SISTEMA DE CONTROL DE UNA SILLA DE RUEDAS MOTORIZADA PARA PERSONAS CUADRIPLÉJICAS C.D. RIGANO, J.P. BOTTANI, A. ROMANO, R. MORO ZUBILLAGA Y O.A.A. ORQUEDA Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Bahía Blanca (UTN-FRBB) 11 de Abril 461 – (8000) Bahía Blanca – Argentina
Resumen− En este trabajo se presenta el desarrollo de varios sistemas de control de una silla de ruedas motorizada para personas de distintas discapacidades físicas, hasta la cuadripléjia. Los sistemas de control están basados en la programación de un PLC S7-212 de Siemens. La silla se puede controlar mediante joystick, soplo y aspiración o contacto. Los objetivos fundamentales perseguidos con este trabajo son: (a) desarrollar un sistema de desplazamiento para mejorar la calidad de vida de personas discapacitadas; (b) desarrollar circuitos y programación de control con aplicaciones inmediatas, que permitan profundizar y afianzar conocimientos a los alumnos del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Bahía Blanca (UTN-FRBB.) Palabras Claves − Circuitos Combinacionales, Autómata Programable, Silla de Ruedas Motorizada.
“Crucero A.R.A. Gral. Belgrano” de Ing. White. Este proyecto ha obtenido el primer lugar en la Feria de Ciencias local del año 1997 y ha accedido a competir en el mismo certamen en el ámbito provincial. El primer autor de este trabajo es uno de los alumnos participantes en el proyecto original. El trabajo está organizado de la siguiente manera: En la sección II, se presenta las características físicas de la silla y los distintos elementos que la componen. En la sección III, se describen los distintos tipos de movimientos. En la sección IV, se desarrolla el circuito de potencia, que es el encargado de activar los motores. En la sección V se analiza el PLC, empezando por las entradas y salidas y terminado con el programa. En la sección VI se resume los resultados experimentales obtenidos. Las conclusiones, los proyectos futuros y la bibliografía cierran este trabajo.
I. INTRODUCCIÓN El proyecto se concibe con la intensión de desarrollar un sistema de control para aplicarlo en una silla de ruedas. Este trabajo está orientado a favorecer la calidad de vida de personas con distintas incapacidades motrices, hasta el grado de personas cuadripléjicas. El prototipo se observa en la figura 1. El sistema de control responde a tres tipos de comandos, implementados sobre la silla. Para personas parapléjicas, ofrece la posibilidad del comando a través del clásico joystick, controlado manualmente. Para problemas de cuadripléjia, se puede comandar bucalmente, sobre una boquilla, mediante una cantidad determinada de soplidos y aspiraciones. Mientras que para personas con dificultades intermedias o especiales, existe la posibilidad de controlar la silla mediante una cierta cantidad de pulsos sobre un contacto. El proyecto se ha llevado a cabo sobre una silla de ruedas motorizada y comandada por joystick y lógica de contactores. Esta ha sido diseñada y construida enteramente por alumnos y docentes de la especialidad Electromecánica de la Escuela de Educación técnica N°1
Figura 1 – Representación de la silla de ruedas.
II. CARACTERÍSTICAS La silla está construida en caño estructural, lo que le otorga mayor peso y mucha mayor resistencia, aunque menor autonomía. Ha sido construida, a excepción de los motores, con material reciclado. Las dimensiones del prototipo son estándar, diferenciándose solamente en un mayor ancho, dependiente del tamaño de las dos baterías de 12 voltios de automóvil, que tiene colocadas bajo el asiento. La butaca ha sido reciclada de una silla de escritorio. Las ruedas traseras son de un ciclomotor de 50cm3. Las ruedas delanteras son de movimiento libre, extraídas de otra silla de ruedas de rezago.
hacia la derecha e izquierda. Estas últimas permiten maniobrar en lugares de poco espacio. Todos los movimientos se encuentran resumidos en la figura 3.
La tracción es obtenida de dos motores de corriente continua de 24 voltios con conexión en derivación y con una potencia de 1 HP. Cada motor está acoplado a una caja reductora y la cupla se transmite a las ruedas por medio de un sistema de poleas y una correa en V. Delante del apoya-brazos derecho tiene montado el joystick, tres leds indicadores de funcionamiento y un botón de comando. En la parte posterior se encuentra el gabinete eléctrico, y sobre un riel Din, en su interior, están montados un PLC S7-212 de SIEMENS, cuatro contactores de potencia para el comando de los motores, el diafragma para el comando por soplos, su circuito electrónico y una protección electromagnética. Este gabinete se observa en la figura 2.
