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Jorge Enrique Rodríguez Jiménez  
Ivan Pérez Mallea  
Universidad de las Ciencias Informáticas  
Universidad de las Ciencias Informáticas  
jerodriguez@uci.cu  
mallea@uci.cu  
https://orcid.org/0000-0002-1910-9669  
https://orcid.org/0000-0001-8465-1086  
Arianna Rodríguez Jiménez  
Universidad de las Ciencias Informáticas  
arjimenez@uci.cu  
https://orcid.org/0000-0002-4022-7379  
RECIBIDO 12/12/2020 ● ACEPTADO 26/02/2021 ● PUBLICADO 30/03/2021  
RESUMEN  
Los dispositivos de interacción hombre-máquina han sufrido un aumento en su velocidad de  
evolución. Desde la aparición de los primeros teléfonos inteligentes, hasta la aplicación de la  
realidad aumentada, y más recientemente, la consolidación de la realidad virtual, el modo en que  
el ser humano percibe el entorno ha cambiado debido a la influencia de estas nuevas tecnologías.  
Si bien existe una tendencia hacia el software y hardware libre, promoviendo el desarrollo sin  
limitaciones y la construcción de dispositivos con un bajo costo económico, Cuba no posee los  
recursos necesarios para garantizar la adquisición y empleo de dispositivos de realidad virtual,  
por lo que su desarrollo en cuanto a tecnologías 3D puede verse retrasado con respecto al del  
resto del mundo. En esta investigación se presentan dos modelos de diseño y construcción de un  
dispositivo para la simulación de los movimientos e interacción de los miembros superiores e  
inferiores en entornos tridimensionales (dispositivo de realidad virtual), mediante el uso de  
tecnologías libres. Se utiliza la plataforma de hardware Arduino como centro de adquisición de  
datos físicos. Se realiza la selección de sensores y actuadores, así como un análisis de factibilidad  
y funcionalidad de los mismos.  
Palabras claves: Arduino, hardware libre, interacción, realidad virtual, sensors.  
ABSTRACT  
Human-machine interaction devices have experienced an increase in their speed of evolution.  
From the appearance of the first smartphones, to the application of augmented reality, and more  
recently, the consolidation of virtual reality, the way in which humans perceive the environment  
has changed due to the influence of these new technologies. Although there is a trend towards  
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free software and hardware, promoting the development without limitations and the construction  
of devices with a low economic cost, Cuba does not have the necessary resources to guarantee  
the acquisition and use of virtual reality devices, so its Development in terms of 3D technologies  
may be lagging behind that of the rest of the world. This research presents two models of design  
and construction of a device for the simulation of the movements and interaction of the upper  
and lower limbs in three-dimensional environments (Virtual Reality device), through the use of  
free technologies. The Arduino hardware platform is used as the physical data acquisition center.  
The selection of sensors and actuators is carried out, as well as an analysis of their feasibility and  
functionality.  
Keywords: Arduino, free hardware, interaction, sensors, virtual reality..  
INTRODUCIÓN  
La sociedad, en crecimiento exponencial y constante cambio, ha variado su forma de pensar a  
través de los años, apartando los instintos básicos para la supervivencia y tendiendo a un mayor  
interés en la comodidad y el bienestar físico-espiritual. Con el fin de satisfacer las nuevas  
necesidades del hombre, la tecnología se ha visto obligada a una acelerada evolución y desarrollo,  
trayendo consigo el surgimiento de la era de las máquinas. La metáfora de interacción hombre-  
máquina provista por las ventanas, el ratón, los íconos y el puntero ha sido ampliamente aceptada  
desde la llegada de los entornos de escritorios gráficos. Esto trajo consigo la estandarización de  
un conjunto de técnicas y tareas básicas para el uso de este tipo de entornos. Como resultado se  
desarrollaron interfaces gráficas de usuario maduras y estables, se formalizaron reglas para su  
manejo y se crearon nuevas funcionalidades como parte de entornos integrados de desarrollo,  
para potenciar este tipo de vinculación entre el usuario y la computadora. Estos entornos  
evolucionaron más allá de las dos dimensiones presentando programas que sentaron las bases  
para el desarrollo de videojuegos, simuladores, entrenadores y otros sistemas de realidad virtual.  
Se puede definir a la realidad virtual como un sistema informático que genera un conjunto de  
representaciones de la realidad, las cuales se expresan como simulaciones interactivas mediante  
el uso de componentes especializados. Tomando como punto de partida lo antes expuesto, es  
necesario señalar que existen tres elementos básicos que se encuentran presentes en todos los  
sistemas de realidad virtual [1,2]:  
•
Simulación interactiva: en un sistema de realidad virtual, cada acción y movimiento del  
usuario es improvisado por el mismo durante la marcha, sin necesidad de establecer un  
guion, el usuario decide qué hacer y qué no, afectando de forma directa el entorno y  
posibilitando experiencias únicas en cada ejecución de la aplicación.  
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•
•
Interacción implícita: en los sistemas de realidad virtual el equipo de cómputo captura la  
voluntad del usuario implícita en sus movimientos naturales.  
Inmersión sensorial: se puede definir la inmersión sensorial como la desconexión de los  
sentidos del mundo real y la conexión al mundo digital. El usuario deja de percibir el  
entorno que lo rodea y pasa a estar completamente sumergido en el espacio virtual que se  
ejecuta desde la computadora  
A la par de la evolución de los sistemas han tenido que evolucionar los dispositivos de interacción  
humana, que aún distan mucho de haber llegado a la madurez. Las últimas décadas han marcado  
un gran avance en este sentido, sin embargo, aún no se ha llegado a un consenso general en la  
estandarización o forma de realizar las interacciones en las interfaces que conforman estos tipos  
de software. Aunque la variedad de dispositivos para interactuar con estos entornos ha crecido  
exponencialmente, siguen siendo caros y difícil de adquirir, razón por la cual se siguen utilizando  
dispositivos 2D en programas que manejan 3D, limitando así la experiencia de usuario en estas  
interfaces gráficas. Los dispositivos de realidad virtual son equipos diseñados especialmente para  
servir como periféricos de entrada y salida. Estos equipos se dividen en tres categorías  
fundamentales según los sentidos humanos a los cuales están destinados a estimular: los  
encargados de la visión, la audición y la interacción [3,4].  
Existen varias compañías que han desarrollado dispositivos para realidad virtual, cada uno tiene  
características que los diferencian de los otros, no solo en la estructura, sino también en los  
requerimientos para su uso y el precio de venta. Algunas de las más requeridas por los usuarios  
son Oculus (Rift S, Quest y Go), HTC (Vive, Vive Pro y Vive Focus) y Sony (PlayStation VR) [5-  
8
].  
Cada uno de estos equipos está constituido por varios componentes como son las gafas, los  
auriculares y los mandos. Los mandos, gafas y controladores más avanzados, poseen sistemas  
de seguimiento que les permiten rastrear la posición de los miembros del cuerpo para luego  
proyectarlo dentro del mundo virtual y permitir la interacción con el mismo por parte de los  
usuarios [3,4].  
Este seguimiento generalmente se realiza mediante el uso de un sistema de localización local,  
donde solo se tiene en cuenta el movimiento de la parte que se desea proyectar. También es  
posible calcular la posición de los miembros realizando un reconocimiento a los movimientos  
individuales que realizan cada una de