Gabriela_Cárdenas_2020

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Diseño de un sistema sensorial para la
medición de la presión en el pie al
realizar la práctica en patinaje de
velocidad.
Gabriela Cárdenas Álvarez
Universidad El Bosque
Facultad de Ingenieŕıa, Programa de Bioingenieŕıa
Bogotá DC, Colombia
2020
Diseño de un sistema sensorial para la
medición de la presión en el pie al
realizar la práctica en patinaje de
velocidad.
Gabriela Cárdenas Álvarez
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al t́ıtulo de:
Bioingeniera
Director:
Jorge Eduardo Meneses Bernal
Universidad El Bosque
Facultad de Ingenieŕıa, Programa de Bioingenieŕıa
Bogotá D.C., Colombia
2020
v
Resumen
En los últimos años se han presentado desarrollo en técnoloǵıas para la medición de la presión
plantar, este desarrollo viene desde la evolución de los equipos de digitales de baropodometŕıa
hasta el desarrollo de sistemas wearable, como zapatos y medias que en los que se incluyen
desarrollos como la implementación de sensores textiles para la medición de la presión, estos
dispositivos permiten la evaluación en tiempo real de la presión plantar, mientras se realizan
actividades como trotar.
Este desarrollo permitió realizar estudios de baropodometŕıa fuera de un laboratorio, lo que
amplió los campos de análisis en áreas como la medicina deportiva ya que con esta tecnoloǵıa
se pueden realizar estudios mientras se realiza la actividad deportiva en diferentes discipli-
nas, lo que facilita el diagnóstico de posibles lesiones que puedan ser causadas por la práctica.
En este documento se desarrolla el diseño y la implementación de un sistema sensorial para
la medición de presiones en el pie al momento de realizar la simulación en la tabla deslizante
del gesto del patinaje de velocidad, este sistema puede ser implementado para la realización
de mediciones en una pista de patinaje.
La metodoloǵıa realizada para el desarrollo del proyecto consistió en 5 etapas en las que se
encuentra la etapa de diseño del sistema, en la cuál se establecieron los requerimientos del
sistema y se definieron los componentes a utilizar. En la segunda etapa se observan las prue-
bas de funcionamiento de la conexión inalámbrica y la calibración de los sensores, seguido,
se obtien la implementación del sistema. Y por último se genera el diseño de la interfaz de
visualización.
En el capitulo 9, se realiza el análisis y la comparación de los datos obtenidos junto con otros
estudios de marcha, además del funcionamiento total del sistema junto con la visualización
de datos en una interfaz en tiempo real.
Palabras clave: presiones en el pie, patinaje de velocidad, sistema de medición
de presiones.
Abstract
In recent years, development in techniques for measuring plantar pressure have been pre-
sented, this development comes from the evolution of digital baropodometry equipment to
vi
the development of systems, such as shoes and stockings, which include developments such
as Implementing textile sensors for pressure measurement, these devices allow real-time eva-
luation of plantar pressure, while performing activities such as jogging.
This development carried out studies of baropodometry outside a laboratory, which broadens
the fields of analysis in areas such as sports medicine and what this technology can carry
out studies while doing sports activity in different disciplines, which facilitates the diagnosis
of possible injuries that can be caused by practice.
This document develops the design and implementation of a sensory system for the measure-
ment of pressures in the foot when performing the simulation on the sliding table of the speed
skating gesture, this system can be implemented to carry out measurements in a skating rink.
The methodology carried out for the development of the project consists of 5 stages in which
the system design stage is found, in the protocol the system requirements were established
and the components to be used were defined. In the second stage, the functional tests of the
wireless connection and the calibration of the sensors are observed, followed by the imple-
mentation of the system. And finally, the design of the display interface is generated.
In Chapter 9, analysis and comparison of selected data is performed along with other gait
studies, in addition to full system operation along with data display in a real-time interface.
Keywords: foot pressures, speed skating, pressure measurement system.
Contenido
Resumen V
Índice general VII
Lista de figuras VIII
Lista de tablas XI
1. Introducción 1
2. Planteamiento del problema 3
3. Justificación 5
4. Marco teórico 8
4.1. Elementos involucrados en la práctica del patinaje de velocidad . . . . . . . 8
4.1.1. Patines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.1.2. Instalaciones para la práctica deportiva . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2. Biomecánica del gesto deportivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.2.1. Patinaje en recta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2.2. Patinaje en curva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.3. Mofoloǵıa del pie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3.1. Biomecánica extremidades inferiores (segmento distal) . . . . . . . . 16
4.4. Baropodometŕıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.5. Tecnoloǵıa Wearable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.6. Tecnoloǵıa para la medición de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.6.1. Sensores capacitivos de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.6.2. Efecto piezorresisto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5. Marco legal 23
6. Estado del arte 25
7. Objetivos 29
7.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
7.2. Objetivos espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
viii Contenido
8. Metodoloǵıa desarrollada 30
8.1. Diseño de sistema (Primer Objetivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.1.1. Selección de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.1.2. Puntos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8.1.3. Selección microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
8.2. Pruebas de funcionamiento y calibración (Segundo objetivo) . . . . . . . . . 38
8.2.1. Calibración de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
8.2.2. Pruebas conexión bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8.3. Implementación del sistema (Tercer objetivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
8.3.1. Estuctura y montaje sistema de medición . . . . . . . . . . . . . . . . 48
8.3.2. Diseño circuito PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8.4. Diseño de interfaz (Cuarto Objetivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
8.4.1. Requerimientos de interfaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
8.4.2. Visualización de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
8.5. Pruebas de medición (Quinto Objetivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8.5.1. Gesto de patinaje en la tabla deslizante . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
8.5.2. Protocolo pruebas de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
9. Resultados y discusión 61
9.1. Diseño del sistema (Objetivo 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9.2. Pruebas de funcionamiento (Objetivo 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9.3. Implementación del sistema (Objetivo 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
9.4. Implementación interfaz de visualización de datos (Objetivo 4) . . . . . . . . 62
9.5. Pruebas de medición (Objetivo 5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
10.Conclusiones69
11.Recomendaciones 70
A. Encuesta a deportistas pertenecientes a la Liga de Bogotá 75
B. Resultados de calibración de los sesnores. 76
Lista de Figuras
2-1. Planteamiento de problema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3-1. Incidencia de lesiones en patinadores pertenecientes a la Liga de Bogotá. . . 6
3-2. Tiempo de suspensión de la práctica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4-1. Partes del pat́ın. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4-2. Circuitos de pista y ruta del Parque Recreodeportivo El Salitre. . . . . . . . 9
4-3. Ángulo de inclinación de la rodilla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4-4. Ciclo completo con las tres fases de técnica en recta. . . . . . . . . . . . . . . 10
4-5. Gesto de recta en fase de empuje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4-6. Gesto de recta en fase de recuperación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4-7. Gesto de recta en fase de preparación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4-8. Gesto deportivo del patinaje en curva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4-9. Gesto de curva en fase de empuje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4-10.Gesto de curva en fase de trenza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4-11.Gesto de curva en fase de recuperación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4-12.Ciclo completo de gesto en curva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4-13.Huesos y ligamentos del pie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4-14.Anatomı́a ósea del tobillo, encaje de la tróclea astragalina en la mortaja ti-
bioperonea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4-15.Componentes ligamentos del tobillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4-16.Podoscopio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4-17.Podoscopio digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4-18.Variación del color según el valor de kpa obtenido en la medición. . . . . . . 19
4-19.Reloj inteligente para la medición de ritmo caridaco y seguimiento de entre-
namiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4-20.Medias para running inteligentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4-21.Funcionamiento estructural sensores capacitivo. . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4-22.Funcionamiento estructural sensores piezorresistivos . . . . . . . . . . . . . . 22
4-23.Estructura sensor FSR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6-1. Comparación de postura natural de rodillas vs postura de rodilla en varo. . . 26
6-2. Plantilla sensorial FlexInFit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6-3. Medias inteligentes Sensoria 2.0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
x Lista de Figuras
8-1. Sensor Fsr 402. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
8-2. Circuito de acondicionamiento sensor FSR 402. . . . . . . . . . . . . . . . . 33
8-3. Puntos de medición, [Klimiec, 2017]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8-4. Diseño y ubicación de sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
8-5. Microcontrolador ESP32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
8-6. Proceso de obtención de datos para la calibración del los sensores. . . . . . . 39
8-7. Diseño de estructura de calibración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8-8. Validación de las pesas utilizadas para la calibración . . . . . . . . . . . . . . 40
8-9. Proceso de calibración variando los pesos con lectura en computador. . . . . 40
