UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Tesis previa a la obtención del título de Ingeniero Electrónico

TÍTULO: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GUANTE PROTOTIPO ELECTRÓNICO CAPAZ DE TRADUCIR EL LENGUAJE DE SEÑAS DE UNA PERSONA SORDOMUDA AL LENGUAJE DE LETRAS”

AUTORES: Pablo Andrés Espinosa Aguilar Hernán Augusto Pogo León

DIRECTOR: Ing. Pablo Cevallos. Cuenca - Ecuador

I

RESEÑA E INFORMACIÓN DE LOS AUTORES.

Pablo Andrés Espinosa Aguilar Estudiante de la Carrera de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica Salesiana. mail: [email protected]

Hernán Augusto Pogo León Estudiante de la Carrera de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica Salesiana. mail: [email protected]

Todos los derechos reservados. Queda prohibida, salvo la excepción prevista por la ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra para fines comerciales, sin contar con la autorización de los titulares de propiedad intelectual. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual. Se permite la difusión de este texto con fines académicos o investigativos por cualquier medio, con la debida notificación a los autores. DERECHOS RESERVADOS © 2013 Universidad Politécnica Salesiana CUENCA – ECUADOR II

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IV

DEDICATORIA:

A Dios quien con su ayuda divina me da la capacidad de luchar día a día, a mis amados padres, grandes referentes de mi vida, que gracias a su gran esfuerzo, sacrificio y confianza en mí, han logrado que pueda alcanzar esta meta tan anhelada de ser un profesional, son mi pilar fundamental para superar toda adversidad, a mis hermanos Paulina y Juan, que me han dado el mejor ejemplo de profesionalismo y superación, ustedes me demostraron con hechos que si se lucha por algo en la vida, se lo consigue, y que nada es imposible si se lo hace con mucho empeño y dedicación.

Pablo Andrés

DEDICATORIA:

A Dios, por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor. A mi querida Madre, Martha Pogo León, por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor y ternura. A mi Padre, Jorge Chávez, por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor. También me gustaría dedicar este proyecto de tesis a mis queridos hermanos y hermanas, quienes me han apoyado constantemente con sus consejos y muestras de afecto en cada momento de mi carrera, principalmente a mis hermanas María Fernanda y Martha Isabel a quienes quiero mucho.

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Hernán Augusto

AGRADECIMIENTO: Agradezco de todo Corazón a mis amados padres por sus sabios consejos y sus palabras de aliento. Mi gratitud para mi compañero de tesis Hernán y nuestro director de tesis el Ingeniero Pablo Cevallos por todo el apoyo brindado para culminar con éxito este proyecto. Agradezco a todos los docentes de la Universidad Politécnica Salesiana por impartirme todos sus conocimientos que me llevan a ser un gran profesional.

Pablo Andrés

AGRADECIMIENTO: El presente trabajo de tesis primeramente me gustaría agradecerte a ti Dios por bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque hiciste realidad este sueño anhelado. Al director de tesis, Ing. Pablo Cevallos por su esfuerzo y dedicación, quien con sus conocimientos, su experiencia, su paciencia y su motivación ha logrado en mí que pueda terminar mis estudios con éxito. También me gustaría agradecer a los docentes de toda mi carrera profesional porque todos han aportado con un granito de arena a mi formación. A mi compañero de tesis, Pablo Espinosa, quien supo soportar los momentos difíciles en el desarrollo de la tesis de Ingeniería.

Hernán Augusto

VI

RESUMEN: El prototipo que se presenta está basado en un traductor de movimientos de la mano a través de un guante, el mismo que permite traducir el lenguaje dactilológico usado por las personas privadas del habla (todo el abecedario en símbolos) para de esta forma comunicarse con el resto de personas. El guante consta de ocho sensores flexibles, que varían su valor óhmico al ser doblados. Uno en el meñique, uno en el pulgar y dos en los dedos restantes (índice, medio y anular). Cada dato obtenido por el guante será interpretado por una tarjeta de adquisición de datos con comunicación USB, la misma que constará de un microcontrolador, en donde serán procesados los datos y posteriormente enviados al computador para descifrarlos como un símbolo que representará una letra determinada, dicha letra será mostrada visualmente en un computador a través de una interfaz gráfica diseñada en el software Matlab R2010a. Se ha construido un guante promedio para niños de entre los ocho a once años de edad, (tamaño medium). Antes del uso del software traductor se tendrá que realizar un previo entrenamiento del guante para que las señas realizadas sean bien interpretadas a la letra o símbolo que corresponda. El software del guante traductor realizado en matlab, consta de algunas aplicaciones de aprendizaje, en la cual el estudiante del instituto podrá seleccionar los diferentes tipos de lecciones que presenta el mismo, es decir lecciones de deletreo de colores, animales y frutas, así como también una pantalla de traducción de señas.

VII

RESUMEN CAPITULAR

Capítulo I: Introducción al proyecto, se estudia la anatomía de la mano humana y se analiza su complejidad para poder mimificar los movimientos de los dedos. Capítulo II: Análisis de los diferentes tipos de sensores que existen para medir la deflexión. También se procede a la selección del sensor más adecuado para medir la deflexión. Finalmente, se estudian los métodos de acondicionamiento del Flex Sensor y se selecciona el método más adecuado. Capítulo III: Se explica los procedimientos, parámetros y pruebas realizadas para la construcción del guante traductor así como también su diseño final con las partes que lo componen, así como también, se aprecia la construcción completa de la tarjeta de adquisición de datos, los elementos que la componen, el funcionamiento de cada uno de los elementos que la integran y todas las consideraciones apropiadas para llegar al diseño final. Capítulo IV: Se explica el desarrollo de la aplicación en el software MATLAB ® 2010, así como también las librerías proporcionadas por Microchip para obtener los datos provenientes del PIC 18F4550 enviados hacia el puerto USB del computador y a su vez se explicara el desarrollo de la interfaz gráfica de usuario para el uso de las personas sordas. Capítulo V: Descripción de las pruebas para comprobar el correcto funcionamiento del prototipo diseñado y su correspondiente reporte de resultados. Capítulo VI: Conclusiones y recomendaciones en base a los resultados y la experiencia adquiridos durante la elaboración del proyecto. VIII

Índice general INTRODUCCIÓN

12

1. CAPÍTULO I. ESTUDIO ANATÓMICO DE LA MANO HUMANA

14

1.1. Anatomía de la Mano Humana.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.1. Carpo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 1.1.2. Metacarpo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1.3. Dedos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2. Estudio de los Dedos de la Mano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2. CAPÍTULO II. ANÁLISIS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE SENSORES

22

2.1. Tipos de Sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.1. Bend Sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.2. Galgas Extensométricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.3. Acelerómetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1.4. Sensor Lineal de Posición (LVDT). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1.5. Sensor Flexible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2.2. Selección del sensor a utilizar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3. Tipos de acondicionamiento de la señal del Sensor Flexible. . . . . . . . . . 31 2.4. Propuesta de diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3. CAPÍTULO III. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE

36

3.1. Especificación General del Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2. Construcción del Guante Traductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 3.2.1. Análisis de Modelos de Prueba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 3.2.1.1. Ideas de diseño y corrección de errores. . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.2. Parámetros del Guante Traductor para su construcción. . . . . . . . . . 46 3.3. Medición de la variación de la resistencia de los sensores flexibles. . . . 46 1

3.4. Cálculos y circuitos de acondicionamiento de los sensores flexibles. . . .48 3.4.1. Cálculos de resistencia para los partidores de tensión en sensores de 2.2”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.2. Cálculos de resistencia para los partidores de tensión en sensores de 4.5”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.5. Diseño final del guante traductor y distribución de sensores. . . . . . . . . .52 3.5.1. Proceso de construcción del guante traductor. . . . . . . . . . . . . . . . . .56 3.6. Construcción de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . .64 3.6.1. Análisis de tarjetas de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.6.2. Parámetros de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . . .72 3.6.3. Circuito de adquisición de datos del PIC 18F4550 con Interfaz USB 2.0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.6.4. Circuito final de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . .75 3.6.4.1. Seguidores de tensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75 3.6.4.2. Partidores de tensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.6.4.3. Conectores, indicadores de conexión y oscilador. . . . . . . . .80 3.6.4.4. Alimentación de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . 82 3.6.4.5. Esquema general del circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.6.5. Diseño final de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . 85 4. CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL SOFTWARE Y FIRMWARE DEL SISTEMA

88

4.1. Desarrollo de la Aplicación en el Software MATLAB . . . . . . . . . . . . . .88 4.1.1. Herramientas Utilizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.1.2. Descripción y uso de la aplicación para el usuario. . . . . . . . . . . . . .94 4.2 Desarrollo del Firmware para el PIC 18F4550 realizado en CCS C. . . .104 4.2.1. Consideraciones para el desarrollo del Firmware. . . . . . . . . . . . . 104 4.2.2. Herramientas Utilizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 5. CAPÍTULO V. ANÁLISIS DE RESULTADOS

123

5.1. Pruebas de funcionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 5.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.3. Costos del Proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 2

6. CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

139

6.1. Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.2. Recomendaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143

ANEXO A

146

DATASHEETS DE LOS SENSORES FLEXIBLES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 A1 DATASHEET DEL SENSOR FLEXIBLE DE 4.5”.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 A1 DATASHEET DEL SENSOR FLEXIBLE DE 2.2”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147

ANEXO B

148

EXPLICACIÓN DEL PROTOTIPO A DOCENTES DEL INSTITUTO “IEISA”, TOMA DE MUESTRAS A LOS NIÑOS Y PRUEBAS CON EL GUANTE TRADUCTOR

148

B1 EXPLICACIÓN DEL PROTOTIPO A DOCENTES DE LA INSTITUCIÓN BENEFICIADA.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 B2 TOMA DE MUESTRAS A LOS NIÑOS DE LA INSTITUCIÓN . . . . . . . . . . . . 150 B3 GUANTE DE PRUEBAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

ANEXO C

153

CONSTRUCCIÓN DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN SOFTWARE ISIS (ARES) Y DISEÑO FINAL.

153

C.1 SIMULACIÓN DE LA TARJETA EN EL PROGRAMA ARES. . . . . . . . . . . . . 153 C.2 COMPARACIÓN Y DISEÑO FINAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 3

ANEXO D

154

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA CAJA DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

155

D.1 DISEÑO DE LA TARJETA DE ADQUISCIÓN DE DATOS EN PROGRAMA INVENTOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

ANEXO E

159

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

159

E.1.1 COMPONENTES DEL PROTOTIPO Y CONEXIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . 159

ANEXO F

161

MANUAL DEL USUARIO Y MANTENIMIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

ANEXO G

171

CERTIFICADO DEL INSTITUTO “IEISA”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 CERTIFICADO DE DONACIÓN AL INSTITUTO “IEISA”. . . . . . . . . . . . . . . . 173

4

Índice de figuras 1.1.Anatomía de la mano

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

1.2.Articulaciones de la mano vista anterior

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.3.Ángulos formados por las partes de los dedos 1.4.Tendones y músculos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1. Diseño artesanal bend sensor

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

2.2.Elementos típicos de deformación 2.3. Acelerómetro

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

2.4. Sensor lineal de posición

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

2.5. Comportamiento interno del sensor flexible. (a) Partículas conductoras juntas, (b) Partículas conductoras separadas. . . . 27 2.6.Dimensiones sensor Flexible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.7.Rango de ángulos de reacción del Flex sensor

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.8.Esquema físico y medidas del sensor flexible de 4.5”

. . . . . . . . . . . . . . 28

2.9.Esquema físico y medidas del sensor flexible de 2.2”

. . . . . . . . . . . . . . . 29

2.10. Seguidor de Tensión

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

2.11. Comparador para accionamiento 2.12. Amplificador inversor

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.13. Diagrama de bloques guante traductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 3.1.Guante de pruebas de Tela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 3.2. Guante de pruebas de Cuero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.Señas con las que el programa se confunde por su semejanza 3.4. Sensor Flexible 2.2”

. . . . . . . . .44

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.5. Circuito divisor de tensión (A), valor mínimo, (B), valor máximo. . . . . . . 50 3.6. Reemplazo de potenciómetro por resistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.7. Distribución de sensores en el diseño final del guante traductor. . . . . . . . . 54 3.8. Guante inicial antes de acondicionamiento. (a) Anverso, (b) Reverso. . . . .57 3.9. Guante con las puntas cortadas. (a) Anverso, (b) Reverso. . . . . . . . . . . . . . 58 3.10.

Pedazo de tela cocido al guante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 5

3.11. Fijación de los sensores dentro de los canales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.12. Cable común e individuales soldados a cada sensor. . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.13. Orden de ubicación de cada terminal en el socket del guante. . . . . . . . . 61 3.14. Puntos de silicón en cada terminal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.15. Costura del otro extremo del retazo de cuero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 3.16. Diseño final del guante traductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.17. Circuito integrado LM324n

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

3.18. Configuración amplificador no inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 3.19. Etapa amplificadora del circuito de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.20. Disposición de pines CI PIC 18F4550

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.21. Etapa digital del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68 3.22. Diseño final de la tarjeta de pruebas. (a) Circuito en software (b) Circuito físico de prueba #1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.23. Circuito de prueba #2 en protoboard con LCD para visualizar la conversión A/D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 3.24. Voltajes de referencia externa del microcontrolador. . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.25. Interfaz PIC – USB 2.0 esquema básico de comunicación

. . . . . . . .74

3.26. Seguidores de tensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76 3.27. Partidores de tensión. (a) Pertenecientes a cada sensor flexible, (b) pertenecientes a los voltajes de referencia del PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.28. Conexiones a la tarjeta de adquisición de datos. (a) Socket de 10 pines, (b) Conector USB hembra tipo B. . . . . . . . . . . . . . .80 3.29. Diodos indicadores de conexión USB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.30. Alimentación del circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.31. Esquema general de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . .84 3.32. Ruteo de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.33. Placa impresa. (a) Anverso, (b) Reverso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.34. Diseño final de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1. Ícono GUIDE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2. Entorno de diseño de GUI.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.3. Herramientas GUI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6

4.4.Paleta de herramientas en el GUIDE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.5. Resultado de la función uigetfile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.6. Resultado de la función uiputfile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.7.Selección del software del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.8.Inicio del software del guante traductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 4.9.Pantalla inicial del software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.10. Entrenamiento de todo el lenguaje de señas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96 4.11. Uso de la tolerancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 4.12. Datos de los sensores y datos guardados más la tolerancia actual utilizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.13.

Indicador de conexión o desconexión de la tarjeta y cambio de letra. . .98

4.14. Guardar los datos con el nombre del usuario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.15. Cargar datos de un usuario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.16. Pantalla de prácticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.17. Lecciones Dactilológicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.18. Pantalla de lección de colores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.19. Pantalla de lección de animales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.20. Pantalla de lección de frutas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.21. Configuración de voz de hombre o mujer, audio del deletreo . . . . . . . .102 4.22. Acerca del traductor de señas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.23. Mensaje que presenta cuando la tarjeta no está conectada al computador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.24. Diagrama de bloques del conversor analógico – digital. . . . . . . . . . . . 105 4.25. Pines de los voltajes de referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.26. Tipos de conectores USB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.27. Creación de un nuevo proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.28. Ventana de programación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 4.29. Configuraciones del menu options. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 4.30. Ventana de compilacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.31. Proceso de programación en la memoria del PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . .114 4.32. Asistente para hardware nuevo encontrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7

4.33. Driver de detección del PIC 18F4550. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 4.34. Busqueda del driver para la detección del dispositivo. . . . . . . . . . . . . . 120 4.35. Compatibilidad del dispositivo con Windows XP. . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.36. Establecimiento de un punto de restauración del sistema. . . . . . . . . . . .121 4.37. Finalización del la instalación del software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.38. Hardware o dispositivo encontrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 A.1 Hoja de datos del sensor flexible de 4.5”

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146

A.2 Hoja de datos del sensor flexible de 2.2”

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

B.1 Explicación del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 B.2 Aportes de los docentes del instituto para la mejora del prototipo. . . . . . . 149 B.3 Fotografía con los docentes luego de la sustentación. . . . . . . . . . . . . . . . . 149 B.4 Toma de muestras de la mano de los niños de primero de básica. . . . . . . .150 B.5 Toma de muestras de la mano de los niños de segundo de básica. . . . . . . 150 B.6 Toma de muestras de la mano de los niños de tercero de básica. . . . . . . . .151 B.7 Primeras pruebas con el guante de cuero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 C.1 Vista frontal de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 C.2 Vista de un lado de la tarjeta de adquisición de datos. . . . . . . . . . . . . . . . .153 C.3 Tarjeta de adquisición de datos y elementos a soldar en la placa. . . . . . . . 154 C.4 Comparación de tamaños entre la tarjeta de pruebas y el diseño final. (a) Tarjeta de pruebas, (b) Diseño final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 D.1 (a) Cara lateral, (b) Cara delantera, (c) Cara inferior. . . . . . . . . . . . . . . . . .155 D.2 (a) Cara posterior, (b) Cara superior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 D.3 Caja armada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156 D.4 Acotaciones. (a) Caras laterales, (b) Cara inferior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157 D.5 Acotaciones. (a) Cara frontal, (b) Cara posterior, (c) Cara superior. . . . . .158 E.1 Hardware del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 E.2 Prototipo terminado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

8

Índice de gráficas 5.1. Barras de las señas G y Q. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2. Barras de las señas I y J. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127 5.3. Barras de las señas H, U y V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127 5.4. Barras de las letras C y E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 5.5 Barras porcentuales de todos los valores obtenidos después del entrenamiento del guante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.6 Barras porcentuales de todos los valores obtenidos después del entrenamiento del guante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

9

Índice de tablas 1.1.Rango de movimiento del dedo índice de la mano humana. . . . . . . . . . . . . .18 3.1.Mediciones de los sensores flexibles de 4.5” colocados en el guante. . . . . . 39 3.2.Cálculo de las resistencias de cada sensor por medio de la fórmula de partidor de tensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.Valores máximos y mínimos de voltaje de los sensores de 4.5”. . . . . . . . . . 40 3.4.Valores máximos y mínimos de los sensores flexibles 2.2”. . . . . . . . . . . . . 47 3.5.Valores máximos y mínimos de los sensores flexibles 4.5”. . . . . . . . . . . . . 48 3.6.Valores máximos y mínimos de resistencias calculados para los partidores de tensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.7.Valores máximos y mínimos de resistencias calculados para los partidores de tensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.8.Conexión de la salida de los seguidores de tensión al PIC 18F4550. . . . . . .77 3.9.Conexión del condensador cerámico y master reset del sistema. . . . . . . . . . 77 3.10. Partidores de tensión conectados a los pines de voltajes de referencia del PIC 18F4550. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 3.11. Conexión del conector USB hembra tipo B al PIC 18F4550. . . . . . . . . .81 3.12. Conexión de los diodos indicadores al PIC 18F4550. . . . . . . . . . . . . . . .82 4.1. Estándares USB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108 4.2. Distribución de pines conector USB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3. Configuración del ADCON1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 5.1. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 100. . . . . . 124 5.2. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 120. . . . . . 125 5.3. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 140. . . . . . 125 5.4. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 120. . . . . . 128 5.5. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 140. . . . . . 129 5.6. Resultados obtenidos con el primer estudiante después del entrenamiento del guante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.7. Resultados obtenidos con el segundo estudiante después del entrenamiento del guante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 10

5.8. Costos generales del proyecto incluyendo pruebas para su desarrollo final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.9. Costos de producción de un solo prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 5.10. Costo de la mano de obra calificada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 5.11. Ingresos en la venta de un solo prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 5.12. Costos de producción de un prototipo comprando los elementos al por mayor para producción en serie.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.13. Costo de la mano de obra calificada (producción en serie). . . . . . . . . . 138 5.14. Ingresos en la venta de prototipos en producción en serie. . . . . . . . . . .138

11

INTRODUCCIÓN

En nuestro medio las personas privadas de hablar y escuchar aprenden la comunicación manual (mímica dactilológica) y/o la lectura labio facial para poder comunicarse con la sociedad, sin embargo la gran mayoría de personas con la capacidad de hablar no entienden el lenguaje que tales personas utilizan para comunicarse con los demás. Es muy común que las personas con esta discapacidad sean de bajos recursos económicos, debido a su dificultad de comunicación, la que no les permite acceder a un trabajo bien remunerado, ya que toda actividad exige de una buena comunicación para poder realizar las distintas tareas que se asignen. Datos estadísticos proporcionados por el CONADIS revelan que del total de la población del Ecuador, el 13,2% son personas con algún tipo de discapacidad (1`600.000 personas), y se puede señalar que en el país existen aproximadamente: 

592.000 personas con discapacidad por deficiencias físicas



432.000 personas con discapacidad por deficiencias mentales y psicológicas



363.000 personas con discapacidad por deficiencias visuales; y,



213.000 personas con discapacidad por deficiencias auditivas y del lenguaje

Viendo la necesidad de que las personas sordomudas puedan comunicarse con más facilidad con el resto de la sociedad (personas que no sufren de esta discapacidad), se ha planteado diseñar y construir un guante electrónico para las personas sordomudas capaz de traducir el lenguaje de señas sordomudo al lenguaje de letras del alfabeto castellano. Es por este motivo que se ha optado por desarrollar un sistema traductor que permita a una persona con discapacidad auditiva interactuar sin problemas con la sociedad, esto podría resolver el problema de la pobreza extrema en la comunidad de discapacitados sordomudos así como también asegurar una mejor comunicación con las personas que no sufren de esta discapacidad mejorando su nivel de vida. 12

El presente trabajo muestra el diseño y construcción de un guante prototipo que capture el movimiento de los dedos de la mano de una persona sordomuda para luego traducir el lenguaje de señas sordomudo al lenguaje alfabético y con su respectiva traducción auditiva, debido a que existen personas que no son totalmente sordas y les sirve de mucho el relacionar la letra o palabra con el audio proporcionado. Para el desarrollo del prototipo nos contactamos con una institución que será la beneficiada con el prototipo de nuestra tesis, en donde nos recibió la directora, Lcda. Miryam Falconí, expresándonos que la realización de este proyecto será un gran aporte para el mejor aprendizaje de las personas sordas, además supo orientarnos de mejor manera en cuanto al lenguaje de señas que se utiliza en el Ecuador, y nos indicó las diferencias con los lenguajes en otros países. El aporte del IESA reforzó el desarrollo de este trabajo, pues sus direccionamientos permitieron que el prototipo sea aplicable a casos particulares. El trabajo buscará principalmente facilitar la educación básica en las instituciones dedicadas a la enseñanza de niños sordomudos desde el primer año hasta el tercer año de básica, con el fin de que aprendan el abecedario perteneciente a nuestro País, tanto en la letra como en la posición en la que debe estar la mano para representar dicho símbolo, de esta manera formar palabras símbolo a símbolo que le permita visualizar lo que quiere decir a las personas que desconocen del lenguaje de señas. El prototipo involucra un desarrollo básico, con una tarea de traducción específica y un sistema de entrenamiento, y se ha proyectado para desarrollos futuros, algunas mejoras como: un software mucho más robusto con opciones de lecciones para los estudiantes y más imágenes en cada una de ellas, así como también, algunas variedades en tamaños de guantes para que todos puedan utilizar el prototipo sin inconvenientes de ajuste en la mano o que quede muy holgado.

