UNIVERSIDAD ESTATAL PENÍNSULA DE
SANTA ELENA
FACULTAD DE SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONES
CARRERA DE ELECTRÓNICA Y AUTOMATIZACIÓN
ASIGNATURA:
ELECTRONICA II
TEMA:
DISEÑO DE UN SISTEMA DE SENSORES DE IMPACTO
ACOPLADOS A UN PROTECTOR PECTORAL DE COMBATE
MARCIAL PARA CONTEO DE PUNTOS
INTEGRANTES:
MELANI FIORELLA LAINEZ FIGUEROA
JAMES ANDERSON LOOR CARRILLO
JHON JACKSON LÓPEZ PERERO
ALEX JOEL MENDOZA LOOR
CHRISTOPHER DANIEL RICARDO RODRÍGUEZ
DOCENTE:
ING. BREMNEN VÉLIZ, PHD.
CURSO:
AUTO 5/1
2023-2
La libertad – Ecuador
Contenido
Introducción .................................................................................................................................. 3
Objetivo General: .......................................................................................................................... 4
Objetivos Específicos: ................................................................................................................ 4
Marco teórico ................................................................................................................................ 5
Los sensores piezoeléctricos ..................................................................................................... 5
Acelerómetros ........................................................................................................................... 5
Marco conceptual.......................................................................................................................... 6
Fabricantes de protectores de combate comerciales ............................................................... 6
Diseño............................................................................................................................................ 8
ESQUEMATICO DEL CIRCUITO ..................................................................................................... 12
PCB .......................................................................................................................................... 13
Conclusiones ............................................................................................................................... 13
Referencias .................................................................................................................................. 13
Introducción
La evolución tecnológica ha dejado una impronta significativa en diversos ámbitos de la
sociedad, y el deporte no es la excepción. En particular, en disciplinas marciales, la
necesidad de contar con herramientas de evaluación precisas y objetivas ha llevado a
explorar la integración de sistemas electrónicos avanzados. La presente investigación se
sumerge en el diseño de un sistema que involucra la combinación de electrónica,
automatización y deporte, centrándose en la creación de un sistema de sensores de
impacto acoplados a un protector pectoral de combate marcial para la realización de un
conteo de puntos en tiempo real.
En el contexto de las artes marciales, la evaluación de los combates ha dependido
tradicionalmente de la observación humana, lo que puede llevar a discrepancias y
subjetividad en la puntuación. El presente proyecto se presenta como una respuesta a
esta problemática, proponiendo la implementación de sensores de impacto hábilmente
integrados en un protector pectoral. Esta innovación no solo busca brindar una
evaluación más precisa, sino también introducir la capacidad de análisis de datos en
tiempo real, ofreciendo información detallada sobre la ejecución de los competidores.
El protector pectoral, además de cumplir con su función de resguardo físico, se
transforma en una plataforma inteligente capaz de registrar y procesar información
sobre los impactos recibidos durante el combate. Esto no solo mejora la justicia en la
puntuación, sino que también proporciona a los competidores, entrenadores y árbitros
un recurso valioso para analizar el rendimiento y detectar áreas de mejora.
Objetivo General:
El objetivo principal de esta investigación es realizar un estudio exhaustivo sobre el
diseño de un sistema de sensores de impacto acoplados a un protector pectoral de
combate marcial para el conteo de puntos. A través de la revisión y análisis detallado de
la literatura existente, así como la consulta de expertos en el campo, se pretende obtener
un conocimiento profundo sobre las tecnologías disponibles, los desafíos técnicos y las
posibles aplicaciones en el ámbito deportivo.
Objetivos Específicos:
1. Revisar la literatura existente:
• Investigar y analizar trabajos previos relacionados con sistemas de
sensores de impacto en deportes de combate.
• Identificar tecnologías, enfoques y metodologías utilizadas en
investigaciones similares.
2. Evaluar tecnologías disponibles:
• Explorar y comparar diversas tecnologías de sensores de impacto
disponibles en el mercado.