8-10.Diagrama de progrmación para obtener los valores de calibración. . . . . . . 41
8-11.Valores obtenidos durante el proceso de selección de ganancia del circuito. . . 42
8-12.Gráficas obtenidas de las 5 mediciones en un sensor. . . . . . . . . . . . . . . 43
8-13.Diagrama de progrmación prueba de alcance conexión Bluetooth. . . . . . . 44
8-14.Env́ıo de datos desde celular por medio de la aplicación BLE Scanner. . . . . 45
8-15.Puntos de conexión Bluetooth en la pista de patinaje del parque Recreode-
portivo el Salitre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8-16.Comprobación comunicación bluetooth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8-17.Diagrama de progrmación de transmisión de datos por conexión Bluetooth. . 46
8-18.Vista frontal con la ubicación de los sensores y vista lateral con la ubicación
del cableado del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
8-19.Diseño de PCB en Software de diseño PCB Wizard. . . . . . . . . . . . . . . 49
8-20.Ventanas que componen la interfaz de visualización. . . . . . . . . . . . . . . 50
8-21.Selección del dsipositivo Bluetooth del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . 51
8-22.Visualización de los puntos de medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
8-23.Visualización puntos de medición parte interna y externa del pie. . . . . . . 52
8-24.Gráficas de visualización de datos en interfaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8-25.Tabla deslizante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
8-26.Fase de empuje en tabla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
8-27.Fase de deslizamiento en tabla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
8-28.Fase de recuperación en tabla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8-29.Fase de preparación en tabla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8-30.Diagrama de progrmación de revisión funcionamiento sistema. . . . . . . . . 57
8-31.Visualización valor de resistencia en la programación para validar el funcio-
namiento del sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8-32.Guia para el adecuado posiciónamiento del sistema. . . . . . . . . . . . . . . 58
8-33.Implementación del sistema con el equipo necesario para la practica del gesto
en la tabla deslizante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8-34.Protocolo de pruebas de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9-1. Implementación del sistema dentro de la estructura del pat́ın. . . . . . . . . 62
Lista de Figuras xi
9-2. Visualizción de resultados en interfaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9-3. Visualizción de resultados en interfaz con unidades en N. . . . . . . . . . . . 64
9-4. Fases establecidas para el análisis de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9-5. Resultados dinámicos para sensores ubicados en el antepie . . . . . . . . . . 66
9-6. Resultados dinámicos para sensores ubicados en el mediopie . . . . . . . . . 67
9-7. Resultados dinámicos para sensores ubicados en el retropie . . . . . . . . . . 68
A-1. Encuesta realizada a deportistas pertenecientes a la Liga de Bogotá. . . . . . 75
B-1. Gráficas de calibración obtenidas para todos los sensores. . . . . . . . . . . . 76
Lista de Tablas
8-1. Caracteŕısticas de los sensores propuestos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
8-2. Ponderación de resultados para la selección del sensor a utilizar. . . . . . . . 32
8-3. Caracteŕısticas sensores FSR 402, Interlink Electronics. . . . . . . . . . . . . 33
8-4. Caracteŕısticas amplificadores operacionales propuestos. . . . . . . . . . . . . 34
8-5. Ponderación de resultados para la selección del amplificador operacional a
utilizar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
8-6. Requerimientos tarjeta microcontrolador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
8-7. Ponderación de caracteŕısticas para la selección del mic. . . . . . . . . . . . . 37
8-8. Pesos utilizados durante el protocolo de calibración. . . . . . . . .. . . . . . 41
8-9. Valores de R2 de las curvas obtenidas para determinar el valor de ganancia
del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
8-10.Valores de coeficiente de determinación de las mediciones de calibración. . . 43
8-11.Ubicación de los sensores en el sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
9-1. Fuerza máxima medida en cada una de las fases del gesto deportivo. . . . . . 65
9-2. Fuerza máxima medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1. Introducción
El patinaje de velocidad sobre ruedas es una modalidad que ha presentado un rápido desa-
rrollo dentro del patinaje competitivo a nivel mundial. Es un deporte en el cual se combina
fuerza, habilidad y resistencia, estas caracteŕısticas buscan complementarse con el fin de
desarrollar una técnica que le permita al deportista resistir el recorrido lo más rápido posi-
ble, gastando la menor cantidad de enerǵıa necesaria [Galeano, 2017].
Las pruebas en este deporte están clasificadas en velocidad, fondo y semifondo. Las pruebas
de velociadad requieren exploción y potencia por parte de los deportistas, estas pruebas de
corto alcance tienen una distancia desde los 200m hasta 500m. Se consideran pruebas de
fondo cuando las distancias son superiores a los 5000m hasta los 20000m, en esta modalidad
es necesaria la combinación de potencia y resistencia por lo que exige una alta demanda
aeróbica. Por último, las pruebas de semifondo son aquellas que combinan potencia y resis-
tencia y tienen una distancia desde los 1000m hasta los 5000m [Geraldo, 2009].
Aunque no son muchos los estudios realizados entorno a este deporte, en la actualidad se
tienen análisis biomecánicos de los gestos técnicos de recta, curva y salida estática, en los
cuales se obtienen descripciones culitativas y cuantitativas con el fin de obtener el gesto más
apropiado para aumentar el rendimiento deportivo [Acero. Palomino, 2009].
También se encuentran estudios de medición de consumo aeróbico de patinadores mientras
realizan la práctica, lo que permite evaluar variables fisiológicas como consumo el de ox́ıgeno
y con esto establecer cargas de entrenamiento adecuadas a cada deportista [Lozano, 2009].
Sin embargo, no se han encontrado estudios de badopodometŕıa en patinadores, por lo que
no se conoce como se distribuyen las fuerzas en el pie y de esta forma poder identificar
posibles sobre cargas que podŕıan causar lesiones.
Un estudio baropodométrico en patinadores podŕıa establecer la forma en la que el gesto de-
portivo afecta la estructura del pie y buscar una adecuada distribución de cargas, mejorando
asi su desempeño y evitando posibles lesiones o molestias que podŕıan afectar el rendimiento
del deportista [Hurtado, 2006].
2 1 Introducción
Por esta razón se presenta el diseño de un sistema sensorial adaptado a las necesidades de
los patinadores, el cual permite obtener los valores de presión ejercidas por el deportista al
momento de realizar la práctica deportiva.
2. Planteamiento del problema
En Colombia, el patinaje de velocidad sobre ruedas ha presentado un auge en los últimos
años, llegando a ser uno de los deportes más importantes para el páıs logrando por 9a vez
consecutiva el primer lugar en el “Campeonato del Mundo de Patinaje de velocidad sobre
patines en ĺınea” logrando un total de 16 t́ıtulos [Comité Oĺımpico, 2018]. Sin embargo, se
ve la necesidad de implementar tecnoloǵıas y herramientas que permitan desarrollar nuevas
metodoloǵıas de formación, de tal forma que se pueda optimizar el proceso de llegar y man-
tener un nivel de alto rendimiento y seguir obteniendo buenos resultados en esta disciplina
para el páıs.
A pesar de la expansión que ha presentado este deporte no solo a nivel nacional sino inter-
nacionalmente, no se encuentran muchos avances tecnológicos que permitan a deportistas
y entrenadores realizar un debido seguimiento a sus prácticas, a lo largo de su desarrollo
el deportista presenta modificaciones estructurales, principalmente el aumento de la masa y
fuerza muscular, esto sumado a errores en la técnica y en la postura aumenta a la posibilidad
de sufrir una lesión. Durante el desplazamiento y los cambios posturales realizados durante el
gesto deportivo, articulaciones como la cadera, rodilla y principalmente el pie, se ven some-
tidas a grandes presiones por lo que es necesario no solo realizar ejercicios de fortalecimiento
en estas zonas, sino además, un estudio en el cual se pueda analizar el comportamiento de
estas presiones y desarrollar métodos en los que se pueda disminuir o controlar el impacto
sobre estas articulaciones.
La técnica de esta disciplina implica realizar una serie de movimientos ćıclicos antinaturales
para el cuerpo humano, esto sumado a la exigencia f́ısica que demanda lo convierte en una
disciplina con un alto ı́ndice de lesiones como tendinitis, bursitis, esguinces, fracturas y con-
tracturas [Acero, 2010].
El pie cumple un papel fundamental dentro de la técnica del patinaje ya que debe soportar
la posición del cuerpo y brindar estabilidad al deportista, sin embargo, debido al diseño
ŕıgido del pat́ın se presenta una afectación en la morfoloǵıa y mecánica del pie, lo que puede
ocasionar esfuerzos y tensiones en diferentes zonas del mismo generando lesiones de tipo
nodular que pueden conllevar a la aparición de más lesiones que puedan comprometer en
mayor grado a la articulación [Isaza, 2009].
4 2 Planteamiento del problema
Figura 2-1.: Planteamiento de problema.
Este estudio permitirá determinar cómo afectan los factores técnicos del patinaje sobre la
estructura del pie y la distribución de fuerzas sobre el mismo.
3. Justificación
Este proyecto busca reconocer y analizar los cambios generados en la presión ejercida sobre
el pie del patinador y las consecuencias que pueda ocasionar en el deportista. Debido a los
repetitivos impactos contra el suelo, la rigidez del pat́ın y a los esfuerzos constantes, el pie
es la zona que más presión debe soportar al momento de patinar , por lo que es de gran
importancia conocer de qué manera se están distribuyendo las cargas sobre el mismo. Al
patinar, la presión ejercida sobre el pie es mayor que la ejercida en el movimiento de marcha,
por lo que las sobrecargas en las articulaciones también aumentan, sin embargo, no existen
estudios que hayan medido estas presiones por lo que no se conoce cual es el valor de las
mismas [Camargo, 2013].
Actualmente, el estudio de caracteŕısticas morfológicas y su relación con la práctica deportiva
ha tomado importancia en el desarrollo de la ciencias aplicadas, ya que permite una cuanti-
ficación de caracteŕısticas morfológicas en deportistas a nivel élite, sin embargo, los estudios
realizados sobre medición de huella plantar y análisis de presión en el pie para el patinaje de
carreras son escasos, lo que dificulta a profesionales del deporte y de la salud desarrollar nue-
vas prácticas o métodos para optimizar el rendimiento de los deportistas [Lozano, 2017]. Los
resultados que se obtengan de estos estudios permitirán plantear estrategias de tratamiento
y prevención a posibles afectaciones, además, permitirá establecer valores de patrón o refe-
rencia frente a la respuesta de las presiones soportadas por el pie al patinar [Viviescas, 2017].
