UNIVERSIDAD DISTRITAL F.J.C 1

DISPOSITIVO ELECTRÓNICO PARA ELANÁLISIS EN 3D DEL PIE Y LA RODILLA

Jiménez Villanueva Mayra Alejandra, Ortíz Casallas Diana Carolina, y Luengas Contreras Lely Adriana,

Resumen—-En el presente artículo se describe el procesode elaboración del dispositivo inalámbrico que captura losmovimientos generados por el pie (flexión plantar, flexión dor-sal, abducción y aducción), así como el movimiento generadopor la rodilla (flexión), el sistema de captura cuenta con unhardware fabricado con fibra óptica gracias a las ventajas queestá nos ofrece como lo son: inmunidad al ruido, velocidad enla transmisón y la recepción de datos, entre otras, obteniendo deesta forma un sistema de transmisión basado en una estructuramecánica y óptica. De igual manera, se empleo un software parala recepción, en el que se realiza un análisis de los datos conlos que se puede crear una simulación gráfica tridimensional entiempo real.

Index Terms—Comunicación por USB CDC (Communica-tions Devices Class), 3DMax Studio, movimiento de Abducción,movimiento de aducción, movimiento de flexión, movimientode extensión, fibra óptica, realidad virtual, modelamiento enOPENGL.

I. INTRODUCCIÓN

DADO el constante cambio tecnológico que el hombrevive día a día, éste se ve en la necesidad de diseñar e

implementar nuevas tecnologías que le sean de gran utilidadpara la vida cotidiana, logrando fortalecer nuevas áreas delconocimiento como lo son: la ciencia y la educación, porlo que cabe destacar que el análisis por computadora de lasextremidades ha tenido una gran acogida gracias al sin númerode beneficios que se pueden generar en el área científica.

En los países de América Latina se han realizado inves-tigaciones para la mejora de captura de los movimientos delas extremidades que pueden contribuir en gran medida a lasociedad y al desarrollo de nuevas tecnologías, uno de estospaíses ha sido México, en donde en la UNAM (UniversidadNacional Autónoma de México) se ha desarrollado un sistema decaptura de movimiento en el que se puede realizar mediciones dela actividad locomotora utilizando tecnologías de bajo costo [1].Es por este motivo, que se crea un prototipo que permite capturarlos movimientos de flexión plantar (doblando el pie abajo),flexión dorsal (doblando el pie arriba), abducción (movimientodel pie afuera), aducción (movimiento del pie adentro) [2] y elmovimiento de la rodilla (movimiento de la pierna hacia atrásdel cuerpo) [3], con el fin de medir los ángulos generados por las

Jiménez Villanueva Mayra Alejandra, Tecnóloga en Electrónica, Estu-diante de Ingeniería en Telecomunicaciones, Universidad Distrital Fran-cisco José de Caldas, e-mail: majime_88@hotmail.com,Bogotá D.C,Colombia.

Ortíz Casallas Diana Carolina, Tecnóloga en Electrónica, Estudiantede Ingeniería en Telecomunicaciones, Universidad Distrital FranciscoJosé de Caldas, e-mail: dianacarolina2308@hotmail.com,Bogotá D.C,Colombia,

Luengas Contreras Lely Adriana, Docente, Universidad DistritalFrancisco José de Caldas, e-mail: lelyluco@gmail.com, Bogotá D.C,Colombia.

articulaciones, diseñando un sensor de fibra óptica que lleva losdatos de forma direccional gracias al haz de luz que se genera.Adicionalmente, se emplearon diodos infrarrojos transmisor yreceptor que de acuerdo a la intensidad de luz generada esposible medir una variación de voltaje creando una relación deángulo o distancia especifica, lo que permitio el desarrollo de unambiente virtual, en el cual se puede observar cada uno de losmovimientos generados empleando uso de librerías OPENGLque permitieron un mejor acople entre la interfaz gráfica y elmodelamiento de las articulaciones en 3DMAX Studio.

