SISTEMA DE CONTROL DE UNA SILLADE RUEDAS MOTORIZADA PARA PERSONAS

CUADRIPLÉJICAS

C.D. RIGANO, J.P. BOTTANI, A. ROMANO, R. MORO ZUBILLAGA

Y O.A.A. ORQUEDA

Departamento de Ingeniería EléctricaUniversidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Bahía Blanca (UTN-FRBB)

11 de Abril 461 – (8000) Bahía Blanca – Argentina

Resumen− En este trabajo se presenta el desarro-llo de varios sistemas de control de una silla de rue-das motorizada para personas de distintas discapa-cidades físicas, hasta la cuadripléjia. Los sistemas decontrol están basados en la programación de un PLCS7-212 de Siemens. La silla se puede controlar me-diante joystick, soplo y aspiración o contacto.

Los objetivos fundamentales perseguidos con estetrabajo son: (a) desarrollar un sistema de desplaza-miento para mejorar la calidad de vida de personasdiscapacitadas; (b) desarrollar circuitos y progra-mación de control con aplicaciones inmediatas, quepermitan profundizar y afianzar conocimientos a losalumnos del Departamento de Ingeniería Eléctricade la Universidad Tecnológica Nacional - FacultadRegional Bahía Blanca (UTN-FRBB.)

Palabras Claves − Circuitos Combinacionales,Autómata Programable, Silla de Ruedas Motoriza-da.

I. INTRODUCCIÓNEl proyecto se concibe con la intensión de desarrollar unsistema de control para aplicarlo en una silla de ruedas.Este trabajo está orientado a favorecer la calidad de vidade personas con distintas incapacidades motrices, hastael grado de personas cuadripléjicas. El prototipo se ob-serva en la figura 1.

El sistema de control responde a tres tipos de co-mandos, implementados sobre la silla. Para personasparapléjicas, ofrece la posibilidad del comando a travésdel clásico joystick, controlado manualmente. Para pro-blemas de cuadripléjia, se puede comandar bucalmente,sobre una boquilla, mediante una cantidad determinadade soplidos y aspiraciones. Mientras que para personascon dificultades intermedias o especiales, existe la posi-bilidad de controlar la silla mediante una cierta cantidadde pulsos sobre un contacto.

El proyecto se ha llevado a cabo sobre una silla deruedas motorizada y comandada por joystick y lógica decontactores. Esta ha sido diseñada y construida entera-mente por alumnos y docentes de la especialidad Elec-tromecánica de la Escuela de Educación técnica N°1

“Crucero A.R.A. Gral. Belgrano” de Ing. White. Esteproyecto ha obtenido el primer lugar en la Feria deCiencias local del año 1997 y ha accedido a competir enel mismo certamen en el ámbito provincial. El primerautor de este trabajo es uno de los alumnos participantesen el proyecto original.

El trabajo está organizado de la siguiente manera:En la sección II, se presenta las características físicas dela silla y los distintos elementos que la componen. En lasección III, se describen los distintos tipos de movi-mientos. En la sección IV, se desarrolla el circuito depotencia, que es el encargado de activar los motores. Enla sección V se analiza el PLC, empezando por las en-tradas y salidas y terminado con el programa. En la sec-ción VI se resume los resultados experimentales obteni-dos. Las conclusiones, los proyectos futuros y la biblio-grafía cierran este trabajo.

Figura 1 – Representación de la silla de ruedas.

II. CARACTERÍSTICASLa silla está construida en caño estructural, lo que leotorga mayor peso y mucha mayor resistencia, aunquemenor autonomía. Ha sido construida, a excepción delos motores, con material reciclado.

Las dimensiones del prototipo son estándar, diferen-ciándose solamente en un mayor ancho, dependiente deltamaño de las dos baterías de 12 voltios de automóvil,que tiene colocadas bajo el asiento. La butaca ha sidoreciclada de una silla de escritorio. Las ruedas traserasson de un ciclomotor de 50cm3. Las ruedas delanterasson de movimiento libre, extraídas de otra silla de rue-das de rezago.

La tracción es obtenida de dos motores de corrientecontinua de 24 voltios con conexión en derivación y conuna potencia de 1 HP. Cada motor está acoplado a unacaja reductora y la cupla se transmite a las ruedas pormedio de un sistema de poleas y una correa en V.

Delante del apoya-brazos derecho tiene montado eljoystick, tres leds indicadores de funcionamiento y unbotón de comando.

En la parte posterior se encuentra el gabinete eléctri-co, y sobre un riel Din, en su interior, están montados unPLC S7-212 de SIEMENS, cuatro contactores de poten-cia para el comando de los motores, el diafragma para elcomando por soplos, su circuito electrónico y una pro-tección electromagnética. Este gabinete se observa en lafigura 2.

Figura 2 – Tablero eléctrico.Las dimensiones de la silla son:§ Alto:113 cm

§ Ancho:76 cm

§ Largo:103 cm

§ Peso:35 Kgf (Sin baterías)

III. MOVIMIENTOSLa silla de ruedas posee seis movimientos, los cuatroclásicos de avance, retroceso, giro hacia la izquierda yhacia la derecha, más dos movimientos de giro corto

hacia la derecha e izquierda. Estas últimas permitenmaniobrar en lugares de poco espacio.

Todos los movimientos se encuentran resumidos enla figura 3.

Figura 3 – Tipos de movimientos.La silla de ruedas avanza hacia delante, cuando los

dos motores giran en sentido horario, estando el obser-vador situado a la derecha de la silla. Al avanzar haciaatrás, los dos motores giran en sentido antihorario.

El control permite girar de dos formas distintas. Enla forma denominada giro largo, un solo motor estáactivo. Por ello, para girar hacia la derecha se activa elmotor izquierdo en sentido horario y para doblar a laizquierda se acciona el motor derecho en sentido hora-rio. El radio de giro para esta forma es igual al ancho dela silla de ruedas.

En la forma de giro corto, los dos motores funcionansimultáneamente. Cuando gira hacia la derecha, el mo-tor izquierdo se activa en sentido horario y el motorderecho en sentido antihorario. Mientras que en el girohacia la izquierda, el motor derecho gira en sentido ho-rario y el motor izquierdo en sentido antihorario. Elradio de giro es igual a la mitad del ancho de la silla deruedas. Esto permite que la silla maniobre en lugares depoco espacio ya que la misma gira sobre su propio eje.

IV. CIRCUITO DE POTENCIALa activación de los motores se realiza por medio decuatros contactores trifásicos. Las bobinas de los con-tactores son de 24 Voltios de corriente continua. Cadamotor utiliza dos contactores, uno para poder girar ensentido horario y el otro para invertirlo. Dos de los con-tactos de cada contactor trifasico permiten invertir lacorriente del bobinado de campo y el restante es utiliza-do para alimentar el bobinado de la armadura de maneraque siempre tenga una circulación de corriente en elmismo sentido, representado en la figura 4.

Los contactores son activados indirectamente por lassalidas del PLC. Para protección, tiene colocado unainterfase intermedia, diseñada con relés de una centraltelefónica que activa los contactores, figura 4. Los dio-

dos colocados en paralelo a las bobinas de los contacto-res y de los relés son utilizados para disipar la energíaalmacenada en la inductancia cuando se produce la des-conexión.

A. Motor Izquierdo

Cuando se activa la salida Q0.0 del PLC, se energiza elrelé R1, el cual hace lo mismo con el contactor C1 yproduce la puesta en marcha del motor izquierdo ensentido horario. Cuando la salida Q0.2 tiene valor lógicoigual a uno se activa el relé R3, el contactor C3 y elmotor se pone en funcionamiento en sentido antihorario.

B. Motor Derecho

De la misma manera, al estar la salida Q0.1 del PLC enel nivel lógico alto, se activa el relé R2, con él, el con-tactor C2 y pone en funcionamientos el motor derechoen sentido horario.

Finalmente, cuando Q0.3 tiene valor lógico igual auno, se pone en marcha el motor en sentido antihorario.

Las salidas Q0.0 y Q0.2, así como las salidas Q0.1 yQ0.3 del PLC poseen enclavamientos en la programa-ción que no les permite estar activas a la vez para evitarque se produzca un cortocircuito.

Figura 4 – Circuito de Potencia.

V. AUTÓMATA PROGRAMABLEEl autómata programable que se utiliza en el control dela silla de ruedas motorizada es un CPU 212 de la em-presa SIEMENS. Se alimenta con una tensión de 24Voltios de corriente continua. Sus entradas y salidasincorporadas son niveles lógicos de corriente continua.

A. Entradas y Salidas

En este proyecto se usan cuatros de la seis salidas quetiene el PLC y las ocho entradas que posee. Cuatro en-tradas son asignadas a las posiciones del joystick y unaal pulsador, como se representa en la figura 5. Este bo-tón permite pasar de la forma de giro largo a giro corto.

Todas las entradas hasta ahora mencionadas sirven parael comando por joystick.

Figura 5 – Joystick, leds indicadores y pulsador.Para el comando por aire se utilizan tres entradas.

Una de ellas es para el soplo, otra es para la aspiración yla tercera es para poder detener la marcha de la silla.Esta última entrada se encuentra activa cuando la bocaestá tocando la boquilla donde ingresa o egresa el aire ycolocando la mano en la parte metálica que se encuentraen el asiento de la silla de ruedas. Estos contactos seobservan en la figura 6. Si estas condiciones no se cum-plen, la silla detiene su marcha.

