UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO

FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRONICA

“Diseño de un sistema de control del desplazamiento de una silla de ruedas controlado por voz para personas discapacitas de los miembros inferiores”

TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE

INGENIERO ELECTRÓNICO

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: ROBÓTICA Y AUTOMATIZACIÓN

AUTORES:

Hernández Suárez, Jorge Armando.

Muñoz Pérez, Renato Joseph

ASESOR:  Ing. RAMOS ROJAS, OVIDIO HILDEBRANDO

TRUJILLO - PERÚ

2015

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Planteamiento del Problema

La discapacidad es aquella condición bajo la cual ciertas personas presentan

alguna deficiencia física, mental, intelectual o sensorial que a largo plazo afectan la

forma de interactuar y participar plenamente en la sociedad. 

Específicamente nos centraremos en las personas que tienen discapacidad motriz

en las extremidades inferiores ya se por enfermedad, accidente o nacimiento.

Deficiencia o discapacidad motriz es la deficiencia que provoca en el individuo que

la padece alguna disfunción en el aparato locomotor. Como consecuencia se

pueden producir limitaciones posturales, de desplazamiento o de coordinación del

movimiento.

Existen infinidad de afecciones que impiden el desplazamiento autónomo de las

personas, suelen depender de aparatos para usos especiales como son las sillas de

ruedas, en algunos casos con discapacidad severos, no son suficientes o

adecuados estos aparatos.

El problema de este tipo de personas discapacitadas se centra en el

desplazamiento con la sillas de ruedas convencionales podría proporcionar limitación

de movimientos y dolor e inflamación de sus articulaciones al desplazarse puesto que el

agarre cada día es más difícil, las manos ya no me sirven y causa inseguridad por parte del

usuario, y por ende temor de este de salir a la calle sol o sola.

Otra de las barreras del uso de las sillas de ruedas convencionales que se puede

apreciar directamente en el incremento del dolor es la deformación del espaldar y el

sentadero debido al material plástico que sede con el uso y el tiempo. Siento esto un

problema muy grave pero muchas veces ignorado en nuestro entorno diario.

En el Perú 1 millón 575 mil personas presentan algún tipo de discapacidad(censo

INEI 2013) El estudio mostró que la discapacidad motora (dificultad para moverse o

caminar y/o para usar brazos o piernas), es la que más afecta, alcanzando 932 mil

personas (59,2%), dificultad para ver (50,9%), para oír (33,8%), para entender o

aprender (32,1%), para relacionarse con los demás (18,8%) y para hablar o

comunicarse (16,6%).

En nuestro país, 932 mil personas tienen limitación en forma permanente para

moverse o caminar y/o para usar brazos o piernas. Los tipos de dificultades que se

presentan son: dificultad para caminar o fuera de su casa en distancias cortas o

largas, no mantiene el equilibrio, no se mueve o camina con dificultad dentro de su

casa; y no puede usar las piernas ni los pies para mover o alejar un objeto, entre

otros.

Del total de personas que presentan alguna discapacidad motora, el 56,4% son

mujeres (525 mil 719 personas) mientras que los hombres representan el 43,6%

(406 mil 274 personas).

Este tipo de discapacidad se presenta en personas de edad avanzada (32,5%), con

enfermedad crónica (24,4%), genético/congénito o de nacimiento (9,8%),

enfermedad común (6,8%), accidente común fuera del hogar (4,9%), accidente

común en el hogar (4,6%),accidente de tránsito (4,0%), entre otros.  

1.2. Delimitación del problema

El presente proyecto de investigación se delimita a brindar una solución

tecnológica a través del diseño de un sistema de control de desplazamiento

de una silla de ruedas, para brindarle a la persona discapacitada una

herramienta que le permita tener un mejor desplazamiento autónomo ya que

la mayoría de las personas con discapacidad motriz inferior disponen de

sillas de ruedas convencionales que exigen algunos factores que es la

dependencia de una tercera persona o el esfuerzo físico de la persona con

discapacidad.

1.2.1. CARACTERÍSTICAS

- La dependencia de una segunda persona para la movilidad de la persona

con discapacidad motriz inferior

- La exigencia física de la persona discapacitada para moverse por sí

mismo en una silla de ruedas convencional.

1.2.2. ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS

La incapacidad misma de la personas que sufren problemas de

discapacidad física ocasiona que no puedan realizar actividades por si

mismas para ello genera una dependencia de una segunda persona para

la movilidad de ella misma para poder realizar sus labores y así poder

subsistir.