13

CAPÍTULO I ESTUDIO ANATÓMICO DE LA MANO HUMANA 1.1 Anatomía de la Mano Humana

Es importante la comprensión de los movimientos de la mano al desarrollar un prototipo que se adapte a la misma, el análisis anatómico permitirá definir ángulos a los cuales cada dedo tiende a ubicarse al presentarse movimiento en la mano

.

La mano se conforma de 27 huesos (Figura 1.1) que se agrupan en tres áreas distintas: huesos del carpo, huesos del metacarpo y huesos de los dedos

Figura 1.1. Anatomía de la mano

14

.

.

1.1.1

Carpo

El carpo está conformado por ocho huesos que forman el esqueleto de la muñeca. Se disponen en dos filas: proximal y distal. Los huesos de la hilera proximal, de lateral a medial (del pulgar hacia el meñique ver Figura 1.1.). Cada hueso se articula con los huesos adyacentes. En conjunto, el carpo tiene una cara posterior convexa y una anterior cóncava. Los huesos que conforman el carpo son discontinuamente cuboides, por lo tanto tienen seis caras. Dos de estas caras son rugosas, estas son la anterior o palmar y la posterior o dorsal, las mismas que se encuentran en relación con las partes blandas de la región palmar y la dorsal. Las cuatros faltantes son lisas y están cubiertas de cartílago, estas son, superiores o branquiales, inferiores o metacarpianas, externas o radiales e internas o cubitales

1.1.2

.

Metacarpo

El metacarpo es una de las tres partes de las que se componen los huesos de la mano y está formado por los cinco huesos metacarpianos (Ossa metacarpalia), que son delgados y ligeramente alargados y ocupan

toda la palma de la mano. Estos son

numerados del uno al cinco contados desde el pulgar hacia afuera. Estos huesos tienen un cuerpo y dos extremos, superior o proximal e inferior o distal. El cuerpo es levemente curvo en cuanto al sentido longitudinal, prismático y triangular, por lo tanto tiene tres caras y tres bordes. En la extremidad superior o carpiana, los metacarpianos muestran cinco carillas, tres articulares y dos no articulares. La extremidad inferior o digital tiene la forma de una cabeza articular, aplanada en sentido transversal. Se articula con la primera falange de los dedos

.

15

1.1.3

Dedos

La mano está conformada por cinco dedos: 

Pulgar



Índice



Medio



Anular



Meñique

Los dedos son los órganos esenciales de prensión y del tacto, muy móviles. Los huesos están articulados con los metacarpianos y también se numeran del 1 al 5 comenzando por el pulgar. Están formados por tres columnas decrecientes que se denominan falanges (primera, segunda y tercera falanges) aunque a veces reciben los nombres de falange, falangina y falangeta. El pulgar solo consta de dos falanges, faltando la segunda o falangina.

Todas las falanges tienen una estructura parecida, distinguiéndose un cuerpo y dos extremos. Son numerosos los músculos que se insertan en estas falanges: 

Primera falange: en la primera falange se insertan: o

En la del pulgar, cuatro músculos: el abductor corto del pulgar, el flexor corto del pulgar, el aductor del pulgar y el extensor corto del pulgar.

o

En la del índice, dos músculos, el primer interóseo dorsal y el primer interóseo palmar;

o

En la del medio, igualmente dos músculos. segundo y tercer interóseos dorsales;

o

En la del anular, también dos músculos, el segundo interóseo palmar y el cuarto interóseo dorsal;

o

En la del meñique, tres músculos, el tercer interóseo palmar, el flexor corto del meñique y el abductor del meñique.



Falangina: en la segunda falange se insertan: o

En la del índice, el flexor superficial de los dedos, el extensor común y el extensor propio 16

o

En las del medio y del anular, el flexor común superficial y el extensor común.

o

En la del meñique, el flexor común superficial, el extensor común y el extensor propio.



Falangeta: en la falangeta toman inserción: o

En la del pulgar, el extensor largo del pulgar, el flexor largo del pulgar y a veces el abductor corto del pulgar.

o

En las del índice, medio, anular y meñique, el extensor común, los interóseos palmares y dorsales, los lumbricales y el flexor común profundo

.

1.2 Estudio de los Dedos de la Mano

Los dedos están compuestos por tres articulaciones, las mismas que se visualizan en la Figura 1.2. 

Articulación metacarpofalángica, esta une la falange metacarpiana y la proximal de un dedo o pulgar.



Articulación interfalángica proximal, está entre las falanges media y proximal del dedo.



Articulación interfalángica distal, se encuentra entre los falanges media y distal del dedo.

17

Figura 1.2. Articulaciones de la mano vista anterior

.

La articulación metacarpofalángica tiene dos grados de libertad reflejados en los movimientos de abducción - aducción y los de flexión - extensión. En cuanto a las articulaciones interfalángicas estas solo tienen un grado de libertad por lo tanto permite los movimientos de flexión - extensión. Se presentan los rangos de movimiento de las mencionadas articulaciones en la Tabla 1.1.

Articulación

Movimiento

Rango de Movimiento

Interfalángica distal

Flexión/extensión

50,36˚/6,6˚

Interfalángica proximal

Flexión/extensión

89,5˚/11,7˚

metacarpofalángica

Flexión/extensión

85,3˚/18,4˚

metacarpofalángica

Abducción/aducción

50,4˚/6,6˚

Tabla 1.1 Rango de movimiento del dedo índice de la mano humana

.

Para poder visualizar los movimientos de los dedos de la mano humana es necesario conocer los ángulos (θ) que se forman entre las partes que componen el dedo humano cuando estos se flexionan. Como se aprecia en la Figura 1.3.

18

Figura 1.3. Ángulos formados por las partes de los dedos

.

1. Ángulo (θ1), ángulo formado entre el hueso del metacarpo y la primera falange. 2. Ángulo (θ2), ángulo formado entre la primera falange y la segunda falange 3. Ángulo (θ3), ángulo formado entre la segunda falange y la tercera falange 4. Ángulo (θ4), ángulo formado entre el hueso del metacarpo y la primera falange. 5. Ángulo (θ5), ángulo formado entre la primera falange y la tercera falange

En la Figura 1.1. Se puede apreciar la disposición de los mencionados huesos correspondiente a los ángulos (θ).

Los dedos están formados por tres tipos básicos de músculos. 

Los flexores extrínsecos que están originados en la parte anterior del antebrazo; el flexor profundo y superficial perteneciente a este grupo.



Los extensores extrínsecos originados en la parte posterior del antebrazo; el músculo extensor digitorum pertenece a este grupo. Por último,



Los músculos intrínsecos cuyo origen va del distal a la articulación de la muñeca; a este grupo comprenden los lumbricales y los interóseos.

Cada grupo juega un papel importante en el movimiento y la estabilidad de los dedos. La Figura 1.4 presenta los músculos y los tendones, los mismos que conforman el sistema de actuación de los dedos. 19

Figura 1.4. Tendones y músculos

.

Para modelar los dedos es importante en primer lugar realizar cálculos de las fuerzas de los músculos partiendo de los desplazamientos de cada uno de los tendones que conforman los dedos para luego relacionar estos desplazamientos con los angulares que se producen en las articulaciones

.

Se define entonces que la mano humana es muy compleja para poder ser simulado perfectamente en un robot, pero con los avances actuales de la tecnología, están apareciendo nuevos prototipos más semejantes a la mano humana.

Una vez que se hace un análisis completo de la mano entre articulaciones músculos y huesos, se puede apreciar cuales son las partes más importantes que van a influir en el desarrollo de este prototipo, pues se observa claramente que en realidad lo que más interesa es conocer los huesos de los dedos ya que son los que se encuentran en movimiento y los que realizan los símbolos, por lo tanto en esa área serán colocados los sensores, los huesos que influirán en la variación del ángulo para los sensores son los siguientes:

20



Falanges intermedias



Falanges proximales



Huesos sesamoideos



Huesos metacarpianos

Es importante considerar estos huesos pues la ubicación de los sensores se hará de la siguiente manera: 

Un sensor colocado entre las falanges intermedias y falanges proximales, midiendo de esta manera su ángulo de inclinación.



Un sensor entre los huesos metacarpianos y las falanges proximales, midiendo la inclinación que producen los huesos sesamoideos.

Esta ubicación es considerada la más apropiada, pues abarca todos los ángulos de curvatura que genera cada dedo. Se puede apreciar que no se mencionan las falanges distales, esto es porque los sensores dan un máximo en el valor de resistencia a los 90° de inclinación, por lo tanto, si se coloca los sensores desde las falanges distales (punta de los dedos), sería inútil, pues no va a medir algún valor adicional ya que el sensor está a más de 90°, por esto se aprovecha del análisis de la mano completa para la correcta ubicación de los sensores que es la que ya se indicó y será analizada con más cautela en posteriores capítulos. Así también más adelante se explica con detalle la razón de porque se coloca solamente un sensor en el dedo pulgar y uno en el dedo meñique

21

.

CAPÍTULO II ANÁLISIS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE SENSORES 2.1. Tipos de Sensores

Se analiza los tipos de sensores que podrían ser de utilidad para la realización de esta tesis, de acuerdo a esto se seleccionará el mejor de todos, según nuestros requerimientos y se justifica su elección posteriormente.

2.1.1. Bend Sensor

Este es un sensor que se puede fabricar artesanalmente, el mismo que varía su valor óhmico al momento de doblarlo. Por lo tanto, debido a que es un sensor que se lo realiza manualmente, este sensor adquiere cualquier tamaño según las necesidades de quien lo fabrique

.

Para fabricar uno de este tipo de sensores son necesarios los siguientes materiales: 

Neopreno



Hilo conductor



Tejido elástico conductor



Velostat

Ahora, en la Figura 2.1 se aprecia la disposición de este sensor para su correcto diseño.

22

Figura 2.1 Diseño artesanal bend sensor

.

2.1.2. Galgas Extensométricas

Conocido también como células de carga, es el transductor más común existente, elemento caracterizado por ser elástico, los mismos que se les coloca varias galgas de resistencia eléctrica. La forma geométrica y el módulo de elasticidad del elemento determinan la magnitud del campo de deformación producido por la acción de la fuerza. Cada extensómetro, responde a la deformación local y su posición, y la medida de fuerza es determinada por la integración de estos valores individuales

.

Las capacidades de carga de estos extensómetros varían de 5 N a 50MN.

Constan de un elemento elástico, la forma del elemento elástico depende de factores como rangos de fuerza a medir, límites dimensionales, e incluso el costo de producción. En la Figura 2.2 se aprecia los diferentes elementos elásticos típicos de deformación y los rangos típicos de carga. Las flechas indican el eje de cada elemento.

23

Figura 2.2 Elementos típicos de deformación

Los elementos que se presentan vienen ya diseñados para poder realizar la medición de la fuerza a lo largo de su eje principal y que no sea afectado por otras fuerzas. Como es lógico se emplea un material elástico, este es por lo general, acero para herramientas, acero inoxidable, aluminio o cobre, por lo tanto son materiales que tienen una relación lineal entre esfuerzo y deformación, con baja histéresis y maleable. El material también debe tener una larga vida, para lograr esto el material debe ser expuesto a tratamientos térmicos especiales.

El principio de funcionamiento se basa en el efecto piezorresistivo de metales semiconductores, donde su resistividad varía en función a la deformación a la que se encuentran sometidos. Si se considera un hilo metálico de longitud l, sección transversal A y resistividad , su resistencia eléctrica R es la que se presenta en la Ecuación [2.1]. 24

EC.[2.1]

Con respecto a la ecuación (EC.[2.1]) se puede afirmar que la resistencia eléctrica del hilo es directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia aumenta cuando éste se alarga.

2.1.3. Acelerómetro

Es un dispositivo capaz de medir aceleraciones, es decir con el tipo de aceleración asociada con el fenómeno de peso experimentado por una masa de prueba que se encuentra en el marco de referencia del dispositivo, es un transductor, el más común es el piezoeléctrico por compresión (Figura 2.3). Este se basa en que cuando se comprime un retículo cristalino piezoeléctrico, se produce una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada

.

Figura 2.3. Acelerómetro Cuando se mueve el acelerómetro en la dirección arriba abajo, la fuerza que se requiere para mover la masa esta soportada por el elemento activo. Según la segunda ley de Newton, esa fuerza es proporcional a la aceleración de la masa. La fuerza sobre el cristal produce la señal de salida, que por consecuente es proporcional a la aceleración del transductor

.

2.1.4. Sensor Lineal de Posición (LVDT)

Dispositivo de sensado de posición que provee un voltaje de salida de CA proporcional al desplazamiento de su núcleo que pasa a través de sus arrollamientos

25

como se observa en la Figura 2.4. Los LVDTs proveen salida lineal para pequeños desplazamientos mientras el núcleo permanezca dentro del bobinado primario.

Figura 2.4. Sensor lineal de posición.

El LVDT indica la dirección de desplazamiento ya que las salidas de los dos bobinados secundarios se encuentran balanceadas mutuamente. Los bobinados secundarios en un LVDT se conectan en sentido opuesto, así cuando el mismo campo magnético variable se aplica a ambos bobinados secundarios, sus voltajes de salida tienen igual amplitud pero diferente signo

.

2.1.5. Sensor Flexible

Los sensores piezoeléctricos tienen la particularidad que al ser flexionados ocurre un cambio en la resistencia eléctrica entre sus terminales. Son transductores pasivos, es decir necesitan alguna excitación o polarización para poder convertir un tipo de energía en otra

.

En un lado del sensor se imprime con una tinta de polímero que tiene partículas conductoras embebidas en él. Cuando el sensor esta recto, las partículas de la tinta dan una resistencia de aproximadamente 10 KΩ. Cuando el sensor esta doblado lejos de la tinta, las partículas conductoras se encuentran más separadas, aumentando la resistencia (a alrededor de 40 KΩ ohmios cuando el sensor está doblado a 90 °, como en el diagrama de la Figura 2.5.). Cuando el sensor se endereza de nuevo, la resistencia vuelve

26

al valor original. Mediante la medición de la resistencia, se puede determinar hasta qué punto el sensor está siendo sometido.

Figura 2.5. Comportamiento interno del sensor flexible. (a) Partículas conductoras juntas, (b) Partículas conductoras separadas.

Este sensor cambia su resistencia dependiendo de la cantidad de curva que experimenta. Como se dijo anteriormente su variación en curvatura es convertida a resistencia eléctrica, cuanto más es la curva, más es el valor de la resistencia, en la Figura 2.6 se aprecia las dimensiones de este tipo de sensor.

Figura 2.6. Dimensiones sensor Flexible 27

Es importante detallar que la variación de la resistencia de este sensor es en un solo sentido. En la actualidad estos sensores se los encuentra en longitudes de 2.2” y 4.5” (pulgadas), ambos tienen las mismas características, solo varía en sus distancias longitudinales. En la figura 2.7 se aprecia el rango de variación de ángulos a la cual el sensor flexible reacciona, cuando este se encuentra lineal tiene el mínimo valor de resistencia, cuando se encuentra a 90 grados tiene el máximo valor resistencial.

Figura 2.7. Rango de ángulos de reacción del Flex sensor

.

Se puede apreciar el esquema físico del sensor flexible con las medidas indicadas anteriormente. (Figura 2.8)

Figura 2.8. Esquema físico y medidas del sensor flexible de 4.5”

.

La construcción de la membrana que conforma este tipo de sensores es como era de esperarse flexible y además algo duradera, puede ser utilizado dentro de un rango de 28

temperatura de -35° C hasta +80° C, para un nivel de vida operativa de más de 1 millón de movimientos si el sensor está fijado correctamente. En la figura 2.9 se puede apreciar el esquema físico y las medidas del sensor flexible de 2.2”.

Figura 2.9. Esquema físico y medidas del sensor flexible de 2.2”

.

Existen 3 fabricantes de este tipo de sensores. 

Spectra Symbol Flex sensors.



Gentile Abrams sensor, disponibles por Jameco Electronics.



Gizmo Music.

No son más que resistencias. Trabajan como divisores variables de tensión analógicos. En el interior del sensor de flexión tiene elementos resistivos de carbono dentro de un sustrato flexible delgado. Más carbono significa menos resistencia. Cuando el sustrato se dobla el sensor produce una resistencia de salida con respecto al radio de curvatura

.

Características Eléctricas 

Tamaño: Aproximadamente 0.28” ancho y 1”/3/5” de longitud.



Rango de Resistencia: 1.5-40KΩ dependiendo del sensor.



Tiempo de vida: Más de aproximadamente 1 millón de usos.



Rango de temperatura: -35° C hasta +80° C. 29



Histéresis: 7%



Voltaje: 5 a 12 V.

2.2. Selección del sensor a utilizar

Para realizar la selección del sensor se ha contrastado las características de los sensores y verificando que cumpla las exigencias que se necesitan, esto es, un dispositivo maleable, de tamaño pequeño para cuidar la estética del proyecto, de fácil manipulación, ya que va destinado a niños, con el objetivo de que puedan mover el prototipo sin dificultad alguna, liviano y con características técnicas estables para evitar descalibraciones cuando se encuentre en funcionamiento.

Con las consideraciones anteriores se opta por utilizar el sensor flexible (flex sensor) debido a que reúne en amplio rango las características más apropiadas para la elaboración del guante traductor.

Justificación del sensor a utilizar

Es un sensor bastante estable con un óptimo funcionamiento de acuerdo a sus características principales de diseño. Los siguientes son los parámetros más necesarios que motivaron a la elección del sensor flexible.

Rangos óhmicos máximos y mínimos, necesarios para la lectura de datos en cada dedo, pues se considera útil que el sensor indique un valor de resistencia mínima en una posición extrema (0 grados) y un valor máximo en la otra posición extrema (90 grados). Considerando que los dedos de la mano de algunas personas al estar totalmente abiertos, tienden a inclinarse, la selección de este sensor se vuelve indispensable, porque al ser doblado el sensor hacia el otro costado (estando totalmente recto) no va a medir un valor menor, se mantendrá el valor mínimo del sensor mas no variará a un menor valor. Con esto se evita confusiones en la programación para la detección de la mano abierta y mano cerrada. 30

Flexibilidad, estos sensores son sumamente flexibles, por lo que en el momento de mover

la mano con el guante colocado, no se tendrá ninguna dificultad en el

movimiento de los dedos.

