SISTEMA HÁPTICO PARA SIMULAR PRESIONES GENERADAS DENTRO DE
UN VEHICULO
CARLOS ANDRÉS DÍAZ SUÁREZ
PROYECTO DE GRADO
ASESOR:
Dr. CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ
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TABLA DE CONTENIDOS
1.
INTRODUCCIÓN --- 6
2.
MOVIMIENTO Y PRESIÓN ASOSIADA AL MOVIMIENTO --- 9
2.1 ESTIMACIÓN DE LA PRESIÓN --- 10
3.
DEFINICIÓN DE DISEÑO --- 12
4.
DISEÑO CONCEPTUAL --- 13
4.1 Conceptos de diseño --- 13
4.2 Criterios de selección --- 14
4.3 Alternativas --- 15
5.
ANÁLISIS --- 18
5.1 Análisis dinámico --- 18
5.2 Sensibilidad del usuario --- 24
6.
DISEÑO DETALLADO --- 26
6.1 Control --- 28
7.
PRUEBAS --- 32
8.
RESULTADOS --- 34
9.
CONCLUSIONES --- 36
10.
BIBLIOGRAFÍA --- 37
11.
ANEXOS --- 38
3 AGRADECIMIENTOS
Durante el proceso agradezco el apoyo incondicional de mi familia y seres querido que siempre han estado presente durante toda mi formación como ingeniero, al igual que todo el personal de los laboratorios. Agradezco al profesor Carlos Francisco Rodríguez por darme la oportunidad de desarrollar este proyecto el cual disfrute mucho su desarrollo y el resultado fue gratificante.
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LISTA DE FIGURAS
Ilustración 1. Simulador físico (izquierda) y simulador digital (derecha) (1) ... 6
Ilustración 2. Percepción de presiones y cortantes (4) ... 9
Ilustración 3.Aceleraciones de un vehículo (3) ... 10
Ilustración 4. Área de una espalda (3) ... 11
Ilustración 5. Espaldar móvil ... 13
Ilustración 6. Conceptos de giro ... 14
Ilustración 7. Espaldar móvil ... 15
Ilustración 8. Sillín móvil ... 16
Ilustración 9. Espaldar con resortes ... 17
Ilustración 10. Diagrama de cuerpo libre para el espaldar móvil ... 18
Ilustración 11. Diagrama de cuerpo libre para el frenado. ... 20
Ilustración 12. Diagrama de cuerpo libre del modelo. ... 21
Ilustración 13. Diagrama de cuerpo libre para el espaldar con resortes. ... 22
Ilustración 14. Diagrama de cuerpo libre para el giro. ... 23
Ilustración 15. Inclinación espaldar. ... 25
Ilustración 16. Banco de prueba para el sillín móvil. ... 25
Ilustración 17. Banco para el giro. ... 26
Ilustración 18. Silla de presiones. ... 27
Ilustración 19. Resultado de simulación eje. ... 27
Ilustración 20. Resultado de la simulación de la estructura. ... 28
Ilustración 21. Live for Speed. (6) ... 32
Ilustración 22. Software de toma de datos F1PerfView. (7) ... 32
Ilustración 23. Sección del circuito para la prueba de la silla. ... 33
Ilustración 24. Diagrama de bloques. ... 28
Ilustración 25. Encuesta para la respuesta de la rutina. ... 34
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LISTA DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Presión percibida por el modelo y el auto para el caso de aceleración. ... 19
Gráfica 2. Aceleración percibida en el frenado y en el automóvil. ... 21
Gráfica 3. Perfil de presiones generado por los resortes. ... 23
Gráfica 4. Fuerza de fricción en función del ángulo. ... 24
Gráfica 5. Señal de cinemática del vehículo. ... 33
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1.
INTRODUCCIÓN
El proyecto busca desarrollar un sistema mecánico que simule la distribución de presiones
sobre la espalda a causa de las fuerzas dinámicas generadas cuando se monta un vehículo.
En la Universidad de los Andes se está llevando a cabo un proyecto de desarrollo de
simuladores de vehículos. Este proyecto lo complementa incluyendo el sentido del tacto.
El cuerpo está recibiendo información constantemente y los principales sensores son la
vista, el oído y el tacto. Si se combinan estos sentidos se le puede generar al usuario la
sensación de estar montando en un vehículo. Hoy en día en la Universidad se han
enfrentado diversos desarrollos en simulación audiovisual y en robots para producir los
movimientos del vehículo. Este proyecto busca avanzar en el desarrollo de interfaces
hápticas y su integración con interfaces audiovisuales generar las sensaciones de
movimiento de un vehículo.
Con el desarrollo de la tecnología el hombre siempre ha buscado simular situaciones reales
por medio de sistemas hápticos y audiovisuales. Esta tendencia tiene como fin desarrollar
herramientas que le permitan a los usuarios conocer de antemano el sistema que van a
operar, con el fin de prevenir catástrofes de cualquier índole. Es por esto que se crean
sistemas de interfaz háptica ya que ayudan a la educación de operarios combinando la
teoría con la práctica.
Hoy en día vemos simuladores de todo tipo, desde vehículos acuáticos hasta aéreos, la
mayoría de ellos para transporte de pasajeros, lo más conveniente de estos simuladores es el
correcto entrenamiento teórico-práctico que reciben los operarios. El simulador busca que
los operarios desarrollen una memoria muscular al igual que criterios para cuando se
presenta una emergencia.
Ilustración 1. Simulador físico (izquierda) y simulador digital (derecha) (1)
Éste fue el inicio de los simuladores, que con el tiempo se ha venido desarrollando porque
si antes eran exclusividad de los operarios, ¿qué pasa con la gente que quiere vivir la
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experiencia sin ser operarios? De esta pregunta la simulación encuentra nuevos nichos
como el del entretenimiento.
