Articulo Sistema Revisado1

EIDOS 2011; 4:1-4| 1

EIDOS, 4Marzo-agosto 2011, 1-4

ISSN:1390-499XeISSN:1390-5007

doi:xxxxxxxxxxxx

Sistema de Navegación Virtual para el aprendizaje del cuerpo humano

J. Espinoza, R. Rivadeneira1, Universidad Tecnológica Equinoccial

Recepción/Received: 2011-01-21Aceptación/Accepted: 2011-02-21Publicado/Published: 2011-03-22

Resumen— Este proyecto es una solución didáctica para el aprendizaje de la anatomía humana; está conformado por un casco y un guante de navegación virtual tridimensional. En el casco se visualiza un modelo virtual tridimensional de la anatomía completa del cuerpo humano además de simular los movimientos del cuello para darle mayor realismo al sistema, el guante es el medio mediante el cual el usuario manipula el modelo tridimensional antes mencionado; con el guante puede realizar las siguientes acciones: mover el modelo, girar el modelo, eliminar capas del modelo, y hacer acercamientos y alejamientos.

Palabras clave— Navegación virtual tridimensional, acelerómetro, Xbee, microcontrolador y modelo 3D

Abstract—This project is an educational solution for learning human anatomy, is made up of a helmet and glove 3D virtual navigation. The helmet displays a 3D virtual model of the entire anatomy of the human body in addition to simulate the movements of the neck for added realism to the system, the glove is the means by which the user manipulates the aforementioned three-dimensional model; glove can perform the following actions: move the model, rotate the model, eliminating layers of the model and zoom in and out..

Keywords—3D virtual navigation, accelerometer, Xbee, microcontroller, 3D Model.

I. INTRODUCCIÓNLa realidad virtual ha tomado el mando de las tecnologías de vanguardia, logrando una madurez suficiente como para convertirse en una herramienta usada en el campo de la educación. Específicamente para el entendimiento de ramas difíciles y sustituyendo a sistemas de aprendizaje obsoletos. Hoy en día en el mundo actual del conocimiento y el desarrollo intelectual se necesita de nuevos profesionales que estén capacitados con sistemas de educación que integren varias ramas para el estudio científico como son el uso de la Computación y de la Mecatrónica aplicadas a ramas como son la Medicina, Biología, Anatomía etc.

II. DESARROLLO DEL ARTÍCULOEl sistema de navegación virtual para el aprendizaje del cuerpo humano, está conformado de dos subsistemas: El guante de navegación y el casco en donde se visualiza el entorno virtual.

El guante cumple la función de periférico de entrada, puesto que mediante este, el usuario manipula el modelo tridimensional del cuerpo humano con señas manuales previamente establecidas. Para leer estas señas del usuario se usan los siguientes sensores:

AcelerómetroMMA7260QT: ubicado en la parte dorsal mano, que cumple la función de medir el movimiento de la muñeca mediante variaciones angulares.

Tres Flexo Sensores: ubicados en los dedos medio, índice y pulgar. Responsables de medir la flexión de las falanges mediante la variación interna resistiva del sensor.

El casco de navegación virtual consta de dos partes:

Periférico de entrada: usando un acelerómetro (MMA7260QT) ubicado en la parte superior de la cabeza, que cumple la función de medir el

Julio Espinoza Landeta, [email protected], Romeo Rivadeneira Quelal, [email protected], Universidad Tecnológica Equinoccial.

mailto:[email protected]


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movimiento giratorio de la cabeza mediante variaciones angulares.

Periférico de salida VR1280: consta del casco HMD (Head MountedDisplay) usado para la visualización de los entornos tridimensionales.

Tanto el guante como el casco cuentan con un circuito de acoplamiento y amplificación de señales, un microcontrolador, un dispositivo de comunicación inalámbrica Xbee y una fuente de alimentación.

El circuito de acoplamiento y amplificación de señales está conformado por amplificadores operacionales (LM358). Para el guante en lo que respecta a los tresflexosensores, se usaron tres divisores de tensión y tres amplificadores no inversores; y para el acelerómetro se utilizaron dos amplificadores restadores y dos amplificadores no-inversores para el eje vertical y el eje horizontal. En el caso del casco se implementaron dos amplificadores inversores y dos no inversores para el eje horizontal y para el eje vertical respectivamente.

El microcontrolador PIC 16F870 trabaja como una unidad de lectura, procesamiento y análisis de las señales de los sensores antes mencionadas, así como la comunicación serial con el módulo Xbee para el envío de los comandos inalámbricamente.

Se tiene una red de comunicación inalámbrica conformada por tres Xbee, que se encuentran en el casco, en el guante y en el computador. El Xbee del computador trabaja como receptor de las señales y los otros dos como emisores de información. Esta comunicación inalámbrica tiene un alcance de 15 metros a la redonda en línea de vista.

Como fuente de alimentación de los subsistemas se usa dos baterías de Polímero de Litio (Lipo) recargables para cada subsistema de 3.7V y 1000mAh conectadas en serie.Los distintos dispositivos usados en los subsistemas trabajan con diferentes voltajes de alimentación, por esta razónse necesita proteger los elementos y regular el voltaje a los siguientes valores:

5V regulados por el LM7805 para el microcontrolador.

3.3V regulados por el LM1117t para el dispositivo de comunicaciónXbee y el acelerómetro

6V regulados por el LM7806 usado exclusivamente para el circuito de amplificación del guante.

Las señales leídas por los sensores tienen valores máximos y mínimos muy cercanos, por lo cual es necesario amplificar estos valores para poder utilizar todo el rango del conversor

análogo digital y obtener mayor sensibilidad en la lectura de los datos.

A continuación se muestra los voltajes mínimos y máximos leídos en los distintos sensores, junto con el resultado luego de la amplificación.

TABLA IRESULTADOS DE AMPLIFICACIÓN

DESCRIPCIÓN DE COMANDOS

Los dos subsistemas envían comandos seriales para dar el movimiento al modelo (cuerpo humano) desde su posición inicial (Fig. 1):

Fig. 1. Posición inicial modelo

Subsistema Casco:

Para el movimiento horizontal (Fig. 2) de la cabeza que representa el movimiento del modelo en el eje




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x, se envía el comando Xi junto el valor del movimiento que varía desde -90 a 90 (Fig. 3-Fig 4).

Fig 2. Movimiento horizontal de la cabeza

Fig 3. Movimiento hacia la izquierda, Xi de 0 a 90

Fig 4. Movimiento hacia la derecha, Xi de 0 a -90.

Para el movimiento vertical (Fig. 5) de la cabeza que representa el movimiento del modelo en el eje y, se envía el comando Yi junto el valor del movimiento que varía desde -90 hasta 90 (Fig. 6-Fig 7).

Fig 5.Movimiento vertical de la cabeza.

Fig 6.Movimiento hacia arriba, Yi 0 a 90

Fig 6. Movimiento hacia abajo, Yi 0 a -90

Subsistema Guante:

Rotación del modelo sobre el eje horizontal y vertical.-Cuando se realiza la seña manual (Fig. 7) el modelo gira en el sentido de las agujas del reloj conforme aumentan las variables xj y yj, y en sentido contrario a las agujas del reloj conforme disminuyen las variables xj y yj(Fig.8 y Fig. 9). Las variables xj y yj sólo varían desde -45 hasta +45. El comando serial enviado al computador en este caso es: a1,xj…,yj…,z0




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Fig 7. Rotación del modelo.

Fig 8. Rotación del modelo sobre el eje vertical.

Fig9. Rotación del modelo sobre el eje horizontal.

Zoom Más.-Al realizar la seña manual (Fig. 10) en el entorno virtual tridimensional se produce un acercamiento al modelo (Fig. 11). El comando serial enviado al computador en este caso es: a0,xj…,yj…,z1

Fig10. Zoom Más.

Fig11. Acercamiento del modelo 3D.

Zoom Menos.-Cuando se realiza la seña manual (Fig. 12) en el entorno virtual tridimensional se produce un alejamiento del modelo (Fig.13). El comando serial enviado al computador es: a0,xj…,yj…,z2

Fig12. Zoom Menos.




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Fig13. Alejamiento del modelo.

Desplazamiento del cursor.- Al girar la muñeca hacia la derecha la variable xj aumentará hasta +90 y el cursor se desplazará hacia la derecha, mientras que si se gira la muñeca hacia la izquierda la variable xj disminuirá hasta -90 y el cursor se desplazará hacia la izquierda (Fig. 14); al girar la muñeca hacia delante la variable yj aumentará hasta +90 y el cursor se desplazará hacia arriba, mientras que si se gira la muñeca hacia atrás la variable yj disminuirá hasta -90 y el cursor se desplazará hacia abajo (Fig. 15).

Fig 14. Desplazamiento en el eje horizontal.

Fig 15. Desplazamiento en el eje vertical.

Eliminación de Capas.- Al realizar la seña manual (Fig. 16) se eliminan las capas desde la más externa hasta la más interna, así pues se puede eliminar la capa de la piel, luego la de los tejido, huesos, etc. (Fig. 17). Se elimina sólo el área próxima donde se encuentra el cursor al momento de ejecutar el comando. El comando serial enviado al computador es: a0,xj,yj,z3

Fig 16. Eliminación de capas.

Fig 17. Capas eliminadas en el modelo.




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Datos del subsistema guante.




