Prototipo a escala de silla de ruedas controlado mediante un guante con sensores de flexión

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Tlamati Sabiduría Volumen 8 Número Especial 2, Octubre 2017

4°r. Encuentro de Jóvenes en la Investigación de Bachillerato-CONACYT Acapulco, Guerrero 4, 5 y 6 de octubre 2017

Memorias

Prototipo a escala de silla de ruedas controlado mediante un guante con

sensores de flexión

Cándido Samuel Calvo Moreno. (Becario) samuelcalvomoreno@gmail.com

Unidad Académica Preparatoria abierta No. 46, Universidad Autónoma de Guerrero.

Dr. Gustavo A. Alonso Silverio. (Asesor) gsilverio@uagro.com

Unidad Académica de Ingeniería. Universidad Autónoma de Guerrero

Introducción

La discapacidad motora se define como la dificultad que presentan algunas personas para participar en sus actividades propias de la vida cotidiana, que surge como consecuencia de la interacción entre una dificultad específica para manipular objetos o acceder a diferentes espacios, lugares y actividades que realizan todas las personas, y las barreras presentes en el contexto en el que se desenvuelve la persona [1]

Esta discapacidad se presenta cuando existen alteraciones en los músculos, huesos, articulaciones o medula espinal, así como por alguna afectación del cerebro en el área motriz impactando en la movilidad de la persona. Más de 1000 millones de personas sufren algún tipo de discapacidad, aproximadamente en 15% de la población mundial, un porcentaje que va en aumento a medida que la población envejece y se incrementa la prevalencia de enfermedades crónicas, según la Organización Mundial de la Salud (OMS). En México el INEGI informa que al menos el 51.4% de las personas de avanzada edad son las que tienen una discapacidad por alguna enfermedad y que son obligadas a utilizar una silla de ruedas para moverse. [2]

Las sillas de ruedas pueden proporcionar beneficios físicos a las personas que las utilizan y también pueden tener aspectos con el efecto contrario, todo depende del uso que hagamos y del diseño de la silla. Lo primero que tenemos que tener en cuenta es el tipo de silla de ruedas, si hablamos de una silla de ruedas “tradicional”, sin motor, nos encontramos que el movimiento de

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Tlamati Sabiduría Volumen 8 Número Especial 2, 2017 los brazos puede afectar a la espalda. Los usuarios de sillas de ruedas ya tienen algún tipo de lesión en su espalda y el movimiento y la fuerza necesaria para propulsarse, pueden aumentar la lesión, por ejemplo la escoliosis, desviaciones y la sobrecarga muscular suele ser otra de las afecciones comunes.[3]

Las sillas de ruedas con motor eléctrico convencionales, son aparatos que se caracteriza por su elevado costo y se ven delimitadas a un solo tipo de control como lo es el joystick, la cual para un cierto grupo de personas este tipo de control no es funcional para satisfacer las necesidades que requiere la persona.

El presente proyecto se caracteriza, además de ser un diseño seguro en cuanto a su funcionamiento; se plantea una opción diferente, de cómo resolver una problemática que ya existe y no se ha resuelto totalmente para la población en general. Es por ello que en este trabajo de investigación se propone el diseño y construcción de un prototipo a escala de una silla de ruedas eléctrica, la cual dependerá sus movimientos de un guante por medio de flexión y con el uso de componentes electrónicos. El diseño es simple y totalmente funcional; pretendiendo que con dicho proyecto se puedan optimizar los recursos económicos y materiales.

Objetivos

• Diseñar y construir un prototipo a escala de silla de ruedas la cual será controlada mediante el movimiento de los dedos de un guante con sensores de flexión por medio de la comunicación Bluetooth.

• Brindar ayuda a personas discapacitadas a ser independientes y a moverse con sus propios medios.