Para conocer más a fondo la incidencia de lesiones en la zona del pie en patinadores, se realizó
una encuesta a 43 deportistas pertenecientes a la Liga de Bogotá que realizan su práctica
en la pista del parque Recreodeportivo El salitre, se realizaron 7 preguntas en dónde se
analizaron factores como la edad, el tiempo de práctica, la presencia de algún tipo de lesión
en el tren inferior, la zona de la lesión, el método de detección de la misma y el tiempo de
suspensión de la práctica.
Como resultados se obtuvo que la mayoŕıade población encuestada se encontraba entre los
13-14 años de edad siendo un 44 % del total, en el tiempo de práctica se obtuvo que el 44 %
realizan el deporte desde hace 6 a 8 años y ante la presencia de algún tipo de dolor o le-
sión en el tren inferior el 91 % contestó si. Respecto a las zonas más frecuentes de lesión, la
rodilla fue la que presentó más incidencia con un 18,6 % seguido de las plantas de pies con
un 16,28 % y en tercer lugar el tobillo con un 13,95 % (Figura 3-1). Sin embargo, se observa
6 3 Justificación
que existe un porcentaje considerable que ha presentado lesión en más de una o en todas las
articulaciones de la cadena cinética, en dónde se ve involucrada siempre la planta del pie.
Figura 3-1.: Incidencia de lesiones en patinadores pertenecientes a la Liga de Bogotá.
En la encuesta también se determinó que hacen los deportistas al detectar el dolor, se en-
contró que el 34,88 % de los deportista solo le comentaban la dificultad a su entrenador,
mientras que el 30,23 % asist́ıa con especialista y un 18,60 % no hizo nada. Por último, por
cuánto tiempo tuvieron que suspender la práctica (Figura 3-2), en dónde se encontró que el
60 % nunca suspendió la práctica.
Figura 3-2.: Tiempo de suspensión de la práctica.
El estudio de la distribución de presiones en el pie al momento de patinar, permitirá evaluar
7
de forma más apropiada el impacto que tiene la práctica del patinaje de velocidad sobre la
morfoloǵıa y la distribución de presiones en el pie, y las consecuencias del mismo sobre el
resto de articulaciones que participan en el gesto.
4. Marco teórico
4.1. Elementos involucrados en la práctica del patinaje de
velocidad
4.1.1. Patines
Los patines son unos elementos que permiten deslizarse sobre el pavimento, están compuestos
por una bota, chasis y ruedas. A nivel profesional, la bota de los patines es fabricada con
cuero en la parte superior y fibra de carbono en la inferior. Dicha bota se encuentra sujeta al
chasis el cual es usualmente fabricado en aluminio, este chasis funciona como soporte para
las ruedas de 3 a 4 dependiendo de su diámetro [Esquit, 2018].
Figura 4-1.: Partes del pat́ın.
Según la WIC (Copa del Mundo del Patinaje en Ĺınea), el uso del casco es obligatorio
durante la prática. El traje de práctica de este deporte consta de una licra en forma de
enterizo similar a usada en el ciclismo, esto con el fin de disminuir la resistencia al aire.
4.1.2. Instalaciones para la práctica deportiva
Pista
Las pistas de patinaje deben tener una longitud de 200m y un ancho de 6m, está compues-
ta por 2 rectas y dos cuervas iguales enter śı y hechas principalmente de resina especial
[Zaragoza, 2012].
4.2 Biomecánica del gesto deportivo 9
Ruta
Es un circuito asimétrico cuya longitud puede variar entre los 400m y 1000m, esta construida
en cemento [Zaragoza, 2012].
Figura 4-2.: Circuitos de pista y ruta del Parque Recreodeportivo El Salitre.
4.2. Biomecánica del gesto deportivo
El patinaje es un deporte ćıclico que se compone principalmente de 3 fases: deslizamiento,
empuje y recuperación. Sin embargo existen diferencias entre los gestos realizados en recta
y los gestos realizados en curva.
Durante todos los gestos técnicos el deportista debe mantener una flexión de rodilla cercana
a los 90◦, su tronco debe estar a una inclinación de entre 30◦ y 45◦ sobre el eje horizontal
con una ligera curvatura de espalda, no debe existir una rotación de columna vertebral y los
patines deben mantenerse en una posición paralela entre śı apuntando hacia el sentido de la
marcha [Alewaerts, 2014].
Figura 4-3.: Ángulo de inclinación de la rodilla.
10 4 Marco teórico
4.2.1. Patinaje en recta
La técnica del patinaje en recta es simétrica, es decir que la trayectoria de los dos segmen-
tos corporales son iguales. Este gesto se puede desglozar en 3 fases las cuales son empuje,
deslizamiento o recuperación y por último la fase de preparación que da inicio de nuevo a la
fase de empuje [Isaza, 2009], conviertiéndose en un gesto ćıclico, figura 4-4.
Durante la realización del gesto el ángulo de la rodilla presentado en la figura 4-3 debe
mantenerse lo más estable posible, buscando de esta forma mantener la forma aerodinámica
de la posición.
Figura 4-4.: Ciclo completo con las tres fases de técnica en recta.
Fase de empuje
El objetivo de esta fase lograr la mayor longitud lateral de empuje manteniendo los 4 ruedas
pegadas a la superficie. Como se puede observar en la figura 4-5 durante esta fase se realiza
un traslación del tronco sobre la pierna de apoyo de forma que quijada, rodilla y punta del
pat́ın quedan alineados verticalmente [Lugea, 2009].
El empuje se realiza de forma lateral, alineando entre śı la punta de ambos patines. El ámgulo
de flexión de la rodilla de apoyo debe mantenerse estable y la inclinación del tronco tampoco
4.2 Biomecánica del gesto deportivo 11
debe presentar variaciónes [Lugea, 2009].
Figura 4-5.: Gesto de recta en fase de empuje.
Fase de recuperación o deslizamiento.
En esta fase el peso total del deportista es sostenido por la pierna de apoyo durante el
deslizamiento, durante este instante el ángulo de la rodilla de apoyo no debe variar y el
tronco debe mantenerse en una posición paralela al suelo. Simultáneamente la pierna que
acaba de realizar el empuje inicia un recorrido de preparación hasta conseguir apoyarse en
el suelo nuevamente.
Figura 4-6.: Gesto de recta en fase de recuperación.
12 4 Marco teórico
Fase de preparación
Esta fase se conforma por la finalización de la fase de recuperación y el inicio de una nueva
fase de empuje. Consta del apoyo del dos patines en el suelo, durante esta fase la traslación
del tronco se dirige hacia la otra pierna buscando obtener siempre la alineación entre quijada,
rodilla y punta de pat́ın.
Figura 4-7.: Gesto de recta en fase de preparación.
4.2.2. Patinaje en curva
Al contrario de lo que sucede en la recta, la técnica en curva es asimétrica, en este gesto
la pierna derecha realiza los mismos movimientos que en la recta, mientras que la pierna
izquierda realiza un movimiento de abducción y extensión pasando por detrás de la pierna
derecha como se observa en la figura 4-8 [Lugea, 2009].
Figura 4-8.: Gesto deportivo del patinaje en curva.
4.2 Biomecánica del gesto deportivo 13
En esta fase el pie realiza una supinación, seguido de una extensión de tobillo con el fin de
mantener todas las ruedas en contacto con el suelo mientras la pierna se extiende. Duran-
te la realización del gesto se evidencia 3 fases las cuales consisten en el empuje, trenza y
recuperación [Cabrejo, 2016].
Fase de empuje
Esta fase cumple el mismo objetivo que en la técnica en recta, se busca obtener la mayor
longitud de empuje lateral sin despegar las ruedas del suelo, en este caso es la pierna izquierda
la que realiza el empuje. Una vez se culminado sigue una fase deslizamiento en la cual el
mismo pie que realizó el empuje será el que realiza la fase de trenza [Cabrejo, 2016].
Figura 4-9.: Gesto de curva en fase de empuje.
Durante la realización del gesto se mantiene la alineación vertical entre quijada, rodilla y
punta de pat́ın, sin embargo, se maneja una ligera inclinación del cuerpo hacia el centro de la
pista. Los ángulos de la pierna de apoyo y tronco deben mantenerse estables [Lugea, 2009].
Fase de trenza
Esta fase consiste en el paso de la pierna izquierda frente de la derecha, simultáneamente la
pierna derecha realiza un empuje hacia la parte externa de la pista. La inclinación realizada
por el tronco hacia la parte interna de la pista, permite que este empuje tenga más amplitud
[Alewaerts, 2014].
Durante la realización de este empuje se deben mantener las 4 ruedas en contacto con el
suelo hasta que inicie la fase de recuperación. Es importante mantener el tronco paralelo al
suelo [Alewaerts, 2014].
14 4 Marcoteórico
Figura 4-10.: Gesto de curva en fase de trenza.
Fase de recuperación
Esta última fase consiste en el paso del pat́ın izquierdo por detrás del derecho, volviendo a
su posición inicial y empezando un nuevo ciclo de trenza [Alewaerts, 2014].
Figura 4-11.: Gesto de curva en fase de recuperación.
Este gesto también presenta un comportamiento ćıclico, en la figura 4-12, se observa un
ciclo completo del gesto en curva, desde la fase de empuje hasta la fase de recuperación.
Debido a que oficialmente los giros durante las pruebas de patinaje se realizan en sentido
anti horario, se realiza con más frecuencia la trenza hacia este sentido, sin embargo, este
gesto puede realizarse en ambos sentidos.
4.3 Mofoloǵıa del pie 15
Figura 4-12.: Ciclo completo de gesto en curva.
4.3. Mofoloǵıa del pie
El pie es una estructura diseñada para soportar el peso del cuerpo, amortiguar los impactos y
brindar flexibilidad para poder ejecutar la marcha. Es la extremidad más distal del miembro
inferior y en su planta cuenta con una gran cantidad de terminaciones nerviosas que son
distribuidas por todo el organismo [MH Education, 2013].
