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Se describe el estado del arte, y la etapas de ingeniería de concepto y de detalle en el diseño e implementación de una aplicación de tipo sensitive floor para el desarrollo de la inteligencia kinestésica de infantes, utilizando sensores de fuerza resistivos.TRANSCRIPT
Diseño e implementación de una aplicación tipo sensitive floor para el desarrollo de inteligencia
kinestésica, utilizando sensores de fuerza resistivos Paula Gordillo#1, Jorge L. Jaramillo P#2
#1Profesional en formación, Universidad Técnica Particular de Loja #2 Docente de EET, Universidad Técnica Particular de Loja
Loja, Ecuador
[email protected], [email protected]
Resumen— Se describe el estado del arte, y la etapas de ingeniería de concepto y de detalle en el diseño e implementación de una aplicación de tipo sensitive floor para el desarrollo de la inteligencia kinestésica de infantes, utilizando sensores de fuerza resistivos. Índice de términos— inteligencias múltiples, inteligencia kinestésica, sensitive floor, aplicaciones electrónicas tipo sensitive floor, sensores de fuerza resistiva.
I. INTRODUCCIÓN
Para cualquier nación del mundo, entre las tareas más
importantes a resolver de cara al futuro, se lista la adecuada formación de los infantes. Dentro del abanico de modelos pedagógicos existentes, se destaca el desarrollo de las inteligencias múltiples con base en la inteligencia kinéstica, que propone consolidar a través del movimiento del cuerpo las habilidades de coordinación, destreza y equilibrio, tan necesarias en el desarrollo de la inteligencia lingüística, matematica, musical, visoespacial, intrapersonal e interpersonal [1].
La tecnología juega un papel importante en el apoyo del modelo pedagógico propuesto, especialmente la basada en electrónica y TICs. La tecnología electrónica no solo puede entretener a los infantes “encadenándolos” a actitudes sedentarias, sino que también puede motivar la actividad física, como es el caso de las aplicaciones denominadas sensitive floor (SF).
En este documento se describe el estado de arte de
aplicaciones afines, y los resultados obtenidos en las etapas de ingeniería de concepto y de detalle en el diseño e implementación de un prototipo propio.
II. REVISIÓN DEL ESTADO DE ARTE A. Generalidades
SF es un sistema de sensores de fuerza de gran
superficie, de base textil, conectados a módulos microelectrónicos integrados, que se puede instalar sin problemas debajo del piso [2].
En la actualidad, iniciativas tipo SF se impulsan tanto
desde una perspectiva personal como empresarial.
B. Aplicaciones SF desarrolladas por inicitiva personal Por iniciativa personal se han propuesto y desarrollado
diversas aplicaciones, entre las que, por su aporte, se destaca las de Sean Voisen, y, Jens Chr Brynildsen.
En EEUU, el proyecto ActiveFloor, impulsado por
Sean Voisen, apunta de consolidar un nuevo tipo de dispositivo de entrada digital de piso, que permita convertir las acciones de un grupo de niños, en proyecciones en una pantalla LED (ver Fig. 1) [3]. La plataforma sensible consta de 21 baldosas de 61 x 120 cm, acopladas en 3 filas de 7. Cada baldosa contiene 8 sensores sensibles a la presión.
En Noruega, Jens Chr Brynildsen propone el diseño e
instalación de un laberinto obscuro, en el que el caminar en la oscuridad se transforme en una experiencia sensorial, apoyada por más de 300 sensores y tecnología Arduino. Se pretende alcanzar en el piso una sensibilidad tal, que se pueda percibir la caída de una tapa de botella de soda, o que se reproduzca la sensación de caminar sobre distintas superficies (hielo, rocas, montañas, ríos, etc.) (ver Fig. 2) [4].
Fig. 1. Vista panorámica del concepto de SF de Sean Voisen. [http://sean.voisen.org/blog/2013/08/designing-pressure-sensitive-floor/]
Fig. 2. Vista panorámica del concepto de SF de Jens Chr Brynildsen. http://flashgamer.com/arduino/comments/project-pressure-sensitive-floor]
C. Aplicaciones SF comerciales
En el mercado de soluciones SF, la empresa SensFloor® Mat ocupa un lugar importante, incluyendo entre su oferta, productos como SensPiano y SensGame. SensPiano es un piano de piso construido a partir de esteras sensibles, con una longitud de 1,5 m por octava. Las esteras se enlazan en forma inalámbrica con un receptor incluido en el transceptor SE3-M SensFloor, el mismo que se conecta con a cualquier teclado adecuado o computadora con interfaz MIDI (MIDI General de 31,25 KBaudios). El proyecto fomenta la musicoterapia o la terapia de ejercicio, ampliamente aplicada en escuelas y en jardines de infantes como instrumento terapéutico en la atención (ver Fig.3) [5].
Por su parte, SensGame está construida con esteras
sensibles de 60 cm de longitud, de diferentes colores, y, de un material lavable. La presión sobre las esteras se captura y envía al transceptor SE3-M SensFloor de interfaz MIDI y conexión a la red eléctrica pública,
generándose un sonido musical. El proyecto fomenta la musicoterapia orientada a niños, motivándolos al ejercicio, y, apoyando el desarrollo de capacidades sensoauditivas (ver Fig.4) [6].
Fig. 3 Vista panorámica de la aplicación sensPiano floor piano.
Fuente[5][http://www.future-shape.com/en/sensormats/34/images/apple-touch-icon.png/senspiano-floor-piano]
Fig. 4 Vista panorámica de la aplicación SensFloor® MatsSensPiano. Fuente [6] [http://www.future-shape.com/en/sensormats/34/images/apple-touch-icon.png/senspiano-floor-piano, PDF: SensFloor® Mat Interactive Rooms SensFloor ®]
D. A manera de conclusión
La revisión bibliográfica muestra que tanto las
iniciativas SF de tinte personal como aquellas de corte comercial, coinciden en una estructura mínima de 3 componentes: bloque sensitivo, bloque de procesamiento, y, bloque de interfase de usuario. El bloque sensitivo permite convertir la variable “presencia humana” en data significativa, que al ser tratada en el bloque de procesamiento, se convierte en una señal significativa para el ser humano.
III. PROPUESTA DE APLICACIÓN TIPO SF A DESARROLLAR
Considerando parámetros como aplicabilidad
inmediata, y, acceso a los componentes electrónicos requeridos, se decidió priorizar el diseño e implementación de un prototipo de piano de piso, orientado a formación parvularia. Se propone que el piano sea interactivo, y, que apoye la adquisición de habilidades cognitivas (notas musicales, vocales, números y, colores) y kinestésicas.
En una primera aproximación se propone que la
aplicación tenga una arquitectura como la mostrada en la Fig.5, conformada por 3 módulos: sensitivo, de procesamiento, y, de interface con usuario.
El primer módulo, sensitivo, keyboard, claviatura o
módulo de entrada, estará montado sobre una estera a manera de la claviatura de un piano de 10 teclas. En la estera se integrarán luces LED para producir un efecto de luminosidad, y como un elemento atractivo para los niños. La estera incluye también 10 sensores de fuerza resistivos (FSRs por sus siglas en inglés), uno por tecla, que permitirán trasformar la presión ejercida por el niño, en una señal a ser interpretada en el módulo de procesamiento.
El módulo de procesamiento incluye 2 bloques
principales: de programación, y, de generación de voces y sonidos. El bloque de programación incluye una placa Arduino para la interpretación y procesamiento de las señales recibidas por los FSRs. En el bloque de generación de voces y sonidos, se generan respuestas audibles a las señales procesadas, utilizando un reproductor MP3.
El tercer módulo o de interface con el usuario, está
conformado por 3 dispositivos: un adaptador de corriente eléctrica, un display de visualización, y, dos amplificadores de sonido o parlantes. El adaptador permite potenciar la aplicación desde la red eléctrica pública, y alimentar a los circuitos electrónicos con el voltaje necesario para su funcionamiento. La pantalla LCD del display permite la visualización de información, mientras que la claviatura facilita la elección del modo de funcionamiento. Finalmente, los parlantes permiten la amplificación de la señal de sonido modulada, facilitando que el niño desarrolle inteligencia musical.
MODULO DE
INTERFACE CON EL
USUARIO
MODULO DE
PROCESAMIENTO
MODULO SENSITIVO
Programación
Visualización
FSR
...
Generación de
voces y sonidos
Luces LED
9,3V
Ard uino
9,3V
Ard uino
9,3V
Ard uino
9,3V
Ard uino
Adaptador/Red Eléctrica
Amplificación de sonido
Fig. 5. Diagrama de bloques de la propuesta de prototipo. Diseño de autores
IV. CONCEPTUALIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DEL
PROTOTIPO
Para el infante, el prototipo lucirá como un teclado de piso (sensible), conformado por diez teclas de diferente color, numeradas del 1 al 10.
Desde la perspectiva del operador, el prototipo tendrá
una consola de control, a través de la cual se seleccionará uno de cuatro modos posibles de operación: musical, vocal, numérico, y, cromático.
En el modo musical, el prototipo reproducirá el sonido de uno de seis instrumentos musicales preseleccionados (flauta, flauta de pan, guitarra, violín, piano y saxofón), y asignará a cada tecla, una de 10 diferentes notas musicales.
En 5 de las 10 teclas se mostrarán las vocales del
castellano. En el modo vocal, cada vez que el niño presione sobre una tecla asignada, el prototipo emitirá el fonema equivalente. Si se llega a presionar una tecla no asignada, el prototipo emitirá un mensaje de error.
En el modo numérico, el prototipo permitirá
seleccionar entre 2 rutinas de trabajo. En la primera, cada vez que se presiona una tecla se escuchará el número asignado (dibujado en la tecla). En la segunda, se escuchará el número y el infante debe presionar la tecla respectiva, activando una luz indicativa azul si la respuesta es correcta, o roja si es incorrecta.
En el modo cromático, el prototipo permitirá
seleccionar entre 2 rutinas. En la primera, al presionar una tecla se escuchará el nombre de un color asignado. En la segunda, se escuchará el nombre del color y el infante deberá presionar la tecla correspondiente, manteniéndose los indicativos visuales descritos.
V. INGENIERÍA DE CONCEPTO DEL PROTOTIPO
A. Sobre el módulo sensitivo
El bloque de señalización luminosa estimulará la
inteligencia viso-espacial del infante, puesto que al presionar cualquier tecla se encenderá una luz indicativa de un acierto o de un error. En esta etapa, se propuso emplear una cinta genérica de luces LED, tipo 3528RGB para exteriores porque posee un recubrimiento de silicon que le hace resistente a las pisadas y se puede recortar y adherir con facilidad además está disponible en el mercado local (ver Fig.6), de 14,4 W de potencia por metro, y, que opera a 12V. La cinta será recortada en segmentos de 12 cm de largo, y, adherida a una de las teclas. En el piso sensible, la circuitería de activación de cada segmento LED, coexistirá con la de los sensores resistivos. De la activación de los electrodos de control de la cinta LEG RGB dependerá el color de luz emitido [7].
Para activar la cinta genérica de luces LED, tipo 3528RGB para exteriores, se diseñó circuitería extra con controladores uln2803a, requeridos para proveer los 9V exigidos para su funcionamiento [8].
Fig. 6. Vista panorámica de una cinta de luces LED tipo RGB. Fuente: http://www.inventable.eu/2011/04/27/anatomia-de-una-leds-string-rgb/
Electrónicamente, el bloque del teclado estará
conformado por 10 sensores de fuerza resistivos, distribuidos uno en cada teclas. La función de estos sensores es registrar la presencia de un infante en uno de los sectores definidos en el teclado, a través de la fuerza ejercida en ese punto. La bibliografía muestra que la fuerza puede ser medida empleando sensores piezoeléctricos, piezoresistivos, o especiales. Entre estos últimos se destacan los sensores de fuerza resistivos (SFR), (ver Fig.7) dispositivos de película de polímero, cuya resistencia eléctrica varía en función de la presión aplicada al área de detección. Operativamente un SRF, puede detectar fuerza ejercida por cuerpos cuyos pesos oscilen entre 100g y 10Kg [9], [10], [11], [12]. Para este proyecto, se propuso la utilización de SFR redondos de la marca Interlink, serie 402 [13], [14], [15], [16]. Se optó por este sensor porque posee el menor rango en errores absolutos y relativos en comparación con los FSR 408 y FSR 406 y mayor soporte de rango de fuerza que el FSR 400 [17], [18]
Los SRF se conectarán a un módulo Arduino, tal
como lo muestra la Fig.8 [19].
B. Sobre el módulo de procesamiento El bloque de programación se montará sobre la
plataforma Arduino ATMEGA 2560 (ver Fig. 9) [20], [21], [22]. Se optó por esta placa debido a que es de libre programación y posee un potente procesador AVR ATMEGA2560 con un amplio espacio de memoria para programar y corriendo a 16Mhz, ideal para este prototipo. El Arduino Mega 2560 es una placa electrónica basada en el microprocesador Atmega 2560, que cuenta con 54 pines digitales de entrada / salida, 16 entradas analógicas, 4 puertas seriales, un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio.
Fig 7. Modelos de FSR de la marca Interlink [13]
Fig.8. Conexión de un SRF a un módulo ARDUINO [19]
Fig. 9. Vista panorámica de un placa Arduino ATMEGA 2560 Rev3. Tomado de: http://store.arduino.cc/product/A000067
El bloque de sonido se implementará sobre una placa mp3 player, de Sparkfun Electronics, se escogió este dispositivo porque además de ser compatible con el Arduino Atmega 2560 posee una tarjeta de memoria SD para guardar archivos de sonido en formato mp3 lo cual facilitará la implementación de este prototipo. La placa mp3 player, de Sparkfun Electronicsque utiliza el
decodificador VS1053B IC para decodificar archivos de audio en formatos mp3, Ogg Vorbis, AAC, WMA, audio MIDI, e IMA ADPCM (ver Fig. 10) [23], [24]. En el bloque de sonido se reproducirá sonidos de instrumentos musicales, y archivos de voz. Para grabar archivos de voz se empleará una tarjeta micro SD de 2 GB.
Fig. 10. Vista panorámica de una placa MP3 Player Shield. Tomado de: https://www.sparkfun.com/products/10628
C. Sobre el módulo de interfaz con usuario
El bloque de visualización se montará a partir de un display SainSmart Keypad Shield 1602 LCD Module V3 Keypad Shield (ver Fig.11) [25]. Se eligió este dispositivo electrónico porque está disponible en el mercado local y porque es compatible con la plataforma Arduino de programación, sin embargo de este dispositivo se usará solamente el teclado porque la pantalla está soldada a la placa lo cual dificulta su empotrado en el case por lo que se decidió utilizar un Grove - LCD RGB Backlight [26] de conexión serial conectado al teclado debido a que está soldado a una placa con dimensiones menores y por lo tanto se la puede manejar con facilidad, además que esta también disponible en el mercado local (ver Fig. 12). El bloque permitirá visualizar los comandos utilizados en la consola de control del prototipo.
Fig. 11. Vista panorámica del teclado SainSmart Keypad Shield 1602 LCD Module V3 Display para Arduino. Tomado de: http://www.sainsmart.com/sainsmart-keypad-shield-1602-lcd-module-v3-display-for-arduino-mega-2560-1280-uno-r3.html
Fig. 12. Vista panorámica de la pantalla Grove - LCD RGB
Backlight. Tomado de: http://www.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_LCD_RGB_Backlight
En el bloque de sonido se emplearán parlantes tipo
Genius SP-U115 porque son compatibles con la tarjeta MP3 Arduino además poseen una salida total RMS: 1,5 watts y una potencia máxima total de 3 watts suficientes para cubrir los requerimientos de salida de sonido del prototipo [27].
El bloque de alimentación será el encargado de proveer de energía a todo el prototipo. En este proyecto se decidió utilizar un adaptador super power supply® AC / DC, modelo SS-WP-090200B, para Vin de 100-240V AC, a 50/60Hz y Vout de 9V DC y 2A, se seleccionó este dispositivo debido a que sus características de operación cubren las necesidades de alimentación del protopipo [28], [29].
VI. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO
A. Implementación del módulo sensitivo
El módulo sensitivo incluye el teclado y la señalización
luminosa. El teclado está conformado por 10 teclas ubicadas en un arreglo de piso de 115cm de largo y 35cm de ancho. Considerando que el grupo meta del proyecto está conformado por niños de 3 a 6 años, la geometría de cada una de las teclas se determinó en 20 cm x 10 cm, en función de las dimensiones antropométricas del pie de niños y niñas de 6 años (ver Tabla 1 y 2) [30].
Tabla 1. Dimensiones antropométricos del pie de niños de 6 años [1].
Tabla 2.
Dimensiones antropométricos del pie de niñas de 6 años [1].
Mín
imo
Máx
imo
Per
cent
il
5
Per
cent
il 25
Per
cent
il 50
Per
cent
il 75
Per
cent
il 95
Pro
med
io
Peso 17,0 26,0 18,0 20,0 20,0 23,
0 24,8 20,9
Estatura 103,0 124,2 107,0 108,4 111,8 115,5
119,5 112,1
Ancho metatarsial
6,0 8,0 6,0 6,4 6,7 7,0 7,4 6,7
Largo pie 15,5 19,0 1 5,9 16,5 17,0 17,
8 18,5 17,1
Físicamente, el teclado se construyó sobre una placa de
playwood de 115 cm x 35cm (ver Fig.13), sobre la cual se talló los canales requeridos para el cableado del circuito electrónico (ver Fig.14). Para diseñar y simular el desempeño del circuito electrónico con sensores de fuerza resistivos (SFR), se utilizó el aplicativo Fritzing [31].
A. Implementación del módulo de procesamiento
El módulo de procesamiento está formado por un
bloque de programación, y uno de generación de voces y sonido. Los circuitos electrónicos requeridos se montaron en un case (17cm x 13cm x 6cm) que opera como consola de control.
Mín
imo
Máx
imo
Per
cent
il
5
Per
cent
il 25
Per
cent
il 50
Per
cent
il 75
Per
cent
il 95
Pro
med
io
Peso 19,0 34,0 19,2 20,0 22,0 25,0 29,7 23,2
Estatura 107,5 121,0 107,6 110,9 114,5 116,6 120,3 114,0
Ancho metatarsial
6,2 9,0 6,4 6,5 6,8 7,2 8,0 7,0
Largo pie 15,5 20,1 16,1 17,0 17,2 18,0 19,0 17,5
Fig. 14. Montaje del teclado definitivo. Diseño de los autores
El bloque de programación se montó sobre una placa
Arduino Atmega 2560. Para la programación en Arduino [32] de la placa se utilizaron diversas librerías como SD (para leer y escribir datos en la tarjeta microSD acoplada a el zócalo de la Sparkfun MP3 Player Shield), Keyboard (para simular un teclado), Audio (para reproducir ficheros de audio en formato mp3), SPI (para comunicación entre la placa – maestro y los dispositivos externos – esclavos; Wire (para comunicar la placa con dispositivos externos utilizando el protocolo I2C o TWI), y, Software Serial (para comunicación serial) [33]. El flujograma general de operación del prototipo se muestra en la Fig.15. El bloque de generación de voz y notas se implementó sobre una placa MP3 Player de Sparkfun Electronics, compatible con Arduino Atmega2560.
Los sonidos requeridos se obtuvieron de la plataforma
Windows en formato wap, se convirtieron al formato mp3 a través del editor Cool Edit Pro [34], y, se grabaron en una tarjeta micro SD de 2 GB.
B. Implementación del módulo de interfaz con el
usuario
El módulo de interfaz con el usuario está formado por una pantalla de visualización, un bloque de amplificación de sonido, y un bloque de potenciación a través de red eléctrica pública.
ENCENDIDO
MENSAJE DE BIENVENIDA
SELECCIÓN DE MODO
1 / 2 / 3 / 4
INSTRUMENTOS MUSICALES
VOCALES NÚMEROS COLORES
1 2 3 4
MENSAJE MENSAJEMENSAJEMENSAJE
SELECCIONA INSTRUMENTO
1 / 2 / 3 / 4 / 5 / 6
FLAUTA
GUITARRA
FLAUTA DE PAN
PIANO
SAXOFÓN VIOLÍN
1 2
3 4
5 6
DIEZ NOTAS POR INSTRUMENTO
SALTA SOBRE LAS VOCALES
PULSO UNA VOCAL
VOCAL
VUELVE A INTENTARLO
SI
NO
SELECCIONA UNA OPCIÓN
1 / 2
PULSA LOS NÚMEROS DEL
1 AL 10
SIGUE LAS INSTRUCCIONES
CUMPLIÓ LA ORDEN MENSAJE DE
FELICITACIÓN
1 2
SI
NO
SELECCIONA UNA OPCIÓN
1 / 2
PULSA LOS COLORES
SIGUE LAS INSTRUCCIONES
CUMPLIÓ LA ORDEN
1 2
SI
NO
NÚMERO COLOR
FIN
MENSAJE MENSAJE MENSAJE MENSAJE
Fig. 15. Flujograma general de operación del prototipo. Diseño de los autores.
FSRFSR FSR FSR FSR FSR FSR FSR FSR FSR
115cm
35cm
20cm
12cm
10cm0,8cm
13c
m17cm
CASE
TECLA
LED
0,5cm
CAN
ALETAS
Fig.13. Diseño físico del teclado sobre un tablero de playwood. Diseño de los autores.
Fig. 16. Diagrama electrónico general del prototipo obtenido en Fritzing. Diseño de los autores.
Fig.17. Panorámica general del prototipo. Diseño de los autores.
Como pantalla de visualización se utilizó una placa LCD RGB serial, incorporada al case. El case se completó con el teclado de la placa LCD Keypad Shield. Para la amplificación de sonido se empleó 2 parlantes colocados uno a cada lado del case. El prototipo se alimenta a través de un adaptador de mercado, conectado a la red eléctrica pública. La Fig. 16 muestra un diagrama eléctrico general del prototipo, mientras que la Fig.17 muestra una panorámica general del prototipo implementado.
C. Presupuesto de implementación
La Tabla 3 muestra el presupuesto final de implementación del prototipo.
Tabla 3.
Presupuesto de implementación del prototipo. Diseño de los autores Item Cant Descripción Precio U Total
1 1 SainSmart Keypad Shield 1602 LCD
Module V3 Display 27,99 27,99
2 1 Grove - LCD RGB Backlight 22,00 22,00
3 1 MP3 Player Shield 38,00 38,00
4 2 Arduino Stackable Header Kit 4,91 9,82
5 1 Arduino Atmega 2560 54,00 54,00
6 2 Breadboard jumper wire 75pcs pack 4,98 9,96
7 2 Phantom YoYo 40P dupont cable 200mm male to female
5,73 11,46
8 2 40PCS Dupont wire 20cm cable Line color 1p-1p pin connector
2,50 5,00
9 10 FSR 402, interlink 11,50 115
10 2 Metros de tira LED 3528rgb 2,50 5,00
11 1 Juego de parlantes Genius 7,00 7,00
12 1 Super Power Supply® AC / DC Adapter Charger Cord 9V 2A.
9,99 9,99
13 1 Otra circuitería 10,00 10,00
14 1 Madera impresa y case 45,00 45,00
Total $370,22
VII. TRABAJOS FUTUROS
Con el objetivo de validar la usabilidad del prototipo,
se requerirá diseñar, ejecutar y analizar los resultados de una prueba de perfomance del prototipo.
VIII. CONCLUSIONES
• La línea base muestra la factibilidad de diseñar e implementar aplicaciones tipo sensitive floor para desarrollo de elementos cognitivos e inteligencia kinestésica
• El prediseño del prototipo muestra la accesibilidad y funcionalidad de los dispositivos electrónicos que permitirán diseñar e implementar aplicaciones tipo sensitive floor para desarrollo de elementos cognitivos e inteligencia kinestésica
• Los resultados obtenidos permiten afirmar que
existe la factibilidad técnica y económica para el diseño e implementación de una aplicación tipo sensitive floor en condiciones locales.
IX. REFERENCIAS
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