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: