Programación para la asistencia a la conducción de una silla de ruedas

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(1)PROGRAMACIÓN PARA LA ASISTENCIA A LA CONDUCCIÓN DE UNA SILLA DE RUEDAS. JULIÁN ANDRÉS POLINDARA TOBAR. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FALCULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2003.

(2) MIM-2003-I-15. ii. PROGRAMACIÓN PARA LA ASISTENCIA A LA CONDUCCIÓN DE UNA SILLA DE RUEDAS. JULIÁN ANDRÉS POLINDARA TOBAR. TESIS DE MAGISTER. ASESOR CARLOS FRANCISCO RODRIGUEZ HERRERA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2003.

(3) MIM-2003-I-15. iii. Bogota, 02 de julio de 2003.. Doctor ALVARO E. PINILLA Director Depto. de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes Ciudad. Respetado Doctor:. Por medio de la presente, someto a consideración suya la tesis de magíster titulada “Programación para la asistencia a la conducción de una silla de ruedas”, la cual representa una contribución al desarrollo de la robótica en Colombia y al mejoramiento de la calidad de vida de las personas discapacitadas.. Considero que este trabajo cumple con los objetivos planteados y lo presento como requisito para la obtención del titulo académico del Magíster en ingeniería mecánica.. Cordialmente,. Julián Andrés Polindara Tobar Cod. 200129014.

(4) MIM-2003-I-15. iv. Dedicada, A mi madre Efigenia , hermanita Paola , y a la memoria de mi padre..

(5) MIM-2003-I-15. v. AGRADECIMIENTOS. Sea esta la oportunidad para agradecer a todas aquellas personas que de una u otra manera me ayudaron. para la. realización de esta tesis de magíster, agradeciendo. especialmente a:. Al profesor Carlos Francisco Rodríguez por enseñarme a tener una visión diferente de los problemas que se enfrenta en el desarrollo de un proyecto sus valiosos aportes al mismo y por la confianza depositada.. Al profesor Alain Gauthier. por permitirme se parte del proyecto “Asistencia a la. Conducción de una Silla de Ruedas”, por la serenidad, tranquilidad como maneja las cosas y la información que me suministro.. Al Grupo de Robótica y Tiempo Real del Departamento de Informática e Ingeniera de Sistemas del Centro Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza , en particular a Luis Montano, Javier Minguez, José Neira, Carlos Sagüéz, José Asensio.. A mi amigo y compañero de trabajo Jaime Andrés Velásquez, por su incondicional ayuda, en las arduas y extenuantes jornadas de trabajo.. A la familia Velásquez por brindarme su hogar como una segunda casa.. A mis compañeros de apartamento y amigos Fabiola, por su amistad y apoyo.. Luis, Paulo, Cesar, Diana, Poncho,.

(6) MIM-2003-I-15. A mis compañeros de maestría por su. vi. colaboración y amistad en especial Nelson. Escobar, Luis Zalamea, Mónica Álvarez, Leonora de Lemos, Oscar Anaya, Fabián Gonzáles, Omar López, Germán López ,Juan Fajardo y Andrés Ceron.. A Fabián y Jimmy Niño del CITEC por todas las molestias causadas.. A Alberto Giraldo, por su colaboración y asesoría.. A Luis Flores, por su colaboración y ayuda.. A Camilo Loboguerrero y Fernando Duran por su apoyo y colaboración.. A la Universidad de los Andes por brindarme la oportunidad pertenecer al grupo de asistentes graduados en calidad de investigador y profesor.. A Anamaría por brindarme su apoyo y paciencia de forma incondicional.. Por último a mi solo me falta dar gracias a mi familia en especial a mi mamá y hermanita por apoyarme siempre, y preocuparse por mi educación.. A COLCIENCIAS, por proporcionar el apoyo económico para realizar este proyecto por medio del contrato 0008-16/00..

(7) MIM-2003-I-15. vii. CONTENIDO. Pág.. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 13 OBJETIVOS................................................................................................................ 15 1.. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO .............................................................. 16. 1.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 16. 1.2. DEFINICIÓN DEL PACIENTE. .................................................................... 17. 1.2.1. Características de la silla de ruedas para niños con Parálisis Cerebral. ...... 19. 1.3. DISEÑO ESTRUCTURAL............................................................................. 20. 1.4. SISTEMA MOTRIZ ....................................................................................... 22. 1.4.1 2. 2.1 3. 3.1 4.. Cálculo del torque requerido. ...................................................................... 22 SISTEMA DE CONTROL................................................................................. 30 CLASIFICACIÓN DE LAS FUNCIONES .................................................... 32 SISTEMA DE SEGURIDAD ............................................................................. 35 CLASIFICACIÓN DE LAS ZONAS DE SEGURIDAD............................... 36 SEGUIMIENTO DE MUROS. ........................................................................... 42. 4.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 42. 4.2. DESCRIPCIÓN DEL MODELO .................................................................... 43. 4.3. SIMULACIÓN................................................................................................ 50. 4.4. PRUEBAS Y AJUSTES ................................................................................. 53. 5. 5.1. PASAR PUERTAS ............................................................................................. 56 INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 56.

(8) MIM-2003-I-15. viii. 5.2. DESCRIPCION DEL MODELO .................................................................... 57. 5.3. SIMULACIÓN................................................................................................ 59. 5.4. PRUEBAS Y AJUSTES ................................................................................. 60. 6.. SOFTWARE DE CONTROL ............................................................................. 62. 7.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 64. BIBLIOGRAFIA......................................................................................................... 66 ANEXOS..................................................................................................................... 68.

(9) MIM-2003-I-15. ix. LISTA DE TABLAS. Tabla 1.1 Medidas Antropométricas. Tabla 1.2 Cálculo del peso de la silla de ruedas. Tabla 1.3 Influencia del diámetro de la rueda en el torque requerido. Tabla 1.4 Torque máximo y nominal considerando resistencia a la rodadura. Tabla 1.5 Combinación de Servomotor – Reductor..

(10) MIM-2003-I-15. x. LISTA DE FIGURAS. Figura 1.1 Medidas Antropométricas necesarias para el diseño de una silla de ruedas. Figura 1.2 Prototipo final. Figura 1.3 Diagrama de cuerpo libre de una rueda en movimiento. Figura 1.4 Diagrama de cuerpo libre de una rueda en una rampa. Figura 1.5 Distribución de presión en una llanta quieta. Figura 1.6 Ubicación de la fuerza normal cuando avanza la rueda. Figura 2.1 Diagrama de bloques del control de movimiento. Figura 2.2 Esquema de la arquitectura de funciones Implementado. Figura. 3.1 Ubicación sensores de ultrasonido SFR-08 vista superior. Figura 3.2 Vista frontal inclinación sensores de ultrasonido. Figura 3.3 Esquema función seguridad. Figura 3.4 Zonas de seguridad movimiento hacia adelante . Figura 3.5 Zonas de seguridad movimiento hacia atrás. Figura 3.6 Zona de seguridad giro sobre su propio eje. Figura 3.7 Zona de seguridad Movimiento hacia delante realizando un giro a la derecha o izquierda. Figura 3.8 Zona de seguridad Movimiento hacia atrás realizando un giro a la derecha o izquierda. Figura 4.1 Seguir Muro. Figura 4.2 Seguimiento de Muro. Figura 4.3 Mediciones del sensor de ultrasonido. para diferentes orientaciones de la. silla de ruedas con una misma distancia de sensado. Figura 4.4 Consideraciones de la función “Seguir Muro. Figura 4.5 Seguimiento de Muro simplificado. Figura 4.6 Triángulo de cambio de posición..

(11) MIM-2003-I-15. Figura 4.7 orientación seguimiento de muro. Figura 4.8 Velocidad de avance Función “Seguir Muro”. Figura 4.9 Prueba Uno Simulación. Figura 4.10 Prueba Dos Simulación. Figura 4.11 Prueba Tres Simulación. Figura 4.12 Prueba Cuatro Simulación. Figura 4.13 Prueba Cinco Simulación. Figura 4.14 Prueba Seis Simulación. Figura 4.15 Prueba 7 Simulación CITEC. Figura 4.16 Prueba 1 Real CITEC. Figura 4.17 Comparación entre la prueba real y simulada. Figura 5.1 Situaciones de Pasar Puerta. Figura 5.2 Pasar Puerta. Figura.5.3 Pasar Puertas Prueba 1. Figura 5.4 Pasar Puertas Prueba 2. Figura 5.5 Pasar Puertas Prueba 3. Figura 5.6 Prueba real pasar puerta caso uno. Figura 5.7 Prueba real pasar puerta caso dos.. Figura 6.1 Software de control Figura 6.2 Interfaz grafica. xi.

(12) MIM-2003-I-15. xii. RESUMEN. PALABRAS CLAVES: Robots Móviles. Navegación de Robots. Control Supervisado. Seguimiento de Muros. Pasar Puertas.. DESCRIPCION: En este documento se presenta una estructura de control supervisado para la asistencia a la conducción de una silla de ruedas robotizada. Con esta estructura se pretende aprovechar la capacidad del usuario de la silla de ruedas, aumentándola con un sistema de seguridad, que evite que la silla evolucione hacia situaciones peligrosas para el usuario, y de un sistema de funciones especiales o de alto nivel. Estas funciones son de dos tipos: unas liberan al usuario de actuaciones tediosas, mientras que otras le permiten conducir la silla en situaciones complejas..