Figura 3 – Tipos de movimientos. La silla de ruedas avanza hacia delante, cuando los dos motores giran en sentido horario, estando el observador situado a la derecha de la silla. Al avanzar hacia atrás, los dos motores giran en sentido antihorario. El control permite girar de dos formas distintas. En la forma denominada giro largo, un solo motor está activo. Por ello, para girar hacia la derecha se activa el motor izquierdo en sentido horario y para doblar a la izquierda se acciona el motor derecho en sentido horario. El radio de giro para esta forma es igual al ancho de la silla de ruedas. En la forma de giro corto, los dos motores funcionan simultáneamente. Cuando gira hacia la derecha, el motor izquierdo se activa en sentido horario y el motor derecho en sentido antihorario. Mientras que en el giro hacia la izquierda, el motor derecho gira en sentido horario y el motor izquierdo en sentido antihorario. El radio de giro es igual a la mitad del ancho de la silla de ruedas. Esto permite que la silla maniobre en lugares de poco espacio ya que la misma gira sobre su propio eje. IV. CIRCUITO DE POTENCIA
Figura 2 – Tablero eléctrico. Las dimensiones de la silla son: § Alto:113 cm §
Ancho:76 cm
§
Largo:103 cm
§
Peso:35 Kgf (Sin baterías)
III. MOVIMIENTOS La silla de ruedas posee seis movimientos, los cuatro clásicos de avance, retroceso, giro hacia la izquierda y hacia la derecha, más dos movimientos de giro corto
La activación de los motores se realiza por medio de cuatros contactores trifásicos. Las bobinas de los contactores son de 24 Voltios de corriente continua. Cada motor utiliza dos contactores, uno para poder girar en sentido horario y el otro para invertirlo. Dos de los contactos de cada contactor trifasico permiten invertir la corriente del bobinado de campo y el restante es utilizado para alimentar el bobinado de la armadura de manera que siempre tenga una circulación de corriente en el mismo sentido, representado en la figura 4. Los contactores son activados indirectamente por las salidas del PLC. Para protección, tiene colocado una interfase intermedia, diseñada con relés de una central telefónica que activa los contactores, figura 4. Los dio-
dos colocados en paralelo a las bobinas de los contactores y de los relés son utilizados para disipar la energía almacenada en la inductancia cuando se produce la desconexión.
Todas las entradas hasta ahora mencionadas sirven para el comando por joystick.
A. Motor Izquierdo Cuando se activa la salida Q0.0 del PLC, se energiza el relé R1, el cual hace lo mismo con el contactor C1 y produce la puesta en marcha del motor izquierdo en sentido horario. Cuando la salida Q0.2 tiene valor lógico igual a uno se activa el relé R3, el contactor C3 y el motor se pone en funcionamiento en sentido antihorario. B. Motor Derecho De la misma manera, al estar la salida Q0.1 del PLC en el nivel lógico alto, se activa el relé R2, con él, el contactor C2 y pone en funcionamientos el motor derecho en sentido horario. Finalmente, cuando Q0.3 tiene valor lógico igual a uno, se pone en marcha el motor en sentido antihorario. Las salidas Q0.0 y Q0.2, así como las salidas Q0.1 y Q0.3 del PLC poseen enclavamientos en la programación que no les permite estar activas a la vez para evitar que se produzca un cortocircuito.
Figura 5 – Joystick, leds indicadores y pulsador. Para el comando por aire se utilizan tres entradas. Una de ellas es para el soplo, otra es para la aspiración y la tercera es para poder detener la marcha de la silla. Esta última entrada se encuentra activa cuando la boca está tocando la boquilla donde ingresa o egresa el aire y colocando la mano en la parte metálica que se encuentra en el asiento de la silla de ruedas. Estos contactos se observan en la figura 6. Si estas condiciones no se cumplen, la silla detiene su marcha.
Figura 6 – Boquilla y contacto metálico. El transductor que se utiliza para convertir la señal de presión de aire en una señal eléctrica es un diafragma. Este está construido por dos discos metálicos y una membrana de goma en la parte central, sobre la cual se ha colocado un hilo de cobre en forma espiral en ambos lados. El diafragma se presenta en la figura 7.
Figura 4 – Circuito de Potencia. V. AUTÓMATA PROGRAMABLE El autómata programable que se utiliza en el control de la silla de ruedas motorizada es un CPU 212 de la empresa SIEMENS. Se alimenta con una tensión de 24 Voltios de corriente continua. Sus entradas y salidas incorporadas son niveles lógicos de corriente continua. A. Entradas y Salidas En este proyecto se usan cuatros de la seis salidas que tiene el PLC y las ocho entradas que posee. Cuatro entradas son asignadas a las posiciones del joystick y una al pulsador, como se representa en la figura 5. Este botón permite pasar de la forma de giro largo a giro corto.
