flex sensor

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 INGENI ERO 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 LO S DEDOS

DE LA MANO HUMANA .......................................................................... 8

CAPÍTULO 2

SELECCIÓN DEL SENSOR PARA LA MEDICIÓN DEL MOVIMIEN TO

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 SELECCION ADO ..... 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 S ENSOR DE

MOVIMIENTO FLEX SENSOR ............................................................... 28

3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL FLE X

SENSOR ................................................................................................ 30

3.3.1 DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR PARA EL

SDDDDSENSOR 1....................................................................................... 30


QWQWSENSOR 2 ....................................................................................... 37


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 PROGRA MA DEL

MICROCONTROLADOR ....................................................................... 57

4.3 DEFINICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS PARA EL PROGR AMA ..... 58

4.4 DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA EL MICROCONTROLAD OR59

4.4.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA .................................... 59

4.5 CONSIDERACIONES PARA EL PROGRAMA DE VISUALIZACI ÓN EN

LA PC ...................................................................................................... 62

4.6 DEFINICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS PARA EL PROGR AMA ..... 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 MOVIMIEN TO

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


2

CAPÍTULO 1


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): que une la falange

metacarpiana y la proximal de un dedo o pulgar.

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 19.67 ± 1.03 Longitud de la falange media 24.67 ± 1.37 Longitud de la falange proximal 43.57 ± 0.98 Longitud metacarpal 71.57 ± 5.60 Espesor de la articulación DIP 5.58 ± 0.92 Espesor de la articulación PIP 7.57 ± 0.45 Espesor de la articulación MCP 15.57 ± 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 Rango de Movimiento

DIP Flexión / Extensión 59.36 0 / 6.6 0

PIP Flexión / Extensión 89.50 0 / 11.7 0

MCP Flexión / Extensión 85.3 0 / 18.4 0

MCP Abducción / Aducción 50.4 0 / 6.6 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

PIP

EMCP

PIP

MCPPIP R

X

R

R+−≤ θθ (Extensor) Ec.[1.1]

PIP

FMCP

PIP

MCPPIP R

X

R

R+−≤ θθ (Flexor) Ec.[1.2]

PIP

IMCP

PIP

MCPPIP R

X

R

R+−≤ θθ (Intrínseco) 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 MOVIMIENT O

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 UTILIZA DO

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.

Vout

+5VVin

Flex Sensor R1

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.

+=

21

1

RR

RVinVout 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.

R5

R4

+5VVin

R3

Vout

+5VVin

Flex Sensor R1

R2

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

+5VVin

R2

Vout

Flex Sensor R1

Figura 2.10 Amplificador inversor.

−=1

2

R

RVinVout Ec.[2.6]

2.4 SELECCIÓN Y JUSTIFICACIÓN DEL MÉTODO SELECCION ADO

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 minVout 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:

VinRR

RVout *

2min1

min1min

+=

VKK

KVout 5*

1510

10min

Ω+ΩΩ=

VVout 2min =

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:

VinRmáxR

máxRVoutmáx *

21

1

+=

VKK

KVout 5*

1540

40min

Ω+ΩΩ=

VVout 63.3min =

Con la ecuación [2.7] se obtiene la variación de voltaje:

minVoutVoutmáxV −=∆ Ec.[2.7]

VVV 263.3 −=∆

VV 63.1=∆

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 entre el metacarpio y la primera

falange del dedo medio y el 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 Posición Inicial (Rsmin) [K Ω ]

Posición Final (Rsmáx) [K Ω ]

Rango de variación de la resistencia [K Ω ]

1 10 18 8 2 11,5 19 7,5

3 11 42 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 KΩ

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:

VccRRs

RsVo *

1min1

min1min1

+= Ec.[3.1]

→ Se asume R1 = 15 K Ω

VKK

KVo 5*

1510

10min1

Ω+ΩΩ=

Dando como resultado:

→ VVo 2min1 =

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:

VccRmáxRs

máxRsmáxVo *

11

11

+= Ec.[3.2]


32

VKK

KmáxVo 5*

1518

181

Ω+ΩΩ=


→ VmáxVo 72.21 =

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:

VccRR

RVr *

32

31

+= Ec.[3.3]

De la Ecuación [3.3] se despeja R3:

1

2*13

VrVcc

RVrR

−= Ec.[3.4]

33


Se reemplazan los valores conocidos en la Ecuación [3.4]:

VV

KVR

25

10*23

−Ω=


→ Ω= KR 6.63

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:

( )1min14

6min11 VrVo

R

RVoS −= Ec.[3.5]

Reemplazando Vo1min = 2 V en la Ecuación [3.5]:

( )VVR

RVoS 22

4

6min11 −=


→ VVoS 0min11 =

Para calcular el VoS11máx se tiene la siguiente ecuación:

( )114

611 VrmáxVo

R

RmáxVoS −= Ec.[3.6]

De la Ecuación [3.6] se despeja R6/R4:

)11(

11

4

6

VrmáxVo

máxVoS

R

R

−= Ec.[3.7]

→ Se asume VoS11máx = 5.7 V

Se reemplaza los valores conocidos en la Ecuación [3.7]:

( )VV

V

R

R

272.2

7.5

4

6

−=

35

91.74

6 =R

R



→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.

37



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.


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


Se empieza por obtener el voltaje de salida mínimo (Vo2min), para lo cual se

propone el circuito de la Figura 3.7.



VccRRs

RsVo *

1min2

min2min2

+= Ec.[3.9]


38

VKK

KVo 5*

155.11

5.11min2

Ω+ΩΩ=


→ VVo 16.2min2 =

Para obtener el voltaje de salida máximo (Vo2máx) se reemplaza Rs2min por

Rs2máx en el circuito de la Figura 3.7, resultando:

VccRmáxRS

máxRSmáxVo *

12

22

+= Ec.[3.10]


VKK

KmáxVo 5*

1519

192

Ω+ΩΩ=


→ VmáxVo 79.22 =

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 .


→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:

VccRR

RVr *

32

32

+= Ec.[3.11]


2

2*23

VrVcc

RVrR

−= Ec.[3.12]


Se reemplaza los valores conocidos en la Ecuación [3.12]:

VV

KVR

16.25

10*16.23

−Ω=


→ Ω= KR 6.73

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 conoce que:

→Vr2 = 2.16 V


( )2min24

6min22 VrVo

R

RVoS −= Ec.[3.13]

Reemplazando Vo2min en la Ecuación [3.13]:

( )VVR

RVoS 16.216.2

4

6min22 −=

41


→ VVoS 0min22 =


( )224

622 VrmáxVo

R



)22(

22

4

6

VrmáxVo

máxVoS

R

R

−= Ec.[3.15]


Se reemplaza este valor en la Ecuación [3.15]:

( )VV

V

R

R

16.2.79.2

7.5

4

6

−=

] [04.94

6 Ω= KR

R



→R4 = 11.05 K Ω

Entonces se selecciona el potenciómetro de 20 KΩ .

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.


VoS2 = VoS22máx – VD1 Ec.[3.16]

VoS2 = 5.7 V - 0.7 V

Obteniendo a la salida del acondicionador 2:

→VoS2 = 5 V



44



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.


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


Se empieza por obtener el voltaje de salida mínimo (Vo3min), se propone el

circuito de la Figura 3.11.



VccRRs

RsVo *

1min3

min3min3

+= Ec.[3.17]


45

VKK

KVo 5*

1511

11min3

Ω+ΩΩ=


→ VVo 11.2min3 =

Para obtener el voltaje de salida máximo (Vo3máx) se reemplaza Rs3min por

Rs3máx en el circuito de la Figura 3.11, resultando:

VccRmáxRs

máxRsmáxVo *

13

33

+= Ec.[3.18]


VKK

KmáxVo 5*

1542

423

Ω+ΩΩ=

Dando como resultado

→ VmáxVo 68.33 =

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 .


→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:

VccRR

RVr *

32

33

+= Ec.[3.19]


3

2*33

VrVcc

RVrR

−= Ec.[3.20]


Se reemplaza los datos conocidos en la Ecuación [3.20]:

VV

KVR

11.25

10*11.23

−Ω=


→ Ω= KR 3.73

Esta vez se selecciona un potenciómetro de 10 K Ω .