(13) MIM-2003-I-15. 13. INTRODUCCIÓN. La robótica móvil tradicionalmente ha sido enfocada como automática, con lo cual los sistemas se programaban para realizar siempre las mismas labores en circunstancias perfectamente definidas a priori, así por ejemplo, los vehículos iban automáticamente de un punto a otro por una trayectoria fijada con anterioridad, de la cual no podían desviarse porque estaban preparados sólo para operar bajo estas condiciones.. Actualmente esta tendencia ha cambiado, los sistemas son autónomos y están proyectados para actuar en circunstancias diferentes de lo normal, por medio de una dotación sensorial para percibir y modelar el entorno, con el fin de tomar decisiones en la planificación de trayectorias.. En este trabajo se propone un sistema de control supervisado para facilitar la conducción de una silla de ruedas robotizada. Con esta estructura se pretende aprovechar la capacidad del usuario de la silla de ruedas, aumentándola con un sistema de seguridad y un conjunto de funciones especiales o de alto nivel.. En su funcionalidad más básica, el usuario da indicaciones globales de la trayectoria que desea seguir, mientras que un sistema sensorial se encarga. de verificar la. seguridad del movimiento modificando las trayectorias para evitar situaciones potencialmente peligrosas para el usuario, como choques, huecos y escaleras..

(14) MIM-2003-I-15. Adicionalmente. 14. incluyó un conjunto de funciones especiales que permiten apoyar la. conducción en dos sentidos: por una parte permiten relevar al usuario en situaciones de conducción tediosas tales como avanzar por un corredor, seguir un animal o ir al lado de una persona. Por otra parte asiste la conducción en situaciones complejas como pasar por una puerta, ubicarse al lado de un sanitario, colocar al usuario al lado de una mesa o una cama.. La solución propuesta no pretende ser autónoma sino de asistencia a la conducción de la. silla.. Otros. trabajos. con. objetivos. similares. han. planteado. soluciones. completamente autónomas (Kollmann J. 1997) o con arquitecturas de asistencia fuertemente basadas en la generación automática de trayectorias a partir de mapas del entorno (Niniss y Nadif 2000).. Por otra parte, se han estudiado diversos sistemas sensoriales para detección de situaciones peligrosas para sillas de ruedas (Iwan e Illah 2000, Simon et al. 1999), pero su enfoque principal ha sido hacia la detección de obstáculos con los que puede chocar la silla.. En este trabajo se describe la construcción del prototipo, el sistema de control, el sistema de seguridad y. funciones de alto nivel en acciones tediosas y complejas. implementadas en el prototipo..

(15) MIM-2003-I-15. 15. OBJETIVOS. Los objetivos de este proyecto son: •. Desarrollar sistemas de control que permitan el seguimiento de trayectorias, de forma segura en una silla de ruedas eléctrica manipulada por un niño. •. Construir un prototipo físico.. •. Desarrollar funciones de alto nivel.. •. Efectuar pruebas de funcionamiento y ajustes respectivos.. Este trabajo esta enmarcado en el proyecto “Asistencia a la Conducción de una Silla de Ruedas” financiado por COLCIENCIAS, contrato 0008-16/00..

(16) MIM-2003-I-15. 16. 1. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO. 1.1 INTRODUCCIÓN. Con base en trabajos anteriormente realizados desde 1996 con Jorge Alberto Cuellar en su tesis de pregrado sobre “Aplicación de técnicas de robótica para control de sillas de ruedas” se iniciaron una serie de trabajos sobre “Silla de ruedas” con el objetivo de realizar una silla de ruedas robotizada para niños con discapacidades físicas. Existe un prototipo anterior el cual presenta problemas de espacio y flexibilidad para acondicionar. diferentes elementos. como: baterías, sensores, electrónica y un. computador.. El nuevo prototipo construido es de forma modular con lo cual se presentan ventajas como: •. Una plataforma móvil a la cual se pueden adaptar diferentes tipos de asientos.. •. Asiento reclinable y ergonómico.. •. Apoya-pies y apoyabrazos graduables en diferentes posiciones.. •. Módulos de electrónica con conectores rápidos.. •. Módulos independientes de sensores, interfaz, PC.. En este capítulo se presentan algunas descripciones y cálculos realizados en el diseño de la estructura mecánica..

(17) MIM-2003-I-15. 17. 1.2 DEFINICIÓN DEL PACIENTE. A partir de un estudio realizado en el Instituto de Ortopedia Infantil Roosvelt (IOIR) y consultando a los médicos de dicha institución se llegó a la conclusión de que las enfermedades más comunes que se presentan en este centro son: PC (Parálisis Cerebral) y Guillám Barré.. La parálisis cerebral (PC) es una condición causada por heridas en aquellas partes del cerebro que controlan la habilidad de mover los músculos y el cuerpo. La herida ocurre a menudo antes del nacimiento, a veces en parto o después del nacimiento. La parálisis cerebral puede ser leve, moderada, severa. Parálisis cerebral leve puede significar que el niño es torpe, moderada que el niño cojea al caminar y parálisis cerebral severa puede afectar todos los aspectos de las habilidades físicas del niño.. Guillám Barré es una enfermedad de tipo viral que puede afectar a cualquier ser humano. Ataca el sistema muscular, haciendo que el niño pierda fuerza en sus extremidades superiores e inferiores. Esta enfermedad se puede recuperar con un adecuado tratamiento y rehabilitación siempre y cuando se detecte a tiempo.. Estas enfermedades pueden ser temporales, y con un adecuado tratamiento se puede recuperar el paciente. Se seleccionaron estas dos enfermedades debido al número ocurrencias en consultas al IOIR. Adicionalmente algunos estudios indican que en el mundo nacen con PC alrededor de 450.000 niños por año. Por ejemplo en España nacen alrededor de 1500 bebes por año con PC y en Chile cerca de 350.. La operación de una silla de ruedas como la propuesta en este proyecto, requiere que los niños no tengan problemas cognocitivos y que tengan algún grado de control de movimiento en sus miembros superiores o la cabeza. Los niños seleccionados inicialmente para el estudio están en un rango de edad de 9 a 10 años..

(18) MIM-2003-I-15. 18. Para diseñar la estructura de la silla de ruedas y el asiento, se utilizaron las medidas antropométricas reportadas por el Laboratorio de Antropometría de la Universidad Nacional de Colombia, que originalmente se emplearon para la determinación de las especificaciones técnicas para la producción de Mobiliario Escolar para el país, según el informe técnico realizado para el M.E.N y el F.I.S en Diciembre de 1996.. Figura 1.1 Medi das antropométricas necesarias para el diseño de una silla de ruedas. En la figura 1.1 se ilustran las principales medidas de referencia que son necesarias para definir las dimensiones principales de la silla de ruedas. Para niños que tienen problemas de parálisis cerebral su crecimiento es diferente al de los niños normales por lo cual se trabaja con el percentil 5 de niños normales. En la Tabla 1.1 se listan estas medidas y se resaltan aquellas que se utilizaron para el diseño de la silla..

(19) MIM-2003-I-15. 19. Tabla 1.1 Medidas Antropométricas Ref. Dimensional. Niños 9 Años. Niñas 9 Años. Niños 10 Años. Niñas 10 Años. 1. 32,2. 33,4. 34,3. 35,5. 2. 31,5. 31. 33. 32,8. 3. 14,8. 14,4. 15,3. 15,3. 4. 29,2. 28. 29,8. 29,6. 5. 23,9. 22,5. 24,7. 24. 6. 24,5. 25. 25,1. 25,5. 7. 19,6. 17,7. 19,7. 19,3. 8. 30,9. 30,4. 31,3. 31,7. Medidas en centímetros.. Al utilizar los valores destacados en la tabla anterior se garantiza que el niño que utilice silla de ruedas no tenga problemas al estar sentado en ella durante un número de horas razonable.. 1.2.1. Características de la silla de ruedas para niños con Parálisis Cerebral.. Teniendo en cuenta los requerimientos para niños con parálisis cerebral son más restrictivos que para niños con Guillám Barré, se tomaron como base de diseño los niños con PC. A continuación se enumeran las características deseables de la silla de ruedas, desde el punto de vista ergonómico. •. El asiento debe estar inclinado entre 5º y 10º respecto a la horizontal para evitar que los niños se resbalen de la silla y se puedan caer.. •. El apoyabrazos debe tener la opción de poder sujetar los brazos del niño debido a que algunos de ellos presentan espasticidad en los miembros superiores y es recomendable sujetarlos para que puedan accionar la silla de ruedas.. •. El espaldar debe tener la capacidad de poder graduarse en inclinación debido a que el niño permanece mucho tiempo en la silla y normalmente una persona tiene.

