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Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014
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SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE LOS MOVIMIENTOS DE LA MANO A TRAVÉS DE UN
GUANTE DE DATOS
Acquisition System Hand Movements through a Data Glove
RESUMEN
Este artículo presenta el diseño e implementación de un guante de datos para la
captura de los movimientos de una mano humana, el cual obtiene la información
por medio de acelerómetros de los movimientos de flexión y extensión de los
dedos, los sensores han sido ubicados en localizaciones específicas para medir
las posiciones de cada uno de los dedos. Se presenta el desarrollo de la
electrónica y sistema de visualización.
Palabras clave: mano, guante de datos, acelerómetros.
ABSTRACT
This paper presents the design and implementation of a data glove to capture the
movements of a human hand, which obtains the information through
accelerometers flexion and finger extension, the sensors are located in specific
locations for measuring the positions of each of the fingers. The development of
electronics and display system is presented.
Keywords: hand, data glove, accelerometers.
1. INTRODUCCIÓN
Con el paso de los días la ciencia evoluciona a pasos
agigantados, pues la demanda tecnológica así lo exige.
Para muchos no es difícil notar cómo son más los
desarrollos a nivel computacional, cada vez hay
ordenadores más pequeños, puertos de alta velocidad,
conexiones de Internet de gran complejidad y demás
sistemas que pueden en algunos casos dejar sorprendido
inclusive al más estudioso en la materia.
Es interesante observar, además de todos estos avances,
cómo la ciencia humana intenta conectarse mejor con los
ordenadores, hoy existen diseños capaces de crear un
pequeño “avatar” a imagen del usuario a través de
divertidas interfaces gráficas y, además, este puede
interactuar con él, por ejemplo moverse en un mundo
virtual para hacer amigos [1][2]; sin embargo, es
interesante establecer un vínculo aún más estrecho con
estos sistemas, de allí parte la necesidad de la realidad
virtual.
Actualmente, la medicina es la rama que mayor demanda
presenta hacia este tipo de sistemas, pues la mayoría de
procedimientos quirúrgicos requiere de gran precisión.
La mano humana, en este caso, a pesar de su complejidad
puede en algunos casos no desempeñar de forma
adecuada la tarea que se realiza y, por tanto, puede poner
en riesgo la vida de un paciente, esto como consecuencia
Fecha de recepción: 23 de septiembre de 2014
Fecha de aceptación: 1 de octubre de 2014
ÓSCAR F. AVILÉS.
Ingeniero Electrónico, Ph. D.
Universidad Central
[email protected]
LEIDY J. ACUÑA
Ingeniero Electrónico.
Universidad Central
[email protected]
SEBASTIÁN D. ZAPATA
Ingeniero Electrónico.
Universidad Central
[email protected]
JUAN M. CHAPARRO
Ingeniero Electrónico, M.Sc.
Universidad Central
[email protected]
de una mala manipulación de un instrumento quirúrgico o
simplemente por falta de entrenamiento.
Los guantes de datos nacen como estrategia para facilitar
las tareas de entrenamiento, estos se han venido
desarrollando para diferentes aplicaciones en los campos
de entretenimiento e interacción en entornos virtuales,
son uno de los medios de comando en la teleoperación
háptica [3]. De igual forma, se encuentran aplicaciones
para el manejo de robots, como los guantes de datos para
manipuladores o manos robóticas [4][5][6]. Uno de los
desarrollos más parecidos al realizado en este proyecto se
presenta en [7] donde se lleva a cabo la implementación e
integración de un guante háptico con una silla de ruedas.
Hoy, a nivel comercial, se encuentran diversos tipos de
dispositivos
hápticos
destinados
a
diferentes
aplicaciones; sean dispositivos muy básicos, como el
PHANToM y el Force dimension [5] o muy completos,
como el CyberGlove, que permite ser usado con
realimentación vibrotáctil y con realimentación de fuerza
[8].
El desarrollo de dispositivos hápticos, tales como los
guantes, hace parte de las investigaciones que se están
realizando con el fin de poder controlar manipuladores, o
cualquier otro dispositivo, sintiendo los movimientos, la
fuerza, etc., para poder tener un control más óptimo sobre
el sistema [5][6][7]. Por ello, en este trabajo se presenta
el desarrollo de un guante háptico capaz de sensibilizar
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determinados movimientos de la mano, con el fin de
poder controlar el efector final de un manipulador
robótico tipo brazo y, de igual forma, tener una
realimentación háptica vibrotáctil dependiendo de la
fuerza que el efector realice sobre una superficie por
medio de los dedos que lo componen.
2
capacidad de unión de las puntas del pulgar y el dedo
meñique. La aducción/abducción son la capacidad de
aproximación y separación del pulgar de la palma,
cuando ambos se encuentran en un mismo plano. La gran
cantidad de músculos y articulaciones presentes en la
mano permiten una gran variedad de configuraciones de
prensión.
2. BIOMECÁNICA DE LA MANO
Tabla 1: Articulaciones y límites de la mano humana.
La mano humana abarca desde la muñeca hasta la yema
de los dedos en los seres humanos. Son el principal
órgano para la manipulación de objetos. La punta de los
dedos contiene algunas de las zonas con más
terminaciones nerviosas del cuerpo humano y son la
principal fuente de información táctil y de fuerza sobre el
entorno.
La mano humana se conecta al pulso a través de la palma,
y está dotada de veinte grados de libertad, actuados por
cerca de cuarenta músculos, [9,10]. La estructura ósea de
la mano y los movimientos que pueden ser realizados se
presentan en la figura 1, la tabla 1 presenta los límites de
estos movimientos en cada una de las articulaciones.
Parte
Juntura
GL
Dedos
“
“
Pulgar
“
“
DIP
PIP
MCP
IP
MCP
CMC
1
1
2
1
2
2
Ángulo
Flexión Extensión
60
100
90
85
50
120
Ángulo
Abducción
Aducción
--------60
----30
45
3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
El diseño se compone de cuatro componentes principales:
los sensores, la fuente de alimentación, la unidad de
procesamiento y la unidad de transmisión de la señal.
3.1 Sensores
Para la construcción del guante de datos es necesario el
uso de cuatro de estos sensores ubicados en cada falange
distal del dedo de la mano a analizar (pulgar, índice y
medio) y un último sensor ubicado en el revés de la mano
(metacarpo) que servirá como referencia de los
movimiento de los dedos y, además, podrá realizar
algunas tareas de rotación y movimiento de la muñeca si
así fuese requerido.
(a)
(b)
(c)
Figura 1. La mano humana: (a) Sistema músculo esquelético;
(b) Planos de movimiento, (c) descripción de movimientos.
Como se puede observar en la figura 1, el dedo pulgar
está fijado debajo de los otros dedos, pudiendo realizar
los movimientos de cierre y rotación, debido a la gran
movilidad del hueso metacarpo [10]. Esto permite variar
la orientación del plano donde es realizado el movimiento
de flexión y extensión, propiedad a través de la cual es
posible oponer este dedo a los otros.
El término abducción se entiende como el movimiento de
salida del dedo del eje del brazo. El movimiento de
extensión/abducción es la capacidad de extensión del
pulgar para la parte exterior y flexión hacia el interior de
la palma. El término oposición es definido como la
Para la medición de los puntos de interés del guante de
datos se utiliza el acelerómetro MMA7361L fabricado
por Freescale Semicondutor, Figura 2. Este acelerómetro
está basado en tecnología MEMS y funciona con una
congelación capacitiva en donde un arreglo de placas se
ve afectado por la acción de la fuerza de gravedad que
influye sobre ellas generando una variación del campo
eléctrico entre las mismas y, por consiguiente, un valor
eléctrico que puede ser medido como la magnitud de la
aceleración sobre ese eje.
Figura 2. Esquema gráfico de la conexión de pines en la tarjeta
MMA7361L.
3.2 Fuente de alimentación
La fuente de alimentación del módulo de captura se
diseñó buscando el mejor rendimiento en cuanto a gasto,
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disipación de calor y salida de voltaje y corriente. Para
ello se plantea un diseño con una fuente conmutada con
el fin de eliminar el tema de la temperatura en el
integrado que la controla. El circuito integrado usado
para la fuente principal es el LM2576 - 5.0
3
puede apreciar la lógica del funcionamiento del módulo
de multiplexación.
Algoritmo 1. Funcionamiento del módulo de multiplexación
Figura 3. Diseño de la fuente de alimentación para el módulo de
captura
3.3 Unidad de procesamiento
Una vez es conectado el guante de datos al dispositivo de
captura, es necesario realizar una selección de las señales
obtenidas de los acelerómetros y luego acondicionar
dicha señal con el fin de enviar estos datos al módulo de
procesamiento.
Del guante de datos se obtienen doce señales analógicas
en total, tres por cada acelerómetro, para procesar estas
se decide entonces multiplexar la señal de forma que se
obtengan solo valores en X, Y, Z de un acelerómetro a la
vez. Con esto se reduce el número de pines del ADC de
doce a solo tres. La multiplexación debe ir cambiando
cada vez que se obtenga el muestreo de los valores X, Y,
Z actuales con el fin de mantener el flujo de datos y el
continuo muestreo de las señales de los cuatro
acelerómetros.
Para realizar esta tarea se utiliza el circuito CD4066 que
consigue en un arreglo bilateral de cuatro interruptores
activados por señales de control independientes.
La señal xVal, yVal, zVal se convertirá en xAcc, yAcc,
zAcc una vez atraviese el sistema de seguidores y de esta
forma está lista para ser procesada posteriormente.
Procesamiento de la señal
La señal obtenida se procesará usando un
microcontrolador de gama media-baja. Este se encarga de
realizar la tarea de conversión ADC, controlar las líneas
de control CNn de los multiplexores, organizar los datos
en tramas de comunicación y controlar la visualización.
Unidad de transmisión de la señal
La transmisión USB es definitiva para una conexión
alámbrica con pocas pérdidas y muy confiables para
enviar datos desde el módulo de captura hacia el
computador directamente. Para conectar el dispositivo se
usa un conector USB Hembra tipo A.
Figura 4. Circuito multiplexor de señales para el guante de
datos
Cuando se establece el circuito cerrado para el
acelerómetro n, entonces las señales Xn, Yn, Zn son
convertidas a la señal xVal, yVal, zVal que llevan consigo
la información de ese sensor. Este proceso se repite de
manera continua mientras el circuito esté energizado y
recibiendo la señal de control CNn. El algoritmo 1 se
Figura 5. Circuito de procesamiento de la señal para el módulo
de captura.
El microcontrolador utilizado es el DSPIC30F4011 que
no cuenta con un periférico interno de comunicación
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USB y por esta razón se utiliza un transceiver del tipo
FT232R que tiene la característica de convertir una
comunicación serial asincrónica proveniente de la UART
en protocolo USB compatible con cualquier PC usando la
clase CDC, figura 6.
4
La función principal de esta etapa es obtener los datos vía
USB CDC y con ellos realizar el procesamiento de la
información para ejecutar los movimientos en una mano
virtual. Para ello, es necesario el uso de ecuaciones
obtenidas a partir de la cinemática inversa, una técnica
que consiste en obtener valores para los ángulos de un
sistema con determinados GDL a partir de una posición
deseada y conociendo la longitud de sus eslabones. El
algoritmo 2 muestra la lógica de empleada en esta tarea.
Algoritmo 2. Algoritmo de funcionamiento de la interfaz
gráfica.