II. DISEÑO DEL DISPOSITIVOPara el desarrollo del dispositivo se utilizó fibra óptica como

medio de transmisión, teniendo en cuenta la longitud de ondapara poder tener un buen funcionamiento del dispositivo; caberesaltar que la longitud de onda de la luz de fibra óptica esde 850nm, 1310nm ó 1550nm [4], gracias a está informaciónse pudo determinar el uso adecuado de diodos led para latransmisión ya que éstos cuentan con una longitud de ondasimilar a la de la fibra óptica, es por tal razón que paraobtener un acople adecuado entre la fibra y los diodos sedecide implementar diodos infrarrojos, los cuales cuentan conuna longitud de onda que mayor de 750nm[5], lo que permitealcanzar una buena respuesta en la transmisión de los datos.

Cabe señalar que el tipo de fibra empleado es monomodousado para el envió de datos debido a su diseño especial,dispersión mínima (puede guiar y transmitir en un modo depropagación) y su alto ancho de banda [4]. Por otra parte, losdiodos infrarrojos son diseñados especialmente para la posicióny detección de objetos, formas, colores y diferentes superficies,incluso en las condiciones ambientes más extremas. La luzemitida por estos diodos no es perceptible al ojo humano [6].

A. Sensor de Flexión Plantar y DorsalEl sensor que se desarrolló para el movimiento de flexión

plantar (ángulo estandar de 45 grados) y flexión dorsal (ánguloestandar de 20 grados)[7] cuenta con:

1. Un sistema de acoplamiento: Éste cuenta con unamanguera negra de 8cm de longitud, en el interior de dichoobjeto se ubica una hilo de fibra óptica para disminuir lasensibilidad que ésta tiene en ambientes luminosos. En uno delos extremos de la manguera se encuentra localizado el diodoinfrarrojo transmisor y en el extremo contrario un acople entrela fibra y el diodo receptor infrarrojo, para que de esta manerala fibra óptica pueda actuar como un medio conductor de luz.

Cabe señalar que el sensor es de tipo optomecánico porlo que se hace necesaria minimizar las fuentes de ruido quepuedan afectar todo el sistema. Es por tal motivo, que parael desarrollo del sensor se escogieron colores que permitan lamenor interferencia con la transmisión, como por ejemplo: unamanguera y una caja de color negras logrando crear un ambienteadecuado para el sensor.

UNIVERSIDAD DISTRITAL F.J.C 2

2. Un sistema de desplazamiento: Éste sistema cuenta con unacanaleta en el interior de la caja, en dicho objeto se fija el diodoreceptor infrarrojo, permitiendo obtener un desplazamiento de lamanguera en el interior lo que ayuda a generar una variaciónde voltaje, el cual es generado por la articulación. En la figura1 se puede apreciar el acople de dicho sistema.

Figura 1. Diseño interno del Sensor

3. Un sistema de resorte: Una vez ubicados todos los elemen-tos es necesario que la manguera genere desplazamiento, el cualindica el movimiento de la articulación, por tal motivo, se utilizaun resorte ubicado en el extremo inferior de la manguera (diodotransmisor), para de esta forma poder luego sujetarla a la cajay así poducir la elongación o contracción del resorte generandouna variación de voltaje en el diodo receptor. La ubicación de loselementos se puede observar en la figura 1 y 2 respectivamente.

Figura 2. Sistema de Resorte

De acuerdo con lo anteriormente descrito, se puede concluirque el desplazamiento que genera la manguera dentro de lacaja corresponde al ángulo de inclinación producido por laarticulación. Algunas especifícaciones técnicas del sensor semuestran a continuación:

La caja cuenta con una longitud de 7,5 cm y un ancho de2,4cm

Una manguera con un diámetro de 6 mm y una longitudde 8 cm

Un resorte de 3.3 cm de longitud

Diodos infrarrojos de 3 mm de diámetro

Un hilo de fibra de vidrio

B. Sensor de Aducción y AbducciónComo base en lo anterior, este sensor se creo con el mismo

principio de diseño que el sensor de flexión plantar y dorsal.

Para los movimientos de aducción (ángulo de rotación de 20grados) y abducción (ángulo de rotación de 10 grados) [7].Acontinuación unas especifícaciones técnicas:

La caja cuenta con una longitud de 10cm y un ancho de2cm

una manguera con un diámetro de 6mm y una longitud de12cm

Un resorte de 3.7cm de longitud

Diodos infrarrojos de 3mm de diámetro

Se puede ver como la longitud de la manguera y las dimen-siones de la caja varían con respecto a la anterior, ya que estodepende de la fuerza que se requiere para poder obtener unabuena elongación del resorte y así generar una variación notoriaen la captura de los datos.