(20) MIM-2003-I-15. 20. que estar cambiando de posición cada 2 horas a lo sumo, para evitar que se le produzcan úlceras y escoriaciones. •. Los niños deben tener sujeción de tronco para evitar potencialmente la deformación de la columna vertebral.. •. La silla debe facilitar la posición sedente funcional (PSF) del usuario.. •. La longitud del asiento debe estar entre 33 y 39 centímetros y el ancho entre 25 y 36 centímetros.. •. Las telas que se utilicen para su fabricación deben ser de materiales que no produzcan alergia. Además deben ser de fácil limpieza ya en ocasiones los niños no tienen control de esfínteres.. •. Debe cumplir con las normas ICONTEC NTC 4269, que tratan sobre las dimensiones máximas de la silla de ruedas.. 1.3. DISEÑO ESTRUCTURAL. Para el diseño de la estructura de la silla de ruedas se plantearon diferentes modelos de estructuras en tubería, perfil cuadrado, en lámina optando por realizar la estructura en tubería cold- rolled de 1” y calibre 18, para soportar un peso de 160 Kg incluyendo el peso del usuario, adicionalmente a las características mencionadas anteriormente desde el punto de vista ergonómico se consideraron los siguientes aspectos: •. Fácil mantenimiento y accesibilidad.. •. Proceso de manufactura asequible en el medio local.. •. Fácil transporte.. •. Buena distribución de los componentes (motores, reductores, baterías, etc.) para lograr un centro de masa adecuado.. •. Colores llamativos para los niños..

(21) MIM-2003-I-15. 21. En la figura 1.2 se puede observar el prototipo final construído se divide en dos módulos principales. Uno consta de una plataforma móvil (armazón) al cual están unidos los apoyabrazos y los apoyapíes, en este módulo se ubica el sistema motriz, la electrónica, el sistema sensorial y la interfaz. En el otro módulo se encuentra el conjunto asiento compuesto por marcos ajustables para el espaldar y el asiento de tal forma que permitan que la silla sea reclinable.. Parada Botón Seguir Muro. a). Botón Pasar Puerta. Movimiento hacia Adelante. Giro a la Derecha. Giro a la Izquierda. Movimiento hacia Atrás b) a). c). Estructura Modular (Asiento y Plataforma Móvil ), b) Interfaz , c) Vista Frontal Silla de Ruedas Figura 1.2 Prototipo final.

(22) MIM-2003-I-15. 22. La unión de la plataforma móvil con el asiento se hace por medio del acople entre tubos dispuestos convenientemente. Esta característica permitirá instalar sobre la misma plataforma móvil asientos con diseños que respondan a otros requerimientos según el paciente.. 1.4. SISTEMA MOTRIZ. Para el cálculo del sistema motriz se parte de la restricción de velocidad, aceleración y desaceleración para sillas de ruedas motorizadas (norma internacional ISO 7176-6) en las cuales se enuncia que la máxima velocidad permitida es de 15 [Km/h] (4.167 m/s).. Con estas limitantes, se definieron las velocidades y torques requeridos para mover la silla en diversas situaciones y se seleccionaron los equipos comerciales que conformarán el sistema motriz (reductor, servomotor, rueda).. 1.4.1. Cálculo del torque requerido.. Estimación del peso. Partiendo de trabajos anteriores y utilizando la información disponible en catálogos de fabricantes se estimó el peso total de la silla de ruedas. •. El paciente definido tiene un peso máximo de 60 [Kg]. •. Dos servomotores pesan alrededor de 5 [Kg] cada uno y dos reductores pesan 2.5 [Kg] cada uno.. •. Las baterías adecuadas para esta aplicación tienen una capacidad de 12 [V] y 17 [A]. Se requieren 4 baterías de las mismas características que pesan alrededor de 7.2 [Kg] cada una..

(23) MIM-2003-I-15. •. 23. La electrónica de control que esta compuesta por una tarjeta de control de movimiento,. un. computador. industrial,. amplificadores. y. el. módulo. de. alimentación, pesa aproximadamente 6 [Kg]. •. Base armazón silla de ruedas 9[Kg]. •. Asiento 8 [kg]. •. Base soporte caja de baterías 15 [kg].. •. Accesorios como apoya pies, descansa-brazos, interfaz, cilindros de gas bloqueables para subir y bajar los apoya pies y apoyabrazos 10[Kg]. En consecuencia los cálculos para seleccionar el sistema motriz se realizarán para mover 152 [Kg]. En la tabla 1.2 se presenta un resumen del peso de cada uno de los componentes. Tabla 1.2 Cálculo del peso de la silla de ruedas COMPONENTES. PESO [KG]. Niño. 60. Estructura silla(base, asiento, accesorios). 27. Servomotores y Reductores. 15. Baterías y soporte baterías. 44. Electrónica de control. 6. Peso Total. 152. Cálculo del coeficiente de fricción interna. Para obtener este coeficiente se considera la situación en la que una rueda se mueve sin patinar sobre una superficie horizontal mientras soporta una carga vertical (W ) en su centro (figura 1.3). Si la rueda gira sobre un eje se requiere una fuerza horizontal (P) para mantener el movimiento a velocidad constante, debido a la existencia de fricción entre la rueda y el eje..

(24) MIM-2003-I-15. 24. Figura 1.3 Diagrama de cuerpo libre de una rueda en movimiento. La fuerza necesaria para que haya un movimiento a velocidad constante se puede expresar como (ecuación 1.1):. P=. W *a r. (1.1). Es decir que la fuerza que se opone al movimiento se puede expresar como una fracción de la carga soportada, que depende de los coeficientes de fricción entre diversas superficies en contacto. Esta fracción se denomina coeficiente de fricción interna (p). En este caso se estima que será del 1% para las llantas delanteras y el 1.5% para las traseras.. Para obtener un valor de coeficiente de fricción interna promedio para la silla de ruedas se debe tener en cuenta que la carga es soportada un 60% por las llantas traseras y un 40% por las llantas delanteras. Por lo tanto, el valor del coeficiente p=1.2%.. Cálculo del torque máximo y nominal. La situación donde se requiere un mayor torque es aquella en donde la silla de ruedas necesita arrancar en una rampa ver figura 1.4 de acuerdo con la norma técnica.

(25) MIM-2003-I-15. 25. colombiana NTC 4143 los accesos para silla de ruedas deben tener una pendiente máxima del 12%, para una rampa de longitud máxima de 3 metros.. Figura 1.4 Diagrama de cuerpo libre de una rueda en una rampa. La ecuación (1.2) corresponde al cálculo del torque máximo, teniendo en cuenta la condición más crítica que es el arranque en una pendiente, ilustrado en la figura 1.4..  v   M ⋅   + ( g ⋅ p ⋅ cos ( θ ) + g ⋅ sin( θ ) )  t   Fm := 2. Tm=Fm*r. (1.2). (1.3). La ecuación (1.5) corresponde al cálculo del torque nominal en la misma situación.. Fnom :=. M ⋅ ( g ⋅ p ⋅ cos ( θ ) + sin( θ ) ⋅ g) 2. Tn= Fnom*r. (1.4). (1.5). Se realizaron los cálculos respectivos, para ruedas de tracción de diferentes diámetros manteniendo constantes los siguientes parámetros:.

(26) Velocidad de avance de 0.277[m/s], p = 0.12, t = 0.25 [s], θ = 6.8 [º], Los diámetros que se consideraron son los que se consiguen comercialmente (8, 10, 121/2 y 15) en [In]. Los resultados se ilustran el la tabla 1.3. Tabla 1.3 Influencia del diámetro de la rueda en el torque requerido Radio Rueda Tracción [m]. 0.1016. 0.127. 0.1587. 0.1905. Torque Máximo. 26. 32,5. 40,6. 48,8. Torque Nominal. 17,6. 22. 27,56. 33. Torque[Nm]. Efecto de resistencia a la rodadura.. Debido al aplastamiento de las ruedas al soportar la carga realmente se requiere un torque más alto para producir el movimiento deseado. Este efecto se denomina resistencia a la rodadura y depende de factores tales como la presión de inflado, la temperatura, la velocidad y la carga soportada.. El fenómeno resulta de un corrimiento de la fuerza normal en el sentido de avance de la rueda debido al cambio en la distribución de presiones entre la rueda y el suelo. La figura 1.5 ilustra la distribución de presión y la fuerza normal resultante cuando la rueda está quieta, mientras en la figura 1.6 se muestra como evolucionan estas variables cuando se aplica un torque en el eje de la rueda para que esta avance.. Figura 1.5 Distribución de presión en una llanta quieta.

(27) MIM-2003-I-15. 27. Se obtienen las siguientes ecuaciones (1.6 y 1.7) para calcular el torque requerido máximo y nominal respectivamente, considerando la resistencia a la rodadura:. Figura. 1.6 Ubicación de la fuerza normal cuando avanza la rueda.  V    M    + g ( p * cos(θ ) + sen (θ ) )   t    d * M * g * cos(θ ) * p Tm = R *  + 2 2. Tn = R *. ( M (g ( p * cos(θ ) + sen(θ )))) 2. +. d * M * g * cos(θ ) * p 2. (1.6). (1.7). Donde la resistencia a la rodadura depende de la distancia de aplastamiento, que varía con el diámetro de la llanta. Realizando este ajuste se obtiene la siguiente tabla:. Tabla 1.4 Torque máximo y nominal considerando resistencia a la rodadura Diámetro [m]. 0,102. 0.127. 0.1587. 0.1905. d [m]. 0,027. 0,030. 0,030. 0,048. Tm [Nm]. 28,47. 35,14. 43,27. 52,97. Tn [Nm]. 20. 24,66. 30,17. 37,25.

