ANEXO C
MANUAL DE USUARIO PARA EL PROTOTIPO PARA CAPTURA DEL MOVIMIENTO CON UN GRADO DE LIBERTAD DE LOS DEDOS DE LA MANO Y VISUALIZACION EN UNA PC EN TIEMPO REAL
C.1 FUNCIONES Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
En la Figura C.1 se muestra el prototipo para captura de movimiento de los dedos de la mano.
Figura C.1 Prototipo diseñado.
C-2
C.1.1 FUNCIONES DEL PROTOTIPO
1. Conector DB9 hembra para conectar el cable de comunicación hacia el PC. 2. Jack para RJ45 para conectar el guante. 3. Led que indica que el equipo esta transmitiendo los datos 4. Plug para cable de poder 5. Botón de encendido y apagado del equipo. 6. Conector RJ45 para conectar el guante al equipo. 7. Conector DB9 macho del PC para conectar el cable de comunicación hacia el equipo.
C.1.2 CONEXIÓN DE DISPOSITIVOS
Para el funcionamiento del prototipo primero se debe realizar las conexiones de los dispositivos: Guante
: Conectar el conector RJ45 del guante en el Jack para RJ45 del equipo.
Cable de comunicación
: Conectar el un lado del cable en la PC y el otro en el equipo.
Finalizado la conexión de los cables se procede a conectar el enchufe del equipo a la red de voltaje de alimentación. Voltaje de alimentación para el equipo
: 110V 60Hz
C.1.3 USO DEL PROGRAMA DE SOPORTE PARA LA VISUALIZACIÓN DE LOS MOVIMIENTOS DE LOS DEDOS DE LA MANO
Para utilizar el software para la visualización se debe hacer lo siguiente:
1. Introducir el disco en la PC y guardar la carpeta de nombre SOFTWARE DE VISUALIZACIÖN en una unidad de la PC. 2. Abrir la carpeta SOFTWARE DE VISUALIZACIÓN desde la PC. 3. Dar clic en el ejecutable “MANO”.
C-3
C.2 INTRODUCCIÓN
El prototipo tiene como base un guante al cual se le acoplo un hardware específico y una aplicación encargada de adecuar y visualizar la información.
El prototipo del sistema puede monitorear las señales de tres sensores. La información obtenida es enviada a una computadora a una velocidad de 19200 bits/s, con 8 bits de datos, un bit de parada y sin bit de paridad, esta velocidad de transferencia es suficiente para captar aquellos movimientos que son perceptibles a simple vista.
El software del sistema está desarrollado en el paquete computacional VISUAL BASIC 6.0, el cual utiliza la información capturada para animar un modelo de mano. Esta animación muestra un movimiento suave y con un retardo mínimo entre la ejecución del movimiento y su representación gráfica.
C.3 UTILIZACIÓN DEL PROTOTIPO
Se debe conectar previamente el cable de comunicación serial, el guante y el cable de poder en sus respectivos conectores para iniciar el proceso. Además se debe instalar el software de visualización en la PC.
C.4 PROCESO DE EJECUCIÓN
Se debe ponerse el guante y ejecutar el software para la visualización de nombre “MANO”, una vez ejecutado el software se mostrará las siguientes pantallas:
Primera pantalla: Se muestra una carátula de presentación como se muestra en la Figura C.2.
C-4
Figura C.2 Pantalla de presentación.
Se muestra durante 3 segundos y pasa a la segunda pantalla.
Segunda Pantalla: Se muestra una pantalla para seleccionar el puerto de comunicación serial como se observa en la Figura C.3.
Figura C.3 Pantalla para seleccionar el puerto.
Seleccionar un puerto (com1, com2 o com3) y presionar SIGUIENTE.
C-5
Tercera pantalla: Se muestra la animación de los movimientos de los dedos de la mano con un grado de libertad como se observa en la Figura C.4.
Figura C.4 Pantalla de visualización de los movimientos de los dedos de la mano con un grado de libertad.
Presionar SALIR para salir de la aplicación.
C.5 MENSAJES PRESENTADOS POR EL PROGRAMA
1. En caso de no seleccionar el puerto se muestra un mensaje como se observa en la Figura C.4.
Figura C.4 Mensaje seleccionar puerto.
Presionar Aceptar y seleccionar un puerto (com1, com2 o com3).
C-6
2. Al inicializar el proceso y si el hardware se encuentra desconectado se muestra el mensaje que se observa en la Figura C.5.
Figura C.5 Mensaje de hardware desconectado.
Conectar el hardware y presionar Aceptar para continuar el proceso.