En el entretenimiento observamos las consolas de videojuegos que también hace viable
realizar este proyecto porque con el tiempo se observa un gran desarrollo en esta área. Los
jugadores siempre buscan mejorar su experiencia, ya sea con televisores de última
tecnología y sistemas de sonido 6.1. Con el prototipo se busca potencializar toda la
experiencia del simulador, haciendo que los usuarios sean parte de ella y también, en el
ámbito educativo en donde se va a poner en práctica todo lo aprendido.
El sistema no solo se podría usar en las consolas de videojuegos sino también en teatros,
parques de diversiones o salas de cine, en este caso, permite que los directores dejen volar
su imaginación pues van a tener una herramienta más para poder expresar lo que buscan.
Lo interesante de este proyecto es ver el poder de nuestros sentidos cuando son
manipulados, como llegar a sentir velocidades sin necesidad de estar haciéndolo realmente.
De ésta manera el campo en el cual se podría usar el sistema es muy amplio, siempre y
cuando se pueda construir y comercializar a un precio asequible.
Objetivo general:
Crear un sistema mecánico que pueda simular las presiones en la espalda tal y como se perciben cuando se va en un vehículo.
Objetivos específicos:
- Entender el concepto de sistema háptico.
- Identificar los lugares donde se ejerce la presión y los cortantes
- Obtener las aceleraciones de un vehículo en la condición de giro, arranque y frenado. - Medir el área de la espalda que se encuentra en contacto con la silla.
- Generar conceptos de diseño. - Definir criterios de descarte.
- Medición de desplazamientos que generen alguna sensación en el usuario. - Entender el controlador de los actuadores y servomotores Exlar.
- Construcción de un prototipo. - Funcionamiento de la silla.
- Presentación de la silla con un medio audiovisual.
Antes de comenzar se debe definir lo que es el sistema háptico y cómo se puede alterar sin involucrar al sistema vestibular. El sistema háptico hace referencia al sentido del tacto y el movimiento, en la literatura se define que la piel es el órgano receptor de todo lo que nos rodea, definiéndolo como la frontera física del hombre.
La piel es extremadamente sensible a los cambios, es capaz de percibir cambios de temperatura, frecuencia y presión. Gracias a esto, los ingenieros pueden manipular el sistema háptico de distintas maneras por medio de fuerzas, elongaciones, frecuencias y presiones. En este proyecto se hace
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énfasis en los cambios de presión a los cuales se expone la piel cuando se va en un vehículo terrestre.
Al momento de intervenir el sistema háptico con fuerzas externas o presiones, se debe tener cuidado de no generar desplazamientos del usuario porque si no se estaría involucrando el sistema vestibular, el cual no es el objetivo de este proyecto ya que termina en una combinación de sensaciones generadas por cada sistema.
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2.
MOVIMIENTO Y PRESIÓN ASOCIADA AL
MOVIMIENTO
Durante el movimiento de un vehículo se pueden llegar a percibir todo tipo de sensaciones las cuales alteran el sistema vestibular y háptico. Como se mencionó anteriormente, solo se va hacer énfasis en el sistema háptico, por lo cual se busca representar las presiones que siente un individuo por medio de la silla.
Las presiones que siente el usuario son a causa de los movimientos del carro en sí, así que se discretizarón los movimientos del carro en tres. El primero es cuando se acelera el vehículo, el segundo es cuando hay un giro y por ultimo cuando el auto frena, cada uno de estas acciones tiene un efecto sobre la silla y por ende al usuario.
A continuación se representan las presiones que perciben la espalda y las piernas en cada uno de los casos.
(a) (b) (c)
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En la ilustración anterior se representan las presiones y cortantes que percibe el individuo, en la imagen (a) se tiene un estado inicial (verde) en donde el vehículo puede estar en estado estacionario o velocidad constante. En la misma imagen se tiene el perfil de presiones que se genera por la aceleración del automóvil, aparte de esto también se ilustra un perfil de fuerzas cortantes en los muslos del usuario. Se genera un aumento (rojo) de presión ya que al momento en que el vehículo empieza a desplazarse, este genera una fuerza en la espalda del usuario con el fin de transportarlo, lo mismo sucede con el cortante.
En (b) se tienen los perfiles de presión cuando se está en la situación de frenado, para este caso la presión en la espada es cero (azul) por la inercia del usuario, es decir que cuando el vehículo frena el individuo lleva una velocidad inicial y por ende su frenado no coincide con el del auto, haciendo que pierda el contacto de la silla en la espalda y creando un cortante en las piernas. En esta misma ilustración se considera el efecto que tiene el cinturón de seguridad sobre el pasajero, en este caso se crea un perfil de presión en el torso para prevenir que el usuario se lastime con lo que tenga en frente.
Por otra parte tenemos la acción de giro, en (b) se resaltan los lugares en donde hay un incremento de presión y cuáles no, al igual que las fuerzas cortantes. Estos efectos es causa de la inercia del pasajero, por esta razón las presiones son inversas a la dirección de giro.
2.1 ESTIMACIÓN DE LA PRESIÓN
Los cambios de presión están en función de la fuerza y la fuerza es función de la aceleración; así que es necesario saber las aceleraciones que se generan dentro de un carro en movimiento, para ello se consultó la literatura y se encontró que para la aceleración se tienen un máximo de 10 𝑚
𝑠2, para el frenado y el giro, una aceleración de 5 𝑚
𝑠2. Estos resultados se adquirieron de un juego de computadora llamado Live for Speed el cual permite extraer toda la información y la dinámica de un vehículo. (2)
Una vez obtenida las aceleraciones se puede obtener la fuerza, ahora se necesita saber el área de contacto de la espalda para poder calcular la presión que debe generar la silla. Para ello se usó una puerta de vidrio y se le pidió a varias personas que se sentaran y recostaran su espalda para poder calcar la parte que estaba en contacto con el vidrio. A continuación se presenta una de las espaldas calcadas y como se calculó su área.