(28) MIM-2003-I-15. 28. Selección de servomotores y reductores.. Selección de servomotores.. Para la selección de los servomotores se tuvieron en cuenta los siguientes factores:. Voltaje de alimentación.. Velocidad.. Corriente de consumo.. Costo.. Torque Nominal y pico.. Mantenimiento.. Tamaño.. Existen varias posibilidades que cumplen los requisitos, pero un factor muy importante para tomar la decisión fue el costo. Por ejemplo, los servomotores eadmotors serie DA42FBB, son muy caros ya que el fabricante los vende por cantidad y no por unidad, los servomotores de polysci presentan una desventaja ya que el rango de velocidades es bajo. Por otra parte los servomotores de Electro-craft, presentan varias ventajas como son bajo consumo de voltaje y corriente con lo que se obtiene una mayor autonomía, y menor costo ya que son un 27% más económico que las demás marcas sin sacrificar calidad.. Selección de reductores.. Para su selección se tuvieron en cuenta los siguientes factores: Peso.. Tamaño.. Eficiencia.. Anclaje.. Relación de transmisión.. Costo.. Los reductores son reductores sin fin corona a 90º con una relación de transmisión de i = 21.5 y una velocidad de operación de 1750[Rpm], cumpliendo con los requerimientos mencionados..

(29) MIM-2003-I-15. 29. En la tabla 1.5 se presentan diversas combinaciones posibles de servomotores y reductores que se pueden acoplar con los productos disponibles en el mercado. Estas combinaciones tienen en cuenta las limitaciones de voltaje y corriente de alimentación del servomotor. Tabla 1.5 Combinación de Servomotor –Reductor Características Servomotor llanta [in]. V [VDC]. Tm [Nm]. Rpm. I [A]. Marca. Serie. W [Kg]. 8 8 8. 36 36 40. 1,76 1,27 1,12. 1150 1750 2000. 8 6,8 5,8. Polysci Eadmotors Moog. C42-L70 DA42FBB 944. 5,67 7,14 5,6. 8 10 12. 48 48 36. 1,67 1,67 1,09. 870 690 1750. 5,8 5,8 6,8. Polysci Polysci Eadmotors. C42-L70 C42-L70 DA42FBB. 5,67 5,67 2,49. 12 12 12. 40 36 36. 1,12 1,76 1,76. 1000 1150 1000. 4,4 8 8. Moog Polysci Polysci. 1244 C42-L70 C42-L70. 5,6 5,67 5,67. 12 12 15 15. 36 36 48 48. 1,27 1,27 1,27 1,27. 1500 1500 2000 2000. 5,6 5,6 5,6 5,6. Electro-craft Electro-craft Electro-craft Electro-craft. 1842419031 1842419031 1842419031 1842419031. 4,5 4,5 4,49 4,49. Características Reductor llanta [in]. Serie. W [Kg]. V [Km/h]. % Torque Nominal. Boston Boston Parker. 713 713 60. 5 5 3,8. 2,21 2,24 1,92. 149,5 152,5 170,0. 30 31,6 30,5. Winsmith Boston Boston. 913 713 713. _ 5 5. 1,12 1,32 3,35. 137,87 121,65 98,91. 0,24 0,21. 50 42,9 47. Parker Boston Andantex. 92 715 588350. 5 8,2 7. 3,83 1,65 1,15. 165,72 142,19 155,78. 21,5 31 50. 0,24 _. 27,3 39 64. TP Sew Parker. Tf-35 SF 37 92. 7 8 5. 3,33 2,81 3,59. 90.4 129,26 171,81. 50. _. 64. Parker. 93. 5. 3,59. 171,81. i. HP entrada. T [Nm]. Marca. 8 8 8. 20 30 40. 0,29 0,21 _. 29,9 30,5 34. 8 10 12. 30 25 30. 0,2 0,15 0,21. 12 12 12. 15 40 50. 12 12 15 15. Sistema motriz seleccionado.

(30) MIM-2003-I-15. 30. 2. SISTEMA DE CONTROL. El sistema de control que se propone es de control compartido o supervisado, en el cual el usuario indica la dirección de movimiento por medio de una interfase (tablero de botones o joystick), ver figura 1.2b, y el sistema de control lo valida automáticamente, verificando que la silla no se encuentre en una situación de peligro.. El control compartido tiene como prioridad obedecer las órdenes que provengan del sistema sensorial (compuesto por sensores de ultrasonido e infrarrojos) ya que el usuario, debido a su discapacidad, puede estar ordenándole a la silla un movimiento inseguro el cual perjudica su integridad personal.. El sistema de control esta compuesto por un computador industrial que información. recibe la. del sistema sensorial y de la interfaz. Esta información es procesada y. enviada a la tarjeta de control de movimiento (Galil DMC 1822), por medio de un puerto de comunicación tipo PCI, dicha tarjeta se comunica con los amplificadores por medio de una variación de voltaje. Esta variación de voltaje es enviada a los servomotores, produciéndose una velocidad angular que es transmitida a los reductores, a su vez a las llantas, dando como resultado un desplazamiento. Por medio de los encoders de los servomotores se retroalimenta la tarjeta de control de movimiento verificando la orden suministrada por el computador industrial, esta secuencia se puede ver claramente en la figura 2.1.

(31) MIM-2003-I-15. 31. ENTRADA INTERFAZ COMPUTADOR INDUSTRIAL. I /O. SISTEMA SENSORIAL. DATOS. GALIL DMC 1822 X. LLANTA IZQUIERDA. REDUCTOR. Y. AMPLIICADOR. AMPLIFICADOR. LLANTA DERECHA. MOTOR IZQUIERDO. MOTOR DERECHO. REDUCTOR. ENCODER. ENCODER. Figura 2.1 Diagrama de bl oques del control de movimiento. Para entender las funciones lógicas de la situación de la silla, es necesario analizar el ambiente en el que se va ha desenvolver el paciente y las limitaciones físicas que tiene según su cuadro clínico.. Conforme se explicó en el desarrollo en la sección 1.2 el paciente presenta un desarrollo cognitivo acorde con su edad, no presenta disfunción mental. Físicamente sus movimientos son limitados, la mayoría de veces restringidos a uno solo de sus miembros o el cuello, carecen de fuerza y por ende de motricidad fina. Lo anterior hace pensar que el sistema debe ser capaz de realizar todas las funciones de movimiento a partir de una entrada sencilla, como es oprimir un botón, desplazar una palanca durante un tiempo corto, un movimiento de mentón, etc.. El ambiente en el que se desenvuelve el paciente en silla de ruedas, sin ninguna ayuda pero con alguna supervisón, es cerrado. Típicamente es un ambiente de hospital o.

(32) MIM-2003-I-15. 32. casa en el que se van a encontrar estructuras típicas como corredores, muebles, baños, escaleras, rampas y ascensores.. Entonces, se requiere una estructura lógica de funciones de movimiento de la silla capaz de ejecutarse a partir de entradas sencillas, restringidas a un ambiente cerrado de casa u hospital y que brinde un componente alto de seguridad al paciente.. 2.1 CLASIFICACIÓN DE LAS FUNCIONES Las funciones deben estar divididas en grupos jerárquicos según su complejidad e influencia en la seguridad del paciente. Esto con el fin de establecer un orden lógico de ejecución dentro del algoritmo de control de la silla.. Dicho esquema de jerarquías debe ser único para cualquier situación de la silla, buscando tener simplicidad en el diseño y un tiempo de ejecución del algoritmo de control lo menor posible.. La aplicación que ejecuta el algoritmo de control debe permitir el ajuste de ciertos parámetros en las funciones, como son radios de giro, velocidad máxima, velocidad mínima y distancias de seguridad.. Las funciones se dividen en dos grupos:. Básicas, en las que se incluyen funciones simples cuya ejecución es frecuente y primordial en la movilidad de la silla. Estas son: avanzar hacia adelante o atrás, girar a la derecha o izquierda y girar sobre su propio eje. También se incluyen en esta categoría las funciones de seguridad como la detección de huecos en el piso, de obstáculos e inclinación excesiva en una rampa..

