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BRAZO ARTICULADO CONTROLADO POR VOZ PARA REHABILITACIÓN
MOTORA DE PERSONAS DISCAPACITADAS DEL MIEMBRO SUPERIOR
VOICE CONTROLLED ARTICULATED ARM FOR MOTOR REHABILITATION OF
DISABLED PEOPLE OF THE UPPER LIMB
Hipólito Carbajal1
Recibido: XX-XX-XX / Aceptado: XX-XX-XX
Resumen
El objetivo fue diseñar un brazo articulado
con control de trayectoria y velocidad por
comandos de voz, para rehabilitar a
personas con discapacidad motora del
miembro superior. Se empleó el método
sistémico; los comandos de voz se
consideraron entradas al sistema, los
movimientos de las articulaciones de los
eslabones del brazo se consideraron las
salidas. De las pruebas realizadas con el
diseño se determinó que el controlador
activado por comandos de voz permite
mantener controlado las velocidades de los
diferentes motores que constituyen las
articulaciones de la muñeca, codo y el
hombro; con respecto a las velocidades
estas se encuentran estrechamente
correlacionadas cuyos coeficientes son
mayores a 0.99, lo que indica que la
diferencia entre las velocidades deseadas y
las obtenida tienen muy poca diferencia. En
conclusión se implementó un brazo con
articulaciones de tres grados de libertad,
comandados por voz mediante códigos
preestablecidos, permitiendo describir de
forma controlada las trayectorias de los
diferentes movimientos característicos del
brazo, con desplazamientos que generan
rotación-elongación del hombro en el
intervalo de 0° hasta 120°, codo en el
intervalo de 0° hasta 120° y movimientos de
la muñeca de -30° hasta 60°; para rehabilitar
a personas con discapacidad motora del
miembro superior.
Palabras clave: Comunicación inalámbrica,
comandos de voz, trayectorias del brazo,
rehabilitación motora.
Abstract
The objective was to design an articulated
arm with control of trajectory and speed by
voice commands, to rehabilitate people with
motor disabilities of the upper limb. The
systemic method was used; voice
commands were considered inputs to the
system; movements of the arm link joints
were considered outputs. From the tests
carried out with the design, it was
determined that the controller activated by
voice commands allows to keep controlled
the speeds of the different motors that make
up the wrist, elbow and shoulder joints; With
respect to the speeds, these are closely
Hipólito Carbajal
hipolito.carbajal@unh.edu.pe
1 Escuela Profesional de Ingeniería
Electrónica, Facultad de Ingeniería
Electrónica – Sistemas,
Universidad Nacional de
Huancavelica
Jr. Victoria Garma N° 275 y Jr.
Hipólito Unanue N° 280
Huancavelica, Perú
Recibido: 15 de Octubre del 2020
Aceptado: 13 de Enero del 2021
Revista de Investigación Científica Siglo XXI (2021)
Vol. 1, Núm. 1, pp. 40 - 52
https://doi.org/10.54943/rcsxxi.v1i1.9
41
correlated, whose coefficients are greater
than 0.99, which indicates that the difference
between the desired speeds and those
obtained have very little difference. In
conclusion, an arm with articulations of three
degrees of freedom was implemented,
commanded by voice using pre-established
codes, allowing the trajectories of the
different characteristic movements of the
arm to be described in a controlled manner,
with displacements that generate rotation-
elongation of the shoulder in the interval of
0° to 120°, elbow in the range of 0° to 120°
and wrist movements from -30° to 60°; to
rehabilitate people with motor disabilities of
the upper limb.
Keywords: wireless communication, voice
commands, arm trajectories, motor
rehabilitation.
1. Introducción
El Banco Mundial (2015) reporta que
alrededor del 15% de la población mundial
“experimenta alguna forma de discapacidad,
siendo los países en vías desarrollo los más
afectados por esta problemática”. La
discapacidad por daños o lesiones en los
miembros motores es mayor que cualquier
otra discapacidad (Diaz, 2019). Las
personas con discapacidad motora de los
miembros superiores requieren de algún
mecanismo o sistema que permita mejorar
la discapacidad de miembros superiores
(Velarde, 2015).
