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Prototipo de bajo coste para la determinación, seguimiento e integración en realidad virtual de los movimientos de un brazo
| Content Provider | Semantic Scholar |
|---|---|
| Author | Revuelta, Alberto Jaén |
| Copyright Year | 2018 |
| Abstract | Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo la demostracion de la viabilidad de las IMUs como alternativa a los sistemas de seguimiento existentes en el mercado. Para lograrlo se producira un prototipo capaz de hacer un seguimiento de los movimientos de un brazo. Se incluyen como requisitos fundamentales el bajo coste y tamano, ademas de poder ser utilizado en cualquier entorno. Las IMUs (Unidades de Medicion Inercial) se utilizan para tomar informacion acerca de la velocidad y fuerzas gravitacionales de un dispositivo o aparato, usando una combinacion de acelerometros y giroscopos. El proyecto se ha dividido en tres fases: investigacion(apartados del 1 al 4), programacion (apartados del 4 al 7) y montaje y pruebas (apartado del 7 al 9). Durante la primera fase se realizo un estudio del software y protocolos de comunicacion. Respecto al software, se estudiaron los programas disponibles para la realizacion de los esquemas electricos, programacion en realidad virtual y programacion del hardware. Finalmente se eligio Fritzing, Unity y Arduino IDE, respectivamente, teniendo como principal requisito una amplia aceptacion en la comunidad. Respecto a los protocolos de comunicacion se estudiaron como alternativas a la comunicacion por cable el protocolo I2C y el SPI. En cuanto a la comunicacion inalambrica se estudiaron las conexiones Wifi y Bluetooth. Se eligio finalmente la implementacion de la comunicacion I2C, ya que necesita un menor numero de cables, y Wifi, debido a la drastica disminucion de rendimiento al aumentar el rango. A continuacion se realizo un estudio de mercado, se estudiaron los microcontroladores, placas de conexiones Wifi e IMUs. El estudio de las placas Wifi demostro que el uso de un microcontrolador no era necesario gracias a las caracteristicas de una placa Wifi, el modulo ESP-01. Esto se debe a que el ESP-01 lleva a bordo un procesador en el que se puede instalar un firmware basado en C++. Finalmente en el estudio de las IMUs se eligio el modulo BNO055. Este modulo permite una fusion de los algoritmos para la obtencion de los angulos girados ademas de permitir la comunicacion I2C. Esta comunicacion permite conectar las dos IMUs con el ESP-01 con solo dos cables: SDA (senal de datos) y SCL (senal del reloj). Habiendo obtenido toda la informacion necesaria se procedio al diseno de los circuitos electronicos. Entre estos destacan el circuito disenado para realizar la programacion del ESP-01 y el circuito final con las dos IMUs. En el primero se debe tener en cuenta que esta placa no posee un puerto USB de ningun tipo, por lo que se debe hacer uso de un componente extra para su programacion. De entre todas las alternativas se decidio usar un Arduino UNO como pasarela y una fuente externa de alimentacion. Es importante resaltar que el ESP-01 trabaja a 3,3V mientras el Arduino UNO trabaja a 5V. De ahi que se utilice una fuente de alimentacion externa para alimentar el ESP-01 y se proteja el pin Rx en este esquema con un divisor de tension. Una vez obtenido el anterior esquema se deben conectar las dos IMUs para la realizacion de pruebas. En este esquema se mantendra el Arduino UNO para poder seguir leyendo por la terminal del Arduino IDE los valores obtenidos. Como se puede ver en la imagen 2, se utilizan los pines programables del ESP-01 para la implementacion del bus I2C. Es importante observar la segunda IMU con atencion, teniendo en cuenta las resistencias pullup conectadas al bus I2C para la eliminacion del ruido. Tambien es importante observar como el pin ADR de la segunda IMU esta conectado a HIGH, se conecto de esta manera para cambiar su direccion a 0x29, teniendo solo dos disponibles. En el caso de querer conectar una tercera IMU seria necesario la conexion de un demultiplexor. Una vez programado el ESP-01 e implementada tanto