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 conoce que:

→Vr3= 2.11V


( )3min34

6min33 VrVo

R

RVoS −= Ec.[3.21]

Reemplazando Vo2min en la Ecuación [3.21]:

( )VVR

RVoS 11.211.2

4

6min33 −=

48


VVoS 0min33 =


( )334

633 VrmáxVo

R



)33(

33

4

6

VrmáxVo

máxVoS

R

R

−= Ec.[3.22]


Se remplazan los datos conocidos en la Ecuación [3.22]:

( )VV

V

R

R

16.2.68.3

7.5

4

6

−=

75.34

6 =R

R



→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


VoS3 = VoS33máx – Vd Ec.[3.16]

VoS3 = 5.7 V - 0.7 V

Obteniendo a la salida del amplificador 3:

→VoS3 = 5 V



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 DATO S

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:

Ec.[4.1]

Ω=→

Ω=

=

=

330

33.333

15

5

R

R

mA

VR

I

VR

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 60Hz

12V 12A

-12V 0.5A Salida

DC 5V 25A

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 Circuitos

0 Acondicionador del sensor 2 1 Acondicionador del sensor 3 A 2 Acondicionador del sensor 1

B 7 Led de señalización 6 Transmisión

C 7 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 PROGR AMA

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

Encerar variables

Leer dato sensor 1

Inicio

Transmitir dato

sensor 1

Leer dato sensor 2

Transmitir dato

sensor 2

Leer dato sensor 3

Transmitir dato

sensor 3

Fin

Configurar

parámetros de

comunicación

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


Tomar 10 datos


Fin Tarea


Enviar vector:

Vector = [B, valor 2,13]


Fin Tarea

Leer dato sensor 3


Tomar 10 datos


Fin Tarea


Enviar vector:

Vector = [C, valor 3,13]


Fin Tarea

62

4.5 CONSIDERACIONES PARA EL PROGRAMA DE VISUALIZACI ÓN 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 PROGRA MA

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 AGAR RE

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:

71

4.6.2 OBTENCIÓN DE ECUACIONES QUE DESCRIBEN EL MO VIMIENTO

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 170 ≤≤ X entonces:

θ 1 (X) = 165.121 * ( 2X - 4.0845 * X + 4.23138) * ( 2X - 2.68177 * X + 2.25167)

* ( 2X - 0.814568 * X + 0.727354) * ( 2X + 0.426256 * X + 0.157303)

Ec.[4.2]

Si 23417 ≤< X entonces:

θ 1 (X) = - 0.00000349951 * ( X - 27.3272) * ( 2X - 44.629 * X + 543.931)

* ( 2X - 21.5488 * X + 187.19) * ( 2X + 1.32118 * X + 17.0827) Ec.[4.3]



sensor 3.


θ 2 (X) = -0.0757724 * ( X - 5.91182) * ( 2X - 9.44117 * X + 26.3346) * ( 2X - 3.73105

* X + 9.69759) * ( 2X + 0.803821 * X + 1.57344) Ec.[4.4]


θ 2 (X) = -0.00000655835 * ( X - 24.9656) * ( 2X - 41.8446 * X + 485.771) * ( 2X -

20.0411 * X + 190.757) * ( 2X - 2.26123 * X + 18.516) Ec.[4.5]

72



sensor 3.


θ 3 (X) = -0.0771723 * ( X - 6.07648) * ( 2X - 9.63968 * X + 27.1491) * ( 2X -

4.03201 * X + 10.1791) * ( 2X + 0.52433 * X + 1.38897) Ec.[4.6]


θ 3 (X) = -0.00000187911 * ( X - 27.849) * ( 2X - 48.0028 * X + 660.076) * ( 2X -

22.762 * X + 258.711) * ( 2X - 1.13769 * X + 24.7071) Ec.[4.7]



sensor 1.


θ 4 (X) = -0.000149931 * ( X - 34.9149) * ( 2X - 48.6488 * X +740.044) * ( 2X -

6.85898 * X + 79.9878) Ec.[4.8]


encontrar valor del ángulo 5 (θ 5 ) a partir del valor (X) enviado por el

sensor 1.

Si 460 <≤ X entonces:

θ 5 (X) = -0.0460875 * ( X - 5.73567) * ( 2X - 8.92424 * X + 24.2928) * ( 2X -

2.99788 * X + 9.27621) * ( 2X + 2.2831 * X + 3.02174) Ec.[4.9]


θ 5 (X) = 0.000928904 * ( 2X - 58.1502 * X + 953.784) * ( 2X + 0.449652 * X +

179.153) 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 L OS 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].

