CONTROL ORIENTADO A LA HERRAMIENTA PARADISPOSITIVO ASISTENCIAL EN TAREAS QUE

REQUIEREN CAPACIDAD DE PINZADO

Edwin D. Ona, Alberto Jardon, Gabriel Barroso, Carlos Balaguer

Robotics Lab, Universidad Carlos III de Madrid, Avda. Universidad 30, Leganes (Madrid), Espanaeona@ing.uc3m.es, ajardon@ing.uc3m.es, gabriel.barroso@airbus.com, balaguer@ing.uc3m.es

Resumen

PRESSMATIC es un dispositivo electromecanicoque genera movimientos automaticos de apertura ycierre en su extremo. Esta dirigido a personas queconservan movilidad en las extremidades superio-res, pero carecen de destreza manual para utilizarherramientas pequenas como tijeras, cortaunas opinzas. En el desarrollo tecnologico del dispositi-vo, se han utilizado elementos comunes, sin em-bargo, la aplicacion en sı misma es innovadora.En este artıculo, se presenta el desarrollo del sis-tema de control orientado a las herramientas, queha sido implementado para elevar la usabilidad deldispositivo. Ademas, se describe brevemente la in-terfaz grafica que soporta el control. Se muestrantambien, los resultados de pruebas con usuariospotenciales y, finalmente se presentan las conclu-siones.

Palabras clave: Asistencial, Portatil, Agarre,Electromecanico, Destreza manual

1. INTRODUCCION

A dıa de hoy existen en Espana y en el resto delmundo millones de personas con algun tipo de di-versidad funcional. Segun su grado de movilidad,muchas de ellas se encuentran en una situaciontal que aun conservando gran parte de la funcio-nalidad de sus miembros superiores, tienen dificul-tades para realizar tareas que requieren de ciertadestreza manual. Esta situacion les puede impedir,entre otras cosas, el uso de determinados objetosde la vida cotidiana para los cuales se necesita unmınimo de destreza. Ası, la utilizacion de herra-mientas como tijeras, tenazas, cortaunas, etc. querequiere de acciones muy precisas para su correctaoperacion, se les puede antojar irrealizable debidoa esa falta de movilidad. Puesta de manifiesto estasituacion, que a nivel de Espana se encuentra do-cumentada en un estudio llevado a cabo por el Ins-tituto Nacional de Estadıstica [6], se contemplo laidea de hacerla frente mediante un desarrollo tec-nologico que al menos posibilitase a estas personasla utilizacion de algunas herramientas y por endeles otorgase mayor autonomıa en sus actividades

basicas de la vida diaria (ABVD).

Las causas por las que una persona carece de mo-vilidad en sus miembros superiores son varias y denaturaleza muy diversa: lesiones, amputaciones,enfermedades, etc. Cualquiera de estas afeccionesse traduce en una disminucion de las capacidadesde la mano de quien las padece, desde la inmovili-dad de una sola falange a la imposibilidad de reali-zar cualquier juego de dedos, muneca o antebrazo[8]. Para la completa funcionalidad de la mano de-ben conservarse en buen estado tanto las partes delos aparatos locomotor y circulatorio inherentes ala misma como las capacidades del sistema nervio-so encargadas de elaborar, transmitir y controlarlos impulsos que intervienen a la hora de desenvol-ver cualquiera de sus actividades propias. Un falloo lesion en alguna de esas partes podrıa derivar enla perdida de control sobre la musculatura respon-sable de los movimientos de la mano, que en ulti-mo termino es la ejecutora directa de los mismos.Por otro lado, afecciones oseas (artrosis, artritis,reuma), ademas de perdidas mecanicas de movili-dad, pueden provocar tambien dolores tan fuertesque limiten a la persona afectada. Por tanto elabanico de posibles lesiones y de su naturaleza,es extenso. Una mera tendinitis cronica en cual-quiera de esos musculos podrıa suponer una causade perdida de movilidad que acarree disfuncionesen las actividades de la vida diaria de la personaafectada. Ni que decir tiene que danos en el sis-tema nervioso (lesiones medulares, enfermedadesneurodegenerativas) pueden repercutir en que elindividuo pierda parte o la totalidad del controlde los musculos mencionados anteriormente.

Esto logicamente afecta a numerosas actividadesde su vida diaria, en mayor o menor medida, de-pendiendo del alcance de la afeccion, y provocasituaciones de perdida de autonomıa personal, im-posibilidad para continuar desempenando una ac-tividad laboral, etc.

1.1. TRABAJOS RELACIONADOS

La sujecion de herramientas cotidianas, es uno delos principales problemas con los que se encuen-tran los usuarios a quienes va dirigido este dispo-

Figura 1: PRESSMATIC con cabezales intercam-biables (esquina superior izquierda) y base paraintercambio de cabezales (esquina superior dere-

cha)

sitivo. Aunque a dıa de hoy, encontramos solucio-nes que facilitan el agarre y sujecion de utensilios[2], son solo adaptaciones [4] y el problema de lafalta de control en los movimientos se mantiene,convirtiendose en una barrera importante.

Por otro lado, se encuentran soluciones basadas enel uso de ortesis. En [3] se propone un mecanismodiferencial de transmision de potencia basado encable tensor y muelle. La tension del cable simu-la la funcionalidad de un tendon. Para el retorno,se utiliza el resorte para transferir la fuerza delactuador lineal. En [7] se presenta un dispositivoque apoya el movimiento del dedo pulgar e ındi-ce. Su sistema tambien esta basado en actuadoreslineales y cables. Por otro lado, en [1] se planteaun exoesqueleto para la mano completa. El disenodel exoesqueleto se basa en anillos de aluminio ytambien utilizando actuadores lineales.

1.2. PRESSMATIC: Breve descripcion

El objetivo principal del dispositivo de apoyoPRESSMATIC, es el de asistir a personas quehan perdido la capacidad de utilizar con destre-za los dedos pulgar e ındice (ya sea por una dis-capacidad, accidente, o por envejecimiento) peroque mantienen cierta capacidad para sujetar ob-jetos, suficiente como para sostener un smartpho-ne. Debido a la falta de destreza en sus dedos, noson capaces por sı mismos de realizar tareas querequieran la capacidad de pinzado. Entre las ta-reas que resultarıan difıciles de realizar para per-sonas con este tipo de problema, encontramos cor-tar utilizando unas tijeras, recoger o sujetar obje-tos pequenos, utilizar pinzas, cortaunas, etc. Po-der utilizar alguna de las anteriores herramientassin PRESSMATIC, conlleva tener cierta destrezay control de movimientos. Por ejemplo, para utili-zar unas tijeras hay que introducir los dedos ındicey pulgar en los agujeros de la tijera; sujetar unaspinzas de depilar requiere bastante destreza para

utilizarlas sin que se caigan; un cortaunas ademasde que no se caiga requiere cierta fuerza.

El sistema (Figura 1), consta de tres elementos:

a) Cuerpo principal: donde, a excepcion de loscabezales que no son fijos, aloja en su inte-rior todos los elementos funcionales: motor,electronica de control, mecanismo de conver-sion de movimiento rotatorio a lineal en elextremo, y pantalla tactil.

b) Cabezales intercambiables: disenados con lamisma funcionalidad que una herramienta deuso comun (tijeras, cortaunas, etc.). Dichoscabezales son intercambiables, y se puedenacoplar al cuerpo principal segun la necesi-dad del usuario en un momento determinado.Ası, se busca un dispositivo flexible capaz derealizar varias tareas.

c) Base de ayuda para cambio de cabezales: Pa-ra facilitar la tarea de insertar como extraerlos cabezales, se ha disenado un sistema deapoyo para dicha tarea. Para ello, el disenode los cabezales incorpora salientes lateralesademas de unos imanes, de manera que sepuedan quedar sujetos a la base que tambienincorpora imanes.

2. METODOLOGIA

Con el fin de conseguir que la manera de utili-zar el dispositivo sea lo mas facil, intuitiva y ac-cesible posible de cara al usuario, se implementoun control orientado a la herramienta. Es decir, eldispositivo presenta al usuario las opciones de he-rramienta que incorpora y ejecuta una tarea pre-programada y adaptada para cada herramienta.Ası, el usuario simplemente debe seleccionar laherramienta que mejor se adapte a la tarea quequiera realizar (ver Figura 2).

Usuario

Dispositivo

tareacabezal adecuadoSelección de

según la tarea velocidad, etc)de ejecución (inicio,Selección opciones

Tarea

ejecuta la

Figura 2: Descripcion del control orientado a laherramienta

Para definir las tareas pre-programadas, se haceun analisis de los modos de funcionamiento natu-rales para cada una de las herramientas, definien-do las especificaciones del control. Como resulta-do, se definieron tres modos de operacion (Tabla

Tabla 1: Modos de operacion y velocidad segunherramienta

Cabezal Modo VelocidadTijeras Continuo VariablePinzas grandes Paso a paso VariablePinzas pequenas Paso a paso VariableCortaunas Simple Fija

1), puesto que las herramientas de pinzas a pesarde ser fısicamente diferentes, de cara al controlserıan iguales.

Del analisis de las herramientas, tambien se ob-servo que para el uso de las tijeras serıa adecuadotener opciones para modificar la velocidad de cor-te. Ası, dentro del modo Continuo se definierontres niveles de velocidad (rapido, medio y lento).Durante el uso de la herramienta de cortaunas, seobservo la necesidad de maximizar el par para elcorte. Por lo tanto, para el modo Simple, se hamarcado una velocidad lenta no variable. En eluso de las pinzas no se vio un perfil de funciona-miento restringido. Ası, en el modo Paso a paso sehabilitan tambien las tres opciones de velocidad.

2.1. CONTROL ORIENTADO A LAHERRAMIENTA

El movimiento lineal en el extremo del dispositivo,se consigue a partir del movimiento rotatorio deun motor paso a paso RS-5350366 y, de por medio,un mecanismo de conversion basado en engranajesy tornillo sinfın. Ası, el control sobre el giro delmotor, se corresponde con el desplazamiento linealen el extremo, y por ende, de los cabezales (verFigura 3).

Motor

Engranajes

Tornillo sinfín

Base para fijación de cabezales

Figura 3: Conversion de movimiento rotatorio alineal

Se utiliza un driver de potencia Pololu A4988 paraalimentar al motor y controlar su movimiento pormedio de senales digitales. Para esta aplicacion,

se han utilizado las senales: Enable (EN), Step(STEP), direction (DIR), y microstepping(MS1,MS2, MS3).

2.1.1. Modo continuo

El modo Continuo es el programado para el cabe-zal de tijeras, y ejecuta ciclos completos de aper-tura y cierre de forma indefinida. El usuario debeindicar cuando iniciar y cuando detener la ejecu-cion de la tarea.

REPOSO

¿Detener?

¿Iniciar?

INICIOSI

SI

SI NO

NO

NO

CONTINUOMODO

¿Salirdel modo?

SELECCIÓN

CONTINUODELMODO

EN=HIGH

EN = LOW

STEP

T

Figura 4: Diagrama de flujo para modo de control‘Continuo’

Este modo de operacion (Figura 4), empieza en unestado de Reposo, donde se deshabilita el movi-miento del motor (EN = ‘1’) y donde se mantieneesperando a un cambio de cabezal o a la senal deinicio de cortar. Cuando la senal de iniciar el cortese activa, entra en el modo Continuo donde se ha-bilita el motor (EN = ‘0’) y se genera un tren depulsos de periodo constante. Cuando el usuario ac-tive la senal de detener el corte se vuelve al estadode Reposo. Para detectar que se ha alcanzado elrecorrido maximo de apertura o cierre, se utilizanlos micro interruptores B3U3100P y B3U1100P.Su salida se conecta a dos interrupciones del mi-cro controlador donde se cambia el sentido de girodel motor.

2.1.2. Modo paso a paso

El modo paso a paso, es el programado para los ca-bezales de pinzas y permite realizar movimientoscortos de apertura o cierre, de forma controlada avoluntad del usuario.

REPOSO

¿Cerrar?

¿Abrir?

INICIOSI

SI

SI

NO

NO

NO

MODOABRIENDO

MODOCERRANDO

¿Salirdel modo?