Figura 6. Circuito de procesamiento de la señal para el módulo
de captura
Transmisión
Se implementa la transmisión RF con el fin de brindar
mayor libertad de movimientos. El dispositivo encargado
de la transmisión de datos por medio inalámbrico RF es
el TLP434, un dispositivo electrónico que recibe señales
por medio de un módulo UART y las transforma en datos
de radio frecuencia por medio de modulación ASK a una
frecuencia de 433.92MHz. Para ello se hace necesaria
una antena capaz de polarizar y trasmitir los datos, para
ello se usa una antena de codo capaz de irradiar en esta
frecuencia. Es elegida la antena ANT-433CW-HWRSMA, la cual tiene una frecuencia central de 433MHz y
un rango de trabajo de 418MHz a 448MHz. La conexión
entre el circuito y la antena se realiza mediante un
conector SMA fácilmente adquirible y estándar para
conexión de este tipo de medios inalámbricos.
Figura 7. a) Antena RF ANT-433-CW-HWR-XX, b) Circuito
de transmisión RF del módulo de captura.
4. SOFTWARE INTERFAZ GRÁFICA
El cerebro de la aplicación de computador está basado en
el software MATLAB y es el encargado de conectar los
componentes de la interfaz gráfica (botones, selectores,
etc) con la lógica que se debe ejecutar cuando se
manipulen estos y además interactuar con los periféricos
del PC para obtener los datos transmitidos desde el
módulo de captura (en este caso el puerto serial emulado
por la clase USB CDC).
Sin embargo, ya que el acelerómetro no es capaz de
entregar la posición respecto al desplazamiento, sino
respecto a su propio eje, obtener las coordenadas para la
pocisiones de los mismos se convierte en una tarea
compleja ya que se hace necesario plantear un sistema de
coordenadas para el guante y uno equivalente en el
mundo virtual.
Viendo este problema, entonces se decide implementar
un sistema que combina parte de la cinemática inversa y
los ángulos de incidencia de la gravedad sobre los
acelerómetros. El ángulo de inclinación del acelerómetro
permite determina el valor del ángulo de la articulación
DIP y a partir de esta, entonces es posible determinar el
valor de la cinemática inversa para las articulación MCP
y PIP.
La ecuación (1) determina el ángulo de inclinación del
acelerómetro sobre un eje con base a la influencia de la
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gravedad y características propias de la construcción del
acelerómetro[24][8].

[
]
(1)
Donde
= ángulo de inclinación en el eje consultado,
= valor del voltaje entregado por el acelerómetro en
el eje consultado,
= valor de salida del eje consultado
cuando el acelerómetro se somete a una aceleración de
0g, G = gravedad a la cual es sometido el acelerómetro,
para todos los casos 9.8m/s = 1G, S = sensibilidad del
acelerómetro de acuerdo a la aceleración a la que es
sometido.
Una vez obtenido este ángulo de inclinación, se procede a
ajustar las ecuaciones de cinemática inversa a partir de
las ecuaciones (2) y (3) descritas a continuación:
(
)
[
(
)
]
[
(
)
]
(2)
(3)

5
cargará el mundo virtual y se podrá interactuar con él
usando el mouse.
Comunicación: aquí se encuentran los componentes
necesarios para iniciar la comunicación entre el
software del PC y los módulos de captura. En el
puerto de comunicación se debe seleccionar el puerto
COM que asigna Windows al módulo de captura para
comunicarse, el método de comunicación determina
cuál módulo se usará el alámbrico (módulo de
captura) o el inalámbrico (módulo inalámbrico RF).
Panel de datos recibidos: aquí se muestran los datos
recibidos desde el guante de datos, cada acelerómetro
tiene su espacio de salida y en él se observan los
voltajes arrojados y los ángulos de inclinación
calculados.
Para visualizar el diseño de VRML97 se hace uso del
visor interno de MATLAB y por esta razón el archivo
ejecutable de la interfaz gráfica requiere que se instale el
compilador de MATLAB mientras se usa el sistema. No
es necesario buscar el compilador en Internet o instalar
todo el software MATLAB, el archivo ejecutable lo
instala y usa automáticamente.