• Evaluar la idoneidad de estas tecnologías para su integración en un
protector pectoral de combate marcial.
3. Analizar desafíos técnicos y consideraciones de diseño:
• Identificar posibles desafíos técnicos asociados con la integración de
sensores de impacto en un protector pectoral.
• Analizar consideraciones de diseño relacionadas con la ergonomía,
seguridad y movilidad del competidor.
4. Investigar sistemas de comunicación inalámbrica:
• Explorar tecnologías de comunicación inalámbrica aplicables a la
transmisión de datos desde el protector pectoral a un sistema central.
• Evaluar la eficiencia y confiabilidad de las opciones disponibles.
Al centrarse en estos objetivos específicos, la investigación proporcionará una base
sólida de conocimientos que servirá como referencia para futuros trabajos en el campo
de la electrónica aplicada a los deportes de combate. Aunque no se implemente el
sistema, los resultados obtenidos ofrecerán una perspectiva valiosa para el desarrollo
potencial de soluciones prácticas y eficientes en el futuro.
A través de la consecución de estos objetivos, se busca no solo introducir una solución
innovadora en el ámbito de las competiciones marciales, sino también sentar las bases
para investigaciones futuras en la intersección de la electrónica, la automatización y el
deporte. Este proyecto representa un paso significativo hacia la creación de entornos
deportivos más avanzados y equitativos, abriendo nuevas posibilidades para la mejora
continua en el ámbito de las artes marciales.
Marco teórico
Los sensores piezoeléctricos
Los sensores piezoeléctricos producen una carga eléctrica en respuesta a la aplicación
de fuerza. No obstante, durante la instalación, el sensor puede estar expuesto a fuerzas
mayores que la que se pretende medir. Esta carga resultante puede ser derivada a
cortocircuito con el objetivo de anular la señal de entrada que llega al amplificador.[1]
Acelerómetros
Los acelerómetros, dispositivos fundamentales en la medición de aceleración, operan
tanto en condiciones estáticas como dinámicas, siendo cruciales para determinar la
inclinación de un objeto respecto a la vertical y para medir aceleraciones debidas a
vibraciones, golpes o movimientos. En el contexto de la medición de vibraciones, los
acelerómetros se integran directamente en los objetos vibrantes, transformando la energía
de vibración en una señal eléctrica proporcional a la aceleración instantánea del objeto.
La utilidad de los acelerómetros en la medición de vibraciones se extiende a diversas
aplicaciones, desde el diagnóstico de maquinaria sometida a altos esfuerzos hasta la
protección de discos duros, dispositivos médicos, equipos deportivos y dispositivos
electrónicos cotidianos como teléfonos inteligentes y cámaras. [2]
El principio de funcionamiento de los acelerómetros no es complejo; miden la fuerza de
aceleración en unidades de gravedad (g) y pueden medir en uno, dos o tres planos. Los
acelerómetros de tres ejes son los más comunes y miden la aceleración en las direcciones
X, Y y Z. Si la aceleración actúa en dirección opuesta al sensor, se registra como un valor
negativo; de lo contrario, se registra como un valor positivo.
Cuando no hay aceleración externa, el acelerómetro mide solo la aceleración
gravitacional. Por ejemplo, si un acelerómetro de tres ejes está en reposo con el eje X
hacia la izquierda, el eje Y hacia abajo y el eje Z hacia adelante, las lecturas serán X = 0
g, Y = 1 g, Z = 0 g. Si se inclina hacia la izquierda, las lecturas cambiarán a X = 1 g, Y =
0 g, Z = 0 g, y si se inclina hacia la derecha, X = -1 g. Estas lecturas son utilizadas por
algoritmos de sistemas supervisores del acelerómetro. [3]
Existen tres tipos principales de acelerómetros: capacitivos MEMS, piezoeléctricos y
piezorresistivos, cada uno con características específicas que se adaptan a diversas
aplicaciones.