Figura 6 – Boquilla y contacto metálico.El transductor que se utiliza para convertir la señal

de presión de aire en una señal eléctrica es un diafrag-ma. Este está construido por dos discos metálicos y unamembrana de goma en la parte central, sobre la cual seha colocado un hilo de cobre en forma espiral en amboslados. El diafragma se presenta en la figura 7.

Figura 7 – Diafragma.Cuando la persona sopla sobre la boquilla, la mem-

brana se dilata y toca con el hilo de cobre uno de losdiscos. Con esto se cierra el circuito, activando el reléRb y se enciende el led rojo izquierdo que se encuentrajunto al joystick. Un contacto normal abierto del relé secierra y habilita la entrada del PLC, el cual interpretaque se ha realizado un soplo.

Cuando se aspira, el diafragma se contrae y el hilode cobre toca el otro disco. Esta acción energiza al reléRc y enciende el led rojo derecho. Los normales abier-tos del relé se cierran y hacen llegar un valor lógicoigual a uno al PLC. Este lo interpreta como una aspira-ción. El circuito eléctrico del diafragma se ve en la figu-ra 8.

Figura 8 – Esquema eléctrico del diafragma.Para el correcto funcionamiento de la silla en esta

modalidad, debe estar la última entrada en valor lógicouno. Esto ocurre cuando la boca está en la boquilla y lamano en el contacto metálico. Si el operador desea de-tener la marcha, debe abrir la boca para perder el con-tacto con la boquilla.

Si la boca no tiene contacto con la boquilla, el se-gundo transistor se encuentra al corte, con lo que el reléRa está desactivado y al autómata programable le llegaun valor lógico igual a cero. Este circuito se representaen la figura 9.

Si la boca está en contacto con la boquilla, el primertransistor se polariza con una corriente de base de alre-dedor de 10µA. Esta corriente circula a través del cuer-po del usuario. El segundo transistor se pone en satura-ción y activa el relé Ra. Por un contacto normal abiertode Ra, le llega al PLC un valor alto. También se encien-de un led amarillo indicador de esta acción.

Figura 9 – Circuito eléctrico de la boquilla.Hasta el momento la cantidad de entradas utilizadas

es ocho, con lo que se ha llegado a la totalidad que po-see el PLC. Por ende para el comando por contacto seutiliza la misma entrada que la boquilla, con la precau-

ción de que los dos tipos de comandos no funcionensimultáneamente.

B. Programa

El programa del PLC consta de tres partes importantes.Siendo cada una de ellas las distintas formas de coman-dar la silla de ruedas.1.) Comando por JoystickEs el más simple de todos. Su repuesta es inmediatapara realizar los movimientos. La colocación del joys-tick en posiciones diagonales, en donde se cierran másde un contacto, producen la detención total de los moto-res. La marcha de la silla se reanuda cuando solamenteesté activo un solo contacto. El programa está diseñadopara que funcione en la modalidad de giro largo. Cuan-do se necesita maniobrar en espacios reducidos se debeutilizar la modalidad de giro corto, que se activa pulsan-do el botón que se encuentra junto al joystick. Esta mo-dalidad finaliza cuando el usuario realiza un movimien-to de avance o retroceso.2.) Comando por Soplo y AspiraciónLa rutina que sigue esta parte del programa consiste encontar la cantidad de soplos o aspiraciones. Teniendocomo única condición que esté activa la entrada de laboquilla.

El tiempo de repuesta es de un segundo, siendo esteel tiempo de espera entre pulso y pulso ante de comen-zar la acción definida.

Con un soplo la silla de ruedas avanza y con dos so-plos retrocede. El giro largo a la derecha se realiza conuna aspiración y con dos se gira hacia la izquierda.

El cambio de modalidad de giro se realiza con tresaspiraciones. Para volver a la modalidad de giro inicialse debe avanzar o retroceder.

En caso de un soplo seguido de una aspiración, o vi-ceversa, se tiene en cuenta la primera acción para elconteo.

Para detener la marcha, el usuario debe perder elcontacto entre la boca y la boquilla. Para pasar de unamaniobra a otra se debe abrir el circuito de la boquilla.

Se anulan por completo los otros dos sistema de con-trol cuando está activa la entrada de la boquilla.

3.) Comando por ContactoEste comando necesita seguir una secuencia establecidapara poder ser utilizado. Esto se debe ha que esta moda-lidad comparte la misma entrada que el comando porsoplo y aspiración. La secuencia es cerrar el circuito dela boquilla y luego presionar el botón. Hecho esto sedebe soltar el botón y finalmente abrir el circuito de laboquilla. Esta modalidad de control anula por completolas otras dos formas. Para poder volver a los otros co-mandos se debe presionar el botón.