(33) MIM-2003-I-15. 33. Especiales, en las que se incluyen funciones compuestas, formadas por la interacción de dos o más funciones básicas. Su ejecución es menos frecuente que las anteriores. Estas funciones especiales son de dos tipos. Una de tipo tedioso como por ejemplo: perseguir una persona, seguir un andén, seguir un muro, ir al lado de una persona. El otro tipo es de asistencia en situaciones complejas como por ejemplo: pasar por una puerta, ubicarse al lado de un sanitario, colocar al usuario al lado de una mesa o una cama. Como ejemplo de cada tipo de función se implementaron las funciones “Seguir Muro” y “Pasar Puerta”.. En la figura 2.2 se muestra un esquema de la arquitectura de las funciones propuestas, en este se distinguen tres niveles de funciones y los elementos del sistema de control que las realizan.. Las funciones de nivel 1 son funciones de seguridad que se ejecutan de forma continua siempre y cuando la silla este en movimiento. El resultado de su ejecución es una habilitación de las funciones de nivel 2, que son las de movilidad básica. Si alguna de las funciones de nivel 1 detecta una situación no segura bloquea los comandos de la interfaz que conducen a esta situación y detiene la silla.. Por ejemplo, la silla ha recibido la orden “avanzar hacia delante”, luego de avanzar cierto tiempo la función “detección de obstáculos” detecta la proximidad a una pared, como resultado de esto se bloquean los comandos que hacen avanzar la silla en esta dirección y la silla se detiene. Al usuario le quedan cuatro únicos comandos operables (funciones de nivel 2), girar a la derecha, girar a la izquierda, girar sobre su mismo eje o avanzar hacia atrás, todos ellos alejándolo de la situación de peligro, siempre y cuando las funciones de nivel 1 lo permitan.. Las funciones de nivel 2 son funciones de movilidad básica que se ejecutan como resultado de una entrada a través de la interfaz, previa habilitación de las funciones de nivel 1, como se explicó anteriormente..

(34) MIM-2003-I-15. 34. Las funciones de nivel 3. son funciones de alto nivel implementadas a través de un. algoritmo de control. Cada una de ellas tiene su propio elemento accionador en la interfase (un botón) y siempre están bajo la supervisión de las funciones de nivel 1 para evitar situaciones de riesgo. SISTEMA DE CONTROL DE LA SILLA TARJETA PC Funciones Especiales Pasar Puertas Seguir Paredes. INTERFACE. Funciones Básicas (Movilidad) Avanzar hacia adelante Avanzar hacia atrás Girar a la izquierda Girar a la derecha Girar en el mismo eje Módulo de sensores TARJETA CONTROL DE MOTORES. Funciones Básicas (Seguridad) Detección de Obstáculos Detección de Huecos Inclinación Excesiva. MOTOR IZQUIERDO. MOTOR DERECHO. Figura 2.2 Esquema de la arquitectura de funciones Implementado. SENSORES.

(35) MIM-2003-I-15. 35. 3. SISTEMA DE SEGURIDAD. En una silla de ruedas robotizada es muy importante determinar las situaciones de riesgo como son obstáculos (papelera, asientos, personas, materas, muros, etc.), huecos, escalones, empleando el sistema sensorial. Muchos niños que han tenido la oportunidad de utilizar sillas de ruedas eléctricas se han estrellado por la falta de un sistema sensorial teniendo como consecuencia que el niño queda con un gran temor de volver a utilizar una silla eléctrica.. Para desarrollar una función de seguridad que evite situaciones de riesgo se requieren algunos parámetros como: •. Dirección del movimiento.. •. Velocidad de avance.. •. Desaceleración.. •. Tiempo de frenado.. •. Distancia de frenado.. •. Tiempo de procesamiento de la información suministrada por el sistema sensorial..

(36) MIM-2003-I-15. 36. 3.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ZONAS DE SEGURIDAD La ubicación de los sensores de ultrasonido SFR-08 se puede observar en la figura 3.1. Estos se encuentran ubicados alrededor de la silla de ruedas, a una altura de 41 [cm] del piso ver figura 3.2 y con una inclinación respecto a la vertical de 30º. Esta inclinación se debe a que el cono del sensor de ultrasonido es de 88.7º (determinado por medio de pruebas realizadas con los sensores de ultrasonido). Con este cono se detecta el piso fácilmente, por ello se construyeron unas tapas laterales y traseras con una inclinación de 30º, donde son ubicados los sensores para poder tener una mayor distancia de sensado.. El sistema sensorial esta dispuesto de la siguiente manera: •. Dos sensores de ultrasonido en la parte frontal (A, B).. •. Dos sensores de ultrasonido en la parte lateral derecha e izquierda (F, G y D, C).. •. Un sensor de ultrasonido en la parte posterior (E). D. C. B. E. A. Sensores de Ultrasonido. F. G. Figura 3.1 Ubicación sensores de ultrasonido SFR-08 Vista superior.

(37) MIM-2003-I-15. 37. 30º. 30º. Figura 3.2 vista frontal inclinación sensores de Ultrasonido. Las zonas de seguridad se clasificaron según: •. El movimiento.. •. Las funciones especiales.. Dicha clasificación se realizó ya que cuando el niño cuando esta operando la silla de ruedas puede estar en diferentes situaciones como son: ir a diferentes velocidades hacia adelante, girar sobre su propio eje, avanzar y girar simultáneamente, avanzar hacia atrás. Debido a estas situaciones, el sistema sensorial debe estar. realizando. diferentes ciclos de sensado (consiste en realizar diferentes rutinas de sensado según la situación, por ejemplo ir hacia delante en línea recta, el ciclo de sensado es A y B).. Teniendo definido los diferentes ciclos de sensado según el movimiento se obtiene una mayor frecuencia de sensado (número de veces que se realiza un ciclo de sensado) en menor tiempo mejorando así el tiempo de respuesta frente a alguna.

(38) MIM-2003-I-15. 38. situación de riesgo mencionada anteriormente, esta clasificación se puede observar en la figura 3.3.. Movimiento. Adelante Atrás Izquierda Giros Adelante Derecho Seguir Muro. Izquierdo. Funciones Especiales Pasar Puerta. Figura. 3.3 Esquema Función seguridad. Movimiento hacia delante. En la Fig. 3.4 se observan las diferentes zonas de seguridad. Para el caso en cual la silla va hacia delante, cada una de estas tres zonas dependen de la velocidad de avance, estas zonas de seguridad son medidas por medio de dos sensores de ultrasonido. Por ejemplo si la silla se encuentra en la zona de alerta, esto implica que alguno de los sensores de ultrasonido midió una distancia entre 1,20 a 0.81 [m] y la silla de ruedas disminuye su velocidad. automáticamente en un 35%. Si la silla de. ruedas entra en la zona de bajo riesgo, la cual tiene un rango entre 0.8 a 0.4 [m] disminuye su velocidad en un 70% y por último, si la silla esta en la zona de peligro cuyo rango es entre 0.4-0.2 [m], se detiene y espera una nueva orden por parte del niño a través de la interfaz. Si el niño oprime. el botón de seguir hacia delante, el.

(39) MIM-2003-I-15. 39. sistema sensorial revisa que no se encuentre algún obstáculo sobre la zona de peligro para permitir un avance. Sensor de Ultrasonido. Sensor de Ultrasonido. Zona de Alerta Zona de Bajo Riesgo Zona de Peligro. Figura 3.4 Zonas de seguridad movimiento hacia delante. Movimiento hacia atrás En la figura 3.5 se observa la zona de seguridad empleada cuando la silla de ruedas esta realizando un desplazamiento hacia atrás, empleando un sensor de ultrasonido ubicado en la parte posterior central. de la silla de ruedas , con una distancia de. seguridad de 0.4[m]. Figura 3.5 Zona de seguridad Movimiento hacia atrás.

(40) MIM-2003-I-15. 40. Giro sobre su propio eje. En la figura 3.6 se observa la zona de seguridad que para este caso implica que el ciclo de sensado sea realizado por los siete sensores de ultrasonido (A, B, C, D, E, F, G) con el fin de evitar algún choque al realizar el giro.. Figura 3.6 Zona de seguridad giros sobre su propio eje. Movimiento hacia delante realizando un giro En la figura 3.7 se observa que existen dos ciclos de sensado dependiendo del movimiento a realizar. Por ejemplo si se va a realizar un giro a la derecha avanzando a la vez el ciclo de sensado es (A, B, C) y si el movimiento es hacia la izquierda entonces el ciclo de sensado es (B, C, F). Cada uno de estos ciclos de sensado también tiene tres zonas de seguridad debido a las tres velocidades de avance.. Movimiento Hacia atrás realizando un giro En la figura 3.8 se observa la zona de seguridad cuando la silla de ruedas esta realizando un movimiento hacia atrás con un giro a la derecha o. a la izquierda. En.

(41) MIM-2003-I-15. 41. este estado solo se presenta una sola velocidad hacia atrás con lo cual solo existe una sola zona de seguridad. Zona de Alerta Zona de Bajo Riesgo Zona de Peligro. Figura 3.7 Zona de seguridad Movimiento hacia delante realizando giros a la derecha o izquierda. Figura 3.8 Zona de seguridad Movimiento hacia atrás realizando giros a la derecha o izquierda.

(42) MIM-2003-I-15. 42. 4. SEGUIMIENTO DE MUROS .. Figura 4.1 Seguir Muro. 4.1 INTRODUCCIÓN En una silla de ruedas robotizada operada por un niño muchas veces se presentan situaciones de conducción tediosas tales como seguir un muro, seguir un animal o ir al lado de una persona. En dichas situaciones el niño debe estar corrigiendo su trayectoria realizando diferentes movimientos como ir adelante, giros y paradas. Por.