10 𝑚
𝑠2 -5 𝑚
𝑠2
5 𝑚
𝑠2
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Ilustración 4. Área de una espalda (3)
A causa de que las siluetas no eran perfectamente geométricas, se aproximó el área con geometrías simples como cuadrados y triángulos. El área promedio que se obtuvo es de 0.1138 𝑚2.
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3.
DEFINICIÓN DE DISEÑO
Siguiendo el proceso de diseño se deben definir el objetivo de diseño, los requerimientos funcionales y restricciones y los criterios de decisión.
El objetivo de diseño es similar al objetivo principal del proyecto el cual es generar presiones similares a las que se perciben cuando se va dentro de un vehículo terrestre. El proceso de diseño permite orientar mucho mejor las ideas y los recursos, en donde hace que el proceso sea iterativo porque a medida que se avanza se enfrentan nuevos retos los cuales exige revisar pasos anteriores al proceso.
Los requerimientos funcionales y restricciones para el proyecto fueron los siguientes. Requerimientos funcionales
- Generar la suficiente presión para que usuario la perciba. - Tener la capacidad de un ciclo de 10 Hz.
- Ser compatible para cualquier tamaño de usuario. - Que trabaje con una fuente de energía común de 120 V. Restricciones
- Seguir las normas ISO para sistemas hápticos. - No debe ser muy pesado.
- Base de instalación. - Manufactura local.
Una vez establecido los requerimientos funcionales y las restricciones se continúa con los criterios de decisión.
- El usuario debe estar cómodo.
- Menor número de piezas para menor peso y juego entre piezas. - Aislar al máximo la intervención del sistema vestibular. - El reflejo del usuario no intervenga.
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4.
DISEÑO CONCEPTUAL
4.1 Conceptos de diseño
Los conceptos a continuación alteran las variables dentro de la definición de presión, que son fuerza y área.
- Rigidez: Cambio en el material que genera un cambio en la forma. (Área) - Geometría: Cambio en la forma, cambio en el Área.
- Fuerzas: Cambios en la fuerza sobre un área específica genera un cambio en la presión. (Fuerza)
- Fricción: La fuerza que se genera no es perpendicular al usuario así que se genera una componente de fricción.
Las siguientes soluciones no son estrictamente independientes de los principios, algunas de ellas combinan para tener el mismo resultado.
Para simular el frenado y la aceleración se plantea la inclinación del espaldar que se encuentra pivotado en la parte inferior. La idea de la inclinación es poder remover el espaldar o presionarlo contra el usuario. El mismo efecto se puede obtener mediante cuatro actuadores, Dos en la parte superior y otros dos en la parte inferior. Los dos trabajando en paralelo nos permite remover o presionar el espaldar al igual que inclinarlo hacia los lados.
Ilustración 5. Espaldar móvil
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Tras sentir el movimiento del carro, se notó que el conductor siente presiones debido al desplazamiento del carro, es por eso que se sugiere darle grados de libertad al espaldar para poder hacer el mismo efecto.
Debido a las fuerzas presentes en el movimiento, se piensa en darle una geometría semicircular al espaldar con el fin de que al momento del giro, el espaldar rote para hacer presión en el lado correcto del giro.
Ilustración 6. Conceptos de giro
Para generar la fricción se puede usar una banda de caucho que se desplace en el sentido del giro, siempre y cuando no se vea afectada la ropa del usuario. Estas bandas estarían localizadas en los costados laterales del espaldar. Siguiendo la misma idea también se pueden usar rodillos de un material rugoso para generar la misma fricción. Pero si definimos el concepto de fricción es solo cambios de frecuencia debido a la rugosidad de la superficie. Se puede aplicar este principio por medio de vibradores que cambien su frecuencia para poder generar el efecto de fricción.
Cuando se habla de rigidez, se puede relacionar directamente con la ciencia de materiales, es por eso que se considera la idea de usar un material piezoeléctrico que altere su rigidez o forma con el fin de variar el área. El material que se seleccione estaría haciendo contacto frecuentemente con el usuario en los lugares en donde se generan las fuerzas de giro.
Una manera de sentir cambios en la rigidez es por medio de la viscosidad, es por esta razón que se propone un material visco elástico que con cambios en la velocidad cambie su rigidez.
En cuanto a la altura se tiene pensado usar un actuador como los utilizados en las sillas tipo oficina, los cuales reciben el peso del usuario y a su vez permiten descender o subir dependiendo del peso. Se busca la manera de que el espaldar reciba parte del peso con el fin de que la altura del espaldar se regula a la posición correcta. Otra manera puede ser con el uso de un pasador que permita definir diferentes alturas o un sistema piñón cremallera como usan los trípodes de cámara para subir y bajar la cámara.
4.2 Criterios de selección
Cada concepto de solución es sometió a un análisis en el cual se buscaba estudiar si el movimiento transmitido genera la sensación deseada en los casos de aceleración, frenado y giro.
Se asume al usuario como un objeto el cual no tiene ningún tipo de sensibilidad, de esta manera se puede observar las posiciones a las cuales se somete el individuo. Una vez visto que el usuario se
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encuentra cómodo en ellas se procede a plantearse si el reflejo del usuario interviene en la estimulación que se desea. Por ejemplo si el usuario se encuentra recostado sobre el espaldar y este se retira rápidamente, el usuario busca de alguna manera regresar a su posición de equilibrio por medio del reflejo. Por otra parte se observa el mismo inconveniente en el giro, es por esto que se definen desplazamientos cortos del espaldar y del sillín con el fin de prevenir la intervención del reflejo el cual depende del sistema vestibular.