la comunicacion I2C con las IMUs y la comunicacion Wifi con el ordenador se procedio a la programacion en Unity. En Unity se ha realizado un modelo de un brazo simple, de tal manera que se pueda visualizar por pantalla los movimientos en tiempo real de dicho brazo. Ademas incluye una pequena ventana para poder visualizar los angulos de Euler de cada IMU. A continuacion se realizaron unas pruebas para comprobar la fiabilidad del sistema obtenido. Se diseno por lo tanto un brazo articulado de madera para llevar a cabo estas pruebas. Como se puede observar en la imagen 3, se monto en prototipo ya soldado en los puntos medios de cada brazo. Una vez montado se preparo para la realizacion de las pruebas con el Optitrack. El Optitrack es un sistema de seguimiento de movimientos mediante serie de camaras y marcadores. Estas camaras emiten infrarrojos que rebotan en los marcadores y asi determinan tanto la posicion como la orientacion. En total son 8 camaras y se consigue una precision submilimetrica. Como se puede ver en la imagen 2, estos marcadores con forma de bola gris se dispusieron sobre los brazos. Debe haber tres por cada cuerpo para determinar los angulos girados, siendo solo necesarios dos para la posicion. Esto se debe a que con dos no se podria determinar la rotacion sobre si misma, al ser una linea recta. Por este mismo motivo se han dispuesto los marcadores de forma que no formen una linea recta. Una vez realizado el montaje se realizo un estudio estatico, donde se tomaron medidas de los giros segun el eje perpendicular a las IMUs. Estos resultados se compararon con las medidas obtenidas con el Optitrack y se pueden observar en la ilustracion 1. Se obtiene por lo tanto una media del error absoluto de 2,293o. La conclusion final de la prueba es satisfactoria, el resultado entra dentro de nuestras previsiones ya que el objetivo de nuestro prototipo es de ofrecer una fiabilidad aceptable, es decir, obtener un error medio por debajo de 5o, a un precio muy bajo en comparacion con el resto de alternativas. Una vez realizadas estas pruebas se diseno un prototipo final para la utilizacion de un usuario. Se valoraron dos alternativas. La primera consistia en la encapsulacion de los dos modulos en cajas producidas mediante la impresion 3D. El modulo que contenia al ESP-01 iria montado sobre el biceps mediante unas tiras que se pudiesen ajustar. El modulo restante iria colocado sobre el antebrazo. La segunda consistia en el acoplamiento de los dos modulos a una camiseta ajustada. Esta camiseta estaria preparada para poder mantener los modulos en sus respectivos lugares. Despues de compararlos se decidio optar por el segundo modelo ya que originaba un menor coste y era mas comodo de utilizar para un usuario. El resultado es satisfactorio en todas las rotaciones menos en la rotacion segun el eje longitudinal del brazo. La IMU sigue este movimiento de torsion hasta un punto en el que la camiseta desliza con respecto al movimiento del brazo. Este trabajo marca el camino a seguir para la realizacion de un traje que pueda realizar el seguimiento del cuerpo completo. Se propone como desarrollo futuro la implementacion de 4 modulos mas de este tipo: dos para los brazos, dos para las piernas y una para el pecho y cabeza. En este esquema los modulos de la cabeza y pecho irian conectados por cable. La idea es programar todos los modulos ESP-01 menos uno de manera que se conecten a una red Wifi ya existente. El restante seria el encargado de producir esta red Wifi y estaria colocado en el pecho. Este modulo ademas seria el encargado de recopilar los datos de todos los modulos y enviar estos mismos al ordenador. La existencia de un traje de estas caracteristicas en la universidad supondria un enorme apoyo. Sobre todo en la realizacion de todos los TFGs y TFMs que estan siendo realizados en el campo del Internet de las Cosas (IoT) y la realidad virtual. |
| File Format | PDF HTM / HTML |
| Alternate Webpage(s) | http://oa.upm.es/50447/1/TFG_ALBERTO_JAEN_REVUELTA.pdf |
| Language | English |
| Access Restriction | Open |
| Content Type | Text |
| Resource Type | Article |