Precio del sensor, sensores con precios bastante accesibles más aun al comprarlos al por mayor e importarlos del extranjero (como se hizo para esta tesis).

Rango de voltajes, en vista de que se va a trabajar con una comunicación USB (5V) el sensor flexible está apto para desempeñarse en un rango de voltajes entre 5V – 12V, con esto se evita la realización de fuentes externas para alimentación de los sensores, por tanto con el voltaje que se obtiene de la salida del puerto USB del computador se logra alimentar todo el circuito incluyendo los sensores.

Usos, la mayor utilidad que se le da a este sensor es en los guantes para detectar el movimiento del dedo, para controlar automóviles, equipos de gimnasio, aparatos de medición, tecnología de asistencia, instrumentos musicales, Smartphones, joysticks, juguetes que detectan diferentes grados de flexión, robots, control de máquinas, dispositivos médicos, pues posee además una alta estabilidad entre otros.

De acuerdo a todas las características técnicas y físicas encontradas en este sensor, las mismas que satisfacen muchos de los intereses solicitados, se convierte en elemento clave para continuar con el desarrollo de esta tesis de manera positiva.

2.3. Tipos de Acondicionamiento de la señal del Sensor Flexible

El fabricante recomienda trabajar para las diferentes aplicaciones del Flex Sensor con las configuraciones de circuitos que se describen a continuación:

31

Seguidor de Tensión

Consiste en un circuito eléctrico que reparte la tensión de ingreso de una fuente entre una o más resistencias actuantes en el mismo ubicadas en serie como se puede apreciar en la Figura 2.10.

Figura 2.10 Seguidor Tensión 

.

Circuito comparador para accionamiento

El comparador hace que, si la tensión de entrada en el borne positivo es mayor que la tensión conectada al borne negativo, la salida Vout será igual a +V. se aprecia en la Figura 2.11 este tipo de circuito.

Figura 2.11. Comparador para accionamiento

32

.



Amplificador inversor

Debe usarse en situaciones cuando se trabaja con pocos grados de deflexión (Figura 2.12.).

Figura 2.12. Amplificador inversor

.

Justificación del tipo de acondicionamiento seleccionado

Se ha tomado la configuración divisor de voltaje con el fin de obtener una variación exacta para cada sensor. Es decir, se necesita los mismos valores de voltaje para todos los sensores, debido a que se va a trabajar con los voltajes de referencia que proporciona el CI 18F4550. A continuación se presenta la formulación necesaria para este tipo de método de acondicionamiento en términos generales.

Una vez seleccionado el método adecuado (Figura 2.10) para el correcto funcionamiento del circuito, se procede a realizar los cálculos respectivos de las resistencias, de esta forma se obtiene a la salida de cada divisor, el voltaje deseado para posteriormente transmitir esa señal al microcontrolador.

La fórmula siguiente es la que permite realizar el cálculo de la resistencia que se necesita para obtener en la salida del amplificador el voltaje adecuado:

 R1  Vout  Vin    R1  R2  33

EC [2.2]

Con esta fórmula se puede obtener los valores de resistencias imponiéndose el voltaje de salida deseado ( Vout ) máximo y mínimo que se quiere obtener en la salida del divisor de tensión.

Es importante recalcar en esta parte que los valores dados en la teoría no son los mismos que en la práctica, es decir, el valor mínimo que nos da el sensor flexible es de 8KΩ, mientras cuando se lo flexiona al ángulo que necesitamos, nos da un máximo total de 18KΩ, en sensor de 4.5” pero en sensor de 2.2” el valor promedio es 20 KΩ como valor mínimo sin flexionar y 30 KΩ en su valor máximo, cuando se lo flexiona

2.4 Propuesta de Diseño

Se presenta en la Figura 2.13 el diagrama de bloques del guante traductor.

Figura 2.13. Diagrama de bloques del sistema para el guante traductor.

Se indica a continuación el objetivo de cada uno de los bloques de la figura 2.13 según la enumeración establecida.

1.

Un conjunto de 8 sensores colocados adecuadamente que detectan el movimiento de las articulaciones de los dedos ubicados en el guante.

2.

Un circuito que permite digitalizar las señales de estos sensores por medio de una tarjeta de adquisición de datos. 34

3.

Un sistema de comunicación USB entre el circuito y la computadora.

4.

Una aplicación encargada de adecuar y visualizar la información (software).

Los sensores están hechos de materiales flexibles y permiten medir la magnitud de la deformación a la que son sometidos. Al ser doblado el sensor, el voltaje en sus terminales al hacer el divisor de tensión (figura 2.10) puede relacionarse con el ángulo de flexión, es decir la variación de voltaje es proporcional al angulo que tome el sensor. El software del sistema se ejecuta en un computador y permite leer la información proveniente del hardware conformado por el guante traductor y la tarjeta de adquisición de datos a diseñar (3.6.5). El comportamiento de los datos capturados puede visualizarse directamente en el software a través del computador. La visualización se realiza utilizando un modelo formado por una estructura de eslabones que representan la anatomía de la mano.

35

CAPÍTULO III DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL HARDWARE En este capítulo se explica los procedimientos, parámetros y pruebas realizadas para la construcción del guante traductor así como también su diseño final con las partes que lo componen, también las diferentes mediciones de los sensores flexibles para análisis y propuestas de mejora en la colocación de los mismos según el símbolo que presenta más movimiento para la realización de las señas, y sus circuitos de acondicionamiento.

Así también se aprecia la construcción completa de la tarjeta de adquisición de datos, los elementos que la componen, el funcionamiento de cada uno de los elementos que la integran y todas las consideraciones apropiadas para llegar al diseño final.

3.1 Especificación General del Hardware

Basados en la Figura 2.13 se indica paso a paso cada uno de los bloques que conforma la parte física del sistema. 

El guante está conformado por ocho sensores, uno en el dedo pulgar, uno en el dedo meñique y dos en cada dedo restante, los mismos que varían su estado entre un valor de voltaje de 2V (mano extendida) hasta 3.15V (mano cerrada), cada una de las señales irá a un puerto determinado y configurado como entrada analógica del microcontrolador PIC 18F4550.



En el microcontrolador PIC 18F4550 se hará la programación adecuada para obtener los voltajes de referencia que interpreten dichos valores mencionados en el paso (1) en un rango binario de datos de 0 - 1024, tal proceso se lo realiza con el fin de obtener un rango espaciado de datos para posteriormente

36

entrenar el guante y que con esto no exista confusión entre letras del abecedario

sordomudo

que

tengan

semejanzas.

Desde

luego

el

microcontrolador debe tener un hardware propio, donde será colocado luego de la programación del mismo. 

El módulo de comunicación USB entre el microcontrolador PIC 18F4550 ubicado en la tarjeta de adquisición de datos y el computador donde se encuentra el software instalado del sistema.



El guante está diseñado para un tipo de mano determinada, por esto funcionará de manera correcta en manos que calcen perfectamente al mismo. En caso de usarlo niños con manos más pequeñas si trabajará pero no con la misma precisión, por esto se hace más fácil y preciso si se tiene como referencia un tamaño semejante de mano.

3.2 Construcción del Guante Traductor

Es importante hacer un fuerte análisis para la buena construcción del guante, puesto que ésta es la parte del hardware que estará en constante manipulación y movimiento, lo que implica que está más propenso a descalibrarse o dañarse, con esta consideración se buscará un material resistente, de buena calidad, apto para soportar el uso diario con un acabado que permita conservar de buena manera a los sensores.

Las partes que conforman el guante traductor son las siguientes: 

Sensores flexibles para adquisición de información de cada dedo.



Socket de 10 pines para transmitir la información hacia la tarjeta de adquisición de datos.

37

3.2.1. Análisis de Modelos de Prueba

Se realizó una serie de pruebas para obtener la disposición correcta de los sensores en los dedos y por ende en el guante, además de la cantidad de sensores que serán más apropiados para el buen funcionamiento de la traducción de símbolos a letras. A continuación enumeramos los dos tipos de análisis realizados para poder llegar al diseño final que satisface todas las expectativas requeridas.

Modelo 1

1. El primer guante diseñado (Figura 3.1) es un modelo de pruebas que identificó ventajas y desventajas que ofrecen los sensores seleccionados al colocarlos en un guante, este modelo fue conformado por los siguientes materiales: 

5 sensores flexibles de 4.5”.



Guante de tela.



Bus de datos de 10 hilos.



Hilo para bordado y fijación de sensores.

De donde se obtiene resultados muy buenos en cuanto a la traducción de los símbolos a letras pero tiene algunos defectos, uno de ellos es que existe confusión entre algunas señas, además otro inconveniente es que proporciona una diferencia de valores en resistencia muy bajo debido a que está conformado por sensores flexibles de 4.5” que no tienen gran rango de variación de la resistencia por esto la variación del rango de bits de 0-1024 (ver 3.4.1) es muy rápida.

38

Figura 3.1. Guante de pruebas de Tela

Como se puede visualizar en la Figura 3.1, los sensores en esta disposición son ingresados a cada dedo por la parte externa del guante a través de una ranura a nivel de los nudillos, se aprecia en la figura anterior el bordado que se efectuó para de esta forma asegurarlos y con esto evitar desplazamientos de los mismos con el fin de evitar futuras descalibraciones. Se realizaron medidas de los sensores flexibles de 4.5” con el guante. Los valores de resistencias de los sensores para este guante fueron las que se aprecian en la tabla 3.1.

Guante

valor

valor

mínimo(KΩ)

máximo(KΩ)

Dedo pulgar

8.6

12.8

Dedo índice

7.8

17

Dedo medio

6.66

9.5

Dedo anular

6.6

12.3

7.7

12.5

Dedo meñique

Tabla 3.1 Mediciones de los sensores flexibles de 4.5” colocados en el guante.

39

Calculando la resistencia para cada sensor a través del método de divisor de voltaje (2.3.1) se obtiene los siguientes valores de resistencias para cada sensor (tabla 3.2), siendo R1 el valor de resistencia a encontrar y considerando que el voltaje mínimo es de 2V se obtiene lo siguiente.

Valor de Resistencia

(KΩ)

R1.pulgar=

12,6

R1.indice=

12,225

R1.medio=

10,125

R1.anular=

10,125

R1.meñique=

11,25

Tabla 3.2 Cálculo de las resistencias de cada sensor por medio de la fórmula de partidor de tensión.

Posteriormente se hacen las medidas con el guante, en donde se obtienen los valores reales de voltajes mínimos y máximos cuando se abre y cierra la mano respectivamente, además se observa la diferencia que da como resultado de la resta de los voltajes máximos y mínimos más esta diferencia de voltajes convertida a un valor analógico a digital (ADC), (tabla 3.3).

Valores Medidos con

V.mínimo

V.máximo

Diferencia de

guante

(V)

(V)

voltajes

Dedo pulgar

2,5

3,45

0,95

Dedo índice

2,48

3,76

1,28

Dedo medio

2,3

3,2

0,9

Dedo anular

2,3

3,5

1,2

Dedo meñique

2,4

3,5

1,1

Tabla 3.3 Valores máximos y mínimos de voltaje de los sensores de 4.5”.

40

Modelo 2

2. Una vez que se hizo las pruebas respectivas con este tipo de guante de tela, se pudo apreciar que el material tendía a deteriorarse en un tiempo corto, fue por este motivo que se optó por cambiar de material, se pensó en un material más resistente que pueda soportar las exigencias de los usuarios, se realizó un guante de pruebas de cuero (Figura 3.2.), el tiempo de vida de este guante usándolo el mismo periodo que el guante de la Figura 3.1 se pudo notar que se conservaba igual, es decir, es más resistente.

Figura 3.2. Guante de prueba de Cuero.

Los materiales usados en este diseño de guante fueron los siguientes: 

5 sensores de 2.2”.



Guante de cuero fino de talla #6.



Bus de datos de 10 hilos.



Cinta masking.

41

Este guante fue diseñado solamente para las pruebas por lo que los sensores fueron colocados superficialmente y unidos al guante con cinta masking (cinta adhesiva de papel). Una vez terminado este guante se realizó pruebas con uno de los alumnos de la institución beneficiada, se observó que da resultados muy buenos en cuanto a tiempo de vida útil del guante y también se pudo observar que el rango de variación de los datos es más amplio ya que en este guante de prueba se utilizo los sensores de 2.2”, con esto se llegó a la conclusión que el material del guante definitivamente tendría que ser de cuero para que soporte un poco más el uso de los niños. Lo que se puede apreciar de estos dos modelos es que el guante de tela brinda un poco más de flexibilidad que el de cuero, mientras que el guante de cuero es más resistente que el de tela, son las diferencias más importantes que se hallaron.

Al principio se pensó en un guante adaptable para niños y adultos, pero se analizó de tal manera que se llega a la conclusión de que no podría hacerse, por supuesto hay guantes elásticos que se adaptan a la mano de quien se lo coloque, pero el asunto es que al colocárselo un niño por ejemplo, la disposición de los sensores no será la misma, por lo tanto se tendrá una serie de problemas puesto que los sensores no son elásticos, o sea, no se van a contraer como lo hará el guante.

Además se debe considerar la correcta ubicación de los sensores que conformarán a cada dedo, es por esto que para obtener un resultado positivo se construirá el guante con características apropiadas tal y como se las necesita para que los sensores permanezcan siempre inmóviles en cada dedo correspondiente y de esta manera no tener problemas en los rangos de calibración competentes a cada letra del alfabeto del lenguaje de señas.

El diseño del guante está pensado de tal forma que el bus de datos que se utilice podrá adaptarse con facilidad tanto de la tarjeta de adquisición de datos como del mismo guante, esto es para el momento que se lo deje de utilizar al prototipo, poderlo guardar de manera cuidadosa con la finalidad que se conserven tanto el bus de datos, el guante y la tarjeta de adquisición de datos.

42

3.2.1.1 Ideas de diseño y corrección de errores

De las pruebas que se realizaron, se resumen el conjunto de pruebas y características implementadas, probando las ideas y apegándose a las exigencias consideradas necesarias para el desarrollo del guante, de esta forma lograr el confort del usuario y buen funcionamiento del guante. 

Guante elástico ajustado a la mano del usuario, sea niño o adulto.



Prueba de Guante con 5 sensores, (uno por dedo).



Prueba de Guante con 10 sensores, (dos por dedo).



Prueba de Guante con 8 sensores, (uno en el meñique, uno en el pulgar y dos en cada dedo restante).



Prueba de Guante de cuero sin aberturas en la punta de los dedos.



Prueba de Guante de cuero con aberturas en la punta de los dedos.



Prueba de Guante de tela sin aberturas en la punta de los dedos.



Prueba de Guante de tela licra con aberturas en la punta de los dedos.



Prueba de Guante de tela licra sin aberturas en la punta de los dedos.



Prueba de Sensores colocados en la parte superior del guante.



Prueba de Sensores colocados dentro del guante, entre un guante fino y el guante externo.



Prueba de Sensores bordados en la parte externa del guante.



Prueba de Sensores colocados en la parte externa del guante, dentro de un material semejante al del guante.



Prueba de Bus de datos soldado directamente a los sensores.



Prueba de Bus de datos colocado en socket de 10 pines.

En vista de que los modelos de guantes anteriores no dan la satisfacción total, se piensa en uno conformado por 8 sensores flexibles, y con un acabado diferente, esto es, uno en el que todos los sensores se encuentren por dentro del guante y que no sean vistos, para esto se hará canales de tela por debajo de un retazo rectangular de cuero cortado del tamaño de cada dedo correspondiente en el guante donde ingresen los sensores y permanezcan fijos, también se piensa en un diseño que en la punta de los 43

dedos del guante sea hueco, pues no es preciso que esta parte sea captada por el sensor ya que el resto del dedo da la medición que se necesita, el motivo de este corte es también para apreciar de mejor manera la seña que se está interpretando. También se considera importante para este diseño una cubierta de cuero para todo el cableado de la conexión de los sensores, se termina con un conector, donde se conecta el bus de datos hacia la tarjeta de adquisición mediante una comunicación USB con la computadora.

El guante permitirá que personas que sufren de dicha discapacidad ejecuten sus diferentes prácticas en el instituto, en donde ganarán destreza efectuando el lenguaje de señas correspondientes a cada letra del alfabeto. El diseño final mejorará los diseños de pruebas, rescatando lo bueno y corrigiendo lo malo de los mismos. Con estas pruebas se analizó que el mejor material para el guante es el cuero fino por su gran resistencia y durabilidad.

Con los guantes de pruebas y demás modelos analizados en este subtema se hace una recopilación de los problemas que se presentaron, esto es muy importante puesto que a través de ellos se perfeccionará de mejor manera el diseño y la correcta cantidad de sensores a usar, estos se listan a continuación.

1. Existe una confusión entre algunas señas (U con R y H, en ocasiones con V), (en ocasiones A con S)

Figura 3.3. Señas con las que el programa se confunde por su semejanza

.

Las respuestas más óptimas que se encuentran para solucionar los problemas que se presentan con el guante de pruebas hasta el momento es colocar 8 sensores, en donde la disposición de estos va indicada de la siguiente manera: 44



Un sensor en el dedo pulgar (ver figura 3.7).



Dos sensores en el dedo índice (ver figura 3.7).



Dos sensores en el dedo medio (ver figura 3.7).



Dos sensores en el dedo anular (ver figura 3.7).



Un sensor en el dedo meñique (ver figura 3.7).

Esta es la ubicación más apropiada para poder eliminar los errores de confusión entre señas debido a las semejanzas en cuanto a posición de los sensores.

2. Los 5 sensores no permiten obtener gran cantidad de datos de la mano para evitar las confusiones entre señas

Este problema se da principalmente por el rango de variación que tienen los sensores colocados, donde el mejor de los sensores tiene un rango de variación entre máximo y mínimo de 10KΩ. Además de eso, se va a reforzar este problema con los demás sensores mencionados en el punto 1 de este listado para obtener mayor exactitud en la información de los dedos que representan estas señas donde existe tal confusión.

3. Los cables del bus de datos que se conectan a los sensores se rompen con frecuencia

Esto es debido a que estos cables están vistos y no tienen ninguna protección, por lo tanto se encuentran en constante manipulación y de a poco se van deteriorando hasta el punto que se desconectan del sensor.

Entre las soluciones más adecuadas para esto es colocar las conexiones del bus de datos hacia los sensores por debajo del guante (ocultos) además de una vez soldados colocarles una protección termo contráctil o a su vez puntos de silicona para evitar movimientos bruscos del cable y futuras desconexiones.

45

3.2.2 Parámetros del Guante Traductor para su construcción

Para poder cumplir el objetivo planteado que es el de realizar un buen diseño del guante traductor minimizando las imperfecciones se ha planteado una serie de parámetros a considerar en el guante, los mismos que se convierten en una meta a cumplir por lograr la mayor satisfacción posible en el usuario final. Se consideran las partes más esenciales que se necesitan para un buen funcionamiento del guante traductor: 

Colocar los sensores en los lugares más representativos de los ángulos de los dedos (analizado en 1.3).



Asegurar la inmovilidad de los sensores.



Proteger los sensores de roces con los dedos colocándolos entre un forro y el guante.



Colocar un bus de datos maleable para la facilidad de conexión con el guante y la tarjeta de adquisición de datos.



Asegurarse que el terminal del bus de datos se pueda conectar y desconectar de la tarjeta de adquisición de datos y del guate con facilidad.



Procurar al máximo la buena estética del guante realizando las conexiones por dentro del guante

3.3 Medición de la variación de la resistencia de los sensores flexibles

Se procede a realizar las mediciones respectivas de todos los sensores adquiridos y con esta información saber la posición que van a tomar en el guante, esto se debe a que algunos símbolos del lenguaje sordomudo son semejantes como ya se dijo anteriormente, entonces por las exigencias pedidas se realiza un análisis de los valores de todos los sensores que se tienen para poder ubicarlos de manera adecuada en cada dedo, a pesar de que son de las mismas características, sus valores no coincidirán por lo tanto se realiza las medidas de los valores máximos y mínimos que presenta cada uno de los sensores. 46

En la siguiente representación gráfica (figura 3.4) se observa el sensor a medir.

Figura 3.4 Sensor Flexible 2.2”

.