Una vez analizado los conceptos de diseño se determinaron tres modelos definitivos, los cuales se calculó su cinemática para saber cuánto desplazamiento se debía generar para simular las aceleraciones de un vehículo. La presión que se genera por el espaldar depende del peso del usuario, es decir que entre más inclinado el individuo, mayor será la fuerza normal sobre el área de la espalda, generando así un aumento de la presión en dicha ubicación.
En cuanto al sillín se busca generar cortantes por medio de la inclinación hasta el punto en que la fuerza cortante sea el resultado de la aceleración lateral del automóvil. Cabe resaltar que todas las soluciones tiene el mismo sistema para el giro, el cual consiste en la inclinación del sillín.
4.3 Alternativas
La primera alternativa es el espaldar móvil:
Ilustración 7. Espaldar móvil
El modelo que se usó para estudiar su comportamiento fue el de un péndulo invertido recostado sobre una superficie rígida, la masa del péndulo es la masa equivalente del torso, el cuello y la cabeza. Esta alternativa consiste en desplazar el espaldar hacia adelante y hacia atrás para poder
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simular los momentos en que el carro acelera y frena. Cuando se acelera el espaldar busca empujar al usuario tal cual lo hace el auto; por otro lado se separa de la espalda del pasajero cuando se frena.
La segunda alternativa es el sillín móvil:
Ilustración 8. Sillín móvil
La segunda alternativa usa un modelo de dos masas acopladas a rieles distintos y unidos por una barra en donde una masa y la barra modelan al usuario y la otra masa el sillín. En este caso todo el trabajo lo hace el sillín, este es el encargado de generar todas las sensaciones de giro, aceleración y frenado. La aceleración consiste en que si el sillín se traslada hacia adelante, el usuario aumenta su ángulo de inclinación, incrementando así la fuerza normal en la espalda. Con el frenado ocurre lo mismo pero de manera inversa.
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Ilustración 9. Espaldar con resortes
Siendo la presión distinta en toda la espalda se busca crear un perfil de presiones en donde el usuario siento cambios de presión localizados. Esta alternativa busca desarrollar una matriz con un resorte en cada espacio. Para modelar el mecanismo se usaron dos resortes en serie con la rigidez del gel balístico que simula el tejido humano y otra el espaldar; con compresiones distintas en cada fila, se generan fuerzas resultantes sobre cada área creando así un perfil de presiones.
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5.
ANÁLISIS
5.1 Análisis dinámico
A continuación se presentan los diagramas de cuerpo y el resultado de la presión generada para cada alternativa. Los parámetros que se usaron fueron de un aviador de tamaño mediano del ejército de los Estados Unidos. (3)
𝑚 = 32.6 𝐾𝑔
𝑙 = 0.7885 𝑚
𝜃0= 10.3°
Espaldar Móvil
Aceleración
Ilustración 10. Diagrama de cuerpo libre para el espaldar móvil
Para este modelo se usaron las siguientes ecuaciones:
𝑚𝑔
𝑅𝑦 𝑅𝑥 𝐹𝑁
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∑ 𝐹𝑥= 𝐹𝑁− 𝑅𝑥 = 0
Ecuación 1.Sumatoria de fuerzas en x.
∑ 𝐹𝑦= 𝑅𝑦− 𝑚𝑔 = 0
Ecuación 2. Sumatoria de fuerzas en y.
∑ 𝑀𝑂 = 𝑚𝑔𝑙 sin 𝜃 − 𝐹𝑁𝑙 cos 𝜃 = 0
Ecuación 3. Sumatoria de momentos en O.
Donde 𝑙 es la longitud del péndulo que es la distancia del centro de masa del torso, el cuello y la cabeza. Del sistema de ecuaciones se obtiene que la fuerza normal es función del ángulo.
𝐹𝑁=
𝑚𝑔𝑙 sin 𝜃 cos 𝜃
Ecuación 4. Fuerza normal para el espaldar móvil.
Con este resultado y el área promedio de la espalda se calcula la presión y se compara con la presión que se percibe cuando se va en un vehículo.
Gráfica 1. Presión percibida por el modelo y el auto para el caso de aceleración.
Del resultado se observa que con solo la inclinación del usuario no se llega a simular la presión que se siente cuando el carro acelera, pero si se puede resaltar que con pequeños cambios en el ángulo
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Presión por el espaldar móvil y dentro del vehiculo
theta [grad] P re s ió n [ P a ]
y = 0.0048*x2 + 0.4*x + 0.4
Espaldar móvil Regresión Vehículo
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hay un cambio considerable en la presión. Dado que este proyecto se basa en las presiones, esta información es muy importante gracias a que permite confirmar que el espaldar tiene desplazamientos cortos, solo falta verificar si el usuario percibe estos cambios de presión con la variación del ángulo. Es importante que el pasajero perciba estos cambios ya que si se genera la misma presión del vehículo, el pasajero se estaría trasladando tal cual sucede en un carro, involucrando así al sistema vestibular que es lo que se quiere evitar. Si el usuario percibe los cambios se estaría cumpliendo con el objetivo de crear presiones en la espalda sin intervenir el sistema vestibular y aportando a las sensaciones de un simulador.
Frenado
Ilustración 11. Diagrama de cuerpo libre para el frenado.
Para este análisis se usan las mismas ecuaciones 1, 2 y 3 y se obtiene una aceleración angular debido al mismo peso del usuario; esta aceleración es la responsable de activar la acción del reflejo, pero gracias a que se van a manejar desplazamientos pequeños, la aceleración no es lo suficientemente grande para accionar el reflejo. En la gráfica a continuación se observa el resultado de la aceleración tangencial para poder comparar con la del automóvil.