Donde:
= valor de la posición en X y Y para la
falange n,
= longitud de la falange n. Ajuste = valor
obtenido para ajustar el ángulo recibido desde el guante
de datos a la interfaz de captura en el PC,
=
longitud de la falange anterior a la actualmente calculada,
por ejemplo, si es la falange proximal se debe usar en
este valor la medida de la palma de la mano.
La ecuación (4) define el ajuste al algoritmo necesario en
la solución de las ecuaciones (2) y (3):
(
)
(4)
Esta ecuación ajusta el ángulo obtenido en la ecuación
(1) para implementarlo en la cinemática inversa.
Todos los ángulos manejados en las ecuaciones aquí
descritas están dados en radianes. Para lograr realizar la
interacción entre el código diseñado en MATLAB y
VRML97 se usa la librería de funciones Virtual Reality
Toolbox.
Interfaz gráfica
La interfaz gráfica es desarrollada usando una GUI de
MATLAB, este toolboox permite crear rápidamente un
entrono gráfico con botones, selectores, entradas de texto
y muchos otros más y permite rápidamente asociarlo a
funciones y disparadores de eventos cuando se realice la
interacción con ellos.
La interfaz gráfica diseñada en este caso se compone de
los siguientes elementos:
 Panel de realidad virtual: en este panel se ubica el
diseño elaborado enVRML97, este contenedor
Figura 8. Implementación final.
5. CONCLUSIONES
Aunque los acelerómetros son sensores importantes para
determinar la ubicación de un objeto en el espacio, se
encontró durante todo el desarrollo del sistema que el
sensor usado en este diseño que corresponde al
MMA7631L no ofrece una posición en el espacio como
coordenadas, sino que, por el contrario, entrega una
posición sobre su propio eje con lo que es muy
complicado determinar el desplazamiento del mismo de
forma confiable, razón por la cual algunos movimientos
en los dedos de la mano fueron restringidos.
La latencia observada durante la transmisión de datos vía
USB es ocasionada por el tiempo que le toma al
microcontrolador realizar el muestreo de las señales de
voltaje de los acelerómetros y la posterior conversión de
las señales análogas a digitales. Aunque se establecen los
tiempos de trabajo aceptables no es prudente aumentar
los tiempos de conversión ya que se obtienen resultados
no esperados y esto se nota en algunos datos que llegan
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de manera errónea y ocasionan que los movimientos no
sean exactos.
El sistema de giro de la muñeca se implementa de forma
muy sencilla sin adentrar el sistema en muchos detalles
sobre el movimiento de la misma. Esta característica es
posible gracias al acelerómetro ubicado en el revés de la
mano (metacarpo) y su funcionamiento fue basado en la
obtención del ángulo de aceleración que incide
directamente sobre los ejes del acelerómetro.
Debido a la respuesta del software, en especial el diseño
de VRML, se forzó a la modificación de las ecuaciones
obtenidas desde la cinemática inversa buscando la
respuesta adecuada de los movimientos de la mano en el
mundo virtual.
El uso de la clase CDC para la comunicación USB
permitió que el guante se comunicara de forma más
estándar con ordenadores aprovechando su gran facilidad
de implementación y adaptabilidad con los sistemas. Esta
clase tiene limitantes importantes, por ejemplo, la
necesidad de establecer un puerto de comunicación y una
velocidad tal cual como lo hace un puerto serial, sin
embargo su comunicación se basa en el protocolo USB lo
que lo hace robusto ya que todos los equipos de cómputo
actuales cuentan con, al menos, un puerto. La libertad de
movimiento y la comodidad del usuario es una parte
fundamental dentro del diseño del sistema. Para ello, se
diseñaron métodos de agarre y ubicación lo más
confortables posible, por ejemplo, material de licra para
el guante de datos, un sistema de correíllas con velcro
para adherir el módulo de captura al antebrazo y el uso de
una antena RF con codo para permitir la mayor libertad
de movimiento posible durante el funcionamiento de todo
el dispositivo.
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