Metodología

La estrategia metodológica que se empleó para el desarrollo de este proyecto fue un estudio descriptivo de la problemática de las personas que tienen discapacidad motora, lo cual impide que puedan desplazarse independientemente, se ubicó el objeto de estudio, se hizo el análisis para la solución a esta problemática mediante el diseño de un prototipo a escala que se adaptó a las necesidades del usuario así como el desarrollo de un sistema de manejo que se implementó en un guante con sensores de flexión para controlar la silla de ruedas mediante él envió de datos que ayudará a controlar el desplazamiento de la silla de ruedas.

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Memorias del 4° Encuentro de Jóvenes en la Investigación de Bachillerato-CONACYT Acapulco, Guerrero 4, 5 y 6 de octubre 2017 Materiales utilizados

• Arduino UNO (figura 1): Es una placa electrónica basada en el ATmega328 (ficha técnica). Tiene 14 entradas / salidas digitales pines (de los cuales 6 pueden ser utilizados como salidas PWM), 6 entradas analógicas, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP. Contiene todo lo necesario para apoyar el micro controlador, basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o alimentarlo con un adaptador AC-DC o batería.

Figura 1. Placa Arduino UNO.

• Arduino Nano (figura 2): Es una placa de prueba pequeña y completa basada en ATmega328. Tiene funcionalidad similar al modelo Arduino Duemilanove, pero en un módulo DIP. Solo carece de Jack de alimentación DC y funciona con un cable Mini-B USB en lugar de uno estándar.

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Tlamati Sabiduría Volumen 8 Número Especial 2, 2017 • Driver L298N (figura 3): es un dispositivo que permite controlar el sentido de

funcionamiento de motores a una corriente de salida por canal de hasta 2A.

Figura 3. Driver L298N.

• 2 Módulos Bluetooth HC-05 (figura 4): el dispositivo Bluetooth HC-05 tiene la ventaja de configurarse como maestro o como esclavo con su configuración de comandos AT, gracias a sus puertos TxD y RxD nos permite realizar comunicaciones inalámbrica-mente a 10 mts. máximo.

Figura 4. Modulo Bluetooth HC-05.

• Motorreductor (Figura 5): Conjunto de engranes que acoplados a la flecha de un

motor,sirve para reducir el número de revoluciones por minuto (RPM) del motor con una velocidad constante

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Figura 5. Motor CC con caja reductora y llanta.

• Sensor de flexión (Figura 6): Es un sensor compuesto de varios sensores que cambian la resistencia en función de la cantidad de curvatura que se emplea. Un sensor de estos al no estar flexionado posee una resistencia de aprox. 10 000 Ohmios, cuando el sensor de flexión es doblado, la resistencia aumenta a 30-40 kilo-ohmios a 90 grados.

Figura 6. Sensor de flexión

• Rueda loca (figura 7): Llanta con soporte metálico que te permite hacer proyectos de robótica y/o mecatrónica. Ideal para proyecto de robot de 3 llantas, con esta llanta encontraras lo divertido en tus proyectos, cuenta con 4 orificios para poder atornillar al chasis de tu robot.

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Figura 7. Rueda loca.

• Placa fenólica perforada (Figura 8): Placa fenólica de baquelita con cobre, de 7,5 x 4,5 cm, grabada y perforada con 98 pistas, 125 orificios para componentes y 4 para fijación de la placa. Ideal para proyectos o prototipos.

Figura 8. Placa fenólica perforada.

El prototipo a escala de silla de ruedas motorizada, es una silla de ruedas convencional impulsada por motores que son accionados por cuatro pilas AA y una pila de 9V. La cual se controlará por medio de sensores de flexión implementados en un guante. La silla es rectangular de 20cm de largo por 15cm de ancho y 20cm de altura, es una silla con tracción diferencial (dos ruedas controlables y una rueda libre). Es decir, la silla dispone de dos motores eléctricos de corriente continua que impulsan las dos ruedas delanteras (ruedas tractoras). La rueda trasera de movimiento libre permite el giro de la silla.

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1) El conocimiento de los principios básicos de la programación y electrónica. Para este

punto se llevó acabo la búsqueda de información sobre “Fundamentos de la programación”

2) El diseño del esquema teórico del Proyecto.