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Diagrama de flujo de la programación del subsistema del casco.

Datos del subsistema del cascoEstos datos son los valores que lee el conversor análogo digital (valores en rojo) y los valores que




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son impresos para los modelos tridimensionales (valores en azul) estos varían desde -90 hasta 90.

RANGO DE DATOS NEGATIVOS EJE Xi

-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10

108 107 106 105 104 103 102 101 100 99

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-31 -32 -33 -34 -35 -36 -37 -38 -39 -40

78 77 76 75 74 73 72 71 70 69

-41 -42 -43 -44 -45 -46 -47 -48 -49 -50

68 67 66 65 64 63 62 61 60 59

-51 -52 -53 -54 -55 -56 -57 -58 -59 -60

58 57 56 55 54 53 52 51 50 49

-61 -62 -63 -64 -65 -66 -67 -68 -69 -70

48 47 46 45 44 43 42 41 40 39

-71 -72 -73 -74 -75 -76 -77 -78 -79 -80

38 37 36 35 34 33 32 31 30 29

-81 -82 -83 -84 -85 -86 -87 -88 -89 -90

RANGO DE DATOS POSITIVOS EJE Yi

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

119 120 121 122 123 124 125 126 127 128

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

129 130 131 132 133 134 135 136 137 138

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

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41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

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RANGO DE DATOS NEGATIVOS EJE Yi

-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9-

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107 106 105 104 103 102 101 100 99 98

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67 66 65 64 63 62 61 60 59 58

-51 -52 -53 -54 -55 -56 -57 -58-

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57 56 55 54 53 52 51 50 49 48

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47 46 45 44 43 42 41 40 39 38

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RANGO DE DATOS POSITIVOS EJE Xi

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10109

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III. CONCLUSIONES Los modelos 3d están desarrollados en entorno

Netbeansque es una plataforma de software libre la cual usa lenguaje Java capaz de correr en cualquier sistema operativo.

Los comandos de los dos subsistemas son enviados vía serial, en conjunto separados por una coma (,) para ser diferenciados entre sí.

Para el correcto funcionamiento del sistema, es necesario tener un procesador rápido con una tarjeta aceleradora de gráficos externa en el computador.

Existe una limitación en la lectura de señas manuales directamente proporcional al número de flexosensores instalados en el guante de navegación; para leer todas las señas manuales posibles sería imperativo instalar un flexosensor en cada articulación de la mano.

Los flexosensores presentan un tiempo de vida útil muy baja, puesto que el rozamiento de la capa resistiva con la superficie del guante produce un desgaste que hace que el sensor pierda efectividad y comience a disminuir la sensibilidad.

Las placas fueron fabricadas en montaje superficial para reducir peso y volumen, y con esto conseguir un sistema más ergonómico.

El casco debe visualizar los modelos 3D permitiendo al usuario alejarse del entrono en el que se encuentra y entrando en los modelos mediante una navegación en tiempo real.

IV. BIBLIOGRAFIA

[1] C. Blanco, Fundamentos de electrónica digital. España: Thomson, 2005.

[2] Angulo Usategui, J. M. (2003). Microcontroladores PIC Diseño práctico de aplicaciones.España: Mc Graw Hill.

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Chile: Ingeniería MCI Ltda.[5] Reyes, C. (2008). Microcontroladores PIC- Programacion en

BASIC.Quito: RISPERGRAF.

Romeo Rivadeneira nació en Quito el 13 de mayo de 1988. Estudio IngenieríaMecatrónica en la Universidad Tecnológica Equinoccial.

Realizo sus prácticas pre-profesionales en la Compañía de Economía Mixta Operaciones Rio Napo-CEM en el área de Automatización y Control en el campo Sacha, luego en Quito en el área de Aplicaciones en Tiempo Real. Ejerció profesionalmente en la compañía Surmaq como Asesor Técnico Comercial en el área de Automatización y Neumática. Realizó proyectos en conjunto con la Universidad Tecnológica Equinoccial y el ITT-Investigación y Transferencia de Tecnologías, proyectos como el Desarrollo de un sistema automático de Calefacción de Agua mediante colectores solares.

Julio Espinoza Landeta nació en Salinas el 04 de marzo de 2012. Estudio Ingeniería Mecatrónica en la Universidad Tecnológica Equinoccial. Realizo sus prácticas pre-profesionales en la compañía Petroecuador de la ciudad de La Libertad dentro del área de Mantenimiento Eléctrico y Electrónico, Ejerce profesionalmente en la Empresa Instrumental & Óptica de la ciudad de Quito en el departamento de Servicio Técnico y Reparación.. Fue partícipe en el desarrollo de un Sistema Híbrido de Calefacción de Agua en conjunto con la Universidad Tecnológica Equinoccial.




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