Las sillas de ruedas manuales, son impulsadas por el propio paciente,

quien hace girar las ruedas traseras empujándolas mediante unos aros

que se encuentran acoplados en el exterior de las llantas. Estas sillas

están fabricadas en dos modelos diferentes, las cuales son plegables con

el fin de ahorrar mucho espacio y poder ser transportadas en maleteros,

en cajuelas, o en diferentes lugares que sean reducidos, y también

existen las sillas de ruedas rígidas las cuales no pueden reducirse pero

son un poco más duras y más resistentes con el fin de que puedan ser

muy seguras  para los pacientes.

La movilidad independiente permite que las personas estudien, trabajen,

participen en la vida cultural y tengan acceso a la salud. Sin sillas de

ruedas, las personas discapacitadas pueden quedar confinadas a sus

hogares e impedidas de llevar una vida plena e inclusiva.

La silla de ruedas se propulsa con las manos, pero es la articulación del

hombro la que realiza un gran esfuerzo. La articulación del hombro es una

articulación con gran movilidad, pero a diferencia de la de la cadera,

fisiológicamente no está preparada para el esfuerzo continuo de soportar

todo el peso del cuerpo, de ahí que muchas personas que llevan bastante

tiempo propulsándose con la silla de ruedas acaben sufriendo lesiones en

los hombros.

Un informe producido por la OMS realizado 9 de junio del 2011, asevera

que el uso de silla de ruedas convencionales genera varios problemas en

la salud: al hacer este movimiento, se hace fuerza en algunos músculos

de hombros y brazos que no están diseñados para esto, lo que genera

lesiones que van desde el estrés y dolor muscular, hasta degeneración

articular y síndrome de túnel carpiano.

Por otro parte tenemos también algunas personas no cuentan de una

segunda persona quien puedas brindarle el apoyo de movilidad por ello,

ellas mismas tiene que ver la manera de movilizarse la cual una de ellas

sería por si mismas realizando exigencia física ya sea aplicando fuerza en

las llantas con la ayuda de sus extremidades superiores, pero este genera

un gran esfuerzo físico y agotamiento en las personas discapacitadas.

1.3. Formulación del Problema

¿Cómo facilitar la movilidad y autonomía de las personas con

discapacidad motriz inferior con el control del desplazamiento de una silla

de ruedas?

1.4. Formulación de la Hipótesis

El diseño de un sistema de control del desplazamiento de una silla de

ruedas, permitirá facilitar la movilidad y autonomía de las personas con

discapacidad motriz inferior.

1.5. Objetivos del estudio

1.5.1. General

Diseñar un sistema de control de desplazamiento de una silla de

ruedas, para las personas con discapacidad motriz inferior.

1.5.2. Específicos

Analizar si el sistema es factible o no para la independencia de la

movilidad de la persona con discapacidad motriz inferior.

Estudiar y elegir qué tipo de tecnologías se usara para el diseño de

los sistemas autónomo de desplazamiento motriz de miembros

inferiores.

Describir cualitativamente el problema de desplazamiento así como

también obtener sugerencias que nos ayude en el diseño para hacerlo

seguro cómodo y factible.

1.6. Justificación del Estudio

El presente proyecto de tesis de investigación tiene como finalidad

mejorar la calidad de vida a través del desplazamiento autónomo de las

personas que padecen discapacidad motriz en las extremidades inferiores

originado por diversas razones ya sean genéticas, congénitas o

adquiridas.

Este proyecto está dirigido para ellos los cuales tienen algunas

deficiencias ya antes mencionadas. Por lo tanto, el presente trabajo

beneficiara a estas personas de la forma en que podrán ser menos

dependientes de otras personas y poder realizar una mayor cantidad de

actividades cotidianas con normalidad por si mismos así como también

mejorar el factor emocional de estas personas. Para ello se hará un

diseño de un sistema de control en una silla de ruedas.

1.6.1 APORTES

- Económicos: Se requiere de un menor presupuesto en su

implementación a comparación del elevado costo que implicaría

adquirir una silla con unas características parecidas.

- Calidad de vida y movilidad: Se pretende lograr un aceptación por

parte de las personas discapacitadas, haciendo uso de esta

herramienta electrónica para mejorar su calidad de vida, logrando así

su independencia al movilizarse.

2. MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes

Título: “Sistema Robótico Multimodal para Análisis y Estudios en Biomecánica,

Movimiento Humano y Control Neuromotor”

Autor: Andrés Felipe Ruíz Olaya

Institución: Universidad Carlos III de Madrid.

Fecha de Publicación: Octubre de 2008

Aporte al trabajo de Investigación: Brindó un estudio de un sistema de medida que

permita cuantificar las variables cinemáticas y dinámicas asociadas al movimiento del

miembro superior.

Título: “Control y Generación de Trayectorias de un Nuevo Sistema de Locomoción para

Sillas de Ruedas con Capacidad de subir y bajar Escaleras”

Autor: Rafael Feliu Batlle.

Institución: Universidad de Castilla- La Mancha.

Fecha de Publicación: 2006

Aporte al trabajo de Investigación: Brindó un desarrollo de una nueva metodología para

obtener modelos cinemáticos de robots andadores y trepadores que se mueven en el plano,

basada en la representación compleja, además optimización de las trayectorias

(minimización del tiempo empleado) también basada en representación compleja.

Título: “Sistema de Reconocimiento de voz humana por hardware”

Autor: Jaime Camargo Serrano.

Institución: Universidad Pontificia Bolivariana

Fecha de Publicación: 2010

Aporte al trabajo de Investigación: Brindó un diseño de un sistema de reconocimiento y

análisis de voz humana por hardware mediante un microprocesador para implementarlo en

un brazo mecánico.

2.2. Definiciones

Sistema de control

Un sistema de control es un conjunto de dispositivos encargados de

administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de otro sistema, con

el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados

deseados. Por lo general, se usan sistemas de control industrial en

procesos de producción industriales para controlar equipos o máquinas.

Desplazamiento

Es la acción de cambiar de lugar en el espacio, se realiza de distintas

formas (gatear, marchar, andar, reptar).

Hay dos tipos de desplazamiento

-Activos: se necesita nuestra voluntad para realizarlos, elegimos la

dirección, su velocidad y su momento de parada. (Ejemplo: correr una

carrera de maratón)

-Pasivas: no se necesita nuestra voluntad, por ejemplo; cuando nos

empujan.

Se refiere a un conjunto de dispositivos encargados de administrar, ordenar,

dirigir o regular el comportamiento del desplazamiento en personas

discapacitadas en estudio , con el fin de reducir las probabilidades de fallo y

obtener los resultados deseados que es mejorar su calidad de vida e

independencia.

Reconocimiento de voz

Es el proceso automático de conversión de palabras habladas a palabras

escritas para que el dispositivo receptor tenga la capacidad de entender el

lenguaje hablado y luego pueda realizar funciones especificas. Entre los

campos de aplicación del reconocimiento de voz se tiene: sistemas de

seguridad, telefonía, sistemas de control, sistemas de entrada de datos y

acceso a bases de datos, etc. Generalmente se deben cumplir tres tareas:

Pre-procesamiento: convertir la señal análoga a digital, es decir convertir

la voz a una manera en que el reconocedor pueda procesar.

Reconocimiento: interpretar lo que se dijo, se hace una traducción de señal

a texto.

Comunicación: enviar lo reconocido para efectuar las acciones

correspondientes en el sistema.

Los procesos de pre-procesamiento, reconocimiento y comunicación no son

visibles al usuario. Se utilizan características tales como la velocidad y

certeza en el reconocimiento para evaluar que tan bueno es el sistema de

reconocimiento de voz.

MODELO MATEMATICO SILLA DE RUEDAS

Para el análisis se considera el peso de todos los componentes que

integran el sistema silla de ruedas, sistema de control y potencia, usuario,

batería.La masa máxima especificada para el usuario según la marca

Everest & Jennings es de 110 kg. La masa está dada por los materiales

con los cuales se encuentra construida la silla.

El peso total que los motores deben movilizar es:

PEM =

PMU =

Peso de la estructura mecánica

Peso máximo del usuario

de la silla =

=

333,54 [N]

1079,1 [N]

PF =

PSC =

Peso de la fuente (Batería)

Peso sistema de control

=

=

147,15 [N]

9,81 [N]

PTM = Peso total a movilizar = 1569,6 [N] PTM = PEM + PMU + PF + PSC

DETERMINACIÓN DE LA FUERZA MÁXIMA REQUERIDA EN UNA

SUPERFICIE PLANA

Para la determinación de la fuerza máxima se recurrió a las leyes de Newton mediante el

diagrama de cuerpo libre (Figura 1).

