PROYECTO DEL PRIMER PARCIAL
TEMA: Adquisición de datos de sensores para la implementación de un guante traductor de lenguaje de señas a lenguaje de letras Autores:
Carlos Chango Cristian A. García
5 de diciembre de 2014
Tema:
Adquisición de datos de sensores para la implementación de un guante traductor de lenguaje de señas a lenguaje de letras Objetivos:
Realizar un análisis de un sensor adecuado para la realización de este tipo de guate traductor Realizar la adquisición de datos de los sensores mediante la utilización de un tarjeta Arduino y el software Matlab
Introducción:
En la sociedad las personas con la privación o discapacidad de hablar y escuchar representan una gran cantidad, aquellas personas cuentan con un lenguaje propio con el cual ellos pueden comunicarse con las demás personas, este lenguaje cubre el posicionamiento de los dedos para indicar las letras y movimientos faciales para interactuar en una conversación. Sin embargo las personas con la capacidad de hablar y escuchar muchas veces no entienden este leguaje, adquiriendo la necesidad de aprender este lenguaje para poder comunicarse con personas con este tipo de discapacidad. Viendo la necesidad de las personas con este tipo de discapacidad, sintiendo la necesidad de comunicarse con personas normales y viceversa, se ha planteado realizar un mecanismo que permita a las personas con discapacidad así como las personas normales: aprender en lenguaje de señas las letras del alfabeto. Partes de la mano humana
Es importante saber las diferentes partes de la mano, así como los movimientos realizados por los dedos en su conjunto completo. (Espinosa)
Figura 1. Partes de la mano
Análisis de los diferentes tipos de sensores para este tipo de dispositivo
Existen diferentes tipos de sensores que pueden ser usados en este tipo de dispositivo, debiendo seleccionar el más adecuado en cuanto a comodidad de la persona que va a utilizar, analizando también la forma de trabajar del sensores ya que este tipo de sensor debe ser fáciles de mover en los dedos. Tipos de sensores:
a) Galgas extensiométricas b) Acelerómetros
c) Sensor flexible
a) Galgas extensiométricas
Es un dispositivo de medida universal que se utiliza para la medición electrónica de diversas magnitudes mecánicas como la presión, carga, torque, deformación, posición, etc. El parámetro strain puede ser positivo (tensión) o negativo (compresión). Siendo adimensional, en muchos casos se suele expresar en unidades de mm/mm. En la práctica, la magnitud de medida de strain en muy pequeña por lo que usualmente se expresa como mi crostrain (µε), que es ε x 10 -6.
Figura 2. Galga extensiométrica
El principio de funcionamiento de este tipo de sensores se basa en el efecto piezorresistivo de los metales semiconductores, donde la resistencia varía en función de la deformación a la que se encuentra sometido. b) Acelerómetro Es un dispositivo que permite medir aceleración, es decir el tipo de aceleración asociada al fenómeno del peso que experimenta una masa de prueba, que se encuentra en un marco de referencia del dispositivo. Se basa en la compresión, es decir cuando se comprime un retículo cristalino, ésta compresión produce una carga proporcional a la fuerza aplicada.
Figura 3 Acelerómetro
c) Sensor flexible
Tienen la propiedad que al ser flexionados ocurre un cambio en la resistencia eléctrica. Son transductores pasivos, necesitan un tipo de excitación para poder convertir un tipo de energía en otra. En una de las caras del sensor se imprime con tinta de polímero con partículas conductores. Cuando el sensor se encuentra en su posición horizontal la resistencia que presenta es baja; cuando el sensor es flexionado o doblado la resistencia aumenta debido a partículas internas que se separan. (FlexSensor)
Figura 4 Funcionamiento del sensor Flexible
La variación de resistencia es directamente proporcional a la deformación en curvatura que presente el sensor.
Figura 5. Funcionamiento del sensor proporcional a la deformación en curva
Selección del sensor
Para la realización del presente proyecto hay que tener en cuenta las exigencias de los usuarios como son: comodidad, fácil manipulación y tamaño imperceptible debido a la utilización de diversidad de personas en edades diferentes. Aspectos importantes en la selección de un tipo de sensor
Debido a la disposición del sensor flexivo, sus características y tamaño que son imperceptibles se ha optado por la utilización del mismo para la realización del proyecto.
Dentro de las características de este tipo de sensor se encuentran los rangos máximos y mínimos de variación de resistencias lo cual es muy importante para las diversas posiciones de los dedos de la mano. Como el nombre del sensor lo dice es muy flexible capaz de flexionar en su totalidad dando de esta manera la resistencia máxima, y siendo manipulable por personas de diferentes edades y capacidades de flexionar. El rango de trabajo o polarización (5V – 12V) de estos sensores está dentro de los necesario y suficiente debido a la utilización de una fuente propia de la tarjeta Arduino Mega 2560 de 5V.