Figura 7 – Diafragma. Cuando la persona sopla sobre la boquilla, la membrana se dilata y toca con el hilo de cobre uno de los discos. Con esto se cierra el circuito, activando el relé Rb y se enciende el led rojo izquierdo que se encuentra junto al joystick. Un contacto normal abierto del relé se cierra y habilita la entrada del PLC, el cual interpreta que se ha realizado un soplo.
Cuando se aspira, el diafragma se contrae y el hilo de cobre toca el otro disco. Esta acción energiza al relé Rc y enciende el led rojo derecho. Los normales abiertos del relé se cierran y hacen llegar un valor lógico igual a uno al PLC. Este lo interpreta como una aspiración. El circuito eléctrico del diafragma se ve en la figura 8.
Figura 8 – Esquema eléctrico del diafragma. Para el correcto funcionamiento de la silla en esta modalidad, debe estar la última entrada en valor lógico uno. Esto ocurre cuando la boca está en la boquilla y la mano en el contacto metálico. Si el operador desea detener la marcha, debe abrir la boca para perder el contacto con la boquilla. Si la boca no tiene contacto con la boquilla, el segundo transistor se encuentra al corte, con lo que el relé Ra está desactivado y al autómata programable le llega un valor lógico igual a cero. Este circuito se representa en la figura 9. Si la boca está en contacto con la boquilla, el primer transistor se polariza con una corriente de base de alrededor de 10µA. Esta corriente circula a través del cuerpo del usuario. El segundo transistor se pone en saturación y activa el relé Ra. Por un contacto normal abierto de Ra, le llega al PLC un valor alto. También se enciende un led amarillo indicador de esta acción.
ción de que los dos tipos de comandos no funcionen simultáneamente. B. Programa El programa del PLC consta de tres partes importantes. Siendo cada una de ellas las distintas formas de comandar la silla de ruedas. 1.) Comando por Joystick Es el más simple de todos. Su repuesta es inmediata para realizar los movimientos. La colocación del joystick en posiciones diagonales, en donde se cierran más de un contacto, producen la detención total de los motores. La marcha de la silla se reanuda cuando solamente esté activo un solo contacto. El programa está diseñado para que funcione en la modalidad de giro largo. Cuando se necesita maniobrar en espacios reducidos se debe utilizar la modalidad de giro corto, que se activa pulsando el botón que se encuentra junto al joystick. Esta modalidad finaliza cuando el usuario realiza un movimiento de avance o retroceso. 2.) Comando por Soplo y Aspiración La rutina que sigue esta parte del programa consiste en contar la cantidad de soplos o aspiraciones. Teniendo como única condición que esté activa la entrada de la boquilla. El tiempo de repuesta es de un segundo, siendo este el tiempo de espera entre pulso y pulso ante de comenzar la acción definida. Con un soplo la silla de ruedas avanza y con dos soplos retrocede. El giro largo a la derecha se realiza con una aspiración y con dos se gira hacia la izquierda. El cambio de modalidad de giro se realiza con tres aspiraciones. Para volver a la modalidad de giro inicial se debe avanzar o retroceder. En caso de un soplo seguido de una aspiración, o viceversa, se tiene en cuenta la primera acción para el conteo. Para detener la marcha, el usuario debe perder el contacto entre la boca y la boquilla. Para pasar de una maniobra a otra se debe abrir el circuito de la boquilla. Se anulan por completo los otros dos sistema de control cuando está activa la entrada de la boquilla.
Figura 9 – Circuito eléctrico de la boquilla. Hasta el momento la cantidad de entradas utilizadas es ocho, con lo que se ha llegado a la totalidad que posee el PLC. Por ende para el comando por contacto se utiliza la misma entrada que la boquilla, con la precau-
3.) Comando por Contacto Este comando necesita seguir una secuencia establecida para poder ser utilizado. Esto se debe ha que esta modalidad comparte la misma entrada que el comando por soplo y aspiración. La secuencia es cerrar el circuito de la boquilla y luego presionar el botón. Hecho esto se debe soltar el botón y finalmente abrir el circuito de la boquilla. Esta modalidad de control anula por completo las otras dos formas. Para poder volver a los otros comandos se debe presionar el botón. El programa cuenta la cantidad de cierres del circuito de la boquilla. Para que la función se realice, se debe mantener cerrado el circuito al realizar el último pulso
de la secuencia deseada. Para detener la marcha de la silla de ruedas bastará con abrir el circuito de la boquilla. Si el tiempo de pulsado es mayor que medio segundo se ejecuta el movimiento establecido, siendo éste el tiempo de respuesta. La cantidad de pulsos que se le ha asignado a cada movimiento se debe principalmente al uso de los mismos. Entonces para avanzar se debe pulsar una vez, para la derecha dos veces, para la izquierda tres y para retroceder cuatro. El cambio de modalidad de giro necesita cinco pulsos. Esta modalidad se desactiva de la misma manera que en las otras ocasiones. En tabla 1 se puede observar claramente la cantidad de pulsos necesario para realizar los distintos movimientos en los dos tipos de comandos. Cantidad de Pulsos Aire Contacto Aspiración Soplo Adelante 1 1 Atrás 2 4 Derecha 1 2 Izquierda 2 3 Cambio de Giro 3 5 Tabla 1 – Resumen de la cantidad de pulsos para los distintos comandos. Funciones
VI. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES El sistema de comando por contacto es un agregado en el proyecto original. Por la falta de más entradas es que se ha superpuesto con el mando de soplo y aspiración, compartiendo la misma entrada. De esta manera, se puede experimentar ambos sistema de comando con el mismo programa. El comando por joystick cumple las mismas características que con la lógica de contactores. Tanto el comando por soplo y aspiración, como por contacto funcionan en forma muy satisfactoria. No se tiene inconsistencias en el programa durante su funcionamiento. Ambos sistemas permiten un rápido entrenamiento en el uso de sus comandos. En el control por soplo y aspiración, el comando de parada se ha intentado mediante un soplo. Por su incomodidad y lenta actuación se ha descartado. Se utiliza entonces la apertura del circuito de la boquilla que resulta mucho más rápida y efectiva. El cierre del circuito de la boquilla a través del cuerpo proporciona una muy buena utilización de la boca para realizar comandos, así como para iniciar el funcionamiento del control por soplo y aspiración. La activación del circuito es fácilmente adaptable a otras partes de la cabeza o cuerpo dependiendo de las incapacidades físicas.
En la parte mecánica, se observa que la velocidad que desarrolla es elevada para su funcionamiento. Esto se debe a que los motores y las poleas no están correctamente diseñados. La transmisión mecánica existente no permite trasladar la silla de ruedas fácilmente en forma manual, cuando se encuentra apagada. La solución a este problema sería reemplazar la reducción sin fin por una reducción de engranajes, que se acoplaría directamente a la rueda. La autonomía de la silla de ruedas es baja y se debe a dos factores a corregir. Uno es el gran peso de la estructura metálica y el otro es el gran consumo de los motores. La siguiente etapa de desarrollo consiste en reemplazar el PLC por un microcontrolador. Hasta el momento se encuentra desarrollado el programa del microcontrolador para el comando por joystick. Está en estudio la modificación del circuito de potencia. Este utilizaría en vez de contactores, componentes electrónicos. El grupo de robótica ya ha comenzado una segunda etapa más ambiciosa, que consiste en agregar a la silla de ruedas un conjunto de sensores, comunicación inalámbrica y comando autónomo soportado por una PC. El objetivo perseguido con estas modificaciones es lograr que el usuario de la silla sólo indique el sitio al que se quiere dirigir, dejando a la silla las tareas de planificación de trayectorias a seguir, evitación de obstáculos y control de los motores. VII. CONCLUSIONES El resultado de este trabajo cumple con las expectativas esperadas. Los tres sistemas de control, joystick, soplo y aspirado y contacto bucal sobre la boquilla, permiten un control simple y de rápido entrenamiento. La utilización del cuerpo del usuario, con parte del circuito para realizar comandos, simplifica el diseño. Esta experiencia permite como siguiente objetivo del grupo, reemplazar el PLC por un microcontrolador, redundando en un costo final menor, para que personas con diferentes discapacidades físicas puedan acceder a una mejor calidad de vida. REFERENCIAS Jones, Seiger y Flynn, Mobile Robots, A K Peters (1999). Bayliss, J., C. Brown, R. Carceroni, C. Eveland, C. Harman, A. Singhal and M. Van Wie, “Mobile robotics 1997,” Technical Report 661. The University of Rochester, Computer Science Department. Rochester, New York 14627 (1997). Feng, L., J. Borenstein and D. Wehe, “A completely wireless development system for mobile robots,”. Proceedings of the ISRAM Conference. Montpellier, France. pp. 571 576 (1996). Schenk, S.J., “A mathematical model of wheelchair racing,” PhD thesis. Faculty of New Jersey Institute of Technology. New Jersey (2000).