En el ámbito internacional, Muri et al. (2014),
diseñaron un sistema para rehabilitar los
brazos en entorno de realidad virtual,
desarrollando un mecanismo que adquiere
señales eléctricas producidas por músculos
durante el proceso de contracción y
relajación, digitalizando y procesando en
una PC, empleando como elemento de
control de objeto de realidad virtual
representado por un brazo. También Lee
et al., (2020) realizan un estudio de
rehabilitación de las extremidades
superiores empleando exoesqueleto
mecanizado entre los pacientes con
accidente cerebrovascular crónico con
discapacidad moderada del miembro,
concluyendo que es necesario profundizar
las investigaciones de la utilidad del
exoesqueleto.
A nivel nacional existen pocas instituciones
con servicio especializado para rehabilitar a
personas con discapacidad de los miembros
con movimiento locomotor. Para lograr
rehabilitar de esta discapacidad en varios
estudios se plantean soluciones (Becerra et
al., 2019; Cheng & Rojas, 2019). Así como
Galán (2017) diseña e implementa el control
de un mecanismo externo para ejercitar
extremidades superiores mediante la
herramienta Matlab, obteniendo resultados
muy favorables.
Este trabajo tuvo como objetivo principal
diseñar un brazo articulado con control de
trayectoria y velocidad por comandos de
voz, para rehabilitar la actividad motora en
personas discapacitadas del miembro
superior.
2. Material y métodos
Se empleó diversos materiales para el
diseño del brazo, entre los más importantes
se tiene: la estructura física del mecanismo,
motores de las articulaciones, software de
reconocimiento de voz (Sivakumar et al.,
2020) con comunicación por bluetooth
42
(Weinthal et al., 2019). Tablas de registro de
datos, sensores de posición, controlador de
motores y el ATmega328P de Atmel
conocido como Arduino nano (Nano, 2018).
2.1 Estructura del mecanismo y
actuadores de las articulaciones
Para implementar el mecanismo articulado
se tomó en cuenta la morfología de los
miembros superiores (Carrere et al., 2011).
Cada miembro superior está constituido por
articulaciones unidos a cuatro segmentos:
hombro, brazo, antebrazo y mano. El
hombro se une al brazo, el codo al
antebrazo, la muñeca une a la mano con el
antebrazo. Se establecieron los rangos de
movimientos del mecanismo del brazo el
mismo que se visualiza en la Tabla 1.
Articulación
Rango
Movimiento
Hombro
0° hasta 120°
Torsión - Elongación
Codo
0° hasta - 120°
Torsión - Elongación
Muñeca
0° hasta -30
Torsión
0° hasta 60
Elongación
El brazo articulado presenta varias
articulaciones que deben ser coincidentes
con las articulaciones del cuerpo, por lo que
fue necesario realizar las piezas de forma
individual para cada segmento, para luego
ensamblar (Olaya, 2008).
Para el diseño se consideró las medidas de
una persona de 160 cm de altura (H), las
dimensiones del brazo articulado son
proporcionales al valor de H. En la Tabla 2
se tiene las medidas de los segmentos
empleados en el diseño de la estructura del
mecanismo.
Tabla 1. Medidas de los segmentos del
brazo articulado.
Las articulaciones y los eslabones del
mecanismo se muestran en la Figura 1,
estos se diseñaron en SolidWorks por la
facilidad de uso (García Sancho, 2019), en
base a los valores de la Tabla 1 y Tabla 2.
Eslabón
Factor*altura (H)
Medida
Mano
0,108*H
17,28 cm
Antebrazo
0,146*H
23,36 cm
Brazo
0,186*H
29,76 cm
Fig. 1. Ángulos de
articulaciones y
eslabones del brazo
articulado
Tabla. 1 Ángulos de
movimientos de las
articulaciones del
mecanismo
43
Una vez determinadas las dimensiones de
las piezas, se continuó con la construcción
de las piezas. Se implementó con 02
motores DC de 12 V con reductores de
velocidad de 1:50, para generar
movimientos controlados del hombro y
codo, además se empleó un servomotor
MG995 de alto torque de hasta 15 Kg/cm
para generar movimientos en la muñeca
(Sabino & Amaral, 2019).
Para mayor comodidad del paciente se
adaptó el brazo mecánico sobre la
estructura de una silla giratoria, con lo que
obtuvo un brazo con movilidad (ver Figura 2)
y adaptable para personas de estaturas en
el rango de 1,53 a 1,75 m. Las pruebas de
movilidad se llevaron a cabo con una
persona de estatura H=160 y Peso 60 Kg.