𝛼 = −𝑚𝑔 sin 𝜃
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Gráfica 2. Aceleración percibida en el frenado y en el automóvil.
En la gráfica 2 se observa un comportamiento similar que en el caso de aceleración, pero esta vez sí se puede simular la misma presión que siente el individuo en el carro (línea negra en la gráfica 2), así que vuelve y se confirma que con desplazamientos cortos se puede generar cambios de presión perceptibles.
Sillín Móvil
Ilustración 12. Diagrama de cuerpo libre del modelo.
Dado a los resultados del espaldar móvil se sigue asumiendo que los desplazamientos son cortos así que el modelo se puede estudiar como si fuera estático. Dado esta suposición el comportamiento es muy similar al del péndulo invertido, solo que esta vez en vez del apoyo cambiar el ángulo, esta vez lo hace la base. Bajo esta interpretación los resultados se asemejan al del espaldar móvil tanto para aceleración como para el frenado.
Espaldar con resortes
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Aceleración lineal theta [grad] a [ m /s 2]
y = 4*x + 3.9
Frenado Regresión 𝑚𝑔3 𝐹𝑅2 𝑚𝑔1 𝐹𝑁1 𝐹𝑅1 𝐹𝑁2 𝑚𝑔2
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Ilustración 13. Diagrama de cuerpo libre para el espaldar con resortes.
La constante de los resortes que se definieron fueron las del gel balístico. (4)
𝐾𝑔 = 400 𝑁𝑚
𝐾𝑟 = 200 𝑁𝑚
Donde g hace referencia al gel y r a los resortes. Por su configuración en serie se tiene un resorte con una rigidez equivalente.
𝐾𝑒𝑞= 133.33 𝑁𝑚
La longitud de los resortes se asignaron arbitrariamente y la longitud inicial se obtuvo por el ángulo de inclinación y se define un delta de compresión, 𝑑𝑥 = 2.5 𝑚𝑚, para poder calcular las fuerza de cada resorte.
𝑥𝑖𝑗 = 𝑙𝑖sin 𝜃0+ 𝑑𝑥
Ecuación 6. Longitud de cada resorte.
𝐹𝑖𝑗= 𝐾𝑒𝑞𝑥𝑖𝑗
Ecuación 7. Fuerza de cada resorte.
Una vez obtenida la fuerza para cada resorte y divide sobre el área de cada sección, que para este caso se definió como 0.0235 𝑚2 y el resultado es el siguiente.
𝐹 𝐹21
𝐹11
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Gráfica 3. Perfil de presiones generado por los resortes.
En la gráfica 3, cada nivel corresponde a un 𝑑𝑥 diferente, así que se puede ver que la compresión de resortes crea presiones distintas sobre la matriz de la espalda. Los resortes superiores crean mayor presión a causa de que son los que están recibiendo toda la carga del usuario, es por esta razón que los inferiores desarrollan una presión menor. El aumento de presión se aprecia a medida que se va ascendiendo de nivel y viceversa para disminuir la presión; bajo este comportamiento el sistema funciona tanto para la aceleración como para el frenado.
Giro
Ilustración 14. Diagrama de cuerpo libre para el giro.
El propósito de la base es inclinar al usuario hasta que este perciba alguna fuerza cortante en las piernas. Para hallar la fuerza de fricción en función del ángulo se usaron las ecuaciones de cinemática.
𝐹𝑟 = 𝑚𝑔 sin 𝜃
Ecuación 8. Fuerza de fricción durante el giro. 1 1.5 2 2.5 3 1 1.5 2 2.5 3 100 200 300 400 500 600 700 Coordenada x Presión generada por los resortes
Coordenada y P re s ió n [ P a ] 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
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Gráfica 4. Fuerza de fricción en función del ángulo.
Al igual que en el espaldar móvil se obtiene una relación similar y el mismo problema en cuanto a que ángulo de inclinación el usuario percibe el cortante. Si el ángulo fuese grande, se estaría involucrando el sistema vestibular porque el usuario siente que se inclina, tanto como para accionar el reflejo.
Una vez analizado la cinemática de cada alternativa se descarta el espaldar con resortes por complejidad en la manufactura, ya que la generación de la matriz y su ensamble con los resortes requiere de mayor precisión en cuanto a los otros. El paso a seguir es hacer unas pruebas y poder resolver que tan sensible es el usuario a cambios de desplazamiento e inclinación.
5.2 Sensibilidad del usuario
Para poder cuantificar la sensibilidad del usuario a forzar cortantes en las piernas y desplazamientos en la espalda, se construyeron dos bancos de prueba con el fin de tomar satos de distancia e inclinación.
Inclinación del espaldar
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 50 100 150 200 250
Fuerza de fricción cortante
theta [grad]
F
r
[N
]
y = 5.1*x + 5
Fuerza Regresión
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Ilustración 15. Inclinación espaldar.
Para poder determinar qué tan propenso es el usuario a cambios en la inclinación, se usó la silla de un vehículo común en donde el espaldar pivotea con respecto un punto. Para esta prueba se usó un nivelador digital el cual marca el ángulo de inclinación con una precisión de ± 0.1°.
Para la toma de datos el auto debe estar estático sobre una superficie plana sin ninguna inclinación, de lo contrario las mismas vibraciones del carro alteran la medida. Se le solicito a cinco diferentes individuos que se sentaran y que comunicaran si sentían un cambio en la espalda a medida que la silla se inclinaba a diferentes magnitudes, menores a la de un grado. De la prueba se concluye que el sistema debe generar desplazamientos pequeños bajo el siguiente rango.
0.2° ≤ 𝜃 ≤ 0.9°
Sillín móvil
Ilustración 16. Banco de prueba para el sillín móvil.
Para esta prueba se busca la manera de trasladar el sillín y para ello se ubica un butaco sobre una patineta la cual transmite su desplazamiento al sillín del butaco. Por otra parte se usa una puerta la cual se apoya de lado, haciendo que este fija y a la vez generando el espacio para la patineta. La prueba consiste de nuevo en observar que distancias son perceptibles para usuario por medio de su sistema háptico.
Nivelador digital
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Se les solicito a cinco personas que se sentaran sobre el butaco y apoyaran muy bien la espalda sobre la puerta. Una vez hecho se manipula la patineta de manera que se desplaza poco hasta que el usuario perciba un cambio. De la prueba se concluye de nuevo que son desplazamientos cortos bajo el siguiente rango.
1 𝑚𝑚 ≤ 𝑥 ≤ 5 𝑚𝑚
Giro en el sillín
Ilustración 17. Banco para el giro.
El banco de pruebas para la inclinación del giro consiste en tener una base pivotada de un extremo y en el otro un actuador. Para la prueba se le pidió a cinco personas que se sentaran sobre la base pivotada, luego se midió la inclinación inicial para el desfase y a continuación se activa el actuador para dar inicio a la inclinación del usuario. Se detenía el actuador en el momento en el que la persona sintiera los esfuerzos cortantes en sus piernas.
De la prueba se deriva un rango de ángulos de inclinación en los cuales el usuario perciba las fuerzas cortantes. El rango obtenido se presenta a continuación.
5.4° ≤ 𝛽 ≤ 6.3°
De las pruebas realizadas se observó que es difícil cuantificar la sensación del usuario ya que cada persona es diferente y percibe lo que hay en su entorno de maneras distintas; durante la prueba se encontraron personas más sensibles que otras, por esta razón se plantean intervalos de desplazamiento con el fin de cubrir a la mayor cantidad de gente posible.
6.
DISEÑO DETALLADO
Una vez obtenido los rangos de operación se piensa en la manera de cómo crear dichos desplazamientos de la manera más eficiente. A causa de que son distancias cortas se debe diseñar
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un sistema con el menor número de piezas para no perder distancia en los juegos y ajustes de las mismas. Con eso en cuenta se llegó al siguiente modelo en CAD en donde se incluyen los actuadores en la parte trasera del espaldar.
Ilustración 18. Silla de presiones.
La silla consiste de dos actuadores Exlar, cada uno con un servomotor y conectado independientemente al sillín y al espaldar como se ilustra en el CAD. Para la resistencia mecánica de la silla se hicieron simulaciones sobre el eje del sillín y la estructura, los cuales soportan todo el peso de la persona. Los resultados se presentan a continuación.
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Ilustración 20. Resultado de la simulación de la estructura.
De los resultados se observa el esfuerzo de Von Mises, en el eje se tiene un esfuerzo máximo de 62.26 MPa y la estructura de 59.73 MPa. El eje es en acero 1020, así que tiene una resistencia a la fluencia de 210 MPa y la estructura es en aluminio con un esfuerzo a la fluencia de 169 MPa; con estos valores se calculan los factores de seguridad para las partes críticas y se presentan a continuación. (5)
𝑛𝑠= 3.37 𝑛𝑒= 2.83
Los planos de detalle para su manufactura se encuentran en el anexo A. 6.1 Control
La manipulación de los actuadores se encuentra en el sistema de control de los servomotores los cuales son los responsables de generar el movimiento. Para el control se usa el software YTerm de Yaskawa para controlar la tarjeta SMC 4020 de dos ejes. El control que se maneja es de lazo cerrado como se muestra a continuación.
- + Software
YTerm
Tarjeta de
Control Amplificador
Motor Encoder
29
Con este sistema de control se determina que 8192 pulsos del encoder generan una revolución en el motor y a partir de esta información y el paso del tornillo interno del actuador se puede obtener la resolución del sistema. El paso del tornillo es de 10 mm, así que se tiene una precisión de 819.2 pulsos para 1 mm; el valor anterior no es exacto debido a que el encoder tiene un error el cual se crea por la inercia y los ajustes del mismo motor.
Para el control se requiere enviar una serie de comandos por YTerm los cuales se deben conocer primero para la manipulación de los servomotores, a continuación se presentan los comandos básicos para la tarjeta de control.
Tabla 1. Comandos básicos de operación (8).
COMANDO DEFINICIÓN DESCRIPCIÓN
SH Servo Here Habilita los motores que se encuentran conectados.
MO Motor Off Deshabilita los motores conectados.
BG Begin Inicia el movimiento.
TP Tell Position Comunica la posición absoluta del motor.
SP Speed Define la velocidad para
movimientos independientes. PA Position Absolute Desplaza el motor a la posición
absoluta.
PR Position Relative Desplaza el motor el número de pulsos deseado.
JG Jog Define el movimiento a
velocidad constante y dirección.
AC Aceleration Define la aceleración máxima de movimiento.
DC Deceleration Define la desaceleración máxima de movimiento. AM After Move Espera hasta que termine el
movimiento.
ST Stop Detiene el movimiento.
RS Reset Reinicia la tarjeta a su estado inicial.
CD Contour Data El encoder recibe el número de pulsos cada delta de tiempo WC Wait Contour Espera que el encoder procese
el dato.
WT Wait Time El encoder espera el tiempo deseado por el programador antes de leer el siguiente dato.
30
Una vez definido los límites se crean las rutinas que definen los parámetros, los errores y la rutina del sistema (2).