Marco conceptual
Fabricantes de protectores de combate comerciales
En el panorama deportivo contemporáneo, se destacan los avances tecnológicos que han
transformado la manera en que se evalúan y puntúan eventos competitivos. Ejemplos
paradigmáticos de esta convergencia entre tecnología y deporte son los guantes
electrónicos en el boxeo y los protectores electrónicos de esgrima, impulsando mejoras
notables en la precisión y equidad de las competiciones.
Marcas líderes en la industria, entre las cuales se incluye Everlast en el ámbito de los
guantes electrónicos de boxeo, así como especialistas en esgrima, han introducido
equipos electrónicos que han sido oficialmente homologados. Estos dispositivos
incorporan sensores especializados diseñados para registrar áreas específicas de impacto,
proporcionando a los árbitros una herramienta más precisa y objetiva para la toma de
decisiones, eliminando la posibilidad de errores atribuibles a la rapidez de los eventos.
Empresas reconocidas, como Everlast y otros actores especializados, han contribuido
significativamente a esta evolución tecnológica, ofreciendo a atletas y competidores
opciones avanzadas para mejorar la precisión y equidad en la evaluación de los combates.
Para comprender la operación de estos sistemas en conjunto, resulta esencial considerar
ejemplos concretos, como el sistema desarrollado por Everlast. Después de un proceso de
desarrollo de dos años en colaboración con proveedores especializados, este sistema
integral comprende guantes electrónicos, un software específico y dispositivos de control
(de uno a tres según la competición). Su objetivo principal es proporcionar una
puntuación precisa que asista a los árbitros en la toma de decisiones durante la
competición.
Este sistema demuestra capacidad para distinguir entre áreas de impacto para golpes de
puño y golpes de pie, asignando puntuaciones de manera independiente. Además, posee
la capacidad de reconocer secuencias de golpes consecutivos, presentando resultados de
manera instantánea. Su diseño inteligente evita la asignación de puntuaciones a golpes no
válidos o en zonas no permitidas. La implementación de esta tecnología reduce
significativamente los posibles errores humanos, subrayando su importancia en el
contexto de eventos deportivos.
El cálculo del nivel de impacto, basado en la fuerza y velocidad del golpe, se logra gracias
a sensores incorporados en los guantes electrónicos, que registran impactos tanto en la
parte superior como en la inferior del guante. Cada guante cuenta con un transmisor que
identifica los ataques válidos y envía la información a un software dedicado que registra
la puntuación de manera precisa.
Finalmente, los dispositivos de control, diseñados con simplicidad y equipados con tres
botones, desempeñan un papel fundamental al enviar información al sistema informático
(1 = 1 punto para puños, 2 = 2 puntos para golpes de duit-chagui y dolyo-chagui, y 3 = 3
puntos para golpes en la cabeza). Este progreso tecnológico ha elevado el estándar en la
evaluación y puntuación de eventos deportivos, contribuyendo a una experiencia más
justa y precisa para los competidores y árbitros. [4]
Diseño
El diseño del sistema propuesto implica la integración de varios componentes clave para
la detección y registro de impactos en un protector pectoral de combate marcial. Estos
componentes incluyen:
1. Sensores de impacto o fuerza:
Se sugiere la utilización de sensores de presión piezoeléctricos, como el modelo FSR
406 o alternativas similares, que pueden detectar impactos y generar señales eléctricas
proporcionales.
2. Microcontrolador:
Se recomienda el uso de un microcontrolador con suficientes entradas analógicas, como
Arduino Mega, para procesar las señales provenientes de los sensores.
3. Algoritmo de detección de impacto
Se deberá implementar un algoritmo de software en el microcontrolador para interpretar
las señales de los sensores, estableciendo umbrales de fuerza mínima para contabilizar
puntos.
4. Sistema de visualización o feedback:
Se propone la integración de una pantalla LCD simple o una aplicación de smartphone
para proporcionar retroalimentación visual sobre el conteo de puntos en tiempo real.
La conexión entre estos componentes se esquematiza de la siguiente manera:
•
•
•
Cada sensor se conecta a una entrada analógica en el microcontrolador.
El microcontrolador se conecta a una fuente de alimentación.