(43) MIM-2003-I-15. 43. estas razones se desarrollo una de las situaciones tediosas en este caso “Seguir un Muro” La acción “seguir un muro” es una acción tediosa debido a que es una actuación permanente entre el usuario y el entorno, a medida que avanza la silla de ruedas es común encontrar en los pasillos diferentes. tipos de obstáculos como por ejemplo. cestas de basura, materas, asientos. Debido a estos obstáculos se deben estar cambiando de manera permanente la dirección del movimiento, para evitar posibles colisiones. La organización de este capítulo es la siguiente: en primer lugar, se presenta el modelo del seguimiento de muros, posteriormente se presenta la descripción del mismo, luego se muestran algunas simulaciones realizadas en Matlab 5.3 sobre ciertas situaciones de la función “Seguir Muro” y por último se presentan distintas pruebas realizadas en el prototipo construido.. 4.2 DESCRIPCIÓN DEL MODELO Para la obtención de modelo se parte de la geometría que tiene la silla de ruedas y una situación del muro como se observa en la figura 4.2. θ. 2e D. D 0. Figura 4.2 Seguimiento de Muro.

(44) MIM-2003-I-15. 44. Inicialmente el sensor de ultrasonido es tomado como un haz perpendicular a la silla como se observa en la figura 4.2 y su valor medido es D.. Realizando diferentes pruebas con los sensores de ultrasonido se determino el cono del sensor obteniendo como resultado 88,7º. Esto hace que el campo de sensado sea mayor y se dificulte conocer la orientación en. la que se encuentra de la silla de. ruedas respecto a una pared por ejemplo. Estas situaciones se observan en la figura 4.3, donde el sensor mide una misma distancia pero la silla de ruedas encuentra con una orientación diferente respecto a la pared.. PARED. OBSTACULOS. PARED. OBSTACULOS. (b). (a). PARED. PARED. OBSTACULOS. OBSTACULOS. (c). (d). Figura 4.3 Mediciones del sensor de ultrasonido para diferentes orientaciones de la silla de ruedas con una misma distancia de sensado.

(45) MIM-2003-I-15. 45. Debido a este problema es necesario tomar varias mediciones a medida que la silla se va desplazando con el objetivo de obtener una correcta orientación de esta respecto a una pared, ya que si la silla de ruedas no se desplaza la información de los sensores de ultrasonido no es útil.. En la figura 4.2 la variable D representa la distancia perpendicular entre el sensor de ultrasonido y la pared, la variable D0 representa la distancia medida por el sensor de ultrasonido entre el mismo y la pared. (El sensor de ultrasonido envía ondas de ultrasonido las cuales rebotan sobre la superficie de algún objeto, dicha onda choca perpendicularmente con el objeto) La descripción del algoritmo se basa en la información suministrada por el sensor de ultrasonido. ver figura 4.4, donde el primer valor suministrado por el sensor es. tomado como la distancia a la cual se va a seguir un muro (D0), luego a medida que va avanzando la silla de ruedas se toma una nueva medición (D1).Con estas dos mediciones de los sensores , la velocidad de avance de la silla de ruedas y el tiempo que transcurre entre las dos mediciones,. se calcula la orientación. ruedas respecto a la pared. Esto se puede observar en la figura 4.4. θ. D´ D D1 D0. PARED. Figura 4.4 Consideraciones de la función “Seguir Muro. de la silla de.

(46) MIM-2003-I-15. 46. Simplificando la figura anterior se obtiene la siguiente figura 4.7, donde el triangulo verde representa el cambio de orientación que debe realizar la silla para quedar en forma paralela al muro.. θ. D´ D D1 D0. θ. Figura 4.5 Seguimiento de Muro simplificado. En el siguiente triángulo se representan. las mediciones realizadas por el sensor de. ultrasonido en el intervalo de tiempo t1 y t2 ver figura 4.6. t2 L θ. ∆ (D0-D1). t1 Figura 4.6 Triangulo de cambio de posición..

(47) MIM-2003-I-15. 47. Descripción de las variables. L es la distancia recorrida por la silla de ruedas en el intervalo de tiempo t1 y t2, está calculado por la ecuación 4.1. L = VSegMuro * t. (4.1). VsegMuro = Es la velocidad que lleva la silla de ruedas dentro del intervalo de tiempo t1 y t2. t = Tiempo transcurrido entre la ejecución de una orden de velocidad y la siguiente. θ = Es el. ángulo que existe entre la silla de ruedas y la pared, este ángulo va. cambiando a medida que se va desplazando la silla.. t1 y t2 son los dos intervalos de tiempo durante los cuales se calcula la orientación de la silla de ruedas. Cos(θ ) = Tan (θ ) =. L2 − ∆( D 0 − D1). 2. L ∆( D 0 − D1) L − ∆( D 0 − D1) 2 2. La solución al seguimiento de muros se realiza por medio de un control proporcional..    − β * ∆( D0 − D1) (1 − β ) * ∆( D0 − D1)   Deltaω = K −  L2 − ∆(D0 − D1)2 L2 − ∆(D0 − D1)2    L . (4.2).

(48) MIM-2003-I-15. 48. En la ecuación 4.2. adaptada de (Bemporad. 1997) se realizan. dos tipos de. correcciones una de posición y otra de orientación. La primera corrección esta compuesta por el término. − β * ∆( D 0 − D1) L2 − ∆( D 0 − D1). 2. , con el cual se busca corregir la. L. posición de la silla respecto al muro donde ∆ (D0 − D1) representa que tan alejado o que tan cerca se encuentra de la distancia a la cual se desea seguir el muro.. θ θ. Figura 4.7 Orientación Seguimiento de Muro. 1 L − ∆( D 0 − D1). 2. 2. representa un incremento en el cambio de velocidad angular si. L. la orientación de la silla de ruedas respecto al muro es un ángulo mayor a 5º segunda corrección que contiene el termino. y con la. − β * tan( θ ) , se corrige la orientación de. la silla respecto al muro y se identifica como se encuentra orientada la silla de ruedas como se puede observar en la figura 4.7. En la figura 4.7 se presentan los dos casos en los cuales puede estar orientada la silla de ruedas respecto al muro en la parte izquierda cuando derecha − 35º < θ < 0 .. 0 < θ < 35º y en la parte.

(49) MIM-2003-I-15. 49. K es una ganancia global. β. es una constante de ajuste que hace que la silla de ruedas realice correcciones de. orientación de forma más rápida o lenta. Esta dentro de un intervalo de 0-1. Las consignas a los motores son la ecuación 4.3, donde ω 1 yω 2 representan las velocidades angulares de los servomotores con el fin mantener una velocidad de avance constante llamada “VsegMuro”, ver figura 4.8.. VsegMuro =Constate. ω1. ω2. Figura 4.8 Velocidad de avance Función “Seguir Muro”. ω1 = (VSegMuro + e * Deltaω ) / r ω 2 = (VSegMuro − e * Deltaω ) / r. Donde: V Velocidad de avance de la silla de ruedas de 0.3 [m/s] κ , β Son parámetros de ajuste del control. D0 distancia a la cual se quiere seguir el muro [m] D1 Distancia entre el centro del móvil y la pared [m]. θ Es el ángulo entre el móvil y la pared [Rad]. r: Radio de la ruedas de tracción [m]. ω1 yω 2 Son las velocidades angulares dadas a los servomotores.. (4.3).

(50) MIM-2003-I-15. 50. 4.3 SIMULACIÓN Se desarrollo un simulador para la función de “Seguir Muro” en Matlab 5.3 con el objetivo de ver el comportamiento de la silla de ruedas en las distintas situaciones. a. las que se puede enfrentar en la realidad como son: la silla de ruedas con diferentes orientaciones, la pared con diferentes salientes o profundidades, determinar la distancia a la cual es mejor seguir un muro, ajustar los parámetros de control, determinar con cual sensor es mejor seguir un muro, con los sensores de adelante o atrás?. El simulador esta compuesto por tres programas. El primero tiene la geometría de la silla de ruedas, algunas matrices de rotación para realizar el desplazamiento de la silla y el proceso de medición del sensor de ultrasonido. Con el fin de simplificar cálculos, dicho sensor se tomo como una línea recta es perpendicular a la silla de ruedas y se realiza el cruce entre dos líneas (Línea que sale del sensor con la línea del muro) para determinar el punto de corte y a calcular la distancia a la cual se encuentra la silla de ruedas respecto a un muro. El segundo tiene el algoritmo de control de la función “Seguir Muro” y permite saber cuanto debe moverse cada motor para el siguiente intervalo de tiempo y el tercero se encarga de graficar el entorno (paredes, silla de ruedas) y el avance de la silla de ruedas para cada intervalo de tiempo.. Algunos resultados se observan en la figuras 4.9 hasta la 4.14, con diferentes condiciones como son: varias distancias para seguir un muro partiendo de una posición predeterminada con diferentes orientaciones de la silla de ruedas respecto a la pared como son: 0º,15º,25º y con diferentes entornos..