Está compuesto por 26 huesos y al igual que la mano presenta tarso, metatarso y dedos.
Cada uno de estos huesos está conectado por ligamentos, en donde se destaca el ligamento
plantar (Figura 4-13), el cual se extiende desde el talón hasta los metatarsianos y cumple
la función de unir y mantener a todos los huesos en su lugar. Es importante resaltar que los
movimientos del pie se ven controlados por los músculos de la pierna [Hernández, 2006]. La
planta del pie forma un arco que se sostiene por tendones y ligamentos, este arco nace desde
el empeine hasta los huesos metatarsianos. Además, presenta gran cantidad de músculos
flexores, extensores, los tibiales y los gemelos [France, 2008].
Figura 4-13.: Huesos y ligamentos del pie.
16 4 Marco teórico
4.3.1. Biomecánica extremidades inferiores (segmento distal)
Articulación del tobillo
Debido a su configuración anatómica, el tobillo es una de las articulaciones más estables de la
extremidad inferior, permitiendo movimiento de flexión y extensión del pie. Está conformada
por la tróclea astragalina la cual presenta una forma ciĺındrica que se asemeja a la forma de
un canal lo que le brinda estabilidad. Por otro lado, se encuentra la mortaja tibioperonea
la cual encaja a la perfección en la tróclea astragalina sumándole aún más estabilidad a la
articulación.
Figura 4-14.: Anatomı́a ósea del tobillo, encaje de la tróclea astragalina en la mortaja
tibioperonea.
Ligamentos del tobillo
Figura 4-15.: Componentes ligamentos del tobillo.
Debido a la amplia cantidad de huesos que componen el tobillo, éste también posee un con-
junto de ligamento encargados de restringir la movilidad del mismo, entre los más importante
4.4 Baropodometŕıa 17
se encuentran los ligamentos laterales externo e interno y los ligamentos anterior y posterior
[Zaragoza, 2013].
Talón
En el plano frontal el talón debe formar en el plano frontal un ángulo de 5-15 con la ver-
tical, y en el plano sagital, un ángulo de unos 30. Debido a la tendencia de desarrollar pie
en valgo, existen unos mecanismos que limitan la tracción del movimiento principalmen-
te el maleoloperoneo, el ligamento interóseo tibioperoneo y el ligamento astragalocalcáneo
[Voegeli, 2003].
4.4. Baropodometŕıa
La baropodometŕıa es el estudio de la distribución de las fuerzas ejercidas sobre el pie. Este
estudio permite detectar patoloǵıas como pie plano o pie cavo, además, permite realizar un
seguimiento a procedimiento quirúrgicos y procesos de rehabilitación. En el ámbito deportivo
es utilizado principalmente como método de prevención de lesiones, permitiendo mejorar la
posición de las articulaciones durante la realización del gesto deportivo [Gascon, 2017].
Para este estudio son utilizados una diversidad de equipos que han presentado constantes
desarrollos a través de los años, comunmente se encuentran equipos de carácter cualitativo
y cuantitavo [Hurtado, 2006].
Los equipos cualitativos tienden a ser más económicos, dentro de estos encontramos en po-
doscopio Figura 4-16, la impresion de huella sobre papel, resinas o yeso. El análisis obtenido
de estos equipos depende de la experiencia del profesional y el almacenamiento de los resul-
tados es complejo [Onofrietti, 2018].
Figura 4-16.: Podoscopio.
18 4 Marco teórico
Por otro lado, los equipos cuantitativos se han venido desarrollando en conjunto con tecno-
loǵıas que permiten la medición de la presión, estos equipos computarizados están compues-
tos por sensores de alta precisión, además, permiten capturar, digitaliazr y almacenar las
mediciones obtenidas durante las pruebas, lo que los convierte en equipos más confiables y
precisos [Onofrietti, 2018].
Figura 4-17.: Podoscopio digital.
Comunmente estos equipos digitales cuentan con una interfaz que entrega la distribución de
la presión plantar representada por un código de colores, figura 4-17, en dónde de menor
a mayor presión se visualizan los colores azul oscuro, azul claro, verde, naranja, amarillo y
rojo [Tibasosa, 2016].
Las mediciones obtenidas usualmente se leen en unidades de kilo pascales (kpa) y su rango
de medición se encuentra entre los 30 - 400 kpa. En la figura 4-18, se observa la variación
del color que se obtiene según el valor de presión léıdo.
Durante la visualización las presiones más bajas son respresentadas por los colores azulo os-
curo, azul claro y verde, con lecturas que llegan a los 200 kpa. Por otro lado las prsiones más
altas son representadas por los colores amarillo, naranja y rojo, abarcando las mediciones
desde los 200 kpa hasta los 400 kpa.
Con este tipo de visualización se facilitan algunos diagnósticos como la ubicación del centro
de gravedad en la planta, la superficie de contacto y la distribución de peso entre los dos pies.
Una de las mayores ventajas de estos equipos es que permite realizar la medición de forma
estática y dinámica, ofreciendo versatilidad a los estudios que se pueden realizar [ECD, 2014].
4.5 Tecnoloǵıa Wearable 19
Figura 4-18.: Variación del color según el valor de kpa obtenido en la medición.
4.5. Tecnoloǵıa Wearable
La tecnoloǵıa wearable abarca aquellos dispositivos electrónicos que se llevan puestos sobre
el cuerpo, estos dispositivos son capaces de resgistrar nuestro actvidad cotidiana analizar y
almacenar esta información. Realizan mediciones de varibles fisiológicas como el ritmo car-
diaco, frecuencia respiratoria, tensión arterial e incluso las horas de sueño [Iberdrola, 2020].
Figura 4-19.: Reloj inteligente para la medición de ritmo caridaco y seguimiento de entre-
namiento.
Estos dispositivos pueden variar desde relojes, pulseras e incluso dentro de prendas de ves-
tir. El impacto que estos equipos traen al área de salud puede renovar la forma en la que se
20 4 Marco teórico
realiza el seguimiento de enfermedades cardiacas y diabetes [Pandorafms, 2018].
Dentro de esta tecnoloǵıa ya se encuentra en el mercado camisetas capaces de medir el ritmo
cardiaco y medias capaces de medir la forma de correr y la distribución de las presiones
en la planta del pie figura 4-20 con el fin de mejorar la técnica de apoyo durante la carre-
ra. Estos datos son enviados via Bluetooth al celular donde son analizados y almacenados
[Sensoria, 2018].
Figura 4-20.: Medias para running inteligentes.
Entre la mayor ventaja de estas tecnoloǵıas se encuentra la facilidad de obtener información
en tiempo real y su visualización desde la pantalla del celular. En el área de la salud se consi-
gue el seguimiento de diversas enfermedades las 24 horas del d́ıa, facilitando su diagnóstico,
seguimiento y tratamiento de las mismas.
En el ámbito deportivo, estás tecnoloǵıas permiten un análisis de diferentes variables fisiológi-
cas durantela práctica, lo que permite generar gúıas de entrenamientos más inteligentes para
aumentar y mantener el rendimiento deportivo.
4.6. Tecnoloǵıa para la medición de presión
4.6.1. Sensores capacitivos de presión
Un sensor de funcionamiento capacitivo consiste en dos placas de materiales conductivos,
generalmente construidos en aluminio Figura 4-21, alineadas entre si pero sin hacer contacto
entre ellas, usualmente separadas por un material aislante o por vaćıo. Dichas placas al ser
sometidas a una diferencia de potencia adquieren una carga, dicha propiedad de almacena-
4.6 Tecnoloǵıa para la medición de presión 21
miento de carga se conoce como capacitancia [Vargas, 2017].
Figura 4-21.: Funcionamiento estructural sensores capacitivo.
Al activarse el sensor se conduce la presión pormedio del diafragma el cual es un elemento
elástico que se deforma según la magnitud de la misma, al llegar esta deformación a la placas
capacitivas provoca que la distancia ente ellas aumenten o disminuya, este diferencia genera
un cambio en la capacitancia del sensor [Vargas, 2017].
Entre las ventajas de este sensor se encuentra la linealidad de su respuesta, su histérisis,
repetitividad y estabilidad, además, ofrece un amplio rango de medición. Por otro lado, son
altamente sensibles al cambio de temperatura y el acondicionamiento de señal depende de
su fabricante [Vargas, 2017].
4.6.2. Efecto piezorresisto
El efecto piezorresistivo es la propiedad que poseen algunos materiales conductores o se-
miconductores, este efecto consiste en el cambio de la resistencia al verse sometida a un
esfuerzo mecánico que genere una deformación Figura 4-22. Usualmente este tipo de senso-
res se construyen en materiales como el silicio o germanio, los cuales al deformarse forman
una red cristalina la cual provoca un cambio en las bandas piezorresistivas, obteniendo un
cambio en la resistencia del material.
Actualmente en el mercado se encuentran una variedad de sensores basados en esta propie-
dad, entre estos encontramos los sensores Flexiforce de la empresa Tecksan y los FSR de
Interlink Electronics. Ambos sensores están compuestos por un delgada peĺıcula de material
piezorresistivo impreso en un circuito compacto de comportamiento flexibles y bajo espesor
Figura 4-23.
22 4 Marco teórico
Figura 4-22.: Funcionamiento estructural sensores piezorresistivos
Como ventajas estos sensores poseen un bajo costo, pueden leerse a través de cualquier tarjeta
o microcontrolador, su acondicionamiento es sencillo, posee un amplio rango de medición,
alta sensibilidad y buena linealidad bajo temperatura adecuada. Entre su desventajas estos
sensores se ven afectados por la temperatura, además, deben se correctamente calibrados
para disminuir la desviación en sus mediciones [Pallás].
Figura 4-23.: Estructura sensor FSR.
5. Marco legal
Decreto 4725 de 2005
Por el cual se reglamenta el régimen de registros sanitarios, permiso de comercialización y
vigilancia sanitaria de los dispositivos médicos para uso humano.
Art́ıculo No. 4. Requisitos fundamentales de seguridad y funcionamiento de los dispositivos
médicos: el cual indica los requisitos de seguridad y funcionamiento que deben cumplir todos
los equipos médicos [Decreto 4725, 2005].
Resolución 1319 de 2010
Aporta un Manual en el cual se establecen las buenas prácticas de manufactura, elaboración
y adaptación de equipos médicos. Esta reslución regula las condiciones para la elaboración
de prótesis y órtesis, estableciento las condiciones técnicas y sanitarias que los establecientos
que realizan esta función deben cumplir [Resolución 1319, 2010].
NTC IEC 60601-1
En esta norma se exponen los protocolos seguridad eléctrica para equipos destinados al campo
de la medicina, esta normativa se encarga de verificar el cumplimiento de lasregulaciones y
requerimientos de seguridad [IEEE, 2011].
Resolución 4002 de 2007
En dicho manual se enumeran las prácticas y procedimientos para el almacenamiento y acon-
dicionamieto de equipos médicos con el fin de mantener la calidad durante el almacenamiento
de dichos equipos [Resolución 4002, 2007].
Resolución 4816 de 2008
En esta resolución se pretende reglamentar el programa de Tecnovigilancia con el fin de
asegurar la seguridad de los pacientes y de todas aquellas personas involucradas en el uso de
equipos médicos [Resolución 4816, 2008].
24 5 Marco legal
NTC- ISO 9001 de 2015
Esta norma propone una estructura en el sistema de gestión de calidad de productos y servi-
cios, esta norma se basa en el enfoque Planificar-Hacer-Verificar-Actuar (PHVA), permitien-
do a todas las organizaciones determinar factores de riesgo que puedan llegar a afectar sus
procesos, implementando controles preventivos para disminuir estos efectos [Icontec, 2015].
6. Estado del arte
En la literatura se encuentran art́ıculos como “Algunas Consideraciones sobre Biomecánica,
Técnica y el Modelo Técnico en el Patinaje de Velocidad.” En el cual se describen de forma
precisa y detallada cada uno de los ángulos en los que se debe tener flexionada la rodilla,
la inclinación del tronco y la técnica de braceo del patinaje de velocidad, se muestra deta-
lladamente la función de cada fase del gesto deportivo con los ángulos más determinantes
[Lugea, 2009].
Entre los objetivos de este art́ıculo se encuentra la identificación del propósito mecánico de
cada una de las fases de realización del gesto técnico en patinaje, identificar los principios
biomecánicos y realizar una descripción cualitativa (ritmo, precisión y fluidez) y cuantitativa
(fuerza, tiempo y velocidad) del gesto deportivo [Lugea, 2009].
Por otro lado estudios como “Biomecánica y patoloǵıas frecuentes en la extremidad inferior
en patinadores”, este art́ıculo presenta un análisis de la lesiones principalmente localizadas
en el pie y tobillo y que se ven relacionadas según el tipo de pat́ın y modalidad del deporte
que se practique (Patinaje en hielo – Patinaje sobre ruedas), en el mismo se ve que lesiones
como fascitis plantar en la que se produce la inflamación de la fascia plantar, esta estructura
cumple una función importante al caminar ya que es la encargada de dar forma al arco
plantar, absorber y devolver la enerǵıa que se produce cuando el pie impacta contra el suelo
[Jimenez, 2016].
Además, se encarga de proteger los metatarsianos evitando un exceso de flexión de los dedos.
Por otro lado, esguinces de tobillo en el que se produce un desgarro de sus ligamento, tienen
una mayor probabilidad de aparecer cuando se presenta una inestabilidad del pie dentro
del pat́ın, esto se genera porque en la mayoŕıa de los casos el diseño del mismo no coincide
con la morfoloǵıa de pie del deportista, llevándolo a realizar sobre esfuerzos innecesarios
[Jimenez, 2016].
Como el anterior, otros estudios determinan las alteraciones que se producen en la postura
diaria del deportista y que se relacionan con el gesto técnico del patinaje. El patinaje es un
deporte ćıclico que se desarrolla en una pista ovalada con 2 rectas de la misma longitud y 2
curva totalmente simétricas, las pruebas se desarrollan en sentido antihorario lo que conlleva
a que la deportista tienda a desarrollar de forma diferente la fuerza en cada una de sus
26 6 Estado del arte
piernas [Alewaerts, 2014].
Este art́ıculo busca describir y analizar las desviaciones posturales más frecuentes en patina-
dores de la modalidad carrera y relacionarlas con la localización de lesiones y sintomatoloǵıa.
Las desviaciones posturales que se encontraron con mayoor frecuencia fueron: anteversión y
retroversión pélvica, es decir, cuando la pelvis se encuentra en posición mas adelante o atrás
de su posición natural. Rodilla en varo, figura 6-1, pies supinados y columna en anteversión
[Alewaerts, 2014].
Figura 6-1.: Comparación de postura natural de rodillas vs postura de rodilla en varo.
Según esteart́ıculo se ecncuentran correlaciones significativas entre el tipo, la frecuencia y
la ubicación de las lesiones y el gesto deportivo, indicando una alta predisposición de que
deportistas desarrollen lesiones a largo plazo [Alewaerts, 2014].
En el estudio realizado por Rafael Zapata, se muestra un análisis de la huella plantar de
patinadores con edades entre los 7 y los 12 años, pertenecientes al club Norte Pat́ın en ĺıne
de la ciudad de Cúcuta en donde analiza la tipoloǵıa del pie de los patinadores y si esta
presentaba una variación antes y después de la sesión de entrenamiento, encontrando que
existe una prevalencia en el tipo de pie normal, normal cavo y cavo, encontrando casos de
pie cavo extremo, los cuales reportaban fuertes śıntomas de dolor [Zapata, 2012].
Actualmente en el mercado se encuentran una variedad de sistemas sensorizados para la
evaluación de las presiones plantares, uno de estos es Flexinfit Figura 6-2, se trata de una
plantilla que puede incorporarse dento del zapato del paciente permitiendo realizar el estu-
dio en tiempo real, y el registro y almacenamiento de datos por hasta 4 horas [Ortomecanica].
Las caracteŕısticas de este dispositivo son:
Cada plantilla tiene 214 sensores de medición.
27
Figura 6-2.: Plantilla sensorial FlexInFit.
Cuenta con tecnoloǵıa inhalámbrica Bluetooth.
Duración de bateŕıa de 4 horas.
Grosor 0.3mm.
Peso del dispositivo 15 gr.
Aunque este dispositivo no puede conectarse directamente al celular, cuenta con un software
de análisis biomecánico y postura llamado Freestep con el cuál se realiza el análisis en tiem-
po real mediante conexión Bluetooth, también cuenta con una tarjeta MicroSD en donde se
pueden almacenar los datos para su posterior análisis [Ortomecanica].
Otro dispositivo que se encuentra en el mercado son las medias inteligentes desarrolladas por
la emprese Sensoria Fitness, figura 6-3, estas medias permiten realizar el seguimiento de ve-
locidad, conteo de pasos, caloŕıas, distancia y altitud. Además, permite registrar la cadencia,
análizar la técnica de atrrizaje pie y la magnitud del impacto de la misma [Sensoria, 2018].
Sus caracteŕısticas son:
Cuenta con sensores patentados 100 % textiles.
28 6 Estado del arte
Figura 6-3.: Medias inteligentes Sensoria 2.0.
Puerto de carga USB.
Conexión Bluetooth.
Aplicación móvil que permite monitorear varibles en tiempo real, además, brinda in-
dicaciones auditivas sobre el análisis de la información obtenida.
7. Objetivos
7.1. Objetivo general
Diseño e implementación de un sistema sensorial para la medición de la presión en el pie al
realizar la práctica en deportistas semiprofesionales de patinaje de velocidad.
7.2. Objetivos espećıficos
Diseñar un sistema de medición sensorial para la medida de presiones en el pie dentro
de la estructura del pat́ın.
Realizar pruebas de funcionamiento y calibración al sistema diseñado.
Implementar del sistema diseñado.
Diseñar e implementar una interfaz para la visualización de datos.
Realizar pruebas de medición durante la simulación del gesto deportivo en la tabla
deslizante y durante ejercicios estáticos en patines.
8. Metodoloǵıa desarrollada
8.1. Diseño de sistema (Primer Objetivo)
El diseño del sistema se basó en una serie de requerimientos basados en las necesidades del
deortista:
Grosor: debido al tipo de calzado o bota utilizado en el patinaje es importante que al
implementarse el sistema no se generen incomodidades en el deportista. Basado en los
dispositivos similiares encontrados en el mercado, se establece un grosor máximo de
0,5mm.
Peso: el sistema debe ser ligero con el fin de no ocasionar sobre esfuerzos en el deportista
que podŕıan alterar la realización de los gestos y por ende los valores obtenidos durante
la prueba.
Inhalámbrico: el sistema debe contar con una comunicación inhalámbrica para la rea-
lización de las pruebas.
Por otro lado, se establecieron los requerimientos funcionales que debe cumplir el sistema:
Los sensores deben cubrir el rango de medida necesario para la realización de las
pruebas.
El sistema debe contar con comunicación inhalambrica ya sea Bluetooth o Wifi.
Frecuencia de muestreo superior a los 100 Hz.
La bateŕıa utilizada para la alimentación del circuito debe cubrir como mı́nimo una
sesión de 2 horas, la cual es la duración promedio de un entrenamiento en patinaes.