El programa cuenta la cantidad de cierres del circui-to de la boquilla. Para que la función se realice, se debemantener cerrado el circuito al realizar el último pulso

de la secuencia deseada. Para detener la marcha de lasilla de ruedas bastará con abrir el circuito de la boqui-lla.

Si el tiempo de pulsado es mayor que medio segun-do se ejecuta el movimiento establecido, siendo éste eltiempo de respuesta.

La cantidad de pulsos que se le ha asignado a cadamovimiento se debe principalmente al uso de los mis-mos. Entonces para avanzar se debe pulsar una vez, parala derecha dos veces, para la izquierda tres y para retro-ceder cuatro. El cambio de modalidad de giro necesitacinco pulsos. Esta modalidad se desactiva de la mismamanera que en las otras ocasiones.

En tabla 1 se puede observar claramente la cantidadde pulsos necesario para realizar los distintos movi-mientos en los dos tipos de comandos.

Cantidad de PulsosAireFunciones

Aspiración SoploContacto

Adelante 1 1Atrás 2 4

Derecha 1 2Izquierda 2 3

Cambio de Giro 3 5Tabla 1 – Resumen de la cantidad de pulsos para losdistintos comandos.

VI. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERI-MENTALES

El sistema de comando por contacto es un agregado enel proyecto original. Por la falta de más entradas es quese ha superpuesto con el mando de soplo y aspiración,compartiendo la misma entrada.

De esta manera, se puede experimentar ambos sis-tema de comando con el mismo programa.

El comando por joystick cumple las mismas caracte-rísticas que con la lógica de contactores.

Tanto el comando por soplo y aspiración, como porcontacto funcionan en forma muy satisfactoria. No setiene inconsistencias en el programa durante su funcio-namiento. Ambos sistemas permiten un rápido entrena-miento en el uso de sus comandos.

En el control por soplo y aspiración, el comando deparada se ha intentado mediante un soplo. Por su inco-modidad y lenta actuación se ha descartado. Se utilizaentonces la apertura del circuito de la boquilla que re-sulta mucho más rápida y efectiva.

El cierre del circuito de la boquilla a través del cuer-po proporciona una muy buena utilización de la bocapara realizar comandos, así como para iniciar el funcio-namiento del control por soplo y aspiración. La activa-ción del circuito es fácilmente adaptable a otras partesde la cabeza o cuerpo dependiendo de las incapacidadesfísicas.

En la parte mecánica, se observa que la velocidadque desarrolla es elevada para su funcionamiento. Estose debe a que los motores y las poleas no están correc-tamente diseñados. La transmisión mecánica existenteno permite trasladar la silla de ruedas fácilmente enforma manual, cuando se encuentra apagada. La solu-ción a este problema sería reemplazar la reducción sinfin por una reducción de engranajes, que se acoplaríadirectamente a la rueda.

La autonomía de la silla de ruedas es baja y se debea dos factores a corregir. Uno es el gran peso de la es-tructura metálica y el otro es el gran consumo de losmotores.

La siguiente etapa de desarrollo consiste en reem-plazar el PLC por un microcontrolador. Hasta el mo-mento se encuentra desarrollado el programa del micro-controlador para el comando por joystick.

Está en estudio la modificación del circuito de po-tencia. Este utilizaría en vez de contactores, componen-tes electrónicos.

El grupo de robótica ya ha comenzado una segundaetapa más ambiciosa, que consiste en agregar a la sillade ruedas un conjunto de sensores, comunicación ina-lámbrica y comando autónomo soportado por una PC.El objetivo perseguido con estas modificaciones es lo-grar que el usuario de la silla sólo indique el sitio al quese quiere dirigir, dejando a la silla las tareas de planifi-cación de trayectorias a seguir, evitación de obstáculosy control de los motores.

VII. CONCLUSIONESEl resultado de este trabajo cumple con las expectativasesperadas. Los tres sistemas de control, joystick, soplo yaspirado y contacto bucal sobre la boquilla, permiten uncontrol simple y de rápido entrenamiento.La utilización del cuerpo del usuario, con parte del cir-cuito para realizar comandos, simplifica el diseño.

Esta experiencia permite como siguiente objetivo delgrupo, reemplazar el PLC por un microcontrolador, re-dundando en un costo final menor, para que personascon diferentes discapacidades físicas puedan acceder auna mejor calidad de vida.

REFERENCIASJones, Seiger y Flynn, Mobile Robots, A K Peters (1999).Bayliss, J., C. Brown, R. Carceroni, C. Eveland, C. Harman,

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Schenk, S.J., “A mathematical model of wheelchair racing,”PhD thesis. Faculty of New Jersey Institute of Technol-ogy. New Jersey (2000).