Figura 1 Superficie Plana

Para materiales de hule sobre concreto se toma un coeficiente de fricción cinético

aproximadamente de 0,57.

FX 0 F Fr 0 F FrF c * N (ec.1)

FY 0N W 0N WN m * g (ec.2) (ec.2) (ec.1)F c * m * gF 0.57 *1569,6[N ]F 894,67[N ]

Esta es la fuerza máxima para que la silla gire en cualquier dirección.

DETERMINACIÓN DE LA FUERZA MÁXIMA REQUERIDA EN UNA SUPERFICIE

ASCENDENTE.

Según el Instituto Ecuatoriano de Normalización norma NTE INEN 2 245 del año 2000

(Accesibilidad de las personas al medio Físico. Edificios, Rampas Fijas), la cual establece

las dimensiones mínimas y características generales que deben cumplir las rampas para

facilitar el acceso de las personas estas deben tener una pendiente máxima de 12%..En

pendientes longitudinales se establecen los rangos máximos para tramos de rampa entre

descansos, los cuales son medidos en su proyección horizontal.

a) Hasta 15 metros: 6% a 8% equivalente a un ángulo de 3,43º.

b) Hasta 10 metros: 8% a 10% equivalente a un ángulo de 5,71º.

c) Hasta 3 metros: 10% a 12% equivalente a un ángulo de 6,84º.

Para el diseño se considera el valor más crítico 6,84º. La Figura 2 muestra el diagrama de

cuerpo libre de la Superficie con Pendiente Ascendente.

Figura 2 Superficie Pendiente Ascendente

FX 0F Fr Wx 0F Fr WxF c * N W * sen F c * N m * g * sen (ec.3)

FY 0N WY 0N WYN W * cos N m * g * cos (ec.4) (ec.4) (ec.3)F c * m * g * cos m * g * sen F m * g * c * cos sen F 1569,6 * 0.57 * cos6,84 sen6,84 F 1075,23[N ]

DETERMINACIÓN DE LA FUERZA MÁXIMA REQUERIDA EN UNA SUPERFICIE

DESCENDENTE.

La Figura 2.5 muestra el diagrama de cuerpo libre de la Superficie con Pendiente

Descendente.

Figura 2.5 Superficie Pendiente Descendente

FX 0Fr F Wx 0Fr F WxF c * N W * sen F c * N m * g * sen (ec.3)

FY 0N WY 0N WYN W * cos N m * g * cos (ec.4) (ec.4) (ec.3)F c * m * g * cos m * g * sen F m * g * c * cos sen F 1569,6 * 0.57 * cos6,84 sen6,84 F 701,36[N ]

DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA DE LOS MOTORES.

Del análisis anterior se tiene que la peor condición corresponde al movimiento de la silla

de ruedas hacia delante, atrás, izquierda o derecha con pendiente ascendente, la fuerza

máxima es de 1075.03 [N] ó 109.58 kgf, considerando el accionamiento de los dos motores

o un motor según sea el caso.

Según los fabricantes de sillas de ruedas electrónicas el estándar de velocidad máxima se

encuentra en 2.45m/s Los motores para este proyecto son de corriente continua de 10 Amp

y 12Vdc.

Potencia máxima=Velocidad máxima x Fuerza máxima.

Potencia máxima=2.45 m/s x 109.58kgf =268.47 watts.

Potencia del motor=V x I.

Potencia del motor=12Vdc x 10Amp =120 watts.

SHIELD ARDUINO EASYVR

El EasyVR Arduino Shield es un módulo de reconocimiento de voz multi-propósito

diseñado para fácilmente añadir capacidades versátiles, robustas y rentables de

reconocimiento de voz, en diferentes idiomas, a prácticamente cualquier aplicación

desarrollada sobre la plataforma Arduino.

El módulo EasyVR se puede utilizar con cualquier host con una interfaz UART y

alimentación a 3,3 V - 5V, tales como PIC y placas Arduino.la figura adjunta muestra este

modulo

Módulo de reconocimiento de Voz EasyVR

easyvr opera por comandos que pueden ser enviados desde un pic u otro tipo de controlador

de manera serial asíncrona a 9600 baudios, con 8 bits de datos y sin bit de paridad,

protocolo de comunicación estándar como también ya habrán podido notar.

Existen tres tipos de grupos de comando, los SD y los SI, que varían en que uno es

reconocimiento dependiente del locutor y el segundo es independiente del locutor, que

básicamente son comandos que trae el modulo por defecto y son palabras comunes, como

son los números de 0 a 9 entre otras.