(51) MIM-2003-I-15. 51. 250 Posicion Inicial [0 60] Theta 15º # Iteraciones 100. 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. Figura 4.9 Prueba Uno Simulación 250. Posicion Inicial [0 60] Theta 25º # Iteraciones 100 Distancia de seguimiento de muro 50 [Cm]. 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. Figura 4.10 Prueba Dos Simulación. Posición Inicial [0 50] Theta 0º Distancia seguimiento muro 100[Cm]. 250 200 150 100 50 0 -50 -100. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. 450. Figura 4.11 Prueba Tres Simulación. 500.

(52) MIM-2003-I-15. 52. 300 Posición Inicial [0 60] Theta 15º Distancia seguimiento muro 100[Cm]. 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 0. 100. 200. 300. 400. 500. Figura 4.12 Prueba Cuatro Simulación Posición Inicial [180 250] Theta Inicial [-25º] Seguir el Muro a 70 [Cm]. 600. 400. 200. 0. -200. -400 0. 500. 1000. 1500. Figura 4.13 Prueba Cinco Simulación. Posición Inicial [180 250] Theta Inicial [25º] Seguimiento del muro a 77 [Cm]. 800 600 400 200 0 -200 -400. 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. 1400. 1600. Figura 4.18 Prueba Seis Seis Simulación Figura 4.14 Prueba Simulación. 1800. 2000.

(53) MIM-2003-I-15. 53. 4.4 PRUEBAS Y AJUSTES Luego de determinar la altura de los sensores y su inclinación se procedió a implantar el código realizado en matlab 5.3 a Visual Basic 6.0, guardando en diferentes archivos txt variables como las mediciones de los sensores, el ciclo de sensado, la velocidad de los motores, la orientación de la silla de ruedas respecto al muro, con el objetivo de poder procesar dicha información y lograr gráficos como la figura 4.15.. Se realizo una prueba. con el prototipo construido en las instalaciones del CITEC. (Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico), empleando un sensor de ultrasonido SRF-08. realizando la función “Seguir Muro” con los siguientes. parámetros κ =1, β = 0,5, distancia de seguimiento del muro 42 Cm, θ inicial =20º VSegMuro =0.3 m/s. En la Figura 4.17 se observa la comparación entre la trayectoria del punto medio de la silla de ruedas, tanto en simulación como real obteniendo un resultado satisfactorio. Se presentó un pequeño error en la trayectoria debido a factores como construcción del sistema, errores del sistema sensorial, aplastamiento de las llantas, posibles deslizamientos de las ruedas y la desalineación de las ruedas locas que. pueden. producir desviaciones entre la trayectoria real y la simulación.. Se realizaron diferentes pruebas utilizando dos sensores de ultrasonido con el fin de anticiparse a los obstáculos empleando el sensor delantero. Se concluyo que el comportamiento es bastante bueno ya que anticipa al obstáculo..

(54) MIM-2003-I-15. 54. PRUEBA SEGUIMIENTO DE MUROS SIMULACION EN MATLAB INSTALACIONES DEL CITEC PRIMER PISO. 600. 400. 200. 0. -200. -400 0. 500. 1000. 1500. Figura 4.15 Prueba 7 Simulación CITEC. PRUEBA SEGUIMIENTO DE MUROS PRUEBA REAL INSTALACIONES DEL CITEC PRIMER PISO. 600. 400. 200. 0. -200. -400 0. 500. 1000. Figura 4.16 Prueba 1 Real CITEC. 1500.

(55) MIM-2003-I-15. 55. TRAYECTORIA DEL CENTROL DE LA SILLA DE RUEDAS -- -- SIMULACION _____ REAL INSTALACIONES DEL CITEC PRIMER PISO. 600. 400. 200. 0. -200. -400 0. 500. 1000. 1500. Figura 4.17 Comparación entre la prueba real y simulada. Caracterización de la función seguir muro. Luego de realizar diferentes pruebas de la función seguir muro se determino su alcance: Cuando la silla de ruedas sigue un muro a una distancia inferior a 60 [cm] y se encuentra con una esquina cuya pared sea mayor a 120 [cm] de longitud, la silla de ruedas se detiene y espera una nueva orden. La distancia mínima a la cual se puede seguir un muro es de 30[cm] A distancia superiores a 150 [cm] no se realiza la función seguir muro, el niño debe acerca un poco la silla de ruedas a la pared. Con un β = 0.9, K =1, VSegMuro =0.1 [m/s] y con una distancia de seguimiento del muro de 1[m]. La silla de ruedas reacciona de forma adecuada ante una esquina y pasa a una distancia de 15 [cm] aproximadamente. Al emplear β <0.6 la silla de ruedas no responde adecuadamente en las esquinas..

(56) MIM-2003-I-15. 56. 5. PASAR PUERTAS. 5.1 INTRODUCCIÓN Un niño que conduce. silla de ruedas robotizada en. encontrar con situaciones de conducción compleja. muchas ocasiones. se va a. como por ejemplo: ubicarse al. lado de un sanitario, colocar al usuario al lado de una mesa o una cama, pasar una puerta. En estas situaciones el grado de conducción es más complejo porque el campo de visión del niño es más reducido. Esto conlleva a que no pueda pasar fácilmente una puerta, colocarse al lado de una mesa debido a que la seguridad de la silla no le permite avanzar por que se encuentra en dentro de una zona de peligro.. La acción pasar puerta se clasifica como un función compleja debido a que. el. usuario no tiene una buena capacidad de movimiento para poder observar que obstáculos tiene cerca de la silla.Estol hace que la función de seguridad no le permita avanzar ya sea por un obstáculo o por que esta muy cerca a uno de los párales del marco de una puerta. Con la implementación de esta función se disminuyen la restricción de algunos parámetros como son la velocidad y los rangos de la función seguridad.Debido a la pequeña diferencia que existe entre una silla de ruedas y un marco de una puerta se requieren. movimientos. más lentos para garantizar que la. silla de ruedas pueda corregir su orientación y pase satisfactoriamente una puerta.. En la figura 5.1 se observa las distintas situaciones en las que se puede encontrar la silla de ruedas al utilizar la función “Pasar Puerta”, para estas dos situaciones mostradas la silla es capaz de realizar dicha función a cabalidad..

(57) MIM-2003-I-15. 57. Entrada Puerta. Entrada Puerta. Figura 5.1 Situaciones de Pasar Puerta. La organización de este capitulo es la siguiente: en primer lugar, se presenta el modelo de pasar puertas, posteriormente se presenta la descripción del mismo, luego se muestran algunas simulaciones realizadas en Matlab 5.3 sobre alguna situaciones de la función “Pasar Puerta” y por ultimo se presentan distintas pruebas realizadas en el prototipo construido.. 5.2 DESCRIPCION DEL MODELO. Para desarrollar esta función se va emplear la información obtenida del sistema sensorial que en este caso emplea 4 sensores de ultrasonido. Dos sensores delanteros los cuales determinan la orientación en la que se encuentra la silla de ruedas respecto al marco de la puerta, y. dos sensores laterales los cuales encargan de corregir la. orientación de la silla de ruedas cuando esta pasando en medio del marco de una puerta..

(58) MIM-2003-I-15. 58. El planteamiento del algoritmo se basa en las mediciones realizadas por los dos sensores de ultrasonido delanteros con los cuales se calcula el ángulo (Theta) que tiene la silla de ruedas respecto al marco de la puerta ver figura 5.2. Con este ángulo se realiza la respectiva corrección de la silla de ruedas a medida que avanza con el objetivo de ubicarse perpendicularmente al marco de la puerta y avanzar hasta pasar dicho marco, en el caso que la silla de ruedas no se encuentre de forma perpendicular a la puerta se realiza una corrección por medio de la información suministrada por los dos sensores laterales, con lo cuales se corrige su dirección de avance. En la figura 5.2 se representa de forma esquematica la funcion seguir muro,primero se calcula la orientacion en la que se encuentra la silla de ruedas respecto al marco de la puerta θ = Tan −1  . D1 − D 2   , donde D2 y D1 son la distancias medidas por los L . sensores de ultrasonido y L es la distancia de separacion entre los dos sensores de ultrasonido.. L. Figura 5.2 Pasar Puerta.

(59) MIM-2003-I-15. 59. El algoritmo de control de la función “Pasar Puerta “esta determinado por la ecuación 5.1, donde K representa una ganancia la cual hace que responda de forma mas rápida o lenta al cambio de orientación.  − ( D1 − D2)  Deltaω = K *    Cos(θ ) . (5.1). La consigna que transmite a los servomotores esta representada por la ecuación 5.2, donde VPuerta : es la velocidad de avance en la función “Pasar Puerta” de 0.2 [m/s]. e: distancia de separación entre las dos llantas en el punto de contacto con el piso. r: Radio de las ruedas traseras. ω1 = (VPuerta + e * Deltaω ) / r ω 2 = (V Puerta − e * Deltaω ) / r. (5.2). 5.3 SIMULACIÓN Se desarrolló un simulador para la función de “Pasar Puerta” desarrollado en Matlab 5.3 con el objetivo de ver el comportamiento de la silla de ruedas en las distintas situaciones que se puede encontrar, como son una puerta en la mitad de una pared, una pared y al lado la puerta, además. ajustar los parámetros de control. Estos. resultados se pueden en las figuras 5.3-5.4. 150. Posición Inicial [150 100] Theta -75º. 100. 50. 0. -50. 0. 50. 100. 150. 200. 250. Figura.5.3 Pasar Puertas Prueba 1. 300.