Con el fin de presentar el prototipo con un medio audiovisual, el controlador debe poder leer la señal de movimiento para lograr transmitirla a los motores. Para ello con la ayuda del software
F1PerfView se exportan los datos a Excel, donde se procesa la información de aceleraciones a pulsos según el desplazamiento que se desea en los actuadores, para poder introducirse en YTerm. A causa de las limitaciones de la tarjeta de solo almacenar 2000 datos, se programa la silla para una señal en específica en donde se sincronizan los tiempos con las acciones de la silla, es decir que cuando la señal cambia radicalmente la silla responde. Las rutinas que se emplearon para el movimiento de la silla son las siguientes.
Tabla 2. Rutina para definir los parámetros del controlador. (2)
#PARA Nombre de la rutina.
TLIM=9 Asigna la variable TLIM. ELIM=5000 Asigna la variable ELIM.
TL TLIM TLIM Define el torque límite con la variable TLIM. KI 0,0 Constante de integración del PID.
KP 1,1 Constante de proporción del PID. KD 5,5 Constante de derivación del PID.
ER ELIM, ELIM Define el error límite con la variable ELIM.
EN Fin de la rutina.
Tabla 3. Rutina de seguridad para el error. (2)
#ERROR Nombre de la rutina. TA=_TEA
TB=_TEB
Lee el torque de los motores y les asigna su valor.
JP#POSERR,@ABS[EA]>0.9*ELIM JP#POSERR,@ABS[EB]>0.9*ELIM
Ejecuta la rutina #POSERR si el valor absoluto del torque es mayor al 0.9 de ELIM.
JP#ERROR Reinicia la rutina.
EN Fin de la rutina.
Tabla 4. Rutina de seguridad para el torque. (2)
#TORQUE Nombre de la rutina. TA=_TTA
TB=_TTB
Lee el torque de los motores y les asigna su valor.
JP#POSERR2,@ABS[TA]>0.9*TLIM JP#POSERR2,@ABS[TB]>0.9*TLIM
Ejecuta la rutina #POSERR2 si el valor absoluto del torque es mayor al 0.9 de TLIM.
JP#TORQUE Reinicia la rutina.
EN Fin de la rutina.
Tabla 5. Rutina cuando se supera el límite de error. (2)
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ST AB Interrumpe el movimiento de los motores. AM AB Aguarda hasta que se cumpla el movimiento. MG “ERROR SE SUPERÓ EL ERROR
PERMITIDO”
MG “LOS MOTORES QUEDAN EN SUS MANOS, VUELVA A INICIO Y REINICIE EL SISTEMA”
Se genera un mensaje de error para comunicar la situación.
SB 1 Enciende una de las salidas digitales como alarma.
AB 1 Aborta cualquier programa que se estén ejecutando.
HX Interrumpe la ejecución de todos los programas. RE El sistema se recupera del error.
EN Fin de la rutina.
Tabla 6. Rutina cuando se supera el límite del torque. (2)
#POSERR Nombre de la rutina.
ST AB Interrumpe el movimiento de los motores. AM AB Aguarda hasta que se cumpla el movimiento. MG “ERROR SE SUPERÓ EL TORQUE
PERMITIDO”
MG “LOS MOTORES QUEDAN EN SUS MANOS, VUELVA A INICIO Y REINICIE EL SISTEMA”
Se genera un mensaje de error para comunicar la situación.
SB 1 Enciende una de las salidas digitales como alarma.
AB 1 Aborta cualquier programa que se estén ejecutando.
HX Interrumpe la ejecución de todos los programas. RE El sistema se recupera del error.
EN Fin de la rutina.
Antes de ejecutar la rutina de la silla se deben ejecutar estar rutinas primero para asegurar la seguridad del sistema y del usuario. El código para ejecutar las rutinas es el siguiente.
XQ#PARA,0 Se ejecuta la rutina de los parámetros en el thread 0.
HX0 Se libera el thread 0.
XQ#ERROR,0 Se ejecuta la rutina del error en el thread 0. XQ#TORQUE,1 Se ejecuta la rutina del torque en el thread 1.
HX2 Se libera el thread 2.
32
7.
PRUEBAS
Para que la silla funcione se debe programar para que siga una señal o una rutina que se asemeje a la cinemática de un vehículo real. Para este proyecto se extrae esta información de un videojuego ya que es la manera más económica de hacerlo y porque no es el objetivo principal. De la investigación se llega a que algunos juegos permiten extraer todo tipo de información como las aceleraciones, desplazamientos y tiempos del carro cuando se juega una partida. El juego que se usó para ello es
Live for Speed, el cual es un juego de carreras para computadora y tiene descarga gratuita de internet. (2)
Ilustración 22. Live for Speed. (6)
El videojuego tiene la capacidad de enviar la información por un socket hacia un servidor que puede ser creado en Java; pero se halló un software que extrae toda la información cinemática de la
repetición de una vuelta. El software se llama F1PerfView y el método para la prueba de datos es el siguiente:
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- Descargar e instalar el juego Live for Speed y F1PerfVIew. - Jugar varias vueltas, con cualquier carro y en cualquier pista.
- Observar la repetición de la carrera y en la mejor vuelta entrar al menú y selecciona Output data lap.
- El juego inicia la exportación de datos en un archivo .raf y finaliza cuando termine la vuelta o se salga de la repetición.
- El archivo .raf es reconocido por el software F1PerfView y a continuación es simplemente seleccionar la información que se desea observar.
Como demostración solo se obtuvieron dos señales, la primera es la aceleración longitudinal y la segunda es la aceleración lateral para un tramo de la pista en donde el carro arranca y toma las primeras curvas del circuito.
Ilustración 24. Sección del circuito para la prueba de la silla.
Gráfica 5. Señal de cinemática del vehículo.
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5
19,5 24,5 29,5 34,5 39,5 44,5
A ce le rac ió n ( G) Tiempo (s)
Cinemática del vehículo
longacc latacc
34
8.