La salida del microcontrolador se conecta a un sistema de visualización (pantalla
LCD, LEDs, etc.) o se comunica con una aplicación en un dispositivo externo
(teléfono móvil, tablet, computadora).
Es importante tener en cuenta que este esquema general requiere ajustes y diseños
adicionales según las necesidades específicas, como el tipo de sensor y visualización
utilizados. Cada sensor debe ser calibrado para reconocer golpes válidos y evitar la
acumulación de puntos por movimientos comunes durante la pelea.
En cuanto a la elección de sensores de impacto, se sugiere considerar alternativas al sensor
FSR 406, como sensores de presión piezoresistivos o de membrana. Además, se explora
la opción de sensores táctiles capacitivos, con ejemplos específicos como el sensor
capacitivo de tacto MPR121 de Adafruit. Este último, después de una investigación
detallada, se revela como una opción viable, presentando la capacidad de controlar 12
electrodos con comunicación a través de interfaz I2C, lo que facilita su implementación
con cualquier microcontrolador compatible, como el Arduino Uno R3.
El informe destaca las conexiones necesarias entre el módulo táctil MPR121QR2 y el
Arduino Uno R3, incluyendo los pines SDA, SCL, VSS, y VDD. Además, se aborda la
posibilidad de utilizar la función de interrupción del MPR121QR2 mediante el pin IRQ
para notificar al Arduino cuando se detecta un toque. [5]
Se optó también por integrar una Batería de polímero de litio (LiPo), caracterizada por
ser recargable y mantener una tensión constante de 3.7V hasta su descarga casi completa.
Este tipo de baterías se considera idóneo para proyectos portátiles que demandan un
suministro de corriente continuo.
En cuanto a la conexión del Arduino Uno R3 con el módulo táctil MPR121QR2, se
establecen las siguientes pautas:
•
•
•
•
SDA (Data): Se conecta el pin SDA del MPR121QR2 (pin 3) al pin A4 (SDA) en
el Arduino Uno R3.
SCL (Clock): La conexión del pin SCL del MPR121QR2 (pin 2) se realiza al pin
A5 (SCL) en el Arduino Uno R3.
VSS (Ground): Se vincula el pin VSS del MPR121QR2 (pin 6) a cualquier pin
GND disponible en el Arduino Uno R3.
VDD (Power): La conexión del pin VDD del MPR121QR2 (pin 20) se realiza al
pin 3.3V del Arduino Uno R3.
Consideraciones adicionales para optimizar la funcionalidad del sistema incluyen:
•
•
Para emplear la función de interrupción del MPR121QR2, se sugiere conectar el
pin IRQ (pin 1) en el MPR121QR2 a cualquier pin digital disponible en el Arduino
Uno R3. Este pin permitirá que el MPR121QR2 notifique al Arduino cuando
detecta un toque.
Los pines ELE0 a ELE11 en el MPR121QR2 se destinan a conectar los sensores
de toque, posibilitando la conexión a cualquier elemento conductor que se desee
utilizar como sensor táctil.
Además, se introduce el módulo LCD-016N002L, una pantalla LCD de 16x2 líneas,
similar a la empleada en ejemplos de código previos. En este contexto, el Módulo
MPR121 tiene la capacidad de gestionar hasta 12 botones, aunque en la aplicación
propuesta se utilizan solo 6 botones. De estos, 3 botones se asignan a 1 punto, 2 botones
a 2 puntos y 1 botón a 3 puntos. Por ejemplo, se establece que los botones conectados a
las entradas ELE0, ELE1 y ELE2 valen 1 punto, los botones en las entradas ELE3 y ELE4
valen 2 puntos, y el botón en la entrada ELE5 vale 3 puntos. Este enfoque proporciona
una estructura clara para la asignación de puntuaciones en el sistema propuesto.
En resumen, la propuesta de diseño abarca desde la selección de componentes hasta la
implementación específica, proporcionando una base sólida para la construcción de un
sistema de sensores de impacto acoplados a un protector pectoral de combate marcial para
el conteo preciso de puntos en competiciones deportivas.