Figura 9. Esquema Teórico de conexión del prototipo a escala de silla de ruedas.

Figura 10. Esquema Teórico de conexión del guante. 3) Construcción del proyecto.

La construcción de este proyecto se dividió en dos partes: Prototipo de silla de ruedas y guante con sensores de flexión.

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Tlamati Sabiduría Volumen 8 Número Especial 2, 2017 I. Prototipo de silla de ruedas.

Se inició primeramente con la escritura de programación del Arduino uno para poder enviar información a los Motores CC con caja reductora y al Driver L298N. (Figura 11)

Figura 11. Escritura del código de programación de direcciones. II. Configuración Bluetooth.

En esta etapa se logró la comunicación entre la placa Arduino Nano y la placa Arduino UNO por medio de la comunicación Bluetooth acoplado en cada placa Arduino. Se configuraron los dos módulos Bluetooth por medio de los comandos AT en donde uno se le dio el valor de 0 (Esclavo) y el otro con el valor de 1 (Maestro), también se le hizo la configuración de la dirección MAC para que solo puedan transmitirse comunicación entre ellos. Gracias a este protocolo, los dispositivos que lo implementan pueden comunicarse entre ellos cuando se encuentran dentro de su alcance. Las comunicaciones se realizan por radiofrecuencia de forma que los dispositivos no tienen que estar alineados y pueden incluso estar en habitaciones separadas si la potencia de transmisión lo permite. (Figura 12)

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Figura 12. Escritura del código de programación dela configuración de los comandos AT III. Construcción del chasis y ensamble de piezas.

Se cortó el triplay de 3mm para poder hacer el chasis del carro y se ensamblaron los Motores CC con caja reductora y ruedas, el Driver L298N y Arduino UNO. (Figura 13)

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Tlamati Sabiduría Volumen 8 Número Especial 2, 2017 IV. Prueba de escritura de programación ya en el chasis armado.

Después de hacer las conexiones se hicieron las pruebas correspondientes de la escritura de programación donde se declararon los pines digitales 10, 11, 12, 13 como salida en los cuales se conectaron en el Driver L298N, también se utilizaron los pines digitales 1 y 2 para conectar el TX y el RX del módulo Bluetooth todo esto en el chasis ya armado. (Figura 14).

Figura 14. Pruebas en chasis ya armado e instalado.

V. Construcción de estructura de asiento y tapizado.

Se cortó triplay de diferentes medidas y se pegaron con resistol para darle forma al asiento también se le pego un forro para darle un toque más estético. (Figura 15).

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Figura 15. Proceso de construcción y tapizado de asiento.

Proceso terminado de silla de ruedas. El prototipo a escala de silla de ruedas listo. (Figura 16).

Figura 16. Silla terminada. 4) Elaboración de guante con sensores de flexión.

Para la elaboración se buscó información sobre los sensores de flexión y la manera de hacerlos más económicos ya que cada sensor oscila entre los $300.00 MN.

4.1) Material para la elaboración de sensores de flexión. Para la elaboración de estos

sensores de flexión se utilizaron los siguientes materiales: • Hojas blancas. • Papel aluminio. • Tinta eléctrica. • Lápiz 6B. • Cables delgados. • Cinta aislante.

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4.2) Elaboración de sensores de flexión e instalación de dispositivos electrónicos en el guante.

I. Como primer paso fue marcar la dimensión de los sensores y con el lápiz pintar la mitad para conseguir que el grafito que es un semi-conductor quedase en la hoja de papel. (Figura 17).

Figura 17: proceso de elaboración de sensores de flexión.

II. Después se le colocaron dos tiras de papel aluminio en cada uno de los extremos del sensor (sin que hicieran contacto entre uno y otro) y se le soldaron los cables en cada una de las tiras de papel aluminio con la tinta eléctrica. (Figura 18)

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Memorias del 4° Encuentro de Jóvenes en la Investigación de Bachillerato-CONACYT Acapulco, Guerrero 4, 5 y 6 de octubre 2017 III. Por lo consiguiente se procedió a verificar los valores de cada uno de los sensores

que se hicieron. Para eso se necesitó escribir un código de programación para que esos valores fueran mostrados en el serial del Arduino. En la cual se declararon los pines analógicos A0, A1, A2, y A3 como salidas, en las cuales se conectó uno de los cables de los sensores y el otro cable sobrante se conectó a GND.(Figura 19).