Tipos de acondicionamiento de la señal de un sensor flexible
Acondicionamiento - Seguidor de tensión
Consiste en un circuito divisor de tensión de una fuente de alimentación entre dos o más resistencias, utilizando para ellos un amplificador operacional con ganancia unitaria para dar seguimiento a la señal del divisor de tensión. (FlexSensor)
Figura 6. Circuito de acondicionamiento-Seguidor de tensión
Acondicionamiento – Circuito comparador
El circuito comparador hace que mediante la variación de resistencia del sensor el voltaje en la entrada positiva del amplificador sea mayor entonces a la salida se tendrá un valor positivo permitiendo de esta manera que el sensor trabaje como un interruptor, superando los rangos de resistencia máximos o mínimos. (FlexSensor)
Figura 7. Circuito de acondicionamiento – Comparador
Amplificador inversor
Este circuito de acondicionamiento se debe usar cuando se va a trabajar con bajos grados de flexión del sensor, con la resistencia de ganancia R G. (FlexSensor)
Figura 8. Circuito de acondicionamiento – Amplificador inversor
Selección del circuito de acondicionamiento
El circuito de acondicionamiento a utilizar es el de divisor de tensión con un amplificador para realizar un seguidor de tensión, esto es debido a la necesidad de trabajar con dos valores de tensión dentro de un rango de observación en la interfaz gráfica de 0 a 5V con rangos de entrada analógica de 0 a 1023, que utilizamos en la tarjeta Arduino para la adquisición de datos. Este tipo de acondicionamiento nos permite tener una señal más estable a la salida, nos permite un acople de impedancias entre los elementos y la tarjeta de adquisición. Como es un seguidor de tensión nos permite tener el mismo valor de tensión entre el divisor de tensión como a la salida del amplificador sin perder la intensidad de corriente en el circuito. Las necesidades de este tipo de acondicionador es calcular el valor de la resistencia fija debido a la presencia del sensor flexible. Como se observa en el circuito de acondicionamiento la salida del amplificador es = +
Cálculos de resistencia fija para el circuito de acondicionamiento Medidas de resistencia de los sensores con mano abierta (mínimo) y cerrada (máxima) Sensores (dedos) Mínimo (kΩ) Máximo (KΩ) S1 – Pulgar 38,1 84 S2 – Índice 54,66 123 S3 – Medio 45,33 102,1 S4 – Anular 45,33 102 S5 – Meñique 50,82 90,25 Tabla 1. Tabla de valores de re sistencias máximos y mínimos de los sensores
Calculo de resistencias fija para el divisor de tensión
Para S1
Para S2
Para S3
Para S4
Para S5
= → → = −∗ ) = 57,15Ω ≈ 56Ω = −∗ = 3∗(38,110 5−3 = → → = −∗ ∗ 3∗(54,6610 ) = − = = 81,99Ω ≈ 82Ω 5−3 = → → = −∗ ∗ ) = 67,995Ω ≈ 68Ω = − = 3∗(45,3310 5−3 = → → = −∗ ) = 67,995Ω ≈ 68Ω = −∗ = 3∗(45,3310 5−3 = → → = −∗ ) = 123,75Ω ≈ 120Ω = −∗ = 3∗(82,510 5−3
Tabla de valores de resistencias para el acondicionamiento
Sensores (dedos) Mínimo (kΩ) Máximo (KΩ) Resistencia fija (KΩ) S1 – Pulgar 38,1 84 56 S2 – Índice 54,66 123 82 S3 – Medio 45,33 102,1 68 S4 – Anular 45,33 102 68 S5 – Meñique 82,50 105 120 Tabla 2. Resistencias del sensor y resistencia fija para acondicionamiento
Voltajes medidos en la salida de cada sensor
Sensores (dedos) Mínimo (V) Máximo (V) S1 – Pulgar 1,95 3,02 S2 – Índice 2 3,10 S3 – Medio 2,05 2,97 S4 – Anular 2,09 3,31 S5 – Meñique 1,95 2,80 Tabla 3. Voltajes máximos y mínimos medidos
Datos adquiridos
Sensores (dedos) Mínimo (V) Máximo (V) S1 – Pulgar 1,82 2,89 S2 – Índice 1,89 3,01 S3 – Medio 2,07 2,96 S4 – Anular 2,27 3,27 S5 – Meñique 2.01 2,93 Tabla 4.Voltajes máximos y mínimos adquiridos
Errores
Datos adquiridos Sensores (dedos)
Datos medidos
Errores
Mínimo (V)
Máximo (V)
Sensores (dedos)
Mínimo (V)
Máximo (V)
error % (Vmín)
error % (Vmáx)
S1 – Pulgar
1,82
2,89
S1 – Pulgar
1,95
3,02
6,66
4,30
S2 – Índice
1,89
3,01
S2 – Índice
2
3,1
5,5
2,90
S3 – Medio
2,07
2,96
S3 – Medio
2,05
2,97
0,97
0,33
S4 – Anular
2,27
3,27
S4 – Anular
2,09
3,31
8,6
1,20
S5 – Meñique
2,01
2,93
S5 – Meñique
1,95
2,8
3,07
4,64
Tabla 5. Porcentaje de error datos medidos vs datos adquiridos
Análisis de resultados
En la tabla se puede observar que los valores guardan relación y coherencia entre datos adquiridos por la tarjeta Arduino y los datos medidos con un multímetro. Los valores mínimos corresponden al voltaje que entrega la flexoresistencia cuando se encuentra en estado de reposo o no está siendo flexionada, mientras que el valor máximo es cuando el sensor se encuentra flexionado en su totalidad. En el cálculo de errores se puede observar que la mayoría de sensores no sobrepasa el error de 5% del valor admisible. Para los errores superiores al 5% podemos considerar que se puede tolerar este valor puesto que la anatomía de las manos difieren de cada persona y que al momento de cierta persona flexiona en su totalidad la mano para encontrar los valores máximos de voltaje no lo hará igual o no obtendremos los mismo valores si el guante es utilizado por otra, esto se debe a que existen personas que pueden flexionar más sus dedos o el simple hecho de poseer manos más grandes o más pequeñas hace que el sensor actúe de forma distinta para cada caso, creando así una pequeña diferencia a la salida de las señales.