SELECCIÓN

PASOAPASODELMODO

Figura 5: Diagrama de flujo para modo de control‘Paso a paso’

Para conseguir esta funcionalidad (Figura 5), serequieren dos senales de control: una para movi-mientos de apertura y otra para el cierre. Parapermitir al usuario el maximo control sobre losmovimientos, se programa que el dispositivo ge-nere movimiento (apertura o cierre), mientras lascorrespondientes senales de control esten activas.Si el dispositivo alcanza su recorrido maximo deapertura o cierre, el motor se detendra hasta quese active la senal contraria. Esto se consigue utili-zando los interruptores de final de carrera.

2.1.3. Modo simple

Finalmente, el modo simple es el utilizado parael cabezal de cortaunas, y ejecuta unicamente unciclo completo de apertura y cierre, equivalenteal corte de una una. El usuario volverıa a ejecutarun ciclo completo cada vez que este preparado. Eneste modo (Figura 6), se limita la apertura del dis-positivo a la mitad del recorrido total, suficientela introducir la una en la herramienta. Para ma-ximizar la fuerza, no se permite las opciones decambio de velocidad, y se establece la misma a lamas lenta.

2.2. SISTEMA ELECTRONICO

La programacion de los modos de funcionamiento,fue desarrollada siguiendo los diagramas de flu-jo mostrados anteriormente. El codigo se imple-mento bajo la plataforma de codigo abierto Ar-duino. Por dicha razon, los elementos hardwareempleados han sido compatibles para Arduino.

Para el desarrollo, se utilizo el microcontroladorATmega2560 que incorpora las placas de desarro-

NO

REPOSO

¿CORTAR?

SIMPLEMODO

INICIOSI

SI

NO

¿Salirdel modo?

SELECCIÓN

SIMPLEDELMODO

Figura 6: Diagrama de flujo para modo de control‘Simple’

Alimentación

Control

Driver motor

Bluetooth

Figura 7: Explosionado de diseno PCB

llo Arduino Mega 2560 y Mega ADK. De los re-cursos que ofrece dicho microcontrolador, se hanutilizado 13 pines para entradas y salidas digita-les, una pin de salida analogica para enviar unasenal PWM que controle la velocidad del motor,y dos puertos serie, uno a 115200 baudios paracomunicacion con la pantalla tactil y otro a 9600baudios que se conecta a un modulo de bluetoothpara comunicacion con dispositivos externos. Pa-ra alimentar el motor, tipo paso a paso bipolar,se utilizo el driver de potencia Pololu A4988 yaque reunıa condiciones adecuadas de tamano, po-tencia entregada, pocas senales de control y po-cos componentes externos adicionales. La veloci-dad del motor, se ajusta de acuerdo a la frecuenciade una senal PWM que se conecta al driver de po-tencia, y se traduce en pasos del motor. Ademas, elA4988 tiene opcion de microstepping, lo que per-mite incrementar su resolucion. En nuestro caso,atendiendo a un compromiso entre velocidad dedesplazamiento de los cabezales y el par efectivoentregado, se utilizo una frecuencia de 800 Hz sinque el motor perdiera pasos.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 8: Interfaz de control para pantalla tactilintegrada en color rojo-turquesa. a) menu princi-pal, b) menu control tijeras, c) menu control pin-

zas, y d) menu control cortaunas

2.3. INTERFAZ DE CONTROL

Para comandar el dispositivo, se requiere una in-terfaz de control que cumpla con los objetivos deaccesibilidad y facil manejo. Atendiendo a ello,e intentando llegar al mayor numero posible deusuarios, se desarrollaron tres canales de comuni-cacion: utilizando una pantalla tactil, una aplica-cion Android para smartphone y control por co-mandos de voz.

2.3.1. Pantalla tactil

El primer canal de comunicacion, utiliza una in-terfaz grafica implementada en una pantalla tactilintegrada en el cuerpo principal. Se ha elegido lapantalla resistiva modelo uLCD-28PTU [11] yaque ofrece un tamano de 2.8 pulgadas, adecua-do para nuestra aplicacion, un sencillo entorno deprogramacion grafico y comunicacion por puertoserie. Aunque por sensibilidad al tacto, una pan-talla capacitiva es una mejor opcion se opto porla actual pantalla resistiva puesto que el objetivodel prototipo es validar la funcionalidad del mis-mo y la utilidad de la pantalla integrada. A travesde la pantalla tactil, se presentan de forma visuallas opciones de herramienta al usuario. Se utili-zan pictogramas, disenados para cada herramien-ta, con la intencion de hacer el uso de PRESSMA-TIC mas intuitivo. En la Figura 8, se muestran lainterfaz grafica disenada. En el diseno de la in-terfaz grafica, se han tenido en cuenta criteriosde accesibilidad de paginas web para permitir unamejor visibilidad de los iconos y poder reconocersu funcion de una manera sencilla.