2.2 Sistema de reconocimiento de voz
La programación de la interface de control del mecanismo del brazo fue desarrollado en app
Inventor 2 para la plataforma de Android (Patton et al., 2019). Los comandos de voz fueron los
que se muestran en la Tabla 3.
Tabla 2. Códigos de comando de voz
N°
Comandos de voz
Asignación
de códigos
01
Posicionar en inicio
“0”
02
Velocidad reducida
“1”
03
Velocidad máxima
“2”
04
Rehabilitar hombro arriba
“3”
05
Rehabilitar hombro abajo
“4”
06
Rehabilitar codo arriba
“5”
07
Rehabilitar codo abajo
“6”
08
Rehabilitar muñeca arriba
“7”
09
Rehabilitar muñeca abajo
“8”
10
Rehabilitar hombro
“9”
11
Rehabilitar codo
“A”
12
Rehabilitar muñeca
“B”
13
Rehabilitar brazo
“C”
Fig. 2. Ángulos de articulaciones y
eslabones del brazo articulado
44
El usuario genera los comandos de voz que
son identificados por el sistema de
reconocimiento de Google Apps. El
comando identificado es enviado por
bluetooth con una velocidad de 9600 bps (R.
García, 2020). En la Figura 3, se ilustra esta
interface. El control por voz comunicado por
bluetooth se desarrolló para celulares
Android (Andro4all, 2020). La Figura 4
muestra la interface de control.
Fig. 3. Diagrama de flujo de la
generación y envío de los comandos de
voz
Fig. 3. Interface de control por comandos de
voz para Android
45
En la Figura 5 se tiene el bloque que
permitió la conexión por bluetooth. En la
Figura 6 y Figura 7 se desarrolló el bloque
que permite generar y enviar los códigos de
control enviando por bluetooth.
Fig. 4 Bloque de
conexión de
comunicación por
bluetooth
Fig. 5. Programa scratch para
reconocimiento del comando de voz y
envío por bluetooth
46
Figura 6.
Continuación del
programa scratch
para reconocimiento
del comando de voz y
envío por bluetooth
47
2.3 Módulo de control del mecanismo
El mecanismo se controla por el algoritmo
que se implementó en Arduino por medio de
bluetooth con la aplicación implementada
también para Android. El diagrama de flujo
de la operación del brazo articulado se
muestra en la Figura 8.
El circuito electrónico fue desarrollado en
Proteus (García, 2008), para el control de
las tres articulaciones del brazo mecánico se
ve en la figura 9.
Los sensores resistivos de posición angular
(Techlandia, 2016), informan de manera
constante la posición de las articulaciones
por medio de las entradas analógicas del
Arduino nano. El programa cargado en
Arduino identifica el comando enviado por el
usuario y ejecuta la acción correspondiente
enviando señales de control a los
actuadores.
Figura 7. Diagrama de flujo de la recepción
de comandos y operación de
accionamientos de los motores del brazo.
Figura 8. Circuito electrónico
de control de las articulaciones
del mecanismo
48
3. Resultados
Diseñado el brazo articulado se realizaron
pruebas de funcionamiento con 50 muestras
por cada articulación (muñeca, codo,
hombro) y muestras de igual cantidad para
cada trayectoria descrita por la mano,
antebrazo y brazo.
3.1 Resultado de funcionamiento de la
articulación muñeca
La figura 10 nos permite observar
diferencias entre las velocidades que el
usuario deseó y el obtenido para la
articulación de la muñeca.
Fig. 9. Diferencia entre las velocidades deseadas y obtenidas para la articulación de la muñeca
Al analizar el valor de las velocidades
deseadas por el usuario y las obtenidas en
la articulación de la muñeca como se ve en
la Tabla 3, se obtiene una correlación de
0,999, esto denota una alta correlación de
estas velocidades.
3.2 Resultado de funcionamiento de
articulación del codo
La Figura 11 permite visualizar una ligera
variación entre la velocidad deseada y la
velocidad obtenida para la articulación del
codo. El valor de la correlación es de 0.998,
como se muestra en la Tabla 4, este valor
denota una alta correlación.