La tabla que se presenta a continuación (Tabla 3.4), indica los valores de cada uno de los sensores adquiridos para la realización del guante. Cabe hacer la observación que los valores de todos los sensores medidos en la tabla corresponden al sensor flexible de 2.2”

Sensores(S)

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

Valor Mínimo (KΩ)

21

19.7 22.3 22.3 24.6 21.8 20.9

Valor Máximo (KΩ)

38

Diferencia

17

S8

KΩ

(KΩ)

30

40

32.7

35

10.3 17.7 10.4 10.4

21

30

35.3 32.5

8.2

14.4 11.5

Tabla 3.4 Valores máximos y mínimos de los sensores flexibles 2.2”

Se puede apreciar en esta tabla que en realidad si existen diferentes valores de resistencia en los sensores medidos a pesar de ser de las mismas características, luego de hacer esto se realiza la ubicación de los sensores en cada dedo como más convenga.

47

En la Tabla 3.5 se visualiza los valores de resistencia de los sensores flexibles de 4.5”.

Sensores(S)

S11

S22

S33

S44

S55

KΩ Valor Mínimo (KΩ)

12.8 14.6 30.2 15.4 16.7

Valor Máximo (KΩ)

28.7 24.6 39.4 24.4 32.4

Diferencia

15.9

(KΩ)

10

9.2

8.9

15.7

Tabla 3.5 Valores máximos y mínimos de los sensores Flexibles 4.5”

3.4 Cálculos y circuitos de acondicionamiento de los sensores flexibles

Se procede a realizar los cálculos respectivos de cada sensor con el método de acondicionamiento seleccionado anteriormente (ver 2.3.1) para acondicionar a los voltajes que requerimos obtener en la salida y luego ser acoplado al CI PIC 18F4550.

Se hace el cálculo de los partidores de tensión para cada sensor con un voltaje mínimo de referencia de 2V y un máximo de 3.4V, obteniendo el valor de resistencia adecuado para que nos de los valores exactos de voltajes. Cabe recalcar que la variación de voltaje producido por los partidores de tensión es muy pequeño (variación de 1.4 voltios), por este motivo se activara los pines de voltajes de referencia externa del PIC 18F4550 (VREF+ y VREF-) alimentando dichos pines con los voltajes máximos y mínimos producidos por los partidores de tensión, para que se pueda obtener una lectura de conversión analógica a digital más amplia en el PIC.

Para mayor facilidad se coloca resistencias variables tipo trimmer a la tarjeta de adquisición de datos para calibrar el valor obtenido del cálculo, así también para cualquier calibración en caso de variaciones pequeñas de voltaje.

48

Aplicando la EC. 2.2, que se replica abajo, se despeja R2 que es la resistencia que se necesita calcular en términos generales, de donde se obtiene la EC3.1.

 R1  Vout  Vin    R1  R2   R  R1  R2  Vin  1   Vout 

R2  Vin

R1  R1 Vout

EC.3.1

Se realiza el cálculo analizando los sensores correspondientes a cada dedo, donde vamos a determinar la resistencia obtenida como RS1máx y RS1mín, y así con los demás sensores según corresponda, fijándose en la nomenclatura mostrada en la tabla 3.1. Asimismo se hace referencia a los valores de la resistencia máxima y mínima del sensor con la siguiente nomenclatura: Rmáx, Rmín

La EC.3.1 con la nomenclatura adecuada, para el caso del sensor 1 queda de la siguiente forma:

RS1máx  Vin RS1mín  Vin

Rmáx  Rmáx Vout

Rmín  Rmín Vout

EC.3.2

EC.3.3

Con las ecuaciones EC.3.2 y EC.3.3 se procede a calcular los valores máximos y mínimos en cada sensor de acuerdo al dedo donde se encuentre ubicado. En la figura 3.5 (A) se aprecia el circuito que corresponde al valor mínimo de voltaje que se necesita a la salida del partidor de tensión, este voltaje está especificado en el mismo circuito, asimismo se puede observar en la figura 3.4 (B) el mismo circuito indicando el valor de voltaje máximo que se debe obtener a la salida.

49

Figura 3.5. Circuito divisor de tensión (A), valor mínimo, (B), valor máximo.

En la figura 3.5 se observa RS1mín y RS1máx, que es la resistencia que se calcula por medio de las ecuaciones EC3.2 y EC3.3.

3.4.1 Cálculos de resistencias para los partidores de tensión en sensores de 2.2”

La tabla 3.6 presenta los cálculos ya realizados de cada valor máximo y mínimo de resistencias que se necesita para los partidores de tensión utilizando los sensores de 2.2”, aplicando las fórmulas analizadas anteriormente (EC. 3.2 y EC 3.3).

(KΩ)

(KΩ)

Índice 1

14.11 15

29.55 33

Índice 2

18.82 18

33.45 33

Medio 1

15.38 15

33.45 33

Medio 2

16.47 15

36.9 36

Anular 1

14.11 15

32.7 33

Anular 2

16.61 16

31.35 33

Resistencia ( K ) Cálculos en dedo:

Tabla 3.6 Valores máximos y mínimos de resistencias calculados para los partidores de tensión. 50

3.4.2 Cálculos de resistencia para los partidores de tensión en sensores de 4.5”

Se selecciona los dos mejores sensores de la tabla 3.5, es decir, se escoge el mayor rango de variación de resistencia para colocarlos en los dedos pulgar y meñique, además se realizan los cálculos y estos valores se reflejan en la tabla 3.7.

Resistencia ( K ) Cálculos en dedo: Pulgar

13.5 15

19.2 22

Meñique

15.24 15

25.05 25

Tabla 3.7. Valores máximos y mínimos de resistencias calculados para los partidores de tensión.

Se puede apreciar en los cálculos que los valores de resistencias obtenidos son decimales y estos valores no existen en el mercado, es por esto que se aproxima el valor de las respuestas a valores comerciales de las resistencias.

Otra apreciación es que los valores comerciales con respecto a las resistencias calculadas, en unos casos son muy distantes, lo que implicaría un error en el valor que se necesita a la salida del divisor de tensión, lo apropiado para esto es la colocación de potenciómetros en lugar de las resistencias. Cabe recalcar además que por cada partidor de tensión se va a utilizar un solo potenciómetro, el mismo que se ajusta al valor de resistencia que se calculó para que sea más preciso el voltaje de salida en dicho partidor de tensión como ya se dijo.

51

En la figura 3.6 se puede apreciar la forma en la que quedaría el circuito finalmente con el reemplazo de la resistencia por el potenciómetro.

V1 5V +V

Valor Fijado

1k

2V-3.4V

Rmín-Rmáx

Figura 3.6 Reemplazo de potenciómetro por resistencia.

Realizados los análisis anteriores, se puede proceder con el diseño final del guante.

3.5 Diseño final del guante traductor y distribución de sensores

Para el diseño final del guante traductor se toma en cuenta todo lo analizado anteriormente entre el modelo de pruebas y los parámetros propuestos recopilando lo más factible de las pruebas y valiéndose de los errores obtenidos para lograr las soluciones más óptimas.

El diseño final es un guante para el destinatario final, en este caso los estudiantes, donde realizarán las respectivas prácticas en el software para el aprendizaje del lenguaje de señas.

52

La distribución de los sensores es la siguiente: 

Un sensor de 4.5” en el dedo pulgar, está colocado desde el hueso primer metacarpiano hasta la falange distal del pulgar.



Dos sensores de 2.2” están colocados en cada uno de los dedos índice, medio y anular, el primero de ellos está desde el hueso metacarpiano hasta la falange proximal y el segundo sensor está colocado desde la falange proximal hasta la falange distal.



Un sensor de 4.5” en el dedo meñique, está colocado desde el hueso quinto metacarpiano hasta la falange distal del meñique.

Al principio se pensaba en dos sensores en cada dedo, pero no fue necesario puesto que los sensores que ahora se utilizan, los sensores flexibles de 2.2”, cuentan con un rango de resistencia mayor que los sensores flexibles de 4.5”, por lo tanto se tiene un mayor rango de variación en la resistencia de los mismos, con esto el sistema resulta más económico ofreciendo mejores resultados que cuando se pensó en dos sensores por dedo (10 sensores), por lo que el guante se tornaba más complicado por el bus de datos que para ese caso tendría que ser más grande y con más opción a descalibraciones. Se analizó también que son de mucha utilidad los sensores de 4.5” para ser colocados en los dedos pulgar y meñique (uno en cada dedo), debido a que estos sensores son más largos y abarcan todo el dedo del niño, se optó por colocar estos sensores por ser más largos y dar mejores resultados que colocando los sensores de 2.2” así como también se seleccionó los mejores dos sensores de 4.5” (con el mejor rango de variación de resistencia).

La distribución de los sensores en el guante que se considera como el diseño final es aquella que se puede apreciar en la figura 3.7.

53

Figura 3.7 Distribución de sensores en el diseño final del guante traductor.

Se observa la ubicación de cada sensor en el guante final, los sensores más largos (4.5”) están ubicados en el pulgar y meñique, también se muestra la ubicación de los sensores en los dedos índice, medio y anular, que son los sensores de 2.2”, se puede apreciar el cuerpo de los sensores en dicha figura.

La disposición de los sensores en los dedos es la siguiente: 

Dedo pulgar: S11



Dedo anular: S2, S3.



Dedo medio: S4, S5.



Dedo anular: S6, S7



Dedo meñique: S55 (ver tablas 3.4 y 3.5)

Se puede ver también que se seleccionan dos sensores de 4.5”, esto es porque los dedos pulgar y meñique actúan en la representación de señas muy puntuales, por eso el 54

sensor está colocado en todo el dedo, desde los huesos metacarpianos hasta las falanges intermedias, es decir, se necesita que el sensor cubra todo el dedo, descartando la parte de la uña.

Cabe resumir en un listado todas las características que conforman el diseño final del guante: 

Material del guante: Cuero fino.



Acabado: Guante con aberturas para las falanges distales (uñas y huellas de los dedos).



Sensores: las terminales de estos están soldados directamente a un pequeño bus de datos de 10 hilos y colocados en la parte superior de los dedos del guante, cubiertos entre una capa de cuero adicional y tela fina donde permanecerán inmóviles.



Cubierta: Es donde están todas las conexiones, su tamaño es de (15cm x 8.5cm) y consta de una costura que cubre totalmente las conexiones, ubicado en la parte posterior del guante a la altura de la muñeca, con una abertura para la salida del socket de conexión de 10 pines.



Conexiones: Realizadas en el interior de la cubierta, donde constará un socket de 10 pines colocado en placa al bus de datos, bus que viene desde los sensores.



Ajustamiento: El guante tiene un ligero ajustamiento elástico para acoplarse de mejor manera a la mano del usuario.



Bus de datos: Bus de 10 hilos de 1 m de distancia colocado a presión en un socket de 10 pines en ambos extremos de donde se emplean 9 hilos de este bus, 8 para datos de los sensores y 1 común o GND.



Socket: Colocado en una pequeña placa (donde se harán las conexiones con los sensores) la misma que será instalada en el interior de la cubierta, donde se va a realizar la conexión entre el bus de datos de 1m y el guante. El socket ubicado en el guante es macho mientras que el del bus de datos es hembra.

55

3.5.1 Proceso de construcción del guante traductor

Para la construcción del guante se utilizaron los siguientes materiales: 

1 Guante negro de cuero fino, talla #6 para damas.



6 Sensores flexibles de 2.2”.



2 Sensores flexibles de 4.5”.



5 Cortes de cuero negro de 13cm x 3cm.



5 Cortes de tela de 13cm x 3cm.



Cuero negro de 15cm x 8.5cm



1 Cinta masking



1 Hilo de cocer color negro.



1 Aguja.



1 Baquelita de 5cm x 5cm con agujeros.



Pinzas.



1 socket macho de 10 pines.



Bus de datos de 10 hilos.

Conocidos los materiales empleados para la realización del diseño final, se procede a explicar con detalle el procedimiento de diseño.

1. Se parte de un guante de cuero fino común y corriente de talla #6 (derecho) para damas, el mismo que se define como apropiado puesto que los niños con los que se va a tratar tienen la mano pequeña. Además se tomó como modelo a una estudiante de la institución a quien le queda muy bien el guante y con quien se realizó las respectivas pruebas anticipadas antes de llegar al diseño final.

En la figura 3.8 se aprecia el guante que se adquirió para su posterior proceso de acondicionamiento.

56

Figura 3.8. Guante inicial antes de acondicionamiento. (a) Anverso, (b) Reverso

Se utiliza un guante de cuero, pues previo a eso con el guante de pruebas se pudo observar que cualquier material de tela se deteriora muy rápidamente con el tiempo, por lo tanto, debido a que el material requiere de una gran exigencia, se vio como la mejor opción el guante de cuero por ser resistente e impermeable, por supuesto que no se le va a dar un maltrato o un abuso, todo lo contrario, se fomentará una disciplina adecuada para el manejo del guante.

2. Una vez obtenido el guante se realizó pruebas con algunos niños y se pudo observar que algunas señas entre ellas la “E” no podían ser visualizadas de manera correcta al representarla físicamente, es decir, al momento de que los niños hacen la seña, esta se veía muy similar a la letra “C”, se seleccionó una de las niñas del instituto como se mencionó anteriormente para tomar su modelo de mano y realizar los cortes en las puntas de los dedos tomando como referencia dicha niña por tener una mano promedio a la de sus demás compañeros. En la figura 3.9 se aprecia el guante con las puntas cortadas.

57

Figura 3.9. Guante con las puntas cortadas. (a) Anverso, (b) Reverso

El propósito del corte de las puntas de los dedos del guante, es para que no exista una incomodidad o un desplazamiento cuando la persona esté utilizando dicho guante. Ahora la pregunta es si esto afectaría a la ubicación de los sensores, pues la respuesta fue “no”, esto es porque las falanges distales no intervienen en la conclusión tomada anteriormente. Además no son necesarios para el buen flexionamiento del sensor, con los huesos ya analizados funciona perfectamente la recolección de datos.

3. El próximo paso fue el recorte de los pedazos de cuero fino con el forro de tela para colocar dentro a los sensores, estos pedazos fueron cortados del mismo tamaño, (13cm x 3cm).

58

Figura 3.10 Pedazo de tela cocido al guante.

Se puede apreciar la ubicación del sensor en el pedazo de cuero, luego del sensor, se coloca un retazo de tela del mismo tamaño del cuero y se procede a cocer un canal en el centro del cuero a lo largo por donde posteriormente ingresen los sensores para ser fijados. Una vez hecho eso se cose con el hilo negro el retazo de cuero en un extremo de cada dedo donde irán ubicados los sensores correspondientes.

4. Como siguiente paso se define la ubicación de todos los sensores en los mencionados canales, se puede apreciar en la figura 3.11 como van colocados los sensores, se coloca un pedazo de cinta masking (cinta adhesiva de papel) cerca del terminal del sensor, este procedimiento se realiza para que el sensor quede sujeto al pedazo de tela previamente cocido a este.

59

Figura 3.11. Fijación de los sensores dentro de los canales.

5. Una vez fijado cada sensor en el lugar que corresponde, se procede a soldar cada uno de sus terminales, se lo hace con el mayor cuidado de que no se queme la tela ni el cuero, un cable común para todos los 8 sensores que será GND y que se dirigirá a uno de los terminales del socket y en cada uno de los otros terminales de los sensores, se procede a soldar un cable para cada terminal y que después se dirigirán al socket de 10 pines, al igual que GND, en la figura 3.12 se aprecia este paso.

60

Figura 3.12 Cable común e individuales soldados a cada sensor.

6. Luego en el orden que se observa en la figura 3.13, fijándose bien en la ranura del socket, se suelda cada uno de los terminales.

Figura 3.13. Orden de ubicación de cada terminal en el socket del guante.

61

Tal socket fue colocado en una baquelita con agujeros, donde se soldó cada terminal de los sensores a su correspondiente terminal del socket como ya se indicó.

7. Terminado todas las conexiones, se coloca un punto de silicón a cada terminal y de la misma forma a los de la baquelita (Figura 3.14) para evitar movimiento y futuras desconexiones.

Figura 3.14. Puntos de silicón en cada terminal.

62

8. El próximo paso es cocer el otro extremo del retazo donde se encuentra el sensor

Figura 3.15. Costura del otro extremo del retazo de cuero.

9. Por último se cose el cuero fino negro de 15cm x 8.5cm cubriendo todo el resto del cableado y las otras esquinas de los retazos de cuero donde se encuentran los sensores, se cose por todo el contorno de este retazo, se hace un corte en el centro del guante antes de coser por esa zona a la altura de la muñeca, del tamaño del socket macho, se aprovecha de los agujeros que tiene la baquelita para con estos coserlos al cuero del guante y al cuero que cubre todo el cableado, luego de eso se termina de cocer todo el guante para que este quede totalmente cerrado, como se muestra en la Figura 3.16

63

Figura 3.16. Diseño final del guante traductor.

Con este diseño, cualquier estudiante puede realizar sus prácticas de deletreo y aprender con mayor facilidad.

3.6 Construcción de la tarjeta de adquisición de datos

La tarjeta de adquisición de datos comprende las siguientes etapas más relevantes:  CI PIC 18F4550.  Partidores de tensión para cada uno de los sensores flexibles.  Partidores de tensión para los pines de voltaje de referencia externa del PIC.  Seguidores de tensión para las salidas de voltaje de los partidores de tensión.  Entrada de los datos asignados por los sensores del guante traductor.  Indicadores led de conexión USB.  Salida de datos USB 2.0, mediante el PIC y la computadora.

64

Se hace la disposición adecuada de estas etapas en la placa con un diseño bien distribuido, el fin es obtener una tarjeta de adquisición de datos pequeña, fácil de manipular y con las protecciones respectivas para que se conserve en buen estado además de evitar la corrosión de las pistas por factores medioambientales.

3.6.1 Análisis de tarjetas de pruebas

De acuerdo a los guantes analizados, (3.2.1) de la misma forma se examinan las tarjetas de pruebas que se realizaron para obtener los datos dados por dichos guantes y así transmitirlos al computador. La primera tarjeta a analizar es la que se utilizo en el guante de pruebas de tela. Se enumera a continuación y brevemente las tarjetas de pruebas realizadas y el circuito en protoboard para el guante de pruebas de cuero para más adelante profundizar en la tarjeta de adquisición de datos final que formará parte del prototipo.

1. Primer diseño de pruebas

El primer diseño de tarjeta de adquisición de datos fue realizado en protoboard para posteriormente imprimirlo en una placa de baquelita. La tarjeta de pruebas que se diseñó en primera instancia está formada de las siguientes etapas:

Etapa amplificadora analógica

El elemento que se usó (CI) para esta etapa se denomina LM324n, el mismo que está compuesto de 14 pines, internamente contiene 4 amplificadores operacionales, y su voltaje de alimentación es de 5Vcd.

La disposición de pines de este elemento utilizado para amplificar la señal se puede ver en la Figura 3.17 como sigue:

65

Figura 3.17 Circuito integrado LM324n

.

Para este caso se utiliza los amplificadores en la configuración de amplificador no inversor. En la figura 3.18 se aprecia la configuración mencionada.

Figura 3.18 Configuración amplificador no inversor. El voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como se sabe que la ganancia del amplificador operacional es elevada, el voltaje en el pin (+) es igual al voltaje en el pin (-), conociendo el voltaje en el pin (-), podemos calcular la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión. No se entra en detalle con la formulación para cálculos de ganancia debido a que solamente se está explicando los métodos que se usaron en las diferentes pruebas para poder llegar al diseño final de la tarjeta de adquisición de datos. A continuación se muestra en la figura 3.19 la parte amplificadora del circuito, que al principio, en este diseño, se pensó hacer por separado, es decir en placas distintas.

66

Figura 3.19 Etapa amplificadora del circuito de pruebas.

Los agujeros que se presentan al lado izquierdo de la placa de la figura 3.19 son para colocar una peineta en la misma que se encuentran todas las salidas analógicas más el común para todos los sensores, es decir un total de 7 puntos de conexión (Figura 3.14). Se hace este diseño con el objetivo de poder manipular de mejor manera estas salidas, ya que serán conectadas hacia el microprocesador el mismo que realiza la recolección de datos para después ser transmitidos hacia el computador.

Este diseño no se realizó debido a que el diseño final del circuito fue una sola placa con todos los elementos incorporados, lo que se pretendía con este diseño de dos placas, fue la de colocar una sobre otra, logrando la comunicación entre amplificadores – microcontrolador, a través de un encaje perfecto entre la peineta colocada en la parte amplificadora y un conector hembra colocado en la placa del microcontrolador, que posteriormente serían ubicadas a la altura de la muñeca con una cinta de velcro.

Diseño de la etapa digital

Para esta parte se consideró como elemento principal al microcontrolador PIC 18F4550. La disposición de pines de este integrado se la aprecia en la figura 3.20.

67

Figura 3.20 Disposición de pines CI PIC 18F4550

.

Se selecciona este tipo de PIC por su cantidad de puertos analógicos (12 puertos analógicos) que tiene , como se puede apreciar (Figura 3.20) en los puertos A,B y E, los mismos que van a ser de gran utilidad para conectar las salidas del circuito analógico anteriormente explicado (Figura 3.19), este próximo circuito (Figura 3,21), se encarga de recopilar la información recibida por los sensores flexibles ubicados en el guante que fueron amplificados y por medio de una comunicación USB se enviaran los datos recibidos del PIC hacia la computadora. Cabe recalcar que en esta tarjeta de pruebas no se utilizo los pines de voltaje de referencia externa del PIC 18F4550 (Vref+ y Vref -), ya que se utilizó los amplificadores operacionales.

Figura 3.21 Etapa digital del sistema. 68

Se unió ambas placas (figura 3.19 y figura 3.21) en un solo circuito, es decir tanto la etapa amplificadora como la de adquisición de los datos fueron unidas en una sola placa a través de un nuevo ruteo, el mismo que se visualiza en la figura 3.22 (a), de la misma forma se aprecia una imagen del circuito ya realizado en placa y funcionando correctamente (figura 3.22 (b)).

Figura 3.22 Diseño final de la tarjeta de pruebas. (a) Circuito en software, (b) Circuito físico de prueba #1.

Funcionamiento

Mediante los partidores de tensión realizados para cada sensor flexible, se puede obtener una variación de voltaje de 0,75 a 1,5 voltios (indistintamente de la posición de los sensores en el guante y el tamaño del sensor), los valores de voltaje de cada partidor de tensión ingresan a los amplificadores de tensión no inversores, estos amplifican la señal dependiendo del tipo de flexión que se dé a los sensores flexibles, para este caso se realizo los cálculos para que la señal se amplifique al doble en la salida de los amplificadores operacionales, estas señales amplificadas ingresan a los pines del 69

microcontrolador, los cuales están configurados como entradas analógicas, donde se realiza la conversión Analógica a Digital de cada una de estas señas que ingresan al microcontrolador, con 10 bits de precisión.

El inconveniente que se obtuvo con la creación de la primera tarjeta de adquisición fue que se obtenía un rango muy pequeño de conversión Analógico a Digital en el microcontrolador, no se obtenían todos los rangos de conversión que son de 0 a 1023 valores, solo se obtenían valores de conversión desde 300 a 600, ya que en la salida de los amplificadores se obtiene valores de voltaje desde 1,5 a 3 voltios.

Este primer diseño nos sirvió para poder realizar una perfección del mismo, así como también mejorar la poca variación de rangos de conversión ADC que va desde 300 a 600, lo que se pretende es poder utilizar todos los rangos de conversión analógica a digital desde 0 a 1023.

2. Segundo diseño de pruebas

Investigando la manera en la que se podía obtener un mayor rango con los mismos sensores de 4.5”, se pudo encontrar la gran ventaja de trabajar con los pines de voltajes de referencia externa con los que cuenta el microcontrolador PIC 18F4550 (AN2/Vrefy AN3/Vref+), el diseño del circuito fue prácticamente el mismo, lo único en lo que se diferenció es que fue más preciso en la colocación de la resistencia calculada para el divisor de tensión de cada sensor por medio de potenciómetros tipo trimmer y la eliminación de los amplificadores pues con la activación de los pines de voltajes de referencia del PIC se llegó a la conclusión de que ya no eran necesarios los amplificadores de voltaje, ya que por medio de este método se obtendrán rangos de conversión desde 0 a 1023 valores diferentes. Otro inconveniente fue que los sensores de 4.5”, al tener poco rango de variación de resistencia , no permitían una buena diferenciación en la representación de las señas del lenguaje para personas sordas, la solución fue el conseguir los sensores de 2.2” que 70

tienen un rango de variación de resistencia mayor que los de 4.5”, realizando este cambio se obtenía un mayor rango al momento de realizar la conversión analógica a digital, esto fue por el momento la solución para tener una idea más clara de cómo desarrollar la placa, la cual se encargara de adquirir las señas producidas por el guante. Los sensores de 2.2”, fueron colocados en un guante de cuero para no estropear el otro diseño, lo que dio buenos resultados pues este guante como ya se dijo es mucho más resistente (ver 3.2.1 paso 2.).

En la figura 3.23 se aprecia el circuito realizado en protoboard, se puede ver un LCD, este fue colocado para ver la variación de los valores de conversión ADC al variar cada sensor flexible ubicado en cada dedo.

Figura 3.23 Circuito de prueba #2 en protoboard con LCD para visualizar la conversión A/D.

Como se puede ver en el circuito de la figura 3.23, no se colocan los amplificadores pues ya no se necesita de amplificación gracias a la activación de los pines de voltajes de referencia del PIC 18F4550.

71

A pesar de todo lo conseguido hasta tal punto, se buscaba mucha más precisión, pues aun habían pequeños detalles a corregir, lo que llevan al diseño final de la tarjeta de adquisición de datos.

Cada prueba realizada fue probada con los niños del instituto a quien se donará el prototipo, donde nos dirigimos con frecuencia por sugerencias para poder realizar un correcto y servicial diseño final.

3.6.2 Parámetros de la tarjeta de adquisición de datos

Resistencias variables tipo trimmer para los divisores de tensión

Se ha visto como solución la ubicación de resistencias variables tipo trimmer en lugar de ocupar resistencias de valor fijo en los divisores de tensión, esto con el objeto de realizar las calibraciones de los valores de resistencias para que se asemejen a los valores calculados para cada partidor de tensión, es evidente que todo esto está indicado en el manual del usuario. Además como se sabe, los cálculos no siempre se apegan exactamente a la realidad, más bien son un dato referencial, dato que se coloca en los trimmers y si en caso de no igualarse al valor del voltaje de referencia pues se lo podrá hacer girando la perilla de los trimmers. En caso de que el usuario no pueda realizar la calibración del prototipo en la tarjeta por medio de los trimmers debido a algún motivo, deberá requerir asistencia técnica para la correcta calibración del mismo, en tanto, no es necesario que se manipule los trimmers ya que se hará la entrega del prototipo final con todo el sistema bien calibrado y funcionando perfectamente.

Resistencias variables tipo trimmer para los voltajes de referencia

Se utiliza partidores de tensión para controlar los voltajes de referencia externa que van a los pines del microcontrolador (Vref+ y Vref-). Esto se lo hace con una sola resistencia variable para el valor máximo y el mínimo de referencia, es decir, no es necesario una segunda resistencia fija para realizar esta división de voltaje, solamente se 72

ajusta el potenciómetro a los voltajes máximos y mínimos deseados y es todo puesto que estos valores no deben ser variados, en caso de que se quiera girar alguna de las resistencias variables por razones de descalibración del guante, para poder manipular estas resistencias variables de manera correcta dirigirse al manual del usuario en anexos.

5V +V

5V +V

R2

R1

al pin 4 al pin 5

Figura 3.24 Voltajes de referencia externa del microcontrolador.

La figura 3.24 muestra el uso de las resistencias variables para regular los voltajes de referencia externa (pines 3 y 4) del microcontrolador PIC 18F4550.

Voltajes de los divisores con respecto a los de referencia del CI PIC 18F4550

Es de mucha importancia considerar los parámetros de los divisores de tensión de cada sensor, puesto que la relación existente entre estos valores y los que se asignan a los voltajes de referencia en el PIC deben ser los mismos en cada dedo, para la realización de la programación en el PIC, por lo tanto se tiene que realizar la regulación respectiva (por una sola vez) en la placa para que el valor mínimo del voltaje de referencia coincida con el valor mínimo de cada divisor de voltaje correspondiente a cada dedo, con esto el PIC interpretará a este valor de voltaje mínimo como 0 y al valor máximo de voltaje obtenido como 1024, ahora, se observa entonces que se trabaja con un rango mayor de datos para poder realizar cada letra, como ya se dijo anteriormente (3.6.1 paso (2)) los sensores adquiridos ofrecen una mayor variación de la resistencia, por lo tanto, lo que se consigue con esto es que la variación en los valores de voltaje sean más lentos y proporcionales al movimientos de los dedos una vez colocado el guante, esto es muy positivo porque tanto la variación numérica de la conversión A/D como de voltajes son proporcionales, entonces con un buen muestreo realizado en 73

software se podrá aprovechar esta ventaja para la configuración de cada símbolo que representa a la respectiva letra del lenguaje para personas sordas.

3.6.3 Circuito de adquisición de datos del PIC 18F4550 con interfaz USB 2.0

En esta sección se presenta la circuitería básica y elementos utilizados que realizan la interfaz USB entre el CI PIC 18F4550 y el computador para que exista su respectiva comunicación. El circuito que se utilizó para la comunicación entre el microcontrolador PIC 18F4550 y la interfaz USB 2.0 es el que se aprecia en la figura 3.25.

Figura 3.25 Interfaz PIC – USB 2.0 esquema básico de comunicación

.

Con este circuito el computador reconoce el microcontrolador como un hardware conectado al sistema, mediante la programación adecuada realizada en el software de Matlab, se podrá hacer reconocer los datos que el microcontrolador transmita. Este es el esquema base que permitirá la conexión entre la tarjeta y el software. 74

Una vez conocido el circuito de la figura 3.25 se procede a acondicionarlo a los requerimientos que se necesitan para la tarjeta de adquisición que va a recibir los datos dados por el guante y transmitirlos al computador.

3.6.4 Circuito final de la tarjeta de adquisición de datos

Luego de que se consiguió la manera de realizar que el computador detecte al microcontrolador, se procede a realizar el circuito final por partes para mayor entendimiento.

3.6.4.1 Seguidores de tensión

Se utiliza seguidores de tensión, en cada encapsulado se cuenta 4 con amplificadores por este motivo se emplea dos CI LM324n (figura 4.17), que se distribuyen en uno para cada sensor flexible, el objetivo de estos es el de proteger al microcontrolador y también de usarlo como un buffer para eliminar cualquier efecto de carga.

75

76

Cada ingreso de los seguidores de tensión (pin “+” en el esquema, Figura 3.26) indica a que dedo corresponde, ahora bien, la salida de cada seguidor de tensión debe ir a su respectiva entrada analógica en el microcontrolador, en la tabla 3.8 se puede apreciar esto.

Seguidor de Tensión

PIC 18F4550

Pulgar

Pin 2

Índice 1

Pin 3

Índice 2

Pin 7

Medio 1

Pin 8

Medio 2

Pin 9

Anular 1

Pin 10

Anular 2

Pin 25

Meñique

Pin 26

Tabla 3.8 Conexión de la salida de los seguidores de tensión al PIC 18F4550

Se puede apreciar en la tabla 3.9 el lugar en donde se conectan el condensador cerámico que forma parte de la comunicación USB de 407nF y el pulsante de reset con el que contara el microcontrolador.

Conexión

PIC 18F4550

Condensador cerámico

Pin 18

Master reset

Pin 1

Tabla 3.9 Conexión del condensador cerámico y master reset del sistema.

El master reset es para resetear el microcontrolador, es decir, funciona como un refresh para que el programa en el microcontrolador vuelva a inicializar. Semejante a conectar y desconectar el cable USB del computador.

77

Se ha diseñado las etapas de la tarjeta de adquisición de datos en el software Proteus 7 Professional, esto es porque en el mismo programa se realiza el PCB (Printed Circuit Board) del circuito que será el diseño final de tarjeta de adquisición de datos.

3.6.4.2 Partidores de tensión

Los partidores de tensión comparten un punto común con los seguidores de tensión, es decir entre los trimmer y los sensores forman el divisor de tensión, donde se va a modificar el valor de los trimmer hasta tener un minino de 2V con los sensores extendidos o el guante abierto.

En la figura 3.27 (a) se presentan los partidores de tensión que están conectados a su respectivo sensor.

78

(a)

(b)

Figura 3.27 Partidores de tensión. (a) Pertenecientes a cada sensor flexible, (b) pertenecientes a los voltajes de referencia del PIC.

79

De la misma forma se necesita partidores de tensión para los pines de voltajes de referencia externa del microcontrolador, en la figura 3.27 (b) se puede apreciar que existen 2 de ellos, uno es para regular el voltaje de referencia mínimo y el otro para el voltaje de referencia máximo del microcontrolador. Como ya se tiene conocimiento en la interpretación de las conexiones, no está por demás recordarle al lector que en proteus los terminales que tienen el mismo nombre, quiere decir que van conectados, así como también que el terminal que tiene flecha hacia afuera es salida, mientras que aquel que tiene la flecha hacia adentro es entrada. En la tabla 3.10 se aprecia la conexión de los partidores de tensión de los voltajes de referencia a los pines del microcontrolador. Voltaje de referencia

PIC 18F4550

Vref -

Pin 5

Vref +

Pin 4

Tabla 3.10 Partidores de tensión conectados a los pines de voltajes de referencia del PIC 18F4550. 3.6.4.3 Conectores, indicadores de conexión y oscilador Se utiliza un socket de 10 pines para conectar el guante y un conector USB hembra tipo B para la comunicación con el computador, en la figura 3.28 se aprecia dicha conexión.

(a)

(b)

Figura 3.28 Conexiones a la tarjeta de adquisición de datos. (a) Socket de 10 pines, (b) Conector USB hembra tipo B 80

De cada partidor de tensión que se realizo para cada uno de los sensores flexibles, la salida de estos irán conectados al socket de 10 pines, donde por medio del bus de datos se transmitirá la información de los partidores de tensión hacia la tarjeta de adquisición, llegando la información hacia los seguidores de tensión y a su vez a las entradas analógicas del microcontrolador. De la misma forma la conexión hacia el conector USB hembra tipo B al microcontrolador se la hace tal y como se observa en la tabla 3.11.

Conector USB hembra tipo B

PIC 18F4550

Vcc

11,32

d-

Pin 23

d+

Pin 24

Gnd

12,31

Tabla 3.11 Conexión del conector USB hembra tipo B al PIC 18F4550. Como se menciono anteriormente, nos aprovechamos de la conexión USB entre el computador y la tarjeta de adquisición, para poder alimentar a todo el circuito.

En cuanto a los indicadores de conexión USB, se trata de dos diodos led que al momento de conectar el USB al computador se encenderá uno de los diodos, que indica que el circuito ya está alimentado, inmediatamente se apaga dicho diodo y se enciende el otro diodo indicando que la tarjeta fue reconocida por el computador como un dispositivo USB, se aprecia en la figura 3.29 el esquema de los diodos.

81

Figura 3.29 Diodos indicadores de conexión USB La activación de dichos diodos son comandados por la programación existente en el microcontrolador, en la tabla 3.12 se muestra los pines a los que estos se conectan. Diodo LED

PIC 18F4550

led 1

Pin 33

led 2

Pin 34

Tabla 3.12 Conexión de los diodos indicadores al PIC 18F4550 Como se aprecia en el esquema de la figura 3.20 el oscilador (XT) o cristal, se lo conecta en los pines 13 y 14 del microcontrolador. 3.6.4.4 Alimentación de la tarjeta de adquisición de datos

El voltaje para alimentar la tarjeta de adquisición de datos es obtenido del mismo computador , mediante la conexión USB, el voltaje que todo puerto USB provee es de 5 VCC por lo tanto no es necesario ninguna fuente externa ya que la tarjeta de adquisición tiene un consumo de potencia mínima. En la figura 3.30 se aprecia el voltaje o la fuente que alimenta el circuito, proveniente de la conexión USB.

82

Figura 3.30 Alimentación del circuito

3.6.4.5 Esquema general del circuito A continuación se presenta todo el esquema que conforma el circuito de la tarjeta de adquisición de datos, con lo anteriormente explicado se comprenderá muy bien cada parte que compone el esquema, esto se aprecia en la figura 3.31.

83

84

3.6.5 Diseño final de la tarjeta de adquisición de datos Los elementos utilizados para el diseño final de la tarjeta de adquisición de datos son los siguientes: 

2 diodos led (rojo y verde)



1 sócalo de 40 pines



2 sócalos de 14 pines



1 oscilador de 20 MHz



Un socket de 10 pines



10 trimmers de 50 kΩ



1 condensador cerámico de 470nF



1 microcontrolador PIC 18F4550



2 CI LM324n



1 conector USB hembra tipo B.

Una vez realizado el esquema general de la tarjeta de adquisición de datos (figura 3.31), es momento de realizar el ruteo en Ares, que es una opción de Proteus para la realización de placas electrónicas. En la figura 3.32 se puede apreciar el ruteo de la tarjeta electronica generado en dicho programa.

Figura 3.32 Ruteo de la tarjeta de adquisición de datos.

85

Como se puede observar la tarjeta es a doble cara, es decir que existen pistas en la parte superior e inferior de la tarjeta, se hace este diseño para evitar puentes con cables y de esta forma tener un diseño muy práctico y bien presentado. Luego que se tiene ya el ruteo y se ha revisado que todo está correctamente conectado se procede a imprimir el circuito en placa. En la figura 3.33 se observa la placa ya impresa en baquelita, se puede ver ambas caras.

Figura 3.33 Placa impresa. (a) Anverso, (b) Reverso. Una vez que se imprimió la placa, se procede a soldar los elementos que la componen (figura 3.34), con lo que se consigue el diseño final de la tarjeta de adquisición de datos, la misma que conjuntamente con el guante traductor conforman el hardware del sistema. Además se utiliza las medidas de la placa para realizar una caja de acrílico para proteger a la placa y evitar al máximo el ruido externo generado por diversos factores, esta es de acrílico transparente (ver anexos).

86

Figura 3.34 Diseño final de la tarjeta de adquisición de datos.

Se puede apreciar en la figura anterior que el diseño final tiene una muy buena presentación, gracias a la correcta distribución de los elementos y la gran ventaja de poder diseñarla a doble cara.

87

CAPÍTULO IV DESARROLLO DEL SOFTWARE Y FIRMWARE DEL SISTEMA 4.1 Desarrollo de la Aplicación en el Software MATLAB

En esta parte del capítulo se explica el desarrollo de la aplicación en el software MATLAB ® 2010, así como también las librerías proporcionadas por Microchip para obtener los datos provenientes del PIC 18F4550 enviados hacia el puerto USB del computador y a su vez se explicara el desarrollo de la interfaz gráfica de usuario para el uso de las personas sordas.

4.1.1 Herramientas Utilizadas

Interfaz Gráfica de usuario en MATLAB

GUIDE es un entorno de programación visual disponible en MATLAB para realizar y ejecutar programas que necesiten ingreso continuo de datos. Tiene las características básicas de todos los programas visuales como Visual Basic o Visual C++.

Para iniciar nuestro proyecto, lo podemos hacer de dos maneras: 

Ejecutando la siguiente instrucción en la ventana de comandos: >> guide



Haciendo un clic en el ícono que muestra la figura 4.1:

88

Figura 4.1 Ícono GUIDE.

A continuación se muestra la interfaz gráfica de usuario en blanco, en el cual podemos diseñar nuestro programa, como se muestra:

Figura 4.2 Entorno de diseño de GUI.

89

Asimismo, tenemos las siguientes herramientas:

Figura 4.3 Herramientas GUI. Paleta de Componentes

En la paleta de componentes se encuentran los componentes como son:

Figura 4.4 Paleta de herramientas en el GUIDE.

Componentes utilizados en la creación de la interfaz:

90

Push Button: Permite ejecutar la función programada en su Callback cuando sea pulsado.

Toggle Buttons: Este botón genera una acción e indica un estado binario es decir encendido o apagado. Cuando se realice un click en este botón este quedará pulsado y retornara a su posición normal mediante otro click sobre él, por tanto se realiza una determinada acción mientras este pulsado.

Edit Text: Son campos que utiliza el usuario para ingresar texto o en su defecto para mostrar mensajes en las diferentes aplicaciones.

Static Text: Son mensajes de texto que se colocan en la interfaz gráfica, para indicar valores asociados con el programa, realizar indicaciones. El usuario no puede cambiar el texto. Barra de desplazamiento (Sliders): Acepta una entrada numérica con un rango específico. Mediante el mouse se presiona sobre el slider para moverse a través del rango.

Recuadro (Frames): Utilizado para agrupar elementos de tal forma de definir áreas o conjuntos dentro de la interfaz. Frames no tiene ninguna subrutina asociada. Menús desplegables (Pop – Up menus): Despliega una lista con varios elementos para que sean escogidas por el usuario.

Ejes(Axes): Ejes permite visualizar gráficos, se pede activar controles, cambiar el aspecto y la apariencia de los ejes mediante la manipulación de sus propiedades.