C. Sensor de Flexión de la Rodilla

En base con el desarrollo de los sensores de flexión plantar,dorsal, aducción y abducción, se fabrico el sensor de la rodilla,el cual genera un movimiento de flexión (ángulo de 90 grados).Las caracterízticas técnicas de este sensor son las siguientes:

La caja cuenta con una longitud de 11.5cm y un ancho de2cm

una manguera con un diámetro de 6mm y una longitud de30cm

Un resorte de 10cm de longitud

Diodos infrarrojos de 3mm de diámetro

III. UBICACIÓN DE LOS SENSORES

Para la ubicación de los sensores, se realiza el diseño deuna bota en la que se ubican todos los sensores. dicha bota seencuentra dividida en dos partes: la primera es la parte superioren la cual se ubica el sensor de la rodilla, y la segunda parte es lainferior se apoyan los sensores de abducción, aducción, flexiónplantar y flexión dorsal. cada uno de los sensores se encuentradistribuido de la siguiente manera :

El sensor de Abducción y aducción se localiza en el peronéy a parte exterior de tarso, metatarso y las falanges del pie.

El sensor de flexión plantar y dorsal se ubica en la tibia,el tarso, metatarso y as falanges del pie.

El sensor d la rodilla se situa a lo largo del fémur y larotula.

Para generar estabilidad en los sensores, alrededor del tobillose coloco una pulsera, la cual cuenta con dos ranuras, una enla parte frontal en la que se ubica el sensor de flexión plantar ydorsal y otra al lado en la que se situa el sensor de abducción yaducción. La figura 3. muestra el diseño final obtenido de todoel sistema.

Figura 3. Diseño final del dispositivo

IV. PRUEBAS Y RESULTADOS

Se realizarón las siguientes pruebas de funcionamiento delprototipo, generando así unas tablas para cada uno de losmovimientos capturados. Para la toma de estas pruebas se midiola variación del voltaje causado por la proximidad originadaentre la fibra óptica y el diodo receptor infrarrojo; el valormáximo que se puede tomar en la medición es el valor de lafuente que para este caso es de 5V, esto sucede siempre y cuandola fibra y el diodo se encuentren completamente enfrentados peroa medida que la distancia entre éstos comienza aumentar el valordisminuye considerablemente hasta lograr el valor de 0V.

Con base en la investigación realizada, se pudo determinar losmáximos valores producidos por cada uno de los movimientos(flexión dorsal (ángulo estandar de 20 grados), flexión plantar(ángulo estandar de 45 grados), aducción (ángulo de rotación de20 grados) y abducción (ángulo de rotación de 10 grados))[7];permitiéndonos realizar un análisis de los sensores, tomandopara nuestro caso un ángulo de referencia de 0 grados para laposición normal de pie, proporcionando una variación de voltajeen función de los ángulos.

Cabe destacar, que el prototipo cuenta con un margen detolerancia para cada uno de los movimientos no mayor del5 %. Acontinuación se muestran las tablas en las que se puedeapreciar el voltaje en función del ángulo para cada uno de losmovimientos así como las figuras en las que se puede ver elcomportamiento de cada uno de los sensores.

Tabla N 1. Voltaje Vs. Ángulo de movimiento de flexiónplantar

La Figura 4 muestra el comportamiento del sensor de flexiónplantar, apreciando la respuesta que tiene éste en cada uno delos grados que se pueden generar con dicho movimiento.

Figura 4. Gráfica del comportamiento del movimiento deflexión plantar.

Tabla N 2. Voltaje Vs. Ángulo de movimiento de flexión dorsal

La Figura 5 muestra el comportamiento del sensor de flexióndorsal, apreciando la respuesta que tiene éste en cada uno delos grados que se pueden generar con dicho movimiento.

Figura 5. Gráfica del comportamiento del movimiento deflexión dorsal.