Este sistema debe ser recargable.
8.1.1. Selección de sensores
Debido a que no existen antecedentes de medición de presión plantar durante la práctica de
patinaje de velocidad, no se puede establecer con seguridad un rango de medición espećıfico,
sin embargo, en proyectos realizados con tecnoloǵıa similar a la elegida para este proyecto,
8.1 Diseño de sistema (Primer Objetivo) 31
en los cuales se desarrollaron plantillas sensoriales para estudios de marcha, obtuvieron re-
sultados de medidas máximas por sensor de hasta 80N [Muñoz, 2017], este valor se toma
como requerimiento mı́nimo de medida para la referencia de sensor a utilizar.
A partir de los requisitos planteados, se realiza una investigación para determinar que tecnolo-
gias existentes cumplen dichos requisitos, además, se tuvieron en cuenta otras caracteŕısticas
como área de sensado y flexibilidad del sensor.
Dentro de los resultados de la investigación se determinó que los sensores piezorresistivos se
adaptan a las necesidades del proyecto, debido a que no se ven tan afectados por las vibracio-
nes o por interferencias electromagnéticas, ofreciendo una alta precisión en sus mediciones,
bajo costo y buen desempeño.
En el mercado se encuentran los sensores Flexiforce manufacturados por la empresa Tecksan,
y los sensores FSR de Interlink Electronics. Cada uno de estos ofrece distintas referencias
con distinta forma, área de sensado y rango de medición. Se realizó la comparación de las
referencias que mejor adaptan a los requerimientos del proyecto, tabla 8-1.
Caracteŕısticas Flexiforce A301 Flexiforce A401 FSR 402 FSR 400
Presión (N) 120 111 110 100
Área de sensado (mm) 9.53 25.4 18.28 7.62
Grosor (mm) 0.203 0.203 0.405 0.3
Vida útil (activacio-
nes)
≥ 3000000 ≥ 3000000 10000000 10000000
Costo $73.350 $62.300 $25.000 $24.690
Tabla 8-1.: Caracteŕısticas de los sensores propuestos.
Según las caracteŕısticas encontradas durante la investigación se procede a realizar la se-
lección por medio de un cuadro de decisión. En la tabla 8-2, se califica de 0 a 5 cada una
de las caracteŕıstias que se tuvieron en cuenta, en dónde 0 significa que no se adapta a los
requerimientos del proyecto y 5 si cumple por completo las necesidades.
Para el requerimiento de presión se evaluó 0 al sensor con menor rango de presión y 5 al de
mayor rango. El grosor se definió el 5 para el sensor que menos grosor presentara. En el caso
de la vida útil, entre más activaciones soporte el sensor mas cercana será su calificación a
5. En el requerimiento de árdea de sensado, se determinó 5 para el sensor que mayor área
presentara. Por último, la calificación del costo será cercana a 5 para el sensor que más se
aproxime al presupuesto planteado.
32 8 Metodoloǵıa desarrollada
Caracteŕısticas Flexiforce A301 Flexiforce A401 FSR 402 FSR 400
Presión (N) 5 4.7 4.7 4
Área de sensado (mm) 4.2 5 4.5 3.7
Grosor (mm) 5 5 4.5 4.7
Vida útil 4 4 5 5
Costo 3.5 3.7 5 5
Total 4.34 4.48 4.74 4.28
Tabla 8-2.: Ponderación de resultados para la selección del sensor a utilizar.
Según las caracteŕısticas mostradas en la tabla 8-2, el sensor que mejor se adapta a los re-
querimiento establecidos para el proyecto es el FSR 402, figura 8-1, el cumple con todos los
requerimiento de rango de medición, área de sensado y grosor, ofreciendo un menor precio
en el mercado.
Otros beneficios del FSR 402:
Debido a su estructura flexible se adapta con facilidad a diferentes superficies.
Su circuito de acondicionamientoes sencillo.
Presenta un grosor de 0.45mm, por lo que no producirá incomodidades al deportista.
Tiene una alta precisión.
Figura 8-1.: Sensor Fsr 402.
En la tabla 8-3 se muestran las caracteŕısticas de los sensores FSR 402.
8.1 Diseño de sistema (Primer Objetivo) 33
Largo 62 mm
Ancho 19 mm
Área de sensado 18,28 mm
Grosor 0,405 mm
Tiempo de respuesta ≤ 3 microsegundos
Histeresis 10 %
Repetibilidad 2 %
Tiempo de funcionamiento Hasta 10 millones de actuaciones
Temeratura de operación -30◦ - 70◦
Tabla 8-3.: Caracteŕısticas sensores FSR 402, Interlink Electronics.
Calibración de sensores
Se estableción un protocolo de calibración teniendo en cuenta el circuito de acondicionamien-
to del sensor Figura 8-2, para la caracterización se utilizaron 10 pesos diferentes, realizando
un total de 5 mediciones por peso en cada sensor. Se realizó una programación para la lectura
final a través de un microcontrolador.
Esta calibración se realiza con el fin de conocer el comportamiento de los sensores y de esta
forma poder reaizar el análisis de datos de forma correcta. Además, con el acondicionamiento
se busca determianr si el valor de ganancia aecuado para abarcar todo el rango de medición
sin llegar a saturar el sensor, por último, permite reducir parte del ruido producido durante
la lectura.
Figura 8-2.: Circuito de acondicionamiento sensor FSR 402.
Selección amplificador operacional
Para la selección del amplificador se tuvieron en cuenta las siguientes caracteŕısticas:
Fuente de alimentación sencilla.
34 8 Metodoloǵıa desarrollada
Bajo consumo de corriente.
Cantidad de amplificadores por paquete.
Ancho de banda.
A partir de estas caracteŕısticas se realiza la comparación de 3 diferentes amplificadores
operacionales que cumplen los requisitos establecidos, tabla 8-4.
Caracteŕısticas LM358 LM324 LM124J
Alimentación (V) 3 - 32 3 - 32 3 - 32
Número de OpAmp 2 4 4
Consumo de corriente 700 µA 700 µA 1.5 A
Ganancia ancho de banda 3 MHZ 1.2 MHz 1MHz
Tabla 8-4.: Caracteŕısticas amplificadores operacionales propuestos.
En la tabla 8-5, se califica de 0 a 5 cada una de las caracteŕıstias que se tuvieron en cuenta,
en dónde 0 significa que no se adapta a los requerimientos del proyecto y 5 si cumple por
completo las necesidades.
La ponderación de los requerimientos para el voltaje de alimentación se estableció el 5 para
aquellos que presenten menor consumo de voltaje, de esta misma forma se calificó el consumo
de corriente. Para el número de amplificadores por paquete, se establece el 5 para el que más
amplificadores posea. Por último, para la ganancia de ancho de banda, se aproxima a 5 entre
más rango de frecuencia abarque.
Caracteŕısticas LM358 LM324 LM124J
Alimentación (V) 5 5 5
Número de OpAmp 2.5 5 5
Consumo de corriente 4.5 5 4
Total 4 4.83 4.66
Tabla 8-5.: Ponderación de resultados para la selección del amplificador operacional a uti-
lizar.
A partir de la tabla 8-5, se decide utilizar el integrado LM324 ya que posee un consumo de
corriente más bajo, lo que lo hace apropiado para el funcionamiento con bateŕıa.
Otras ventajas de utilizar este integrado son:
No es necesaria la fuenta dual para su alimentación.
8.1 Diseño de sistema (Primer Objetivo) 35
Al tener 4 amplificadores operacionales en un paquete facilita su implementación en el
circuito.
Posee una ganancia de 100 dB.
Los parámetros a definir durante acondicionamiento de la señal son:
Obtención y manejo de la señal.
Valor de amplificación.
Diseño final del circuito de acondicionamiento.
8.1.2. Puntos de medición
Los puntos de ubicación de los sensores fueron definidos a partir de diferentes estudios reali-
zados para el diseño de plantillas sensoriales. Según el estudio realizado por [Klimiec, 2017],
en el cual se desarrolló un análisis de marcha en condiciones naturales, es decir, fuera del
laboratorio, permitiendo obtener datos mientras las personas realizaban actividades f́ısicas
como trotar. En este estudio se utilizaron 8 sensores en las zonas de los metatarsos, el medio
pié y el talón.
Dentro del estudió se encontró que los puntos con mayor presión se encuentra en los metatar-
sos y el talón, sin embargo, los sensores ubicados en el medio pie permiten la identificación
de posibles patoloǵıas como pie plano o pie cavo. En base a estos resultados se determinan
los puntos de medición a utilizar en este proyecto.
Figura 8-3.: Puntos de medición, [Klimiec, 2017].
36 8 Metodoloǵıa desarrollada
A partir de este estudio se realizó el diseño del sistema. Se establecen 7 puntos de presión
distribuidos en las tres zonas anatómicas de presión en la planta del pie, las cuales son los
metatarsos, el medio pié y el talón. Por otro lado, en base a el estudio [Hernández, 2011]
se establecen dos puntos adicionales de medición ubicados en la parte interna y externa del
talón, según este estudio estas fueron las zonas en donde se presentaron más alteraciones
como bursitis. 8-4.
Figura 8-4.: Diseño y ubicación de sensores.
Con lo anterior se tiene un total de 9 puntos de medición por pie.
8.1.3. Selección microcontrolador
Los parámetros definidos para la selección del microncontrolador fueron los siguientes:
Debido a que se estableció una cantidad de 9 sensores por pie, el microontrolador debe
tener entradas análogas suficientes para realizar la lectura de todos los sensores.
Voltaje de alimentación.
Consumo de corriente.
Tamaño y peso.
Dentro de la búsqueda realizada se encontraron 3 microcontroladores que se encontraban
dentro de los requerimientos establecidos, tabla 8-6.
8.1 Diseño de sistema (Primer Objetivo) 37
Tarjeta ESP WROOM
32
Raspberry pi 3 Arduino MKR
WAN 1310
Tamaño (mm) 50x25 85 x 56 67.64x25
Peso (gr) 10 15 32
Puertos ADC 16 40 10
Transmición inhalambrica Bluetooth y Wifi Bluetooth y
LAN
Bluetooth
Voltaje de alimentación (V) 3.3 - 3.7 3.3 3.3
Número de bits 12 64 10
Tabla 8-6.: Requerimientos tarjeta microcontrolador.
En la tabla 8-7, se califica de 0 a 5 cada una de las caracteŕıstias que se tuvieron en cuenta,
en dónde 0 significa que no se adapta a los requerimientos del proyecto y 5 si cumple por
completo las necesidades.
Para las caracteŕısticas de peso y tamaño, se obtiene 5 entre más bajo sea su valor. Para la
selección de puertos análogos se obtiene 5 si supera el valor de requerimiento establecido.
En el caso de la transmición inhalámbrica se obtiene 5 si posee la transmición. Por último,
entre menos voltaje de alimentación requiera más cercano será su valor a 5.
Tarjeta ESP WROOM
32
Raspberry pi 3 Arduino MKR
WAN 1310
Tamaño (mm) 4.5 46 4.2
Peso (gr) 4.7 4.3 3.7
Puertos ADC 5 5 5
Transmición inhalambrica 5 5 5
Voltaje de alimentación (V) 5 5 5
Total 4.84 4.78 4.58
Tabla 8-7.: Ponderación de caracteŕısticas para la selección del mic.
Según los resultados de la tabla 8-7, el módulo ESP32 figura 8-5, se adapta mejor a los
requerimientos del proyecto debido a que sus dimensiones y peso son inferiores en compara-
ción a las otras tarjetas, además, está tarjeta puede ser programada a través del Software
de Arduino. Esta tarjeta es producida por la empresa Espressif Systems, posee un módulo
Bluetooth 4.2 2.4 Ghz; BT 2.0 y 4.0 BLE, el cual puede cubrir una distanca de hasta 100m
en campo abierto, por otra parte cubre en totalidad la cantidad de entradas ADC requeridas
38 8 Metodoloǵıa desarrollada
por el proyecto.
Figura 8-5.: Microcontrolador ESP32.
Entre otras caracteŕısticas, esta tarjeta posee un procesador Xtensa Dual-Core, al integrar
dos núcleos se puede realizar la transmisión de datos en uno de estos mientras en el otro se
realizan el resto de procesos. Las principales ventajas del uso de este microcontrolador son:
Posee módulos Bluetooth y Wifi incorporados y no requiere de circuitos anexos para
su funcionamiento.
Demanda un consumo de corriente muy bajo, cuandose exige a un funcionamiento
máximo su consumo es de 225mA, su promedio de uso de corriente es de 80 mA y en
modo deep sleep es de 2.5µA. Además, cuenta con una configuración de bajo consumo
en la cual consume menos de 150µA. Esta caracteŕıstica optimiza el uso de la bateŕıa
de alimentación, asegurando aśı más tiempo de uso.
Su peso no aporta un valor significativo al sistema.
8.2. Pruebas de funcionamiento y calibración (Segundo
objetivo)
8.2.1. Calibración de sensores
El desarrollo de la calibración se realizó en 3 etapas figura 8-6, la primera de estas fue el
diseño de estructura para la calibración, seguido del montaje y funcionamiento del circuito
de acondicionamiento. A continuación, se realizó un códido de programación para la lectura
de salida del circuito por medio de la tarjeta ESP32 y Software de arduino y por último se
obtuvo la visualización de la señal en el computador.
8.2 Pruebas de funcionamiento y calibración (Segundo objetivo) 39
Figura 8-6.: Proceso de obtención de datos para la calibración del los sensores.
Diseño estructura de calibración
Para la calibración fue necesario el diseño y consntrucción de una estructura que permitiera
soportar pesos entres los 1lb - 20 lb, y que además asegurara que dicho peso recaiga en su
totalidad sobre el área de sensado.
Se diseño un plataforma sobre la cual se ubican los pesos de calibración,figura 8-7, esta
plataforma se encuentra sujeta a una estrucura capaz de soportar el peso. Para la base
que recae directamente sobre el sensore, se diseño una base con el diámetro del área de sen-
sado de los sensores, siendo esta pieza la que recae 100 % sobre el área de medición del sensor.
Figura 8-7.: Diseño de estructura de calibración.
El diseño de esta estructura permite que el peso recaiga unicamente en el tubo que cae
directamente sobre el sensor. El sistema fue construido en madera y poliéster, su peso final
fue de 600 gr, valor que se tuvo en cuenta dentro del protocolo de calibración.
40 8 Metodoloǵıa desarrollada
Circcuito de acondicionamiento y lectura
Se realiza el montaje del circuito de acondicionamiento del sensor, figura 8-2, se realiza la co-
nexión a la entrada analógica de la tarjeta ESP32 y comprueba el funcionamiento del mismo.
Se realizó la validación de las pesas utilizadas para la calibración del sistema mediante una
balanza convencional, la cual según especificaciones del fabricante presenta un error de me-
dición de 0.1 gr, 8-8.
Figura 8-8.: Validación de las pesas utilizadas para la calibración
Por medio del software de Arduino se realiza la lectura de la tarjeta ESP32 y a través de
una programación se obtiene la visualización de los valores análogos de la señal (bits). En
la figura 8-9, se observa la ubicación de las pesas en la estructura, junto con el circuito de
acondicionamiento montado y la conexión a la tarjeta ESP32.
Figura 8-9.: Proceso de calibración variando los pesos con lectura en computador.
Para la obtención de datos se realizó una programación en el software Arduino en la cual
8.2 Pruebas de funcionamiento y calibración (Segundo objetivo) 41
se realiza la lectura de los sensores, en el diagrama 8-10 se muestra el desarrollo de esta
programación, en la cual se establecen la variables de lectura, posteriormente se define una
velocidad de 9600 y por último se visualiza el valor análogo obtenido en la lectura del sensor.
Figura 8-10.: Diagrama de progrmación para obtener los valores de calibración.
Protocolo de calibración
Se establecen 4 pesos de calibración, tabla 8-8, cada uno de estos pesos fue ubicado sobre la
estructura de calibración de forma aleateria, se realizó este proceso 5 veces por cada sensor
con el fin de establecer el comportamiento del mismo. El voltaje de alimentación utilizado
fue de 3.3v, el cual representa el voltaje de alimentación de la tarjeta ESP32.
Pesos (gr) 600 3100 5600 10600
Tabla 8-8.: Pesos utilizados durante el protocolo de calibración.
Para definir la ganancia necesaria para el circuito se realizó este mismo procedimiento cam-
biando los valores de resistencia pro valores de 1 kΩ 3 kΩ, 4.7 kΩ y 10 kΩ, con el fin de
42 8 Metodoloǵıa desarrollada
definir el punto de saturación en el sensor según la ganancia obtenida.
Resultados de calibración.
El primer objetivo era establecer los valores de ganancia para el circuito de acondiciona-
miento del sensor, para esto se realizaron las pruebas con distintas resistencias para definir
si la medición se saturaba.
Figura 8-11.: Valores obtenidos durante el proceso de selección de ganancia del circuito.
En la gráfica 8-11, se observa que los resultados para las resistencias de 4.7 kΩ y 10 kΩ
se obtuvo una saturación, mientras que los valore de 3 kΩ y 1 kΩ lograron cubrir todos los
pesos de calibración. Sin embargo, se decide trabajar con la resistencia de 1k, debido a que
es la que ofrece mayor linealidad en su respuesta y la gráfica que obtuvo el valor de R2 más
cercano a 1, tabla 8-9.
Medida 1 kΩ 3 kΩ 4.7 kΩ 10 kΩ
R2 0.976 0.9518 0.8916 0.8989
Tabla 8-9.: Valores de R2 de las curvas obtenidas para determinar el valor de ganancia del
circuito .
A continuación, se continuó la calibración con los demás sensores utilizando la resistencia
de 1kΩ. Dentro de los resultados se obtuvieron 5 gráficas por sensor. en la figura 8-12 se
observan los valores obtenidos para las 5 mediciones realizadas en un sensor.
8.2 Pruebas de funcionamiento y calibración (Segundo objetivo) 43
Figura 8-12.: Gráficas obtenidas de las 5 mediciones en un sensor.
En la siguiente tabla se muestran los valores de desviación y valor R de la ponderación de
cada uno de los sensores:
Medida Sensor
1
Sensor
2
Sensor
3
Sensor
4
Sensor
5
Sensor
6
Sensor
7
Sensor
8
Sensor
9
R2 0.9875 0.9672 0.9566 0.9513 0.9478 0.971 0.9513 0.987 0.9848
Tabla 8-10.: Valores de coeficiente de determinación de las mediciones de calibración.
Con el fin de análizar el comportamiento de los sensores según la calibración obtenida para
cada uno, se establecen la ubicación de los mismo en el sistema, tabla 8-11.
Sensor Sensor
1
Sensor
2
Sensor
3
Sensor
4
Sensor
5
Sensor
6
Sensor
7
Sensor
8
Sensor
9
Ubicación D1 M1 M2 M3 MD1 MD2 T TI1 TI2
Tabla 8-11.: Ubicación de los sensores en el sistema.
En dónde:
D1: dedo.
M1 - M2 - M3: metatarsiles.
MD1 - MD2: zona media del pie.
T: talón.
TI1 - TI2: Parte interna y externa del talón.