Si una interfaz posee varios ejes se debe especificar sobre cuál de ellos se requiere trabajar, cuando se use los comandos para dibujar a continuación se da un ejemplo.

axes(handles.axes1) 91

Funciones UIGETFILE y UIPUTFILE

Estas funciones son muy importantes, ya que en la interfaz gráfica es necesario guardar los datos del previo entrenamiento del guate de cada usuario, mediante esto se evita el entrenamiento constante del guante para cada uno de los usuario.

Mediante la función uigetfile, permite abrir un archivo y obtener su nombre y dirección. Si se ejecuta el siguiente comando en el Command Window:

>> [FileName Path]=uigetfile({'*.m;*.mdl'}, 'Escoger')

Esto presentará la siguiente interfaz:

Figura 4.5 Resultado de la función uigetfile.

Al escoger un programa cualquiera, esta función retorna:

FileName = qpsk_mod_const_freq.mdl

92

Path = C:\MATLAB71\work\

Con esta información podemos abrir cualquier archivo o ejecutar cualquier programa.

Y mediante la función uiputfile, permite guardar un archivo, muestra un cuadro de diálogo para seleccionar un archivo para escritura. El cuadro de diálogo muestra los archivos y directorios en el directorio actual con el valor por defecto.

[Fichero, ruta] = uiputfile (' animinit.m ',' Guardar nombre de archivo ');

Esto presentara la siguiente interfaz:

Figura 4.6 Resultado de la función uiputfile.

93

Drivers para establecer la comunicación USB

Microchip Technology Inc. MPUSBAPI

Es una API que provee acceso al puerto USB a aplicaciones que funcionan en sistemas operativos Windows. Forma parte del paquete gratuito Microchip Full-Speed USB Solutions (MCHPFSUSB), que permite el desarrollo de aplicaciones de usuario y de firmwares para la comunicación con dispositivos USB, además como parte del paquete cuenta con un driver USB de proposito general (clase Custom USB). Sus principales características son:

a) Soporta los estándares USB 1.x y 2.0

.

b) Soporta los sistemas operativos: Windows 98SE, Windows ME, Windows 2000 y Windows XP

.

c) No brinda opciones para utilizar distintas interfases y configuraciones para la comunicación con los dispositivos

.

d) Soportan todos los tipos de transferencia USB y modo asincrónico para la del tipo interrupt

.

e) Conjunto de operaciones reducida y bloqueantes (timeout) f) Soporta el uso de 32 endpoints

.

.

g) La API es una biblioteca de vinculación dinámica (DLL), para su fácil integración a los proyectos de desarrollo h) Es una herramienta gratuita

.

.

4.1.2 Descripción y uso de la aplicación para el usuario

Una vez instalado el programa MATLAB ® 2010 en el computador, se procede a seleccionar el archivo con extensión (.m) que corresponde al software del prototipo.

94

Una vez abierto el programa de Matlab se da clic aquí para luego seleccionar el archivo (.m)

Figura 4.7. Selección del software del prototipo

Una vez que se haya seleccionado el archivo que corresponde al software del guante traductor se procede ejecutar el programa, como se muestra en la figura 4.8.

Clic en este icono para ejecutar el programa del guante traductor

Figura 4.8. Inicio del software del guante traductor

Ejecución del Prototipo

Una vez realizado lo anterior, se procede a la colocación del guante en la mano derecha, donde el usuario debe en primer lugar realizar un entrenamiento previo de todo el lenguaje de señas, esto se lo hace una sola vez puesto que los datos del usuario pueden ser guardados en un archivo de texto (.txt).

95

Clic en configurar luego en Parámetros del Guante para realizar el entrenamiento.

Figura 4.9 Pantalla inicial del software.

Se adquiere los datos de los sensores flexibles provenientes del guante

Guarda los datos adquiridos

Comprobación de la seña guardada.

Visualización de la letra correspondiente a la seña guardada anteriormente

Figura 4.10 Entrenamiento de todo el lenguaje de señas.

96

En el caso de la figura anterior (Fig. 4.10), en el cuadro blanco se puede comprobar cada una de las señas guardadas.

Variación de la tolerancia de cada seña.

Figura 4.11 Uso de la tolerancia.

Aumenta o disminuye el rango en el que se puede obtener una letra, a mayor tolerancia (hacia arriba), la letra representada se obtiene con mayor facilidad, a menor tolerancia (hacia abajo) la letra representada se obtiene con menor facilidad.

Figura 4.12 Datos de los sensores y datos guardados más la tolerancia actual utilizada.

Los datos que se observan en la figura anterior, varían de acuerdo a la seña que se esté representando con el guante. 97

En la figura 4.13 se puede apreciar el icono que indica si la tarjeta está conectada o desconecta, además se muestran las flechas para cambiar a la siguiente letra o seña para posteriormente adquirir los datos de dicha seña. Icono Rojo: Tarjeta desconectada Icono Verde: Tarjeta conectada

Cambio de seña con su respectiva letra para entrenamiento.

Figura 4.13 Indicador de conexión o desconexión de la tarjeta y flechas para cambio de letras.

Una vez realizado el previo entrenamiento de cada una de las señas, se procede a guardar los datos del usuario en una carpeta para posteriormente ser utilizados.

Al dar clic en “Guardar Datos Usuario” Se abre el cuadro de abajo donde se guarda los datos del usuario en extensión (.txt)

98

Nombre del archivo a guardar.

Tipo de formato del archivo a guardar (.txt)

Figura 4.14 Guardar los datos con el nombre del usuario.

De la misma forma se pueden cargar los datos del usuario, anteriormente guardados.

Carga los datos del usuario

Figura 4.15 Cargar datos de un usuario.

Pantalla de prácticas Es la pantalla donde se puede hacer cualquier seña en donde se verá reflejada la letra que representa tal seña, el fin de esta pantalla es de entrenamiento previo a las lecciones.

99

Se dirige a la pantalla de prácticas que es la misma que se aprecia en esta figura.

Figura 4.16 Pantalla de prácticas.

Pantalla de lecciones

Existen tres tipos de lecciones, las mismas que consisten en deletrear el color, animal o fruta que se observe según la lección escogida.

Selección de la lección a practicar

Figura 4.17 Lecciones Dactilológicas.

100

Se visualiza las letras que corresponden a las señas realizadas.

Color a deletrear

Indica si el deletreo es el correcto o no, si es correcto se aprecia una mano con el dedo pulgar hacia arriba, si es incorrecto hacia abajo

Cambio de color

Inicio de la lección

Figura 4.18 Pantalla de lección de colores.

Figura 4.19 Pantalla de lección de animales.

101

Figura 4.20 Pantalla de lección de frutas.

Además se le agregó al programa en la pestaña de configuración una opción que permite que ya sea una voz de hombre o mujer, según prefiera el usuario, traduzca cualquier letra o palabra realizada, de esta manera se podrá contar con un audio de lo que se esté realizando en la pantalla de prácticas (figura 4.16). Se accede a esta configuración como lo indica la figura 4.21.

Figura 4.21. Configuración de voz de hombre o mujer, audio del deletreo.

En la pestaña de ayuda del programa se aprecia la información acerca de los autores del prototipo y demás información.

102

Figura 4.22 Acerca del traductor de señas.

Mensaje del programa

Cuando la tarjeta no está correctamente conectada hacia el computador, se aprecia el siguiente mensaje.

Figura 4.23 Mensaje que se presenta cuando la tarjeta no está conectada al computador.

Se puede conectar inmediatamente la tarjeta y dar clic en buscar de nuevo o en tal caso en cancelar, cerrar el software, conectar la tarjeta y volver a abrir el software.

103

4.2 Desarrollo del Firmware para el PIC 18F4550 realizado en CCS C

En esta sección se explica el desarrollo del firmware utilizando el compilador PCW de CCS C para el PIC 18F4550 para la adquisición de las señales analógicas provenientes de los sensores, así como también se explicara parte de la programación de la comunicación USB que posee dicho PIC

4.2.1

.

Consideraciones para el desarrollo del Firmware

Antes del desarrollo del Firmware, se tomaron en cuenta diferentes consideraciones:

a) Para el prototipo se optó en utilizar el microcontrolador PIC18F4550 de microchip por las siguientes características: 

Comunicación USB V2.0



Rango de tensión de conversión configurable mediante tensión de referencia externa (Vref+/-).



13 canales analógicos.



10 bits de resolución para la conversión A/D.



Señal de reloj configurable.



Tiempo de adquisición programable (0 a 20 TAD).

b) Drivers existentes para el microcontrolador seleccionado para permitir la detección del dispositivo en el computador. c) Drivers existentes para el microcontrolador seleccionado para permitir la emulación de comunicación USB con el programa MATLAB.

Antes de explicar el desarrollo del firmware, se procede a repasar algunos conceptos básicos.

104

Configuración del Módulo A/D

El convertidor

analógico digital

del PIC18F4550, posee las siguientes

características:

a) 13 canales multiplexados. b) 10 bits de resolución. c) Señal de reloj de conversión configurable. d) Tiempo de adquisición programable de 0 – 20 Tda. e) Posibilidad de establecer rango de tensiones de conversión mediante tensiones de referencia externas.

La figura muestra el diagrama de bloques del módulo A/D.

Figura 4.24 Diagrama de bloques del conversor analógico – digital.

105

Registros del módulo A/D

El modulo A/D tiene cinco registros:

A. Registro de control A/D ADCON0. B. Registro de control A/D ADCON1. C. Registro de control A/D ADCON2. D. Registro de resultados alto (HIGH) A/D ADRESH E. Registro de resultados alto (HIGH) A/D ADRESL.

Rango de las tensiones de conversión

El rango de las tensiones de conversión es de 0 a 5V. Para aumentar la resolución se puede modificar las tensiones de referencia acercando las tensiones de referencia máxima y mínima VREF+ y VREF- a los límites de variación de la señal que se desee digitalizar.

Esto

se

consigue

modificando

las

líneas

RA2/AN2/VREF+

y

RA3/AN3/VREF- como tensiones de referencia del convertidor A/D, poniendo a 1 los bits VCFG1 y VCFG0 del registro ADCON1.

La figura muestra lo indicado.

Figura 4.25 Pines de los voltajes de referencia.

106

La activación de los pines de voltajes de referencia externa del microcontrolador es muy importante, ya que las señales provenientes de los partidores de tensión varían de 2 voltios a 3,5 voltios, según el grado de flexión de los sensores que están ubicados en el guante, mediante esto podemos obtener los valores de conversión A/D desde 0 a 1024.

Pasos para la conversión A/D sin utilizar la interrupción

1. Configuración como canales A/D de las líneas que vayan a ser utilizadas (bits PCFG3 – PCFG0 del registro ADCON1) 

Configuración de las tensiones de referencia VREF+ y VREF- (bits VCFG0 y VCFG1 del registro ADCON1)



Configuración del reloj de conversión TAD (bits ADCS2 – ADCS0 del registro ACON2)



Configuración del tiempo de adquisición (bits ACQT2 – ACQT0 del registro ADCON2)



Configuración de modo de almacenamiento de la conversión (bit AFM del registro ADCON2)

2. Activación del conversor (bit ADON del registro ADCON0) 3. Selección del canal (bits CHS3 – CHS0 del registro ADCON0) 4. Retardo de espera del tiempo de adquisición (solo en caso de no hacer uso del tiempo de adquisición automático) 5. Inicio de la conversión poniendo a 1 el bit GO/DONE del registro ADCON0. 6. Bucle de espera del final de conversión (comprobación del bit GO/DONE hasta que se ponga a 0) 7. Lectura del resultado de la conversión de los registros ADRESH y ADRESL. 8. Procesamiento matemático del valor obtenido de la conversión analógica digital.

107

Interfaz USB

USB (Universal Serial Bus) es un estándar de comunicación para la conexión de dispositivos a través de un bus serie. El estándar USB ha tenido cambios en sus versiones como se indica en la tabla siguiente.

Tabla 4.1 Estándares USB.

Actualmente se utiliza el estándar USB 2.0, que puede aceptar dispositivos USB 1.1 debido a la compatibilidad entre versiones.

Características

Para la transmisión de datos el estándar USB utiliza par trenzado de 4 hilos, 2 para la polarización y 2 para la transmisión y señalización denominados D+ y D-. En la Tabla 4.2 se puede observar la distribución de pines de los conectores y en la Figura 4.29 los tipos de conectores del estándar USB.

Figura 4.26. Tipos de conectores USB.

108

Tabla 4.2 Distribución de pines conector USB.

El bus USB nos proporciona un voltaje entre el pin 4 y 1 de 5 Voltios, la corriente máxima suministrada por cada puerto es de 500 mA, dispositivos que requieran mayor nivel de corriente necesitarán una fuente externa.

Tipos de transferencia

El enlace virtual (pipe) puede ser de cuatro tipos:

Control: Modo utilizado para realizar configuraciones, existe siempre sobre el Punto terminal 0 (EndPoint 0). Todos los dispositivos USB deben soportar este tipo de transferencia. Los datos de control sirven para configurar el periférico en el momento de conectarse al USB.

Bulk: Este modo se utiliza para la transmisión de importantes cantidades de información. Como el tipo control, este enlace no tiene pérdida de datos. Este tipo de transferencia es útil cuando la razón de transferencia no es crítica como por ejemplo , el envió de un archivo a imprimir o la recepción de datos desde un escáner. En estas aplicaciones, la transferencia es rápida, pero puede esperar si fuera necesario. Solo los dispositivos de media y alta velocidad utilizan este tipo de transferencia.

109

Interrupt, modo utilizado para transmisiones de pequeños paquetes, rápidos, orientados a percepciones humanas (ratón, punteros). Este tipo de transferencia es para dispositivos que deben recibir atención periódicamente y lo utilizan los dispositivos de baja velocidad

Isochronous o Flujo en tiempo real: modo utilizado para la transmisión de audio o video comprimido. Este tipo de transmisión funciona en tiempo real. Este es el modo de mayor prioridad.

La transmisión de la voz es un ejemplo de esta aplicación.

Enumeración: Cuando se conecta un dispositivo USB a la PC se produce el Proceso de Enumeración, el cual consiste en que el host le pregunta al dispositivo que se presente y le diga cuáles son sus parámetros, tales como: a. Consumo de energía expresada en unidades de Carga b. Número y tipos de Puntos terminales c. Clase del producto. d. Tipo de transferencia e. Razón de escrutinio, etc.

El proceso de enumeración es inicializado por el host cuando detecta que un nuevo dispositivo que ha sido adjuntado al Bus. El host le asigna una dirección al dispositivo adjuntado al bus y habilita su configuración permitiendo la transferencia de datos sobre el bus.

4.2.2

Herramientas Utilizadas

Compilador PCH CCS C

El firmware está compilado con el compilador PCH CCS C versión 4. El compilador C de CCS ha sido desarrollado específicamente para microcontroladores 110

PIC. Dispone de una amplia librería de funciones predefinidas, comandos de procesado y ejemplos. Dispone además de numerosos controladores para dispositivos como LCD, relojes de tiempo real, EEPROM, USB etc. Un compilador convierte el lenguaje de alto nivel (en este caso C) a instrucciones de código máquina. Los programas son editados y compilados a instrucciones maquina en el entorno de trabajo del PC y puede ser cargado al PIC a través de un programador y el software asociado al mismo desde el PC. En el manual de CCS se da mucha más información. Solo se describirán los elementos más básicos necesarios para la programación de la tarjeta de adquisición USB

.

Entorno de desarrollo integrado: El IDE

Para abrir un fichero fuente se pulsa sobre el icono de comandos de fichero y aparece un menú desde el que podremos abrir, guardar o cerrar ficheros. Con el comando NEW podremos crear un fichero fuente, un proyecto, un diagrama de flujo, etc.

Figura 4.27 Creación de un nuevo proyecto. 111

La opción NEW → Source File, el programa pide el nombre de un nuevo fichero y crea una ventana en blanco donde podremos empezar a escribir el código.

Figura 4.28 Ventana de programación. Opciones Desde el menu “Options” podremos acceder a las distintas configuraciones que nos ofrece el entorno de desarrollo.

Figura 4.29 Configuraciones del menu options.

Desde aquí podremos configurar el proyecto, el aspecto y funcionamiento del editor de código. Las barras de herramientas y las teclas directas e incluso conectar CCS con el programa que utilicemos para programar el PIC. 112

Compilando un programa

La función principal de CCS es la obtención del código máquina necesario para programar el PIC. Una vez escrito nuestro programa deberemos comprobar la sintaxis del mismo para crear el código ejecutable cuando no tenga errores. Esto lo haremos desde el menú “Compile”. La compilación del programa se puede hacer desde el comando “Compile” o pulsando la tecla . Durante la compilación del programa aparece una ventana de progreso que informa del avance de la compilacion y de los errores que se han encontrado durante la misma.

Figura 4.30 Ventana de compilación.

Si el proceso de compilación se completa correctamente obtendremos entre otros el fichero .HEX necesario para programar el PIC.

113

WinPic800

Una vez obtenido el archivo .HEX del programa se puede lanzar el programador (WinPic) desde CCS. Para ello se tiene que haber configurado las herramientas de CCS, solo se tiene que seleccionar el comando “Program Chip” del menú “Compile” y elegir la herramienta WinPic800. Esto lanzará el programa WinPic abriendo con el archivo .HEX que se generó en la compilación e iniciando el proceso de programación de la memoria del PIC.

Figura 4.31 Proceso de programación en la memoria del PIC.

Funciones utilizadas en el compilador C 

setup_adc(mode)

.

mode: Configura el módulo del conversor A/D correpondientes a los bits 7:6 del registro ADCON0. 114

Donde mode puede ser:

mode

Acción

ADC_OFF

ADC apagado

ADC_CLOCK_INTERNAL

ADC usa oscilador interno 32KHZ

ADC_CLOCK_DIV_2

ADC preescalar 2 (Fosc/2)

ADC_CLOCK_DIV_8

ADC preescalar 8 (Fosc/8)

ADC_CLOCK_DIV_16

ADC preescalar 16 (Fosc/16)

ADC_CLOCK_DIV_32

ADC preescalar 32 (Fosc/32)



setup_adc_ports(value)

.

value: Definición de las entradas analógicas correspondientes a los bits 3:0 del ADCON1.

Tabla 4.3 Configuración del ADCON1.

En este caso se cambió el comando por el siguiente para activar los pines de voltajes de referencia. setup_adc_ports(AN0_TO_AN6|VREF_VREF);

115



set_adc_channel(channel)

.

Channel: selección del canal analógico correspondiente a los bits 5:2 de ADCON0.

0(AN0)

1(AN1)

8(AN8) 9(AN9)



2(AN2)

3(AN3)

4(AN4)

5(AN5)

6(AN6)

7(AN7)

10(AN10) 11(AN11) 12(AN12) 13(AN13)

Value=read_adc()

.

Lectura del resultado donde value es un entero de 16 bits. La directiva utilizada determina el número de bits del ADC. Por ejemplo #device 18F4550, debe incluir la indicación del número de bits del conversor, así: #device adc = 10. 

read_adc() permite tres modos de funcionamiento.

ADC_START_AND_READ Inicio y lectura del convertidor. Opción por efecto. ADC_START_ONLY

Sólo

ADC_READ_ONLY

Sólo lee los registros del conversor.



#fuses HSPLL y PLL5

inicio

la

conversión.

.

La frecuencia de oscilación necesaria para el USB 2.0 es de 48 Mhz. Como se esta usando un cristal de cuarzo de 20 Mhz se necesita hacer uso del módulo pll interno del Pic. Para ello se utiliza el fuse HSPL. Como el módulo PLL requiere una oscilación de entrada de 4 Mhz se debe utilizar el divisor 1:5 indicado con el fuse PLL5 para obtener los 20:5 = 4 Mhz requeridos. 

USB_ENABLE_BULK y SIZE 32

116

.

Para activar el método de transferencia masiva mediante el USB debemos configurar los EndPoint de transmisión y recepción, USB_EP1_TX_ENABLE y USB_EP1_RX_ENABLE, indicándolo con la constante USB_ENABLE_BULK. Es imprescindible deshabilitar el método HID (Human Interface Device). El tamaño del buffer de transferencia lo podemos ajustar desde 1 a 32 bytes como máximo. Nosotros vamos a establecer el máximo de 32 bytes por envío o recepción de paquetes USB. (Recordad que si se utiliza un dispositivo USB 1.0 Low Speed el máximo tamaño del buffer es de 8 bytes) 

#include PicUSB.h

.

En el fichero PicUSB.h, cargado con el correspondiente include, se definen las estructuras y parámetros necesarios para la conexión USB. 

main()

Las

funciones

usb_enumerated(),

usb_init(), usb_kbhit(),

usb_task(), usb_get_packet()

usb_wait_for_enumeration(), y

usb_put_packet()

están

desarrolladas en el driver que nos proporciona CCS C para el manejo del USB 2.0 y vienen definidas e implementadas en los includes pic18_usb.h, usb.c y usb.h que se puede encontrar en el directorio ..\Drivers en la instalación de CCS C. usb_init(), usb_task() y usb_wait_for_enumeration() se utilizan solo para establecer la comunicación y se ejecutan únicamente tras un reset del micro. Si todo ha sido satisfactorio, y ya dentro del bucle infinito while(true), solo actuaremos si la función usb_enumerated() nos devuelve true, o sea que estamos correctamente conectados y reconocidos por el Windows del PC. A partir de este punto solo esperamos a recibir un comando proveniente del PC. Esto se detecta con usb_kbhit() que al devolver true indicará que se tiene algo pendiente de recibir y lo va a recoger mediante usb_get_packet() .

Para contestar se utiliza la función usb_put_packet() tal como se hace al responder al comando COMMAND_FIRMWARE en el que responde con usb_put_packet(1, 117

dato, LENGTH_BUF, USB_DTS_TOGGLE); enviando el contenido de dato donde LENGTH_BUF es el tamaño de bytes a enviar. 

VID&PID

.

El VID es un número de 16 bits que significa Vendor Identification o código que identifica al fabricante del hardware a conectar. En este caso se usa el número 04D8h que identifica a Microchip. El PID es un número de 16 bits que significa Product Identification o código que identifica al dispositivo en concreto hardware a conectar. En nuestro caso utilizamos el número 00011 que identifica a la familia de los PIC18 de este fabricante. Tener en cuenta que la conjunción de estos dos numeros VID&PID es la que nos va a servir para conectar con el Driver de Windows XP Cuando el S.O. conecte con nuestro firmware recibirá el VID&PID y buscará entre sus drivers instalados para encontrar el que corresponde a esta identificación, si no la encuentra nos preguntará sobre donde ha de buscar un driver adecuado y deberemos indicarle su ubicación. Este driver deberá estar configurado para conectar con un hardware cuyo VID&PID sea el mismo.

Driver para Microsoft Windows XP suministrado por Microchip.

.

Con el Hardware correctamente montado, con su firmware debidamente programado en él y con su cable USB conectando ambos, el PIC y el PC es cuando el Sistema Operativo Windows lo detectará recibiendo su VID&PID y buscará entre sus drivers instalados para encontrar el que corresponde a esa identificación, si no la encuentra preguntará sobre donde ha de buscar un driver adecuado y entonces se indica su ubicación:

118

Figura 4.32 Asistente para hardware nuevo encontrado.

Figura 4.33 Driver de detección del PIC 18F4550.

119

Figura 4.34 Busqueda del driver para la detección del dispositivo.

Figura 4.35 Compatibilidad del dispositivo con Windows XP.

120

Figura 4.36 Establecimiento de un punto de restauración del sistema.

Figura 4.37 Finalización del la instalación del software.

121

Figura 4.38 Hardware o dispositivo encontrado.

122

CAPÍTULO V ANÁLISIS DE RESULTADOS En este capítulo se verifica el funcionamiento del prototipo, haciendo los respectivos análisis de cada seña que identifica el alfabeto sordomudo, así como también se analiza las señas en las cuales el programa muestra confusión ya que físicamente algunas señas son semejantes.

Se aprecia los resultados obtenidos con el uso del prototipo, se hace un análisis de las señas en las cuales el programa se confunde con otras señas. Para una mayor comprensión se optó por realizar las gráficas de barras de los resultados obtenidos de los sensores cuando se realizó las pruebas con los niños del instituto.

Para realizar las gráficas de cada una de las señas del lenguaje sordomudo, se procedió a utilizar los archivos de texto (.txt) en donde están guardados los valores de cada uno de los sensores flexibles que conforman el guante.

5.1. Pruebas de funcionamiento

Para realizar el entrenamiento del guante, se ejecutan los siguientes pasos: 

Se escoge la seña en orden alfabético a ser entrenada.



Se procede a guardar los valores obtenidos de los sensores, con su respectiva tolerancia.



Se realiza la comprobación de la seña guardada.



Si es necesario se hace un reajuste de tolerancia para dicha seña. A mayor tolerancia – menor precisión y a menor tolerancia – mayor precisión.



Se comprueba nuevamente la seña entrenada con su nuevo ajuste de tolerancia, si es efectiva se procede al entrenamiento de la siguiente seña. 123

Después del previo entrenamiento del guante con el primer estudiante del instituto, se procedió a realizar las pruebas de funcionamiento en la pantalla de traducción de señas que presenta el programa.

Donde se analiza las pruebas satisfactorias realizadas con el guante en la que el estudiante efectúa la misma seña varias veces, según el valor de tolerancia determinado.

Para realizar las pruebas de funcionamiento del guante, se pide al estudiante que realice una seña determinada y si en un lapso de tiempo de 3 segundos no aparece la seña que corresponde en la pantalla de traducción, esta seña se tomará como fallida, caso contrario se tomará como satisfactorio. Estas pruebas se efectuarán por cinco veces consecutivas para la misma seña, hasta ajustarse al valor de tolerancia deseado.

Pruebas de funcionamiento realizadas con el primer estudiante

En la siguiente tabla se muestra las pruebas de funcionamiento del guante con un valor de tolerancia igual a 100.

SEÑAS A B C D E F G H I

PRUEBAS SATISFC. TOLERANCIA X ✓ X X ✓ 100 ✓ ✓ x x x 100 x ✓ x ✓ ✓ 100 ✓ x ✓ ✓ x 100 ✓ ✓ x ✓ x 100 x ✓ x ✓ ✓ 100 X ✓ X X ✓ 100 ✓ ✓ x ✓ x 100 ✓ ✓ x x x 100

Tabla 5.1. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 100.

Como se puede apreciar en la Tabla 5.1, existen más fallas en el momento de representar una seña con el guante traductor, esto es debido a que la tolerancia está en su valor estándar (tolerancia = 100) dado por el programa diseñado en Matlab. 124

Para mejorar este problema, se reajusta el valor de tolerancia igual a 120 y se realizan nuevamente las pruebas de funcionamiento del guante traductor para el mismo estudiante.

SEÑAS A B C D E F G H I

PRUEBAS SATISFC. TOLERANCIA ✓ ✓ ✓ X ✓ 120 ✓ ✓ x ✓ ✓ 120 x ✓ x ✓ ✓ 120 ✓ ✓ ✓ ✓ x 120 ✓ ✓ x ✓ x 120 x ✓ ✓ ✓ ✓ 120 ✓ ✓ X X ✓ 120 ✓ ✓ x ✓ ✓ 120 ✓ ✓ ✓ x ✓ 120

Tabla 5.2. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 120.

Como se puede apreciar en la tabla 5.2, existen mayores aciertos en el momento de realizar las señas con un valor reajustado de tolerancia igual a 120, pero aun se observa un porcentaje menor de desaciertos al momento de comprobar la seña entrenada, por este motivo se realiza un nuevo entrenamiento del guante traductor para cada una de las señas con un nuevo valor de tolerancia igual a 140 (tabla 5.3).

SEÑAS A B C D E F G H I

PRUEBAS SATISFC. TOLERANCIA ✓ ✓ X ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ X 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ X ✓ X ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140

Tabla 5.3. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 140.

125

En esta última tabla, es notable una mejora cuando se realiza la comprobación de las señas con el nuevo reajuste de tolerancia, pero existen algunas fallas en algunas señas debido a que algunas de ellas son semejantes a otras.

Se presentan las gráficas de barras porcentual en la que algunas señas son semejantes entre sí y dan un conflicto en el programa al momento de representar las señas con el guante.

Las señas con las que existe conflicto son: 

G con Q.

100% 90% 80%

MEÑIQUE

70%

ANULAR2

60%

ANULAR1

50%

MEDIO2

40%

MEDIO1

30%

INDICE2

20%

INDICE1

10%

PULGAR

0% G

Q

Gráfica 5.1 Barras de las señas G y Q

126



I con J

100% 90%

MEÑIQUE

80%

ANULAR2

70% 60%

ANULAR1

50%

MEDIO2

40%

MEDIO1

30%

INDICE2

20%

INDICE1

10%

PULGAR

0% I

J

Gráfica 5.2 Barras de las señas I y J 

H, U y V

PULGAR

INDICE1

INDICE2

MEDIO1

MEDIO2

ANULAR1

ANULAR2

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% H

U

Gráfica 5.3 Barras de las señas H, U y V 127

V

MEÑIQUE

Se puede apreciar tanto la similitud existente en la forma de las señas así como también en las gráficas de barras. Cada color en el gráfico de barras representa a un sensor y están indicados en valores porcentuales la intervención de cada uno de ellos en la representación de una seña, es decir, la flexión que tiene cada sensor se ve representada en las gráficas de barras porcentuales.

Esto se da debido a que en el entrenamiento del guante para el primer estudiante fue realizado sin ninguna supervisión del docente, ya que hubiera sido de gran ayuda la presencia del profesor para corregir los errores de la posición correcta de la mano que debería de hacer el estudiante para cada una de las señas.

Pruebas de funcionamiento realizadas con el segundo estudiante

Se muestra a continuación las tablas de los valores obtenidos después del entrenamiento del guante con el segundo estudiante.

SEÑAS A B C D E F G H I

PRUEBAS SATISFC. TOLERANCIA ✓ x ✓ ✓ x 120 ✓ ✓ x ✓ x 120 ✓ ✓ x ✓ ✓ 120 ✓ x ✓ ✓ x 120 x ✓ x ✓ ✓ 120 ✓ ✓ x ✓ ✓ 120 x ✓ x ✓ ✓ 120 ✓ x ✓ ✓ ✓ 120 ✓ x ✓ ✓ x 120

Tabla 5.4. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 120.

128

SEÑAS A B C D E F G H I

PRUEBAS SATISFC. TOLERANCIA ✓ ✓ ✓ ✓ x 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ ✓ ✓ x 140 ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ 140 ✓ ✓ x ✓ x 140

Tabla 5.5. Pruebas de funcionamiento con un valor de tolerancia igual a 140.

Como se lo esperaba, se presenta una mejora cuando se reajusta los valores de tolerancia en el entrenamiento del guante, pero también se aprecia una pequeña confusión con algunas señas similares, lo que ocurría también con el primer estudiante cuando se realizó las pruebas de entrenamiento.

En estas pruebas de entrenamiento del guante, fue claro tanto en el primer estudiante como en el segundo, que rara vez existía una pequeña confusión entre las señas E y C, debido a que en el momento de realizar la seña E, los dedos de la mano tomaban una forma de la seña C en un instante de tiempo corto antes de formarse la seña E.

129

PULGAR

INDICE1

INDICE2

MEDIO1

MEDIO2

ANULAR1

ANULAR2

MEÑIQUE

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% C

E

Gráfica 5.4 Barras de las letras C y E

Se realiza las siguientes pruebas de verificación:

a) Análisis del guante y respuesta a los movimientos

Una vez que el usuario (niño, niña) se colocó el guante, se pudo apreciar la velocidad de respuesta al proporcionar una letra del lenguaje de señas, esto fue inmediato, es decir, cuando una seña se encuentra en el rango asignado (obtenido del entrenamiento de cada usuario) para todos los sensores, en ese momento aparece la letra correspondiente a la seña realizada, el tiempo que se tarda este proceso es de 0.4 segundos (400 ms). De la misma forma el guante se torna fácil de manipular debido a los cortes que tiene en las puntas de los dedos, esto permite en relación a los guantes de pruebas realizados, observar de mejor manera la letra que se está representando en lenguaje de señas, así como también, el material permite que se pueda manipular de manera cómoda y así realizar las prácticas con mucha facilidad.

130

b) Reacciones de los docentes Al ver el funcionamiento del prototipo, manifestaron que este es de gran ayuda para el instituto y que las ventajas que les brindaba el prototipo fueron asombrosas, pues informaron que es muy bueno para que los niños puedan practicar, realizar sus señas y saber cuándo están representando mal una seña. El aprendizaje se acelera puesto que se vuelve más entretenido, y como se sabe, la curiosidad de los niños es muy grande, por lo que en el momento de realizar las pruebas en el instituto hacían falta más guantes para que todos los niños puedan practicar.

c) Reacciones de los niños Nos encontramos con niños muy agradables, muy cariñosos y de un genio espectacular, colaboradores y como era de esperarse muy curiosos. En el momento que vieron el guante, al ver el bus de datos que tiene conectado, ellos pensaron que iban a recibir una especie de descarga eléctrica, no hacía falta que nos dijeran eso para darnos cuenta, a lo que se respondió a la docente que les indicarán que no pasaría nada de eso. Se pudo observar el entusiasmo de todos los niños por practicar en el guante traductor, desesperados por colocárselo y experimentar un nuevo sistema de aprendizaje. Sentían una gran emoción al representar una seña y visualizar en el computador como la seña realizada se convertía en una letra.

Esta serie de reacciones y desesperación por colocarse el guante, va encaminado con las ganas de aprender y experimentar algo nuevo, algo que les va a servir de mucho para poder ganar destreza en el movimiento de la mano, ya no es necesario que el docente tome la mano del niño para enseñarle a colocarla de manera correcta para poder representar una seña. Ahora el guante se encarga de corregir al niño, esto es, ver una imagen de la seña y si está mal representada simplemente no será apreciada en el software hasta que lo haga como es debido.

5.2. Resultados Se presenta las tablas y gráficas de los resultados obtenidos del entrenamiento del guante de cada unos de los estudiantes con los que se realizaron las pruebas. 131

132

133

5.3. Costos del Proyecto En primer lugar se presentan los costos generales que intervinieron en todo el prototipo entre pruebas y los materiales que conforman el diseño final.

Insumo

Cantidad

Costo Unitario

Costo total

Sensores Flexibles de 4.5”

5

$ 22,00

$ 110,00

Sensores flexibles de 2.2”

8

$ 14,38

$ 115,00

Construcción PCB de prueba

1

$ 30,00

$ 30,00

Libros, revistas, consultas en internet (horas)

10

$ 5,00

$ 50,00

Construcción PCB con antisolder

1

$ 43,05

$ 43,05

Construcción caja en acrílico para PCB

1

$ 42,00

$ 42,00

Trimmer

10

$ 0,35

$ 3,50

Condensador cerámico 47nF

1

$ 1,50

$ 1,50

Condensador electrolítico 100uF

1

$ 0,50

$ 0,50

Condensador electrolítico 0.47uF

1

$ 0,35

$ 0,35

Cristal (oscilador) de 20MHz

1

$ 0,80

$ 0,80

Resistencias de 1 KΩ

4

$ 0,02

$ 0,08

Resistencias de 33KΩ

5

$ 0,02

$ 0,10

Resistencias de 3.6 KΩ

1

$ 0,02

$ 0,02

Diodos LED

3

$ 0,10

$ 0,30

CI LM324N (Amp op)

4

$ 0,45

$ 1,80

Pulsante

2

$ 0,12

$ 0,24

Socket de 10 pines macho

2

$ 0,80

$ 1,60

Socket de 10 pines hembra

3

$ 0,85

$ 2,55

Sócalo de 40 pines

2

$ 0,45

$ 0,90

Sócalo 14 pines

4

$ 0,30

$ 1,20

Conector hembra USB tipo B

2

$ 0,90

$ 1,80

Cable USB de tipo B a Tipo A

1

$ 1,50

$ 1,50

Estaño

10%

$ 4,20

$ 0,42

Pegamento

1

$ 2,00

$ 2,00

Guante de cuero fino (par)

1

$ 15,00

$ 15,00

Guante de tela (uno)

1

$ 9,00

$ 9,00

Acondicionamiento del guante de cuero fino

1

$ 5,00

$ 5,00

Bus de datos 16 hilos (metros)

3m

$ 1,80

$ 5,40

Gastos varios

-

$ 30,00

$ 30,00

$ 232,46

$ 475,61

Total

Tabla 5.8 Costos generales del proyecto incluyendo pruebas para su desarrollo final. 134

Se aprecia en la tabla 5.9 el costo total de un solo prototipo conteniendo la mano de obra calificada y su costo incluido el IVA.

Insumo

Cantidad

Costo Unitario Costo total

Sensores Flexibles de 4.5”

2

$ 22,00

$ 44,00

Sensores flexibles de 2.2”

6

$ 20,00

$ 120,00

Construcción PCB con antisolder

1

$ 43,05

$ 43,05

Construcción caja en acrílico para PCB

1

$ 42,00

$ 42,00

Trimmer

10

$ 0,35

$ 3,50

Condensador cerámico 47nF

1

$ 1,50

$ 1,50

Condensador electrolítico 0.47uF

1

$ 0,35

$ 0,35

Cristal (oscilador) de 20MHz

1

$ 0,80

$ 0,80

Resistencias de 1 KΩ

3

$ 0,02

$ 0,06

Diodos LED

2

$ 0,10

$ 0,10

CI LM324N (Amp op)

2

$ 0,45

$ 0,90

Pulsante

1

$ 0,12

$ 0,12

Socket de 10 pines macho

2

$ 0,80

$ 1,60

Socket de 10 pines hembra

2

$ 0,85

$ 1,70

Sócalo de 40 pines

2

$ 0,45

$ 0,90

Sócalo 14 pines

4

$ 0,30

$ 1,20

Conector hembra USB tipo B

1

$ 0,90

$ 0,90

Cable USB de tipo B a Tipo A

1

$ 1,50

$ 1,50

Estaño

10%

$ 4,20

$ 0,42

Pegamento

1

$ 2,00

$ 2,00

Guante de cuero fino (par)

1

$ 15,00

$ 15,00

Acondicionamiento del guante de cuero fino

1

$ 5,00

$ 5,00

Bus de datos de 16 hilos (metros)

3

$ 1,80

$ 5,40

Gastos varios

-

$ 30,00

$ 30,00

Mano de obra calificada (meses)

2 meses

($ 460*2)

$ 1840

CD

1

$ 0,35

$ 0,35

Total

$ 2.162,35

Total incluido el IVA 12%

$ 653,89

$ 2.421,83

Tabla 5.9 Costos de producción de un solo prototipo. Se puede apreciar que el costo es mayor al de la tabla 5.8, esto es debido a que en la tabla mencionada no se aplican los valores de mano de obra calificada. 135

Salario de la construcción del prototipo 

Salario mensual: $920 considerando que son dos personas; 920/2= $460



Se trabaja de lunes a viernes: 20 días al mes 8 horas diarias.



El costo por día se obtiene de la siguiente manera: 460/20= $23 para cada uno por día.

 Categoría

El costo total es: $23 diarios*40 días=$920para cada uno. Horas diarias

Tiempo

Costo por día

Costo total

laborables

(meses)

Socio 1

8

2

$23

$ 920

Socio 2

8

2

$23

$ 920

TOTAL

$ 1840

Tabla 5.10 Costo de la mano de obra calificada

Costo de materiales

$322,35

Costo de mano de obra

$ 1840

Costo total inc IVA

$ 2.421,83

Ganancia

$1840

Tabla5.11 Ingresos en la venta de un solo prototipo Dentro de los costos ya está incluido lo que es la investigación, programación e instalación del prototipo (ver Tabla 5.8). Producción en serie

Para hacer producción en serie de este prototipo, lo más conveniente es adquirir los elementos al por mayor, en el caso de producir prototipos a través de esta opción, los costos se reducen notablemente como se aprecia en la tabla 5.12. 136

Insumo

Cantidad

Costo Unitario

Costo total

Sensores Flexibles de 4.5”

2

$ 7,66

$ 15,32

Sensores flexibles de 2.2”

6

$ 10,50

$ 63,00

Construcción PCB con antisolder

1

$ 38,00

$ 38,00

Construcción caja en acrílico para PCB

1

$ 35,00

$ 35,00

Trimmer

10

$ 0,30

$ 3,00

Condensador cerámico 47nF

1

$ 1,25

$ 1,25

Condensador electrolítico 0.47uF

1

$ 0,25

$ 0,25

Cristal (oscilador) de 20MHz

1

$ 0,65

$ 0,65

Resistencias de 1 KΩ

3

$ 0,02

$ 0,05

Diodos LED

2

$ 0,10

$ 0,20

CI LM324N (Amp op)

2

$ 0,35

$ 0,70

Pulsante

1

$ 0,10

$ 0,10

Socket de 10 pines macho

2

$ 0,80

$ 1,60

Socket de 10 pines hembra

2

$ 0,65

$ 1,30

Sócalo de 40 pines

2

$ 0,40

$ 0,80

Sócalo 14 pines

4

$ 0,28

$ 1,12

Conector hembra USB tipo B

1

$ 0,75

$ 0,75

Cable USB de tipo B a Tipo A

1

$ 1,00

$ 1,00

Estaño

10%

$ 3,50

$ 0,35

Pegamento

1

$ 1,50

$ 1,50

Guante de cuero fino (par)

1

$ 12,50

$ 12,50

Acondicionamiento del guante de cuero fino

1

$ 3,00

$ 3,00

Bus de datos (metros)

1

$ 1,40

$ 1,40

Gastos varios

1

$ 15,00

$ 15,00

Mano de obra calificada

1 mes

($ 460*2)

$ 920,00

CD

1

$ 0,28

$ 0,28

Total

$ 1.118,12

Total incluido el IVA 12%

$ 595,24

$ 1.252,29

Tabla 5.12 Costos de producción de un prototipo comprando los elementos al por mayor para producción en serie.