Tomando en cuenta estos requerimientos, el código quedaría de la siguiente manera:
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_MPR121.h>
#include <LiquidCrystal.h>
// Crear instancia de MPR121
Adafruit_MPR121 mpr121 = Adafruit_MPR121();
// Crear instancia de LCD
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); // Asume que los pines de la LCD están
conectados a los pines 12, 11, 5, 4, 3 y 2 en el Arduino.
// Variable de conteo
int count = 0;
void setup() {
Wire.begin();
lcd.begin(16, 2);
lcd.print("Puntos: ");
// Iniciar LCD
// Imprimir inicio de etiqueta de conteo
lcd.setCursor(7, 0);
// Mover cursor a la segunda mitad de la linea
superior
lcd.print(count);
// Imprimir conteo inicial
if (!mpr121.begin(0x5A)) {
while (1);
// Verificar inicio correcto de MPR121
// Si no inicia correctamente, entrar en ciclo infinito
}
}
void loop() {
// Leer los sensores
uint16_t touchStates = mpr121.touched();
for (int i=0; i<6; i++) {
// Cambiar a 6 ya que usamos sólo 6 botones
// Si un sensor es activado
if ((touchStates & (1<<i)) != 0) {
if(i < 3)
count += 1;
else if (i < 5)
count += 2;
else
count += 3;
lcd.setCursor(7, 0);
lcd.print(count);
delay(200);
}
}
}
// Para los primeros tres botones
// Incrementar conteo por 1
// Para los siguientes dos botones
// Incrementar conteo por 2
// Para el último botón
// Incrementar conteo por 3
// Mover cursor a la segunda mitad de la linea superior
// Imprimir nuevo conteo
// Pequeña pausa para evitar fluctuaciones rápidas
Conexiones LCD-016N002L a Arduino (ej. interfaz paralela):
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•
•
•
LCD-016N002L VSS a Arduino GND
LCD-016N002L VDD a Arduino 5V
LCD-016N002L V0 a un potenciómetro de 10k para ajustar el contraste
LCD-016N002L RS a Arduino PIN digital (ejemplo: PIN 7)
LCD-016N002L RW a Arduino GND
LCD-016N002L EN a Arduino PIN digital (ejemplo: PIN 8)
LCD-016N002L D0-D3 sin conexión (se supone un modo de 4 bits)
LCD-016N002L D4-D7 a Arduino PINs digitales (ejemplo: PINs 9-12)
ESQUEMATICO DEL CIRCUITO
Este circuito es algo básico y sencillo comparado al de los protectores, pero sirve
como guía de cómo funcionan básicamente los protectores de taekwondo.
PCB
Conclusiones
En resumen, la investigación sobre el diseño de un sistema de sensores de impacto para
un protector pectoral en combates marciales ha delineado una propuesta sólida y
precisa. La elección cuidadosa de componentes, la integración de un microcontrolador,
y la consideración de aspectos prácticos como la interfaz táctil y la alimentación con
baterías de litio, apuntan hacia la viabilidad de un sistema innovador. Este enfoque tiene
el potencial de mejorar significativamente la objetividad y precisión en el conteo de
puntos, contribuyendo al avance de las competiciones de combate marcial.
Referencias
[1] https://www.hbm.com/es/6810/guia-de-seleccion-de-sensores-piezoelectricos/
[2] https://www.tme.eu/es/news/library-articles/page/22568/Como-funciona-y-que-hace-
elacelerometro/#:~:text=Su%20principio%20de%20funcionamiento%20es,un%20cambio
%20en%20la%20resistencia.
[3] https://www.redalyc.org/journal/707/70757670014/html/
[4] https://soloartesmarciales.com/blogs/news/tecnologia-en-las-artes-marciales-
equipos-electronicos
[5] https://naylampmechatronics.com/blog/30_tutorial-sensor-tactil-capacitivompr121.html
[6] https://cetis17.edu.mx/como-se-califica-los-puntos-en-comite-o-combate-en-un-torneo-dekarate/