Tabla N 3. Voltaje Vs. Ángulo de movimiento de aducción

La Figura 6 muestra el comportamiento del sensor de aduc-ción, apreciando la respuesta que tiene éste en cada uno de losgrados que se pueden generar con dicho movimiento.

Figura 6. Gráfica del comportamiento del movimiento deaducción.

UNIVERSIDAD DISTRITAL F.J.C 4

Tabla N 4. Voltaje Vs. Ángulo de movimiento de abducción

La Figura 7 muestra el comportamiento del sensor de abduc-ción, apreciando la respuesta que tiene éste en cada uno de losgrados que se pueden generar con dicho movimiento.

Figura 7. Gráfica del comportamiento del movimiento deabducción.

Tabla N 5. Voltaje Vs. Ángulo de movimiento de flexión de larodilla

La Figura 8 muestra el comportamiento del sensor de flexiónde la rodilla, apreciando la respuesta que tiene éste en cada unode los grados que se pueden generar con dicho movimiento.

Figura 8. Gráfica del comportamiento del movimiento deflexión de la rodilla.

En los anteriores gráficos se puede notar la tendencia linealque tiene cada uno de los sensores. Sin embargo hay intervalosen los que se pueden observar cambios abruptos, creandose porposible interferencia eléctrica en el sistema, es por este motivoque los sensores siempre debe encontrarse ubicados en el mismopunto para obtener unos buenos resultados.

V. INTERFAZ DE COMUNICACIÓNSe empleo el conversor Análogo-Digital del microcontrolador

de microchip 18F4550, el cual permite convertir un valor anál-ogo en un valor binario y adicionalmente emula virtualmenteun puerto RS-232 por medio de un puerto USB, utilizandocomunicación CDC (Communications Devices Class).

Por otra parte, en la figura 9 se puede observar la codificaciónrealizada para cada uno de los datos realizando su respectivoordenamiento, para ello se codifico cada una de las tramasde datos provenientes de cada sensor, haciendo uso de dosidentificadores entre los cuales se transmite el dato registradoen el conversor; paso seguido, se hace la lectura de los datos delconversor análogo-digital a 8 bits obteniendo una variación de0 a 255, variación que se relaciona con cada uno de los ángulosde deflexión de los movimientos del pie y a rodilla.

Adicionalmente, se hizo la implementación de módulos decomunicación inalámbrica XBEE – PRO para ofrecerle alusuario una mejor comodidad. Algunas ventajas de los módulosson las siguientes:

Interfaz de comunicación RS – 232 y USB

Módulos bidireccionales que trabajan con protocolo decomunicación 802.15.4

Voltaje de alimentación de 3.3v

Alcance de 1500 m en un ambiente exterior y de 100 men un ambiente cerrado [8]

Figura 9. Diagrama de Codificación y Decodificaión de losdatos

VI. INTERFAZ GRÁFICAPara la construcción de la interfaz gráfica hicimos uso de la

línea de realidad virtual que nos permite la creación de ambi-entes dinámicos, simulando diversos tipos de objetos, escenasproporcionándole al usuario una sensación de inmersión dentrodel mundo.

En el desarrollo de la interfaz gráfica se utilizaron API decomunicación para el compilador C++6.0, agregándole líbreriascomo WINMM.LIB y wxctb-0.8.lib que nos permite teneruna comunicación USB. Cada uno de los datos transmitidoses guardado en un vector, en el cual se puede analizar elproceso fijando una posición específica del dato, así como elalmacenamiento de una variable que permita la manipulaciónen las diferentes aplicaciones.

El análisis gráfico para cada uno de los sensores tiende aser de forma lineal. Por esta razón, con el fin de poder reducirruido y atenuación en los datos, los valores se ajustarón a unaecuación lineal que tiene la forma de la ecuación 1:

UNIVERSIDAD DISTRITAL F.J.C 5

y(x) = mx+ b (1)

En donde Y es el ángulo adquirido, X es la señal de entradadigital, m es delta en la función lineal y b es el punto dedesplazamiento de la señal. Para calcular delta lo hacemoshallando los valores máximos y mínimos de la señal, los cualesson producidos por la rotación de las articulaciones. Por loque se hace posible tener una comparación entre el máximoy el mínimo valor de la señal (Vmax ó Vmin) con respecto almáximo y mínimo ángulo generado (Amax ó Amin), como semuestra en la ecuación 2.

m =V max− V min

Amax−Amin(2)

El primer ambiente diseñado fue a partir de figuras primitivas(cubos, esferas, cilindros, toros, conos,etc.) haciendo uso deprogramación en OPENGL. En la figura 10 se muestra el menúde ayuda que se le brinda al usuario para que éste se puedafamiliarizar con el entorno, en la figura11 se muestra el entornocreado con la programación en OPENGL.