137

Se puede verificar claramente que al realizar la compra al por mayor de los elementos que componen el prototipo, el valor total del mismo disminuye notablemente. Se mantiene el valor de la mano de obra calificada ya que desde un principio fue económica, para la producción en serie en lo que se refiere a software es cuestión de copiar toda la información en un nuevo CD para su distribución.

Categoría

Horas diarias

Tiempo

Costo por día

Costo total

laborables

(meses)

Socio 1

8

1

$30

$460

Socio 2

8

1

$30

$ 460

TOTAL

$ 920

Tabla 5.13 Costo de la mano de obra calificada (producción en serie).

Costo de materiales

$198,12

Costo de mano de obra

$920,0

Costo total

$ 1.252,29

Ganancia

$920

Tabla5.14 Ingresos en la venta de prototipos en producción en serie.

El desglose de los salarios es exactamente lo mismo que el caso anterior pero considerando que el prototipo es culminado en un mes solamente (20 días laborables) y también que mensualmente se harían 3 prototipos para la venta.

138

CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. Conclusiones

1. Lo que nos hace más humanos, más serviciales, y sentir mejor, es el poder aplicar los conocimientos adquiridos en la universidad al servicio de la comunidad, buscando que por medio de la tecnología se pueda eliminar estas diferencias debido a las capacidades diferentes de otras personas y hacernos uno solo, trabajando por un bien común consiguiendo que estos detalles de comunicación sean desapercibidos y todos nos podamos comunicar sin problemas.

2. El prototipo es muy fácil de usar, proporciona una gran ayuda para la enseñanzaaprendizaje en el instituto ecuatoriano de invidentes y sordos del Azuay (IEISA), el diseño es práctico fácil de conectar y manipular.

3. La información existente para realizar este proyecto de investigación, sirvió de mucho para poder realizar el propio, analizando los diferentes métodos y aplicaciones de los sensores existentes, los mismos que sirvieron para poder aportar en nuestra sociedad con un prototipo útil para el destinatario final.

4. Con este prototipo se lanza una gran idea para que poco a poco vaya creciendo y perfeccionarla de tal manera que se convierta en un diseño pequeño, portable y la gente con discapacidad de hablar, se pueda comunicar fácilmente con personas que desconocen del lenguaje sordomudo.

5. El diseño final de este prototipo, está realizado de tal forma que es fácil de conectar, evitando las confusiones en la instalación del guante y el cable USB, 139

precisamente por ser de tipos diferentes, por lo tanto, cada cable va solamente en su sitio, pues no puede ser conectado en otro lugar de la tarjeta sino en el que le corresponde.

6. Con la tarjeta que se diseñó en este prototipo se puede monitorear las señas de los ocho sensores que conforman el guante, la información obtenida se encuentra en un ambiente amigable al usuario a través de un computador.

7. En el software del prototipo se presenta una interfaz muy amistosa orientada a los niños donde pueden realizar cualquier seña para verificar que están colocando de manera correcta la posición de la mano y están representando de manera adecuada la seña correspondiente a dicha letra. Además de constar con las diferentes lecciones.

8. Prototipo orientado a facilitar la enseñanza-aprendizaje con fin de ayudar a las personas con deficiencia auditiva a acelerar el proceso de su aprendizaje.

9. Muy útil para los cuatro primeros años de educación básica.

10. Con este prototipo se facilita el entrenamiento de cada usuario guardando los datos

obtenidos

de

cada

seña

en

un

archivo

de

texto,

editable

independientemente, es decir, con la capacidad de corregir una letra y no volver a realizar todo el entrenamiento nuevamente (en caso de descalibraciones), guardando la corrección en el mismo archivo.

11. El prototipo final, resultado de una serie de pruebas (prueba y error) fue el esperado, un sistema fácil de manipular, de conectar y de bajo costo en comparación a las prestaciones que da, es la satisfacción de conseguir lo propuesto ya que se logró todo lo planteado en cuanto a las mejoras con respecto a pruebas anteriores.

140

12. La alegría que se pudo ver en los niños al deletrear una imagen observada en el computador era tal que nos invadía a nosotros los autores de esta tesis, al comprobar que el esfuerzo y sacrificio realizado por tantos meses es de mucha utilidad y que mejora la enseñanza-aprendizaje de los niños con discapacidad auditiva

6.2. Recomendaciones

1. Si se utiliza el guante por primera vez, acudir al manual del usuario indicado en los anexos de esta tesis o pedir ayuda a su docente.

2. Antes de usar el prototipo se debe primero abrir el software del prototipo, luego conectar el guante a la tarjeta y finalmente el cable USB entre la tarjeta y computador, con esto el reconocimiento de la tarjeta no va a lanzar ningún mensaje de desconexión y se podrá utilizar el sistema de inmediato.

3. En caso de presentarse algún mensaje de error en la ejecución del sistema, se recomienda cerrar tal mensaje y después desconectar y volver a conectar el cable USB.

4. Cuando se está realizando una práctica con el prototipo, no es recomendable desconectar el guante, ya que si se lo hace y nuevamente se lo vuelve a conectar, se le puede producir un daño al sistema, solamente realizar alguna desconexión si ya se va a dejar de utilizar el prototipo.

5. El guante está orientado solamente a niños de primero a cuarto de básica o a su vez a personas que les de la talla del guante.

6. Guardar los datos de cada estudiante que utilizará el prototipo es clave, esto se lo hace una sola vez, se recomienda esto para que cuando el usuario realice su

141

práctica en cada clase nueva, no tenga que hacerlo nuevamente, con esto no pierde tiempo de practicar y aprender.

7. Se recomienda utilizar con cuidado el guante traductor para que se conserve siempre en buen estado.

8. Se recomienda colocar el hardware del sistema junto al computador (sobre la mesa) y no colgarlo o mantenerlo suspendido en el aire, esto es para que los conectores no tiendan a aflojarse de la placa para posteriormente desconectarse de la pista de la placa y no funcionar.

142

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143

[10] ESIMEROBOTICA, Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensores, “Galgas Extensométricas”, http://esimerobotica.tripod.com/sensores.htm.(07/2012) [11]

SENSORES

Y

TRANSDUCTORES

–

ED.

MARCOMBO,

“LVDT”,

http://www.investigacion. frc.utn.edu.ar/sensores/LVDT/lvdt.pdf (11 agosto 2012)

[12] REBECA BRAY, ADDITIONS BY CLAIRE MITCHELL AND MELISSA HOLTZ

SPRING

2012,

“Flex

Sensor”,

http://itp.nyu.edu/physcomp/sensors/Reports/Flex (Último acceso 16 agosto 2012). [13] UNIVERSIDAD DE LAS AMERICAS PUEBLA, “Galgas Extensométricas: sus tipos

y

principios”,

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/tron_p_b/capitulo3.pdf.

[14] FICHAS DE ESTUDIO DE ANATOMÍA HUMANA PARA NIÑOS DE PRIMARIA. LOS HUESOS DE LA MANO, http://www.mundomumu.com/fichaspara-ninos/huesos-mano.html (Último acceso 21 agosto 2012).

[15]

ATLAS,

HUESOS

Y

ARTICULACIONES

http://www.jarcia.net/Quiromasaje/Atlas/HuesosyArticulaciones.htm

[16] FREDDY OSWALDO MAILA, Mayo 2008, ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL, TESIS DE GRADO, http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000 /1037/1/CD-1486(2008-05-26-02-53-08).pdf

[18]

SENSORS,

NEOPRENE

BEND

SENSOR,

image.

http://www.kobakant.at/DIY/?p=20 [19] FLEX SENSOR 4.5”, CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS, “hoja

de

datos”

http://www.dfrobot.com/image/data/SEN0087/

FLEXSENSOR%28REVA1%29.pdf (Último acceso 29 agosto 2012).

144

[20] SENSOR FLEXÓMETRO 2.2”, DETALLES DEL PRDUCTO Y USOS MÁS COMUNES, http://www.tuxbrain.com/oscommerce/products/2067(22 agosto 2012) [21] HOJA DE DATOS DEL CIRCUITO INTEGRADO LM324N, imagen, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/9/0oa8seftq8d6peigox0lrx6e9wwy.pdf

[22]

HOJA

DE

DATOS

DEL

PIC

18F4550,

imagen,

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39632c.pdf (13 mayo 2012)

[23] COMUNICACIÓN CON MICROCONTROLADOR A TRAVES DEL PUERTO USB, imagen, http://electronicayautomatizacionaplicadas.blogspot.com/2010/05/ comunicación -con-microcontrolador.html. (Último acceso 6 septiembre 2012).

[24] Diego Barragán, MANUAL DE INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO EN MATLAB, Universidad Técnica Particular de Loja, Escuela de electrónica y telecomunicaciones. (Último acceso 9 septiembre 2012).

[25] Diego Barragán, MANUAL DE INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO EN MATLAB, PARTE 1. (Último acceso 5 octubre 2012).

[26] A/C Andrés Aguirre, A/C Pablo Fernandez y A/C Carlos Grossy, Tutores: MSc Ing. Gonzalo Tejera y MSc Ing. Alexander Sklar, Proyecto de Grado Interfaz USB genérica para comunicación con dispositivos electrónicos, Uruguay 14 de diciembre de 2007. [27] PIC MANIA, “EL USB DESENCADENADO: BULK USB, transferencia bidireccional

masiva

de

información”

http://picmania.garcia-

cuervo.net/usb_1_bulktransfers. (Último acceso 14 octubre 2012). [28] GARCIA, Eduardo. Compilador C CCS y simulador PROTEUS para microcontroladores PIC. Barcelona, España. Alfaomega Grupo Editor. 2008. 276 p. [29]

LENGUAJE

PARA

SORDO

MUDOS

http://lenguajeparasordomudos.

blogspot.com/2009/11/lenguaje-para-sordomudos.html. Noviembre 2009. 145

ANEXO A DATASHEETS DE LOS SENSORES FLEXIBLES A1 DATASHEET DEL SENSOR FLEXIBLE DE 4.5”.

Figura A.1 Hoja de datos del sensor flexible de 4.5”

146

.

A1 DATASHEET DEL SENSOR FLEXIBLE DE 2.2”.

Figura A.2 Hoja de datos del sensor flexible de 2.2”

147

.

ANEXO B EXPLICACIÓN DEL PROTOTIPO A DOCENTES DEL INSTITUTO “IEISA”, TOMA DE MUESTRAS A LOS NIÑOS Y PRUEBAS CON EL GUANTE TRADUCTOR

B1 EXPLICACIÓN DEL PROTOTIPO A DOCENTES DE LA INSTITUCIÓN BENEFICIADA

Figura B.1 Explicación del prototipo.

148

Figura B.2 Aportes de los docentes del instituto para la mejora del prototipo.

Figura B.3 Fotografía con los docentes luego de la sustentación.

149

B2 TOMA DE MUESTRAS A LOS NIÑOS DE LA INSTITUCIÓN

Figura B.4 Toma de muestras de la mano de los niños de primero de básica.

Figura B.5 Toma de muestras de la mano de los niños de segundo de básica.

150

Figura B.6 Toma de muestras de la mano de los niños de tercero de básica.

151

B3 GUANTE DE PRUEBAS

Figura B.7 Primeras pruebas con el guante de cuero.

152

ANEXO C CONSTRUCCIÓN DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN SOFTWARE ISIS (ARES) Y DISEÑO FINAL

C.1 SIMULACIÓN DE LA TARJETA EN EL PROGRAMA ARES

Figura C.1 Vista frontal de la tarjeta de adquisición de datos

Figura C.2 Vista de un lado de la tarjeta de adquisición de datos. 153

C.2 COMPARACIÓN Y DISEÑO FINAL

Figura C.3 tarjeta de adquisición de datos y elementos a soldar en la placa.

Figura C.4 Comparación de tamaños entre la tarjeta de pruebas y el diseño final. (a) Tarjeta de pruebas, (b) Diseño final.

154

ANEXO D DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA CAJA DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS D.1 DISEÑO DE LA TARJETA DE ADQUISCIÓN DE DATOS EN PROGRAMA INVENTOR

Figura D.1 (a) Cara lateral, (b) Cara delantera, (c) Cara inferior.

155

Figura D.2 (a) Cara posterior, (b) Cara superior.

Figura D.3 Caja armada.

La caja fue fijada con pegamento instantáneo en cada uno de sus pivotes. Una vez culminado el diseño su confección fue realizada por profesionales en acrílico, cortada con el sistema láser.

156

Figura D.4 Acotaciones. (a) Caras laterales, (b) Cara inferior.

157

Figura D.5 Acotaciones. (a) Cara frontal, (b) Cara posterior, (c) Cara superior.

158

ANEXO E ESPECIFICACIONES TÉCNICAS La figura E.1 muestra el kit completo que conforma el prototipo traductor.

d

a

e

c b

g f

h

Figura E.1 Hardware del prototipo E.1.1 COMPONENTES DEL PROTOTIPO Y CONEXIONES a) Guante de cuero. b) Socket 10 pines macho, conexión guante con tarjeta. c) Diodo indicador de alimentación de la tarjeta. d) Diodo indicador de reconocimiento de la tarjeta. e) Socket 10 pines macho, conexión tarjeta con guante. f) Conector USB tipo B, conexión tarjeta con computador. g) Caja de acrílico. h) Conector USB tipo A. 159

Todos los dispositivos deben ser conectados antes de utilizar el prototipo de la siguiente manera: Software: Se ejecuta el software. Guante: Conectar un extremo del bus de datos en el guante y el otro en la tarjeta de adquisición de datos Cable USB: Conectar un extremo en la tarjeta de adquisición de datos y el otro en la entrada USB del computador. Con estas conexiones el prototipo está listo para usarse solo es cuestión de colocarse el guante.

Figura E.2 Prototipo terminado.

160

ANEXO F MANUAL DE USUARIO Y MANTENIMIENTO 1) Una vez instalado el programa MATLAB ® 2010 en el computador que no es nada complicado y para muestra se puede acudir a cualquier video tutorial en

internet

de

instalación

de

Matlab,

(http://www.youtube.com/watch?v=N1bR5Ez1gBk),

por se

ejemplo

procede

a

seleccionar el archivo con extensión (.m) que corresponde al software del prototipo.

Una vez abierto el programa de Matlab se da clic aquí para luego seleccionar el archivo (.m)

Figura F.1 Selección del software del prototipo

2) Una vez que se haya seleccionado el archivo que corresponde al software del guante traductor se procede ejecutar el programa, como se muestra en la figura F.2

Clic en este icono para ejecutar el programa del guante traductor

161

Figura F.2 Inicio del software del guante traductor

3) Ejecución del Prototipo.

Ya realizado lo anterior, se procede a la colocación del guante en la mano derecha, donde el usuario debe en primer lugar realizar un entrenamiento previo de todo el lenguaje de señas, esto se lo hace una sola vez puesto que los datos del usuario pueden ser guardados en un archivo de texto (.txt).

Clic en configurar luego en Parámetros del Guante para realizar el entrenamiento.

Figura F.3 Pantalla inicial del software.

162

5) Pasa a la siguiente seña.

1) Se realiza la seña, Se ad quiere los datos de los sensores flexibles provenientes del guante

2) Guarda los datos adquiridos.

3) Comprobación de la seña guardada (realiza la seña de la imagen).

4) Visualización de la letra correspondiente a la seña guardada anteriormente.

Figura F.4 Entrenamiento de todo el lenguaje de señas.

En el caso de la figura anterior (Fig. F.4), en el cuadro blanco se puede comprobar cada una de las señas guardadas.

4) La tolerancia aumenta o disminuye el rango en el que se puede obtener una letra, a mayor tolerancia (hacia arriba), la letra representada se obtiene con mayor facilidad, a menor tolerancia (hacia abajo) la letra representada se obtiene con menor facilidad.

Variación de la tolerancia de cada seña.

Figura F.5 Uso de la tolerancia. 163

Lo más conveniente es que los niños logren realizar las señas con un valor de tolerancia menor, en el mejor de los casos de ± 100, lo que les exige realizar las señas con mayor precisión. En cuanto a los datos que se aprecian en la figura anterior de cada dedo, son los valores que se obtienen de los sensores del guante, no debe prestársele interés a estos valores. Pero si en caso uno de estos no variara, quiere decir que se ha desconectado por lo que necesitaría ayuda de una persona con conocimientos básicos de electrónica, para que pueda soldar nuevamente el sensor.

En la figura F.6 se puede apreciar el icono que indica si la tarjeta está conectada o desconecta, además se muestran las flechas para cambiar a la siguiente letra o seña para posteriormente adquirir los datos de dicha seña. Icono Rojo: Tarjeta desconectada Icono Verde: Tarjeta conectada

Cambio de seña con su respectiva letra para entrenamiento.

Figura F.6 Indicador de conexión o desconexión de la tarjeta y flechas para cambio de letras.

5) Una vez realizado el previo entrenamiento de cada una de las señas, se procede a guardar los datos del usuario en una carpeta para posteriormente ser utilizados.

164

Al dar clic en “Guardar Datos Usuario” Se abre el cuadro de abajo donde se guarda los datos del usuario (cualquier nombre) en extensión (.txt)

Figura F.7 Guardar los datos con el nombre del usuario.

De la misma forma se pueden cargar los datos del usuario, anteriormente guardados.

Carga los datos del usuario

Figura F.8 Cargar datos de un usuario.

6) Pantalla de prácticas. Es la pantalla donde se puede hacer cualquier seña en donde se verá reflejada la letra que representa tal seña, el fin de esta pantalla es de entrenamiento previo a las lecciones. 165

Se dirige a la pantalla de prácticas que es la misma que se aprecia en esta figura.

Figura F.9 Pantalla de prácticas.

7) Pantalla de lecciones.

Existen tres tipos de lecciones, las mismas que consisten en deletrear el color, animal o fruta que se observe según la lección escogida.

Selección de la lección a practicar

Figura F.10 Lecciones Dactilológicas.

166

Visualización del deletreo

Color a deletrear

Indica si el deletreo es el correcto o no, si es correcto se aprecia una mano con el dedo pulgar hacia arriba, si es incorrecto hacia abajo

Cambio de color

Inicia la lección

Figura F.11 Pantalla de lección de colores.

Figura F.12 Pantalla de lección de animales. 167

Figura F.13 Pantalla de lección de frutas.

8) Reproducción de audio. Reproduce el audio de cualquier letra o palabra realizada en la pantalla de prácticas una vez separada por un espacio (mano abierta), (figura F.9). Se accede a esta configuración como lo indica la figura F.14.

Figura F.14 Configuración de voz de hombre o mujer, audio del deletreo.

En la pestaña de ayuda del programa se aprecia la información acerca de los autores del prototipo y demás información.

168

Figura F.15 Acerca del traductor de señas. Mensaje del programa.

Cuando la tarjeta no está correctamente conectada hacia el computador, se aprecia el siguiente mensaje.

Figura F.16 Mensaje que se presenta cuando la tarjeta no está conectada al computador.

Se puede conectar inmediatamente la tarjeta y dar clic en buscar de nuevo o en tal caso en cancelar, cerrar el software, conectar la tarjeta, volver a abrir el software y correr nuevamente el software (figura F.2).

169

Mantenimiento del Prototipo

a) No mojar el guate traductor, ya que este es de cuero y en su interior tiene elementos electrónicos sensibles. b) Si el prototipo presentara algún problema, por favor acudir a una persona con conocimientos de electrónica para que realice un diagnóstico de este. c) Limpiar cuidadosamente la caja de acrílico donde se encuentra la tarjeta de adquisición así como también el guate traductor con una franela seca, cada vez que el usuario lo considere necesario. d) Una vez que ya no se utilice el prototipo, desconectar y enrollar cuidadosamente los cables que lo conforman. e) Si se presenta algún corte o deterioro de los cables, se puede realizar el respectivo cambio de los mismos.

170

ANEXO G CERTIFICADO DEL INSTITUTO “IEISA”

171

172

CERTIFICADO DE DONACIÓN AL INSTITUTO “IEISA”

173

174