(a) (b) (c) (d)

Figura 9: Menus de navegacion para aplicacionAndroid: a) menu principal, b) menu control ti-jeras, c) menu control pinzas, y d) menu control

cortaunas

2.3.2. Aplicacion android para movil

El segundo canal de comunicacion es a travesde una aplicacion Android que, instalada en unsmartphone, puede vincularse a PRESSMATICmediante bluetooth. El OS Android es una pla-taforma de codigo abierto y software libre, quecuenta con una comunidad de desarrolladores muycompetente como por ejemplo Stackoverflow [9], yocupa la mayorıa de cuota de mercado estandoinstalado en mas del 80 % de los terminales en elmundo [5].

En el desarrollo de la aplicacion para movil, seha mantenido el diseno grafico implementado enla pantalla tactil, es decir, se han utilizado losmismos pictogramas, mismo menus de navegacion,mismos colores, y sobre todo la misma funcionali-dad. Ademas, se han tenido en cuenta los criteriosde accesibilidad recogidos en [10], [2]. En la Fi-gura 9, se muestran los menus implementados enla aplicacion movil, y que se corresponden con losmenus desarrollados para la pantalla tactil (ante-rior Figura 8).

Para comunicar el smartphone con PRESSMA-TIC, la electronica de control abordo incluye unemisor-receptor bluetooth HC-05 compatible conArduino. Desde la aplicacion movil se envıan co-mandos predefinidos correspondientes a una ac-cion de pulsar o seleccion en el menu. El moduloHC-05 recibe los comandos y los envıa por puer-to serie al microcontrolador que ejecuta la tareacorrespondiente.

En la Tabla 2, se muestra los comandos utilizadosy las acciones a las que se corresponden, agrupa-dos de acuerdo a la pantalla en la que se encuen-tran. Para mostrar el funcionamiento, planteamosun ejemplo de un usuario que quiere utilizar el ca-bezal de tijeras a una velocidad intermedia. Desdela pantalla de inicio (Figura 9-a), que se corres-ponde con el grupo ‘Seleccion de herramientas’,se seleccionan las tijeras, la aplicacion movil envıael comando ‘b’ correspondiente al modo continuo.

Tabla 2: Comandos protocolo bluetooth

Grupo Menu/Accion Comando

Modo continuo bSeleccion de Modo Paso a paso cherramientas Modo cortaunas e

Menu Bluetooth fVelocidad baja 5

Menu de Velocidad media 6tijeras Velocidad rapida 7

Inicio-Parada 0

Menu gripAbrir 1Cerrar 2Reposo z

Menu deUn corte 8

corta unas

Menu deConectar-Desconectar 9

bluetooth

Comun Atras-Inicio a

La aplicacion movil cambia automaticamente depantalla y presenta el menu correspondiente a lastijeras (Figura 9-b), donde tenemos disponibles losbotones de velocidad y de inicio/parada.

Al establecer la velocidad intermedia, la aplica-cion movil envıa el comando ‘6’ que establece di-cha velocidad en PRESSMATIC. Finalmente, alpulsar el boton de inicio, se enviarıa el comando‘0’ para empezar a cortar. Los comandos defini-dos en la Tabla 2, no contienen informacion por sımismos, sino que ayudan a la electronica de con-trol, a distinguir una accion de pulsar un boton ya que boton se corresponde, permitiendole actuaren consecuencia.

Esta segunda interfaz grafica presenta algunasventajas respecto a la pantalla integrada. Por unlado, puede funcionar de forma simultanea con lapantalla tactil, sin interferir la una con la otra.Cada cambio o accion en una interfaz, se refle-ja automaticamente en la otra. Ası, a traves delmovil, permite a los usuarios controlar el disposi-tivo como si se tratase de una pantalla remota. Porotro lado, se instala en el smartphone del usuariofinal, con el que se va a encontrar mucho mas fa-miliarizado pudiendo manejarlo de forma mas flui-da y comoda. Ademas, la pantalla capacitiva delsmartphone, mejora notoriamente la sensibilidadtactil de la pantalla resistiva integrada, disminu-yendo la dificultad de uso.