Figura 19. Código de programación de arduino para mostrar los valores en el serial.

IV. Continuamos con las pruebas de los comandos de los sensores en la cual se tenía que prender un foco LED con el movimiento (dobles) del dedo. Según el dedo que

se doblaba se encendía su LED correspondiente. (Figura 20). Figura 20. Pruebas de guante en protoboard con LED´s

V. Una vez probado el guante y ver que los sensores cumplían con los valores requeridos para poder mandar buena señal se prosiguió a conectar los

complementos electrónicos como son: Arduino Nano, Modulo Bluetooth modo Maestro, batería de 9V en una placa fenólica perforada de 98 pistas y 125 perforaciones. (Figura 21 y 22).

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Figura 21. Conexiones en la placa fenólica perforada parte inferior.

Figura 22. Dispositivos conectados en la placa fenólica parte superior.

VI. El siguiente paso fue subir el proyecto que se creó al Arduino Nano donde se dan las condiciones y las ordenes que se deben de mandar mediante la comunicación Bluetooth. (Figura 23).

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Figura 23. Comandos y números que se mandaran mediante la comunicación Bluetooth. VII. Una vez lista la instalación se procedió al diseño e impresión 3D de la carcasa en

el programa TINKERCAD para cubrir los dispositivos conectados en la placa fenólica. (figura 24 y 25).

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Figura 25. Impresión 3D de carcasa.

VIII. Una vez impresa la pieza se colocó en el guante junto con los sensores para darle paso a la terminación del producto final. (Figura 26 y 27)

Figura 26. Sensores y placa acomodados en el guante.

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5. Etapa de control.

Esta etapa es donde el Arduino Nano manda las señales que a él llegan por sus puertos analógicos A0, A1, A2, A3, la señal que recibe es enviada por medio del Bluetooth (maestro) al módulo Bluetooth (esclavo) adaptado a la placa Arduino. La señal que recibe el Bluetooth se envía a la placa Arduino UNO y este la recibe a través de los puertos serie Rx y Tx del microcontrolador ATMEGA.

Una vez que la señal llega al microcontrolador, este la procesa para interpretar las órdenes para poder controlar la silla de ruedas adelante, atrás, izquierda, derecha y parar. Una vez decodificada la orden, está señal de control se envía a la etapa de potencia, que hará poner en marcha a los motores de corriente continua dependiendo de la orden que se haya enviado. Algunos ajustes en la sensibilidad de los movimientos de los dedos en el guante pueden ser cambiados para adaptarse a las necesidades de su conductor. (Figura 28 y 29).

Figura 28. Comunicación Bluetooth correcta.

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Tlamati Sabiduría Volumen 8 Número Especial 2, 2017 Resultados

En la última prueba realizada se concluyó el diseño y construcción, la cual arrojo que los sensores de flexión que se hicieron para poder controlar el prototipo de silla de ruedas, resultaron ser sumamente económicos y se obtuvieron buenos resultados en el manejo y control de la silla, ya que se manejaron movimientos muy exactos.

Conclusiones

En la puesta en marcha de la silla de ruedas, se obtuvo el correcto funcionamiento de los motores de corriente continua, mediante los sensores de flexión implementados en el guante. Se obtuvo un circuito electrónico que, además de lograr los objetivos propuestos en este proyecto, permite utilizarse para el accionamiento de cualquier otro dispositivo electromecánico ya sea con fines terapéuticos, de rehabilitación, o para controlar la apertura de chapas eléctricas de puertas.

Referencias bibliográficas

[1] http://eespecial.sev.gob.mx/difusion/motriz.php

[2] http://cuentame.inegi.org.mx/poblacion/discapacidad.aspx?tema=P

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