Figura 10. Ayuda para conocer las herramientas que hay en elambiente 3D

Figura 11. Entorno virtual con programación en OPENGL

Se realizó la creación de un segundo y un tercer mundo enlos cuales se hizo uso de herramienta de modelamiento comolo son 3DMAX STUDIO, con el fin de hacer un ambientemás real en los mundos, adicionando librerías que facilitaránla integración de ventanas y sonidos que le proporcionarán alusuario información acerca del tipo de movimiento que se estarealizando. La figura 12 muestra el segundo mundo modeladoen 3D.

Figura 12. Segundo mundo con integración de botones desonido y modelamiento en 3D

La última aplicación es el diseño de un estadio de fútbolcomo se muestra en la figura 13. Lo que se busca eneste mundo es que el jugador realize lanzamientos y elsimulador le indica cual fue el movimiento que realizó yel ángulo generado con ese movimiento.

Figura 13. Estadio de fútbol que indica el tipo de movimientoy ángulo generado.

VII. CONCLUSIONESEste proyecto ha cumplido con sus objetivos, diseñando e

implementando un prototipo electrónico para el análisis en 3Ddel pie y la rodilla para el uso en áreas que permitan lainteracción con las extremidades inferiores.

El dispositivo presenta un buen margen de tolerancia, por loque lo hace un prototipo confiable. La estabilidad del sensor sedebe en gran parte a la implementación de fibra óptica, graciasa la velocidad de transmisión que maneja, logrando obtener unamínima variación en los datos. Sin embargo, cabe resaltar quepara que el sistema tenga un buen funcionamiento debe contarcon un aislamiento para que no se presenten alteraciones en lasmediciones.

El sistema tiene una muy buena respuesta en tiempo real,además de ser una alternativa económica para la captura demovimiento, además de crear una alternativa que contribuye enel diseño de animaciones 3D mucho más complejas.

Finalmente hay que destacar, que puede ser utilizado comoherramienta didáctica para desarrollar habilidades cognitivas enlos niños, en áreas de aprendizaje de la medicina permitién-dole una mayor inmersión al estudiante e impulsando más alconocimiento de las extremidades inferiores.

VIII. REFERENCIAS[1] Journalmex. Periódico de méxico. Desarrollan sistema

de captura de movimiento. Diciembre, 2010. Página de ac-

UNIVERSIDAD DISTRITAL F.J.C 6

ceso: Http://journalmex.wordpress.com/2010/12/12/desarrollan-sistema-de-captura-de-movimiento/

[2] MiBienestar. S. F. Los seis movimientos del pie. Página deacceso: http://www.mibienestar.es/index.php/salud/2-general/23-los-seis-movimientos-del-pie

[3] Field DereK y Soamoes Roger. Movimiento humano yAnatomía: estructura y funcionamiento. 3rd Edición, pagina334, Barcelona, España, 2002.

[4] Wayne Tomasi. Sistemas de Comunicaciones Electróni-cas. 4th Edición. Pagina 425. México.2003.

[5] Joan Domingo Peña, Juan Gámiz Caro, Antoni GrauI Saldes, Herminio Martínez García. Comunicaciones en elambiente industrial. 1st Edición. Pagina 55. Octubre 2003

[6] Grupo de proyectos electrónicos. 2008. Sensoremisor y receptor infrarrojo. Página de acceso:http://www.scribd.com/doc/3678453/SENSOR-INFRARROJO-Teoria-y-practica

[7]León Uribe Adolfo. Manual para el examen físico delnormal y métodos de exploración. 3rd Edición, pagina 229,Medellín, Colombia, 2004.

[8]Digi International. 2006-2008.XBee®Multipoint RF Modules. Página de acceso:http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-Datasheet.pdf