(60) MIM-2003-I-15. 60. 150 Posición Inicial [160 100] Theta -120º. Posición Inicial[160 100] Theta -90º 100. 100. 50. 50. 0. 0. -50. -50. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Figura 5.4 Pasar Puertas Prueba 2. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. Figura 5.5 Pasar Puertas Prueba 3. 5.4 PRUEBAS Y AJUSTES Luego realizar diferentes pruebas de la función en simulación. se procedió a. implementar el código en Visual Basic 6.0.En el se guardan diferentes variables en archivos txt , como por ejemplo: Las medidas entregadas por los sensores, el ciclo de sensado, la velocidad de los motores, la orientación de la silla de ruedas respecto al marco de la puerta. Se realizaron diferentes pruebas en el Instituto Roosevelt de la función pasar puerta, considerando dos caso los cuales se pueden ver en la figuras 5.6 y5.7.La trayectoria generada presenta muchas oscilaciones en comparación con las simulaciones. 250 Funcion Pasar Puerta K=0,15 ancho Puerta 90 [cm] prueba Instituto Roosevelt 200. 150. 100. 50 -50. 0. 50. 100. 150. Figura 5.6 Prueba Real Pasar puerta caso uno.

(61) MIM-2003-I-15. 61. 200 180 160 140 120 100 Funcion pasar puerta puerta en una esquina K = 0,8 theta=14º. 80 60 40 -40. -20. 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 160. 180. Figura 5.7 Prueba Real Pasar puerta caso dos. Caracterización de la función pasar puerta. Luego de realizar diferentes pruebas para los dos casos considerados se obtuvieron las siguientes restricciones.. Para el caso en el cual la puerta esta en medio de un corredor las restricciones son:. La distancia en la cual detecta el marco de la puerta es a una distancia inferior a 60 [cm] y a un theta ente -25º< θ <25º, el ancho de la puerta debe ser de 80 [cm] en adelante, a 70 [cm] también pasa la silla de ruedas una puerta pero con un theta entre. − 10º < θ < 10º .El valor de la ganancia en el cual tiene un mejor desempeño es 0,5. Para el segundo caso en el cual la puerta esta en una esquina las restricciones son:. La distancia en la cual detecta el posible marco de la puerta es. en una distancia. inferior a 60 [cm] y un theta entre − 15º < θ < 15º , el ancho de la puerta mínimo debe ser de 85 [cm]..

(62) MIM-2003-I-15. 62. 6. SOFTWARE DE CONTROL El software que controla la silla de ruedas se desarrolló en Microsoft Visual Basic 6.0, consta de 4 módulos que se describen a continuación: •. Módulo principal. •. Módulo de sensores. •. Módulo de interfaz. •. Módulo de motores. Módulo Principal: Este módulo es el encargado realizar los diferentes llamados a cada módulo dependiendo de la orden dada por el usuario por medio de la interfaz.. Módulo Sensores: En este módulo se realizan las comunicaciones entre los sensores y la tarjeta PC por medio de una comunicación serial, este módulo entrega la distancia medida por el sensor en [Cm]. Según un ciclo de sensado preestablecido para los diferentes movimientos y ordenes suministradas por el usuario.. Módulo interfaz: Se encarga de realizar la comunicación entre el usuario y el PC, donde el niño al oprimir un botón, envía una orden. al PC mediante una. comunicación serial.. Módulo Motores: Realiza la comunicación entre la información suministrada por el PC y la tarjeta de control de movimiento de los servomotores dicha comunicación se realiza por medio de un puerto PCI, el cual envía la información a la tarjeta de control.

(63) MIM-2003-I-15. 63. de movimiento. Dicha orden es transformada amplificadores. en movimiento. los cuales se comunican con los. por medio de los. servomotores para generar un. movimiento debido a una variación de voltaje. La forma como funciona el software de control es la siguiente: Cuando la silla inicia su funcionamiento por primera vez, se realiza un. ciclo de. sensado total (la lectura de todos los sensores) por medio del módulo de sensores. el. cual le entrega la información al módulo principal para determinar si existe alguna situación de riesgo. Esta información es almacenada por un periodo de tiempo para que. en caso de encontrar alguna situación de riesgo se deshabilita el movimiento en. esa dirección. Luego se establece la comunicación con la tarjeta de control de movimiento (que se encarga de cargar los parámetros por defecto como son abrir la comunicación con el computador industrial. para recibir órdenes de él). Luego de. realizar este procedimiento espera alguna orden del módulo de la interfaz, dependiendo del botón oprimido se genera nuevamente un ciclo de sensado. de. acuerdo al movimiento del potencial movimiento. Según el botón oprimido existe predefinido un ciclo de sensado el cual es ejecutado por el modulo de sensores, dicho modulo. entrega los valores de las mediciones de los sensores correspondientes al. ciclo de sensado. Esta información se emplea en el modulo principal dentro de una función de seguridad, la cual se encarga de verifica que no se encuentre dentro de alguna de las zonas de seguridad definidas previamente. Si dicha información suministrada por el módulo de sensores, no se encuentra dentro de las zonas de seguridad se procede a validar el botón oprimido, y se pasa al módulo de motores el cual envía la información a la tarjeta de control de movimiento para generar el movimiento deseado por el niño. De esta manera se continúa en loop hasta que el niño oprima nuevamente un botón o la función de seguridad. detenga la silla de. ruedas por estar en una zona de peligro. Cuando la silla de ruedas se encuentra quieta se esta haciendo un ciclo de sensado total. Dependiendo del movimiento o la sensado.. función existente se realiza un ciclo de.

(64) MIM-2003-I-15. 64. 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. •. Se ha presentado la implantación de algoritmos de asistencia a la conducción de una silla de ruedas motorizada, se ilustraron funciones de apoyo para situaciones tediosas y para situaciones complejas.. •. Utilizando. los mismos sensores destinados a funciones de seguridad se pueden. emplear además para funciones especiales o de alto nivel como: “Seguir Muro” y “Pasar Puerta”, de manera confiable y económica. •. Empleando diferentes ciclos de sensados preestablecidos para cada movimiento se obtiene un mejor tiempo de respuesta ante situaciones de riesgo, garantizando la seguridad del niño.. •. No. se requiere construir todo el entorno para realizar funciones de alto nivel,. como “Seguir Muro” y “Pasar Puerta”, solo utilizando la información de los sensores de ultrasonido a través del tiempo se logra el objetivo. •. El prototipo desarrollado en este proyecto es flexible para niños con diferentes tipos de. discapacidad, ya que se cuenta con la posibilidad de cambiar el asiento. por otro dependiendo de los aditamentos que se requieran para sujetar el niño..

(65) MIM-2003-I-15. •. 65. El esquema de control es supervisado implementado en la silla de ruedas permite la interacción entre el usuario, el entorno y la silla de forma rápida ante una situación de riesgo.. •. Este prototipo construido sirve de plataforma móvil. para implementar nuevas. funciones como perseguir a una persona, cuadrar la silla al lado de una cama o sanitario, realizar levantamiento de mapas y control de trayectoria. •. Existen una serie de restricciones de las funciones desarrolladas como por ejemplo cuando la silla de ruedas. sigue un muro a una distancia inferior a 60. [cm] y se encuentra en con una pared al frente, la silla de ruedas se detiene y espera una nueva orden, la distancia mínima para pasar una puerta es de 80 [cm]. •. Mejorar la suavidad de la trayectoria en las dos funciones. “Seguir Muro” y. “Pasar Puertas”. •. Es necesario validar el prototipo desarrollado ya que la silla de ruedas construida se probaron las funciones de alto nivel sin ningún usuario..

(66) MIM-2003-I-15. 66. BIBLIOGRAFIA. BATURONE, A. Planificación de Trayectorias para Robots Móviles. Tesis Doctoral, Universidad de Málaga España.1995.. BEMPORAD A.,Marco M, Tesi A. Sonar-Based Wall-Following Control of Mobile Robots. Università di Firenze.1997.. BORENSTEIN J.; H. R. Everett; L. Feng. Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. Universidad de Michigan, Oak Ridge National Lab (ORNL) D&D Program, 1998.. BORENSTEIN, J. The Vector Field Histogram Fast Obstacle Avoidance For Mobile Robots. University of Michigan .1991.. CUELLAR, J. Aplicación de técnicas de robótica para el control de sillas de ruedas. Tesis pregrado, Universidad de los Andes, Bogotá, 1996.. GUILLESPIE, Thomas D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Warrendale: Society of Automotive Engineers, Inc., 1992.. IWAN U., Illah N. Appearance-Based Obstacle Detection with Monocular Color Vision. The Robotics Institute, Carnegie Mellon University, Proceedings of the AAAI National Conference on Artificial Intelligence, Austin, TX.2000..