Primera falange

(l1)

Segunda falange

(l2)

Tercera falange

(l3) Tamaño de las falanges

del dedo medio [cm] 5 3,5 2,5

tamaño de las falanges del dedo pulgar [cm] 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 :

1*)1cos(1 lX θ= Ec.[4.11] 1*)1(1 lsenY θ= Ec.[4.12]


posesionar la segunda falange en el sistema de referencia inercial X-Y :

)18021cos(*2)1cos(*12 +++= θθθ llX Ec.[4.13]

)18021(*2)1(*12 +++= θθθ senlsenlY Ec.[4.14]


posesionar la tercera falange en el sistema de referencia inercial X-Y :

)321cos(*3)18021cos(*223 θθθθθ +++−++= llXX Ec.[4.15]

)321(*3)18021(*223 θθθθθ +++−++= senlsenlYY 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, 1θ = 4θ 2θ = 5θ , 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:

4*)4cos(4 lX θ= Ec.[4.17] 4*)4(4 lsenY θ= Ec.[4.18]

75


posesionar la tercera falange del dedo pulgar en el sistema de referencia

inercial X-Y:

)18054cos(*5)4cos(*45 +++= θθθ llX Ec.[4.19] )18054(*5)4(*45 +++= θθθ senlsenlY Ec.[4.20]

4.7 DESARROLLO 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

Generar pantalla

presentación

Configurar parámetros para

comunicación serial

Tomar datos enviados por

el microprocesador

Generar el ángulo 4

y ángulo 5

Generar de las coordenadas X,Y

para la primera y tercera falange

del dedo pulgar

Generar el ángulo 1 Generar el ángulo 2

y ángulo 3

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

CASO A CASO CCASO B

Discriminar datos

Continuar

Datos en

Buffer

?

SI NO

Hardware

desconectado

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 terce ra falange del dedo pulgar

Sumar 280 a θ 4 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 θ 4 y θ 5 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


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 θ 1 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


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 terce ra falange del dedo medio

Reemplazar θ 1 y θ 2 en las ecuaciones correspondientes para encontrar las

coordenadas X2, Y2 para posesionar la segunda falange en el sistema de referencia


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


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


82

CAPÍTULO 5


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:

VALORES TOMADOS ÁNGULO 1

Valor físico

[grados] Valor gráfico

[grados] Error relativo

[%] Posición inicial 180 180 0

Posición 11 171 174 1,75 Posición 10 167 168 0,59 Posición 9 164 166 1,21 Posición 8 161 159 1,24 Posición 7 156 153 1,92 Posición 6 144 145 0,69 Posición 5 141 139 1,41 Posición 4 131 128 2,29 Posición 3 105 107 1,90 Posición 2 92 94 2,17 Posición 1 90 91 1,11

Posición final 89 87 2,24 Error relativo promedio 1,42

Tabla 5.1 Valores tomados del ángulo 1.


Valor físico







87


Valor físico








Valor físico




Posición 11 180 180 0 Posición 10 180 180 0 Posición 9 180 180 0 Posición 8 180 180 0 Posición 7 180 180 0 Posición 6 180 180 0 Posición 5 170 168 1,17 Posición 4 152 154 1,31 Posición 3 142 144 1,40 Posición 2 131 129 1,52 Posición 1 124 125 0,80



88


Valor físico




Posición 11 167 170 1,79 Posición 10 161 162 0,62 Posición 9 157 156 0,63 Posición 8 150 152 1,33 Posición 7 144 145 0,69 Posición 6 138 136 1,44 Posición 5 133 130 2,25 Posición 4 128 126 1,55 Posición 3 117 116 0,85 Posición 2 107 109 1,86 Posición 1 100 102 2



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 = 2.99ο

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 (%)

Valor físico

[grados]

Valor gráfico (+) [grados]

Valor gráfico (-) [grados]

Angulo 1 2,29 131 133,99 128,0 Angulo 2 2,2 132 134,90 129,09 Angulo 3 2,38 133 136,16 129,83 Angulo 4 1,52 152 154,31 149,68 Angulo 5 2,25 128 130,88 125,12

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 ± 2.99ο

para el ángulo 1, ± 2.9ο

para el ángulo 2,

± 3.15ο

para el ángulo 3, ± 2.31ο

para el ángulo 4 y ± 2.88ο

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.

Costo Costo Cantidad Descripción

Unitario 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 Transformador 1,9

1,9

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 procede a extraer las conclusiones y

recomendaciones de este trabajo.

CAPÍTULO 6


94

CAPÍTULO 6


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 MOVIMIEN TO

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 D EL

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 VISUALIZ ACIÓN 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.

flex sensor

Documents

Transcript of flex sensor