44 8 Metodoloǵıa desarrollada
8.2.2. Pruebas conexión bluetooth
El funcionamiento del sistema se encuentra dividido en varias etapas, entre las que se en-
cuentran la lectura de los sensores, el acondicionamiento de la señal, transmisión bluetooth,
almace namiento y lectura y análisis de los datos.
Prueba de alcance de conexión Bluetooth
Se realizaron pruebas de funcionamiento de la conexión inhalámbrica para comprobrar la
distancia alcanzada por el módulo en el lugar de la prueba. Estas pruebas se realizaron en
la pista de patinaje ubicada en el Parque Recreodeportivo El Salitre. Para esta prueba se
realizó la comunicación de la tarjeta ESP32 y el IDE de arduino, con ayuda de la aplicación
para celular BLE Scanner se realizó la programación para la comunicación entre la tarjeta
y el celular.
Figura 8-13.: Diagrama de progrmación prueba de alcance conexión Bluetooth.
8.2 Pruebas de funcionamiento y calibración (Segundo objetivo) 45
Para esta prueba se utilizó una programación brindada por el software Arduino llamada
BLEWrite, la cual permite realizar el env́ıo de datos originados en el celular mediante una
aplicación llamada BLE Scanner a partir de la cual se realiza la conexión con el sistema
Bluetooth de la tarjeta ESP32, el env́ıo de estos datos puede ser visualizado por medio de
la pantalla Serial Print en Arduino.
Figura 8-14.: Env́ıo de datos desde celular por medio de la aplicación BLE Scanner.La realización de las pruebas se llevó a cabo en la pista de patinaje del parque Recreodepor-
tivo el Salitre, durante las pruebas fue necesario el uso de un portátil al cuál se encuentra
conectada la tarjeta ESP32 y partir de un código en Arduino se recibe la información, y un
celular con conexión Bluetooth en el cuál se pudiera descargar la aplicación BLE scanner.
Figura 8-15.: Puntos de conexión Bluetooth en la pista de patinaje del parque Recreode-
portivo el Salitre.
Las pruebas consistieron en la ubicación del portátil y la tarjeta ESP32 en el centro de la
pista, a continnuación se empezó un recorrido a través de la parte más externa del óvalo
de la pista. Se establecieron 8 puntos de comunicación, figura 8-15, en dónde se enviaba
información desde el celular y se validaba la conexión en la pantalla del computador.
Según los resultados obtenidos en estas pruebas 8-16 se alcanza una distancia de conexión
entre la tarjeta y el celular de 60m, lo cual representa distancia suficiente para la realización
de las pruebas, debido a que las medidas de largo de la pista son 63 m. Sin embargo,
46 8 Metodoloǵıa desarrollada
Figura 8-16.: Comprobación comunicación bluetooth.
Prueba de transmisión de datos
Figura 8-17.: Diagrama de progrmación de transmisión de datos por conexión Bluetooth.
8.2 Pruebas de funcionamiento y calibración (Segundo objetivo) 47
Para la transmisión de datos se establecieron las siguientes caracteŕısticas:
Velocidad puerto serial 9600, con esta velocidad se garantiza una frecuencia de muestreo
de 8.928 KHz, es decir se obtiene una muestra cada 112 µs.
Velocidad transmisión Bluetooth, según las caracteŕısticas obtenidas en el hoja de da-
tos del ESP32, este posee un Bluetooth 4.0 el cual tiene una velocidad de transferencia
de 3 MB/s, a esto también es importortante especificar que la resolución del puerto
ADC es de 12 bits es decir que se cuenta con una resolución 4096.
Con lo anterior se realiza el cálculo para determinar la cantidad de datos que se pueden
enviar por segundo obteniendo un valor de 732 datos, es decir, se env́ıa un dato mı́nimo
cada 1.4 ms.
Frecuencia de transmisión de datos mı́nimo 100 Hz, para determinar este valor se
realizó un análisis de la frecuencia del paso durante la práctica deportiva, durante el
análisis se obtuvo que el gesto en el mayor frecuencia se presenta es la salida estática,
en la cual el deportista puede realizar hasta 4 pasos en 1 segundo.
Según esto se realiza un paso cada 0.25 s, con la frecuencia mı́nima establecida en 100
Hz se garantiza que se tomarán 25 muestras por paso, valor que se considera suficiente
para garantizar que no se perderá información durante la medición. Esta frecuencia
puede ser aumentada hasta un máximo de 700 Hz, valor limitante de la conexión
Bluetooth.
Tiempo de respuesta, para estimar el tiempo de respuesta se tuvieron en cuenta las
velocidades de obtención de información, en primer lugar se obtiene el tiempo de res-
puesta del sensor FSR 402 en el cual es 3 µs, el tiempo de obtención por muestra en
Arduino es de 112 µs y por último el tiempo de transmisión de los datos v́ıa Bluetooth
el cual es de 1.4 ms. Lo que indica un tiempo de respuesta de 1.515 ms.
Para la transmisión de datos se utilizó la plataforma Blynk, la cual permite la facilidad de
conexión entre la tarjeta ESP32 y el sistema Android o iOs del celular.
Previo a la transmisión de los datos se realizaron las respectivas conversiones para obtener el
valor en medidas de KPa, para esta conversión se utilizaron las gráficas obtenidas durante la
calibración de los sensores, en las cuales las mediciones se leyeron en unidades de kg, a partir
de esto se obtuvo el valor en N. Por otra parte, se utilizó el diámetro de sensado del sensor
FSR 402 el cual es de 18.28mm, con este valor se halló el área de sensado del mismo y se
obtuvo el valor de 0.00026 m2. Con estas dos unidades se logró obtener el valor de medición
en unidades de pascales (N/m2).
48 8 Metodoloǵıa desarrollada
8.3. Implementación del sistema (Tercer objetivo)
8.3.1. Estuctura y montaje sistema de medición
Para la implementación del sistema se utilizó una tela compuesta de algodón, lycra y nylon,
que ofrece las siguientes caracteŕısticas:
Adopta la forma de la superficie.
No es deslizante y ofrece estabilidad al pie.
No retiene humedad.
Es delgada pero resistente a la fricción.
Figura 8-18.: Vista frontal con la ubicación de los sensores y vista lateral con la ubicación
del cableado del sistema.
El sistema se diseñó a partir de las dimensiones de una media talla 35-37, después de ubicar
los sensoren en los puntos de medición estos fueron adheridos a la tela con ayuda de un
pegante especial para telas. Una vez fijos en su ubicación, se procedió a cubrir los sensores
con la misma tela, bordeando parte del cuerpo de los sensores y el cableado para garantizar
que su posición no vaya a variar durante las pruebas.
8.3 Implementación del sistema (Tercer objetivo) 49
8.3.2. Diseño circuito PCB
Para el diseño de la PCB se tuvieron en cuenta consideraciones para la disminución del ruido
y de seguridad eléctrica:
Conexión a tierra.
De acuerdo con la normativa IEC-60601-1 el diseño del sistema presenta dos capas.
Facilidad de conexión de los conectores.
El circuito fue armado previemente en protoboard para garantizar su funcionamiento.
El enrutamiento se realizó de forma manual para asegurar que no se presentara ningún
ángulo de 90◦, que pueda introducir ruido al sistema.
En la figura 8-19, se observa en diseño de PCB realizado en el software PCB Wizard. En la
imagen se observa el enrutamiento de cada una de las capas ligado a un plano de tierra con
el fin de disminuir la impedanca y reducir el ruido en el circuito.
Figura 8-19.: Diseño de PCB en Software de diseño PCB Wizard.
50 8 Metodoloǵıa desarrollada
8.4. Diseño de interfaz (Cuarto Objetivo)
8.4.1. Requerimientos de interfaz
Para el diseño de la interfaz se tuvieron en cuenta las caracteŕısticas de los equipos ya
existentes en el mercado:
Debe presentar un comunicación Bluetooth.
Debe graficar los datos en tiempo real.
Visualización de las presiones ejercidas a través de un códio de color establecido y de
forma numérica.
Compatible con sistemas Android.
Permitir la exportación de datos en archivo .csv
Para el diseño de la interfaz se utilizó la plataforma Blynk, esta es una plataforma que per-
mite la conexión de forma inalámbrica con diferentes tarjetas y controladores como Arduino,
Raspberri Pi y las tarjetas ESP866 y ESP32 con dispositivos iOS y Android. Esta herra-
mienta también permite el diseño de intefaces para obtener los resultados en tiempo real a
través de la pantalla del celular [Tecnoloǵıa H, 2018].
Diseño de interfaz
El diseño de interfaz se compuso en tres ventanas diferentes 8-20, una en donde se visualizan
las lecturas para el pie derecho, otra para el pie izquierdo y por último una ventana llamada
conexión en la cual se configura la conexión Bluetooth entre el sistema y el celular.
Figura 8-20.: Ventanas que componen la interfaz de visualización.
Conexión al sistema de medición
Para iniciar la conexión Bluetooth, se debe abrir la ventana llamada CONEXIÓN, figura
8-20, alĺı se encuentra el śımbolo de conexión bluetooth, al abrir esta ventana apareceran
todos los dispositivos cercanos. El nombre del dispositivo bluetooth del sistema es Roller
Skate Control, figura 8-21.
8.4 Diseño de interfaz (Cuarto Objetivo) 51
Figura 8-21.: Selección del dsipositivo Bluetooth del sistema.
8.4.2. Visualización de datos
En la figura 8-22, se observa la estructura de la ventana de visualización de datos para el
pie derecho, en esta ventana se visualizan los 7 puntos establecidos en la planta del pie. La
visualización está compuesta por una imagen de la zona plantar, en dónde se encuentran