Prototipo de bajo coste para la determinación, seguimiento e integración en realidad virtual de los movimientos de un brazo

Abstract

Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo la demostración de la viabilidad de las IMUs como alternativa a los sistemas de seguimiento existentes en el mercado. Para lograrlo se producirá un prototipo capaz de hacer un seguimiento de los movimientos de un brazo. Se incluyen como requisitos fundamentales el bajo coste y tamaño, además de poder ser utilizado en cualquier entorno. Las IMUs (Unidades de Medición Inercial) se utilizan para tomar información acerca de la velocidad y fuerzas gravitacionales de un dispositivo o aparato, usando una combinación de acelerómetros y giróscopos. El proyecto se ha dividido en tres fases: investigación(apartados del 1 al 4), programación (apartados del 4 al 7) y montaje y pruebas (apartado del 7 al 9). Durante la primera fase se realizó un estudio del software y protocolos de comunicación. Respecto al software, se estudiaron los programas disponibles para la realización de los esquemas eléctricos, programación en realidad virtual y programación del hardware. Finalmente se eligió Fritzing, Unity y Arduino IDE, respectivamente, teniendo como principal requisito una amplia aceptación en la comunidad. Respecto a los protocolos de comunicación se estudiaron como alternativas a la comunicación por cable el protocolo I2C y el SPI. En cuanto a la comunicación inalámbrica se estudiaron las conexiones Wifi y Bluetooth. Se eligió finalmente la implementación de la comunicación I2C, ya que necesita un menor número de cables, y Wifi, debido a la drástica disminución de rendimiento al aumentar el rango. A continuación se realizó un estudio de mercado, se estudiaron los microcontroladores, placas de conexiones Wifi e IMUs. El estudio de las placas Wifi demostró que el uso de un microcontrolador no era necesario gracias a las características de una placa Wifi, el módulo ESP-01. Esto se debe a que el ESP-01 lleva a bordo un procesador en el que se puede instalar un firmware basado en C++. Finalmente en el estudio de las IMUs se eligió el módulo BNO055. Este módulo permite una fusión de los algoritmos para la obtención de los ángulos girados además de permitir la comunicación I2C. Esta comunicación permite conectar las dos IMUs con el ESP-01 con solo dos cables: SDA (señal de datos) y SCL (señal del reloj). Habiendo obtenido toda la información necesaria se procedió al diseño de los circuitos electrónicos. Entre estos destacan el circuito diseñado para realizar la programación del ESP-01 y el circuito final con las dos IMUs. En el primero se debe tener en cuenta que esta placa no posee un puerto USB de ningún tipo, por lo que se debe hacer uso de un componente extra para su programación. De entre todas las alternativas se decidió usar un Arduino UNO como pasarela y una fuente externa de alimentación. Es importante resaltar que el ESP-01 trabaja a 3,3V mientras el Arduino UNO trabaja a 5V. De ahí que se utilice una fuente de alimentación externa para alimentar el ESP-01 y se proteja el pin Rx en este esquema con un divisor de tensión. Una vez obtenido el anterior esquema se deben conectar las dos IMUs para la realización de pruebas. En este esquema se mantendrá el Arduino UNO para poder seguir leyendo por la terminal del Arduino IDE los valores obtenidos. Como se puede ver en la imagen 2, se utilizan los pines programables del ESP-01 para la implementación del bus I2C. Es importante observar la segunda IMU con atención, teniendo en cuenta las resistencias pullup conectadas al bus I2C para la eliminación del ruido. También es importante observar como el pin ADR de la segunda IMU está conectado a HIGH, se conectó de esta manera para cambiar su dirección a 0x29, teniendo solo dos disponibles. En el caso de querer conectar una tercera IMU sería necesario la conexión de un demultiplexor. Una vez programado el ESP-01 e implementada tanto la comunicación I2C con las IMUs y la comunicación Wifi con el ordenador se procedió a la programación en Unity. En Unity se ha realizado un modelo de un brazo simple, de tal manera que se pueda visualizar por pantalla los movimientos en tiempo real de dicho brazo. Además incluye una pequeña ventana para poder visualizar los ángulos de Euler de cada IMU. A continuación se realizaron unas pruebas para comprobar la fiabilidad del sistema obtenido. Se diseño por lo tanto un brazo articulado de madera para llevar a cabo estas pruebas. Como se puede observar en la imagen 3, se montó en prototipo ya soldado en los puntos medios de cada brazo. Una vez montado se preparó para la realización de las pruebas con el Optitrack. El Optitrack es un sistema de seguimiento de movimientos mediante serie de cámaras y marcadores. Estas cámaras emiten infrarrojos que rebotan en los marcadores y así determinan tanto la posición como la orientación. En total son 8 cámaras y se consigue una precisión submilimétrica. Como se puede ver en la imagen 2, estos marcadores con forma de bola gris se dispusieron sobre los brazos. Debe haber tres por cada cuerpo para determinar los ángulos girados, siendo solo necesarios dos para la posición. Esto se debe a que con dos no se podría determinar la rotación sobre sí misma, al ser una línea recta. Por este mismo motivo se han dispuesto los marcadores de forma que no formen una línea recta. Una vez realizado el montaje se realizó un estudio estático, donde se tomaron medidas de los giros según el eje perpendicular a las IMUs. Estos resultados se compararon con las medidas obtenidas con el Optitrack y se pueden observar en la ilustración 1. Se obtiene por lo tanto una media del error absoluto de 2,293º. La conclusión final de la prueba es satisfactoria, el resultado entra dentro de nuestras previsiones ya que el objetivo de nuestro prototipo es de ofrecer una fiabilidad aceptable, es decir, obtener un error medio por debajo de 5º, a un precio muy bajo en comparación con el resto de alternativas. Una vez realizadas estas pruebas se diseño un prototipo final para la utilización de un usuario. Se valoraron dos alternativas. La primera consistía en la encapsulación de los dos módulos en cajas producidas mediante la impresión 3D. El módulo que contenía al ESP-01 iría montado sobre el bíceps mediante unas tiras que se pudiesen ajustar. El módulo restante iría colocado sobre el antebrazo. La segunda consistía en el acoplamiento de los dos módulos a una camiseta ajustada. Esta camiseta estaría preparada para poder mantener los módulos en sus respectivos lugares. Después de compararlos se decidió optar por el segundo modelo ya que originaba un menor coste y era más cómodo de utilizar para un usuario. El resultado es satisfactorio en todas las rotaciones menos en la rotación según el eje longitudinal del brazo. La IMU sigue este movimiento de torsión hasta un punto en el que la camiseta desliza con respecto al movimiento del brazo. Este trabajo marca el camino a seguir para la realización de un traje que pueda realizar el seguimiento del cuerpo completo. Se propone como desarrollo futuro la implementación de 4 módulos más de este tipo: dos para los brazos, dos para las piernas y una para el pecho y cabeza. En este esquema los módulos de la cabeza y pecho irían conectados por cable. La idea es programar todos los módulos ESP-01 menos uno de manera que se conecten a una red Wifi ya existente. El restante sería el encargado de producir esta red Wifi y estaría colocado en el pecho. Este módulo además sería el encargado de recopilar los datos de todos los módulos y enviar estos mismos al ordenador. La existencia de un traje de estas características en la universidad supondría un enorme apoyo. Sobre todo en la realización de todos los TFGs y TFMs que están siendo realizados en el campo del Internet de las Cosas (IoT) y la realidad virtual.