RESULTADOS
Una vez calibrado el sistema se hacen pruebas de demostración con unos voluntarios que al final se les solicito responder una encuesta sobre su experiencia. La prueba consiste en proyectar un pequeño fragmento de un video juego de carros, en donde el carro toma una serie de curvas como si estuviera en una carrera real. Durante la prueba la silla replica la cinemática para combinar las sensaciones audiovisuales con las hápticas; se hacen dos pruebas iguales, una con la silla estática y la segunda con la silla accionada.
Las pruebas se realizaron en el laboratorio de robótica Colivrí, el cual cuenta con pantallas gigantes que permiten tener una experiencia audiovisual de alta calidad y también se tienen todas las tarjetas de control para los actuadores.
Se diseñó una encuesta de evaluación secuencial la cuál es la que se recomienda cuando se está probando un prototipo. La encuesta busca indagar la percepción del usuario con la silla y sin la silla con el fin si realmente es un aporte a la experiencia del simulador. (9)
Ilustración 25. Encuesta para la respuesta de la rutina.
De las encuestas se obtuvo el siguiente resultado:
Gráfica 6. Resultado de las encuestas. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 ¿Percibió los movimientos de la silla?
¿Es la silla una mejora para la sensación del
simulador?
¿Usaría la silla de nuevo?
¿Le pareció ruidosa la silla?
¿Son los movimientos de
la silla muy fuertes?
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De las encuestas se observa que todos los voluntarios percibieron los movimientos de la silla, al igual que piensan que el sistema hace una gran mejora para la sensación del simulador y usarían la silla de nuevo. Debido al tamaño de los actuadores y el juego entre piezas, la silla generaba un poco de ruido pero los usuarios no lo percibieron. La última pregunta indaga si las presiones de la silla son muy grandes, de tal manera que incomoden al usuario, pero el resultado nos dice que las presiones no son muy fuertes manteniendo al usuario en una posición de confort.
36
9.
CONCLUSIONES
- Se cumplen todos los objetivos del proyecto siguiendo todos los pasos de diseño en donde se finalizó con un prototipo programado. El prototipo cumple con el objetivo de hacer presiones sobre la espalda del usuario al igual que los cortantes en las piernas con el fin de mejorar las sensaciones que se perciben dentro de un simulador.
- Claramente el sistema háptico es una mejora para el simulador gracias a que no solo se basa en el medio audiovisual sino que ahora incorpora otro sentido como es el háptico.
- La silla programada queda a disposición del laboratorio para que cualquiera pueda usarla y continuar trabajando en nuevos proyectos que mejore tanto la experiencia del simulador y su apariencia.
- La silla tiene un tamaño considerablemente pequeño lo cual rompe con los simuladores tradicionales, que son robustos y costosos. El tamaño tiene la ventaja que se pueden instalar muchas de estas sillas una al lado de la otra. En cuanto al peso si algo elevado debido a los actuadores que se trabajaron, cada actuador pesa cerca de 6 Kg cada uno.
- El costo de la silla fue de cerca COP$ 400,000 en donde lo más costoso son los actuadores los cuales tienen un costo aproximado de COP$ 1.000,000 cada uno, dando así un total de COP$ 2.400,000. El costo de la silla se puede reducir optimizando la selección de materiales y de actuadores.
- De las pruebas se comprueba que la silla hace presiones sobre el usuario y que se optimiza la experiencia del simulador.
- Con la silla ya en funcionamiento se observaron pequeñas fallas las cuales pueden ser mejoradas para la optimización de la silla. Dado la restricción de los actuadores Exlar disponibles en el laboratorio, hacen que la silla sea considerablemente pesada, también que la fuerza que hacen los actuadores terminan afectando la estructura. Así que se recomienda reforzar la estructura y escoger otro tipo de actuadores los cuales sean más livianos y portables para prevenir un daño en el futuro.
- Otra consideración es reducir el juego entre piezas que cuando los actuadores están operando la fuerza de los actuadores hacen que se desalinean perdiendo así la dirección de la fuerza, al igual que las uniones universales.
- Por último se puede mejorar la estética de la silla instalando una cojinería para que luzca como una silla de carro y que busque ocultar los actuadores.
- En el futuro se busca que el sistema pueda replicar las señales en tiempo real en donde se le pueda acoplar un set de pedales y un timón.
37
10.
BIBLIOGRAFÍA
1. [En línea] Imagen tomada de http://www.fib.upc.edu/retro-informatica/avui/simulacio.html. 2. Barreto, Juan Pablo. Implementación de un simulador de conducción en una plataforma de
Stewart. Bogotá : Universidad de los Andes, 2008.
3. US ARMY. Anthropometry. and Mass Distribution. Yellow Springs : US ARMY, 1988. 4. Army Research Laboratory. Loading Rate Effect on Tensile Failure Behavior of Gelatins. [Document] Aberdeen Proving Ground : s.n., 2010.
5. Shigley. Diseño en ingeniería mecánica. México : Mc GRaw Hill, 2012. ISBN 978-607-15-0771-6. 6. Live for Speed. 2013.
7. xs4all.
8. Yaskawa. SMC-4000 User´s Manual. 2004.
9. Doug Bowman, Joseph L. Gabbard y Deborah Hix. A Survey of Usability Evaluation in Virtual
Environments: Classification and Comparison of Methods . s.l. : Virginia Tech, 2002.
10. BiblioCAD. Automovil opel corsa. [Imagen] s.l. : BiblioCAD, 2013.
11. STAARINK, HENRICUS ANTONIUS MARIA. DISPOSITIVO PARA EL SOPORTE DE UNA PERSONA SENTADA Y METODO DE AJUSTE ,DISEÑO Y/O FABRICACION DE DICHO DISPOSITIVO. A47C7/46 Paises bajos, 01 de 06 de 2005. Hardware.
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11.
ANEXOS
11.1 Planos