Interfaz gráfica de adquisición de datos
Figura 9. Interfaz gráfica adquisición de datos
Conexiones de elementos para la adquisición de datos
Figura 10. Conexiones de elementos para la adquisición de datos
Selección de amplificador para el acondicionamiento
Para el circuito de acondicionamiento en el cual necesitamos usar un amplificador operacional, el de nuestra elección es el amplificador LM324.
Figura 11. Amplificador LM324
Este tipo de amplificador operacional se los selecciono por sus características, ya que este amplificador cuenta con cuatro amplificadores internos, presentando de esta manera mayor conexiones de elementos a un solo dispositivo. Cuenta con polarización simple o doble de acurdo a las necesidades en nuestro caso se necesita una polarización simple de 5V a la entrada Vcc pin 4 del amplificador. Características del amplificador
Alto rango de alimentación: o Alimentación simple: entre 3V y 32V Alimentación doble: entre +/- 1,5V y +/- 16V o Consumo de corriente muy bajo (700 µA) independiente de la alimentación Muy baja corriente de polarización de entrada (45 nA) (compensado con la temperatura) Bajo offset de voltaje de entrada (2mV) y offset de corriente (5 nA)
Figura 12. Características del amplificador LM324
Selección de la tarjeta de adquisición de datos “MEGA” .-
El Arduino Mega es la placa con mayores prestaciones de la familia Arduino posee un micro controlador ATmega2560. Cuenta con 54 pines dig itales, que funcionan como entrada/salida , además de sus 16 entrad as analógic as. Es la placa más grande y potente de Arduino. Es totalmente compatible con las Shields Arduino UNO, y cuenta con una memoria que duplica su capacidad en comparación con el resto de placas. Arduino MEGA es por tanto la opción más adecuada para aquellos proyectos en los que se requiera un gran número de entradas y salidas disponibles. (ARDUINO)
Figura 13. Arduino Mega 2560
Características técnicas del Arduino Mega ADK: Microcontrolador Voltaje de operación Voltaje de entrada (recomendado) Voltaje de entrada (límites) Pines Digitales E/S (I/O) Pines analógicos de entrada Corriente DC por pin I/O Corriente DC para Pin de 3.3V Memoria Flash SRAM EEPROM Velocidad del reloj
ATmega2560 5V 7-12V 6-20V 54 (de los cuales 15 proporcionan PWM) 16 40 mA 50 mA 256 KB de los cuales 8 KB utilizado por el gestor de arranque 8 KB 4 KB 16 Mhz
Tabla 6. Características técnicas Arduino Mega 2560
Conclusiones
El diseño del prototipo del guante cuenta con sensores llamados flexoresistencias que según nuestro análisis y criterio son la mejor opción para la adquisición de datos en la aplicación que nosotros deseamos implementar, además de que estos sensores son de fácil interpretación de sus señales de salida. Los cálculos que se realizaron muestran los valores óptimos de ganancia y resistencia para las partes de los componentes electrónicos que efectúan la función de amplificación de la señal eléctrica obtenida por la variación de resistencias de los sensores colocados en cada uno de los dedos. Utilizamos Arduino para la adquisición de datos y envió de las mismas a nuestras PC. Se diseñó una interfaz hardware/software que permite observar las señales de salida de los sensores que se encuentran en cada uno de los dedos de la mano, viendo así que responde de manera correcta a cualquier cambio (flexión de los dedos) que experimente.
Recomendaciones
Colocar los capacitores de acoplamiento en las entradas de los amplificadores operacionales, así logramos filtrar el ruido y hacer que nuestra señal sea más estable a su salida. No olvidar de instalar las librerías en el software MATLAB para que pueda existir comunicación entre Arduino y este software.
Bibliografía ARDUINO. (s.f.). ARDUINO. Obtenido de ARDUINO: http://arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Main/ArduinoBoardMega Espinosa, P. (s.f.). Diseño y construcción de un guante electrónico . Cuenca, Azuay, Ecuador. FlexSensor. (s.f.). FlexSensor. Obtenido de FlexSensor: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Flex/flex22.pdf