2.3.3. Comandos de voz

Finalmente, el tercer canal de comunicacion es me-diante comandos de voz. Para ello, se utilizo elmodulo de reconocimiento de voz EasyVR 2.0, quees capaz de reconocer palabras pregrabadas en su

memoria y enviar un comando definido para cadapalabra a traves de su puerto serie. Los comandosenviados, son los mismos que utiliza la aplicacionmovil para mantener la coherencia. Para imple-mentar el control por voz, se conecto el moduloEasyVR a un Arduino Mini y un modulo blue-tooth HC-05. El Arduino Mini, servıa como unapasarela que permite envıar los comandos recono-cidos por el modulo de voz, a traves del disposi-tivo bluetooth. Esta ultima forma de controlar eldispositivo, no ha podido ser desarrollada amplia-mente, pero ofrece una vıa muy a tener en cuentapara futuras iteraciones.

3. RESULTADOS

El funcionamiento del control propuesto, en pri-mer lugar se valida de forma satisfactoria en el la-boratorio, comprobando que la integracion entrelos distintos canales de comunicacion, ası como elcontrol del dispositivo no presentan ningun proble-ma. Para evaluar la funcionalidad del control porparte de un usuario potencial, se propuso realizarvarias tareas a un individuos con lesion medular.Los participantes carecen de destreza manual y noson capaces por sı solos de utilizar unas tijeras, nimanipular objetos pequenos.

Se plantea realizar dos tareas utilizando unica-mente PRESSMATIC y el cabezal adecuado parallevarlas a cabo. La primera tarea propuesta con-siste en cortar varias figuras geometricas impresassobre un folio de papel tamano A4. En la Figura10 se muestra a uno de los individuos realizandola tarea.

Figura 10: Sujeto realizando tarea de corte

La segunda tarea consiste en recoger objetos pe-quenos y colocarlos en un recipiente. Entre los ob-jetos a recoger tenemos los cubos (25 mm de aris-ta) de un test ampliamente utilizado en la evalua-cion de destreza y coordinacion manual, denomi-

nado Box & Blocks Test. Otro de los objetos fueuna memoria UBS Pendrive. En la Figura 11 semuestra a otro participante realizando la segundatarea.

Figura 11: Sujeto realizando tarea de recoger ob-jeto pequeno

4. CONCLUSIONES

En este trabajo, se presenta el diseno e implemen-tacion del control de un dispositivo asistencial pa-ra tareas que requieren de destreza manual. Parafacilitar la usabilidad del dispositivo, se desarrollaun control orientado a la herramienta. A tal fin,se define un set de herramientas que incluyen tije-ras, pinzas grandes y pequenas, y cortaunas. Trasanalizar la el modo de funcionamiento de cada he-rramienta, se definen tres modos de operacion quese pre-programan de cara al usuario. Para validarel control propuesto, se lleva el dispositivo a uncentro de cuidado de personas con discapacidad.Se propone el desarrollo de dos tareas: cortar figu-ras geometricas de un folio, y recoger objetos pe-quenos. Los participantes, presentan varios nivelesde lesion medular, careciendo de destreza manualpara realizar las tareas propuestas por sı solos. Losresultados son satisfactorios puesto que todos losparticipantes son capaces de completar las tareas,en mayor o menor tiempo. Ademas, a partir dela experiencia de usuarios potenciales se valida elcontrol del dispositivo, teniendo mayor acogida eluso de las herramientas por medio de la app ins-talada en un smartphone.

Agradecimientos

A la Fundacion Caser por el premio en I+D, a laFundacion Universia por financiar este proyecto, yal equipo del Robotics Lab. La investigacion quelleva a estos resultados ha recibido financiacion delproyecto RoboCity2030-III-CM (Robotica aplica-da a la Mejora de la Calidad de Vida de los Ciuda-danos Fase III; S2013/MIT-2748), financiado porProgramas de Actividades I+D en la Comunidadde Madrid y cofinanciado por los Fondos Estruc-turales de la UE.

Referencias

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[11] 4DSYSTEMS (2001). http://www.

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