Tabla 3. Correlación de las muestras para la articulación de la muñeca.
N
Correlación
Par 1
Velocidad_deseada_Motor1_Muñeca &
Velocidad_obtenida_Motor1_Muñeca
50
0.999
Figura 10. Diferencia entre las velocidades deseadas y obtenidas para la articulación del codo
49
Tabla 4. Correlación de las muestras para la articulación del codo
N
Correlación
Par 1
Velocidad_deseada_Motor2_Codo &
Velocidad_obtenida_Motor2_Codo
50
0,998
3.3 Resultado de funcionamiento de
articulación de hombro
La Figura 12 hace notar una ligera variación
de la velocidad que desea el usuario con la
velocidad obtenida para la articulación que
soporta al resto de actuadores eslabones
como es el hombro.
Fig. 11. Diferencia entre las velocidades deseadas y obtenidas para la articulación del hombro
De la Tabla 6 la correlación es 1,00,
superior a las otras articulaciones, esto
indica igualdad entre lo deseado y lo
obtenido para las velocidades de la
articulación del hombro.
Tabla 5. Correlación de las muestras para la articulación del hombro
N
Correlación
Par 1
Velocidad_deseada_Motor3_Hombro &
Velocidad_obtenida_Motor3_Hombro
50
1,00
3.4 Resultado de la trayectoria que
recorre la mano
La Figura 13 visualiza la diferencia entre las
trayectorias deseadas y obtenidas para el
segmento que constituye la mano,
obteniendo una correlación de 1,00; lo que
indica que los movimientos son los
deseados.
Fig. 12. Resultado de trayectoria deseada versus trayectoria obtenida en la mano del mecanismo del brazo
articulado
50
3.5 Resultado de trayectoria que recorre
el antebrazo
La Figura 14 permite observar la diferencia
de trayectorias recorridas por el antebrazo
entre lo deseado y lo obtenido con una
correlación de 1,00; lo que indica que se
obtiene la trayectoria deseada.
Fig. 13. Resultado de la trayectoria que recorre el antebrazo
3.6 Resultado de la trayectoria recorrida
por el brazo
La Figura 15 permite observar un poco
variación de la trayectoria deseada versus la
obtenida para el segmento del antebrazo
con una correlación de 1,00; lo que indica
que las trayectorias son las deseadas.
Figura 14. Resultado de trayectoria descrita por el brazo
4. Discusión
De los resultados obtenidos el controlador
con algoritmo programado en Arduino con
componente de comandos de voz con envío
de datos por bluetooth, controla las
trayectorias de movimientos de torsión-
elongación del hombro de 0° hasta 120°,
movimientos de torsión-elongación del codo
de 0° hasta 120° y movimientos de torsión-
elongación de la muñeca de -30° hasta 60°;
con las articulaciones del mecanismo del
brazo de tres grados de libertad. Así mismo
el trabajo estuvo enfocado en dar apoyo en
rehabilitación motriz de personas con
discapacidad del miembro superior.
Los resultados guardan similitud en
respuesta con el trabajo de Muri et al.,
(2014), que diseñaron un mecanismo para
rehabilitar articulaciones empleando
realidad virtual, siendo el sistema capaz de
adquirir señales eléctricas de la superficie
de la piel, digitalizarlas y posteriormente
51
procesarlas en una PC; para ser usadas en
miembros superiores virtualizados. Así
mismo con el trabajo planteado por Galán
(2017) que diseña e implementa el control
de un exoesqueleto empleado en la
rehabilitación de extremidades superiores
mediante la herramienta Matlab, para la
operación adecuada del sistema se realizó
la programación de un algoritmo que
interpola y modifica parámetros
dependiendo de las señales de control
logrando resultados favorables.
Existen muchas posibilidades tecnológicas
para desarrollar mecanismos que apoyen a
personas con discapacidad, por lo que se
debe realizar investigaciones buscando la
utilidad para personas con discapacidad.
5. Conclusión
Se diseñó un brazo con 03 articulaciones
con control de trayectoria y velocidad por
comandos de que generan torsión-
elongación del hombro en el intervalo de 0°
hasta 120°, codo en el intervalo de 0° hasta
120° y movimientos de la muñeca de -30°
hasta 60°; lo que permite rehabilitar a
personas con discapacidad motora del
miembro superior.
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