 Este módulo también posee comandos de disparo o trigger que se pensaron para indicarle

al módulo que se prepare para recibir una instrucción, y los tipos password, cuya finalidad

es bastante obvia, que tienen la característica de ser bastante sensibles al ruido externo a

diferencia de los otros tipos de comandos ya mencionados.

 Este módulo posee una característica que lo hace superior a otros de su tipo , y es el

soporte multi lenguaje, lo que traduce que es capaz de interpretar comandos en diferentes

idiomas, además es capaz de almacenar y reproducir sonidos debido a que tiene

una salida diferencial de audio, además de salidas y entradas digitales configurables.

Todas estas características se pueden programar mediante comandos predeterminados que

deben ser ingresados a través de la interfaz serial bien sea desde un pc o desde un micro

controlador.

Características

Una gran cantidad de comandos independientes del hablante (SI) integrados para  la ejecución de controles básicos. Los comandos están disponibles en los siguientes idiomas:

o Inglés (EE.UU.)o Japonéso Italianoo Alemáno Españolo Francés

Soporta hasta 32 comandos dependientes del hablante (SD) definidos por el usuario (cualquier idioma).

Soporta contraseñas de voz para el reconocimiento biométrico de voz. 3 líneas GPIO que pueden ser controladas por comandos de nuevos protocolos. Salida de audio con PWM que soporta altavoces de 8 ohms. Toma de auriculares. LED programable. Función de reproducción de sonido. Interfaz Gráfica de Usuario sencilla y fácil de usar para la programación de comandos de

voz. El módulo puede ser utilizado con cualquier host con una interfaz UART (alimentada a

3,3V - 5V). Protocolo serial simple y robusto para acceder y programar al módulo a través de la tarjeta.

3. MATERIAL Y MÉTODOS

3.1. Material

3.1.1 Población

Los discapacitados que padecen de problemas de desplazamiento motriz inferior

en la ciudad de Trujillo.

3.1.2. Muestra

Personas discapacitadas con el problema en estudio en el distrito la esperanza

Hospital de Alta Complejidad de La Libertad “Virgen de La Puerta”

3.1.3. Unidad de Análisis

El desplazamiento de personas discapacitadas en estudio.

3.2. Método

3.2.1 Tipo de Investigación

Tipo de investigación: Cuasi Experimental

3.2.2. Diseño de Investigación

O1: Identificación del desplazamiento de sillas de ruedas convencionales

X: Sistema de control de desplazamiento de una silla de ruedas

O2: Evaluación del desplazamiento de sillas de ruedas el sistema de control

propuesto.

3.2.3. Variables de estudio y operacionalización

Variable Independiente: El diseño de un sistema de control de desplazamiento de

una silla de ruedas.

Variable Dependiente: Facilitar la mejor movilidad e independencia de la

persona discapacitada y asi mejorar su calidad de vida.

OPERACIONALIZACION DE LAS VARIABLES

Variable Definición Conceptual

Indicadores Instrumentos o Técnicas de Investigación

Unidad de Medida

Dependencia de las

personas discapacitadas

Necesitar ayuda de

terceros para realizar ciertas

actividades

N° de actividades

realizadas por la persona

discapacitada

Lista de cotejos

N°

Móvil controlado

por voz

Vehículo para transportar personas

accionado mediante la

voz

Frecuencia de corte del filtro

Registro de Observación

Hz

Ancho de banda del

filtro

Registro de Observación

Hz

Ganancia del amplificador

Registro de Observación

dB

Frecuencia de muestreo del

ADC

Registro de Observación

Hz

Resolución del ADC

Registro de Observación

Bit

Velocidad de rotación de

motores

Registro de Observación

Rad/s

Fuente: Elaboración Propia.

3.2.4. Instrumentos de recolección de Datos

Técnicas de Recolección de datos

Entrevistas.

Encuestas.

Observación.

Instrumentos de Recolección de datos

Cuestionario.

Registro de Observación

3.2.5. Procedimientos y análisis de datos

Técnicas de Procesamiento de datos

Gráfico de Columnas (Actividades a realizar vs Grado de Dificultad).

3.2.6. Técnicas de análisis de datos

Tabulación de los datos.

3.2.7. Modelos estadísticos de análisis de datos

4. RESULTADOS

5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

6. CONCLUSIONES

7. RECOMENDACIONES

8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ANEXOS: