Colección: Investigación

Control digital de orientación, posición y velocidad basado en movimientos de la cabeza para un prototipo de simulación de silla de ruedas

Editorial UPTC
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Las diversas técnicas, métodos y tecnologías para la implementación de sistemas de control que pueden ser utilizados en sistemas de movilidad humana, como una silla de ruedas de accionamiento eléctrico o un prototipo de simulación de la misma, se han recolectado y analizado a través de una detallada revisión bibliográfica. A partir de ella, se han encontrado diferentes tipos de técnicas de instrumentación y control, especialmente las que implican movimientos corporales para accionar dispositivos de asistencia. La implementación del sistema de captura de movimiento utilizado en esta investigación permitió que los movimientos de la cabeza ejecutaran acciones de control en siete direcciones: hacia adelante, hacia atrás, hacia la derecha, hacia la izquierda, hacia atrás a la derecha, hacia atrás a la izquierda y la función de parada, para manejar un prototipo de simulación de silla de ruedas mediante una interfaz gráfica. 

A partir del desarrollo de proyectos de captura de movimiento biomecánico en el Grupo de Investigación en Software GIS, surgió la motivación para realizar una investigación que se refleja en este libro. Se tiene como objetivo conocer los fundamentos teóricos y experimentales para el diseño e implementación de controladores digitales de posición, velocidad y orientación y, realizar una validación de los conceptos con la simulación de los procesos y después implementar el sistema en hardware y software utilizando un lenguaje de programación de alto nivel.

El desarrollo de este libro sienta un precedente en este ámbito de investigación al utilizar un sistema de captura de movimiento y diversas técnicas de control clásico e inteligente. Mediante la aplicación de la lógica difusa, se demuestra la viabilidad de accionar el prototipo de silla de ruedas en diferentes direcciones en función de la orientación de la cabeza, obteniendo las respuestas del sistema en tiempo real. Además, mediante el uso de técnicas de control clásicas, se evidencia la respuesta óptima del sistema, comparando y evaluando los resultados obtenidos.

En el ámbito de la salud, este libro presenta un desarrollo tecnológico para mejorar la movilidad de las personas con discapacidades en las extremidades inferiores o superiores mediante el uso de los movimientos de la cabeza y el análisis de estas señales para impulsar un prototipo de simulación.

Desde el punto de vista de la ingeniería, concretamente de la ingeniería electrónica y la ingeniería de sistemas, se aplican conceptos teóricos y prácticos de las técnicas de control, discutiendo las teorías que se han presentado en la literatura y mejorando las implementaciones para que el sistema sea más rápido y responda mejor a las intenciones del usuario. Además, se utiliza la aplicación de sistemas basados en la lógica difusa y el uso del multiparalelismo para determinar la posición, la velocidad y la orientación del prototipo en tiempo real.

A través de esta investigación surgen trabajos futuros, como generar la completa autonomía del sistema para que las personas con condición de cuadriplejía puedan operarlo, y la implementación del sistema en una silla de ruedas física vaya más allá del prototipo de simulación.

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TEC000000 TECNOLOGÍA E INGENIERÍA > General
TGX Destrezas y oficios de la ingeniería
629 Tecnología (ciencias aplicadas) > Ingeniería y operaciones afines > Otras ramas de la ingeniería

Abreviaturas........................................................................................................19

Introducción.......................................................................................................21

1. Fundamentación teórica para la instrumentación, modelado y técnicas de control..............................................................................................25

1.1 Conceptos generales................................................................................................ 25

1.1.1 Desviación estándar.............................................................................25

1.1.2 Instrumentación electrónica................................................................25

1.1.3 Función de transferencia......................................................................26

1.1.4 Planta..................................................................................................26

1.1.5 Sistema................................................................................................26

1.1.6 Sistema de control realimentado..........................................................27

1.1.7 Representación en el espacio de estados...............................................27

1.1.8 Control clásico....................................................................................27

1.1.9 Control moderno................................................................................28

1.1.10 Control inteligente..............................................................................29

1.1.11 Sistemas MicroElectroMecánicos (MEMS)..........................................30

1.1.12 Ángulos Euler para el procesamiento de los movimientos de la cabeza.......30

1.1.13 Filtro...................................................................................................32

1.1.14 Filtrado digital.....................................................................................33

1.1.15 Control automático.............................................................................33

1.1.16 Control Proporcional-Derivativo PD...................................................35

1.1.17 Modelo difuso Takagi-Sugeno.............................................................37

1.1.18 Protocolo de datagrama de usuario......................................................39

1.1.19 Escala de Usabilidad del Sistema (EUS)...............................................40

1.2 Estado del arte acerca de sistemas de control de orientación................................... 41

2. Metodología para el diseño e implementación de controladores digitales....45

2.1 Identificación mediante una revisión sistemática de la literatura los tipos de controladores digitales principales que usan Unidades de Medición Inercial Magnéticas (IMU) y que utilicen los movimientos de la cabeza para el control de sillas de ruedas eléctricas.............................................................. 45

2.2 Instrumentación y modelado del prototipo de simulación de la silla de ruedas, estableciendo el principio para el diseño del controlador............................ 45

2.3 Diseño e implementación del controlador digital teniendo en cuenta la estrategia o técnica seleccionada mediante la revisión inicial, utilizando un lenguaje de programación de alto nivel y desplegado en el hardware específico diseñado para el proyecto........................................................................ 46

2.4 Evaluación del rendimiento del sistema controlado mediante un plan de pruebas de laboratorio que compruebe las características de diseño y ejecución realizadas.................................................................................................. 47

3. Resultados de la investigación........................................................................49

3.1 Instrumentación electrónica del prototipo y configuración del sistema

de captura de movimiento....................................................................................... 49

3.1.1 Instrumentación del prototipo de simulación de silla de ruedas en cuanto al hardware del sistema.............................................49

3.1.2 Instrumentación del prototipo de simulación de silla de ruedas en cuanto al software del sistema..............................................63

3.1.3 Configuración del sistema de captura de movimiento..........................69

3.2 Modelado teórico e identificación del sistema mediante el modelo paramétrico del motor DC...................................................................................... 71

3.2.1 Fundamentación teórica para diseño del modelo matemático..............72

3.2.2 Modelo matemático del prototipo de silla de ruedas............................74

3.2.3 Identificación del sistema con el modelo paramétrico del motor DC...79

3.3 Diseño e implementación de los controladores de posición, velocidad y

orientación para el prototipo de simulación de silla de ruedas................................ 84

3.3.1 Control manual mediante el uso de una interfaz gráfica.......................84

3.3.2 Control clásico y difuso de posición....................................................90

3.3.3 Control difuso de velocidad...............................................................101

3.3.4 Control difuso de orientación con velocidad constante......................103

3.3.5 Control difuso de orientación con velocidad variable.........................107

3.3.6 Control de orientación a velocidad constante con sistema de seguridad...........................................................................................109

3.4 Evaluación y validación del sistema.......................................................................110

3.4.1 Elaboración del protocolo de pruebas del controlador electrónico.....110

3.4.2 Validación del protocolo de pruebas del controlador electrónico........111

3.4.3 Elaboración del protocolo de pruebas para ser implementado por participantes................................................................................114

3.4.4 Validación del protocolo de pruebas para ser implementado por participantes................................................................................115

4. Discusión......................................................................................................121

4.1 Respuesta del sistema electrónico..........................................................................121

4.1.1 Control de posición...........................................................................121

4.1.2 Control de velocidad.........................................................................122

4.1.3 Control de orientación......................................................................123

4.2 Experiencia de usuario...........................................................................................125

5. Conclusiones.................................................................................................127

Referencias........................................................................................................129


Aura Ximena González Cely

Nombre invertido: González Cely, Aura Ximena
Afiliación profesional:
Afiliación
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia
Biografía:

Ingeniera Electrónica, estudiante de Maestría en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Federal de Espíritu Santo (UFES) Brasil, y miembro activo del Grupo de Investigación en Software (GIS) de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC).

Sus intereses de investigación incluyen proyectos en el área de rehabilitación, específicamente en tecnologías de asistencia como lo son las sillas de ruedas eléctricas. Las líneas de investigación en las cuales se desenvuelve, incluyen proyectos con sensores inerciales y magnéticos, además del uso de fibra óptica para el monitoramiento de úlceras generadas en personas con movilidad reducida en miembros inferiores o superiores, además del modelamiento y control de robots y sillas de ruedas utilizando técnicas de control clásico, moderno e inteligente. Por otra parte, la exploración en sistemas embebidos y uso de software y hardware. Ha hecho parte de congresos a nivel nacional e internacional como asistente y ponente. En 2021, recibió una beca para realizar la maestría en la UFES en la línea de investigación en rehabilitación e Ingeniería Biomédica.


Mauro Callejas-Cuervo

Nombre invertido: Callejas-Cuervo, Mauro
Identificadores:
Afiliación profesional:
Afiliación
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia
Biografía:

Ingeniero de Sistemas y Doctor en Ciencia Aplicada de la Universidad Antonio Nariño; tiene una Maestría en Ciencias de la Computación, del TEC Monterrey-México y un doctorado en Energía y Control de Procesos de la Universidad de Oviedo-España. Es profesor titular en la Facultad de Ingeniería y Director del Grupo de Investigación en Software de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.

Sus intereses de investigación incluyen proyectos que apoyan desarrollos tecnológicos para la salud, el deporte y el entretenimiento, sistemas inteligentes, ingeniería de software. En mayo de 2021, obtuvo el segundo puesto en el concurso: “Premio Nacional al Inventor Colombiano, 2020”, organizado por La Superintendencia de Industria y Comercio. En agosto de 2017, fue galardonado con la medalla al científico del año 2017, en el campo de Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados por la Asociación Internacional de Materiales Avanzados en la Ciudad de Estocolmo, Suecia. 

mauro.callejas@uptc.edu.co


Manuel Andrés Vélez-Guerrero

Nombre invertido: Vélez-Guerrero, Manuel Andrés
Identificadores:
Tipo ID Valor ID
ORCID https://orcid.org/0000-0002-2105-1742
Afiliación profesional:
Afiliación
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia
Biografía:

Ingeniero Electrónico, Magíster en Ingeniería Electrónica y candidato a Doctor en Ingeniería Electrónica de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Actualmente se desempeña como docente e investigador adscrito al Grupo de Investigación en Software de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.

Se ha desempeñado también como joven investigador, semillero y becario por el grupo. Sus intereses de investigación están encauzados al desarrollo de tecnología para la salud, el deporte y el entretenimiento; diseño de sistemas electrónicos embebidos, procesamiento digital de señales, y sistemas inteligentes.

manuel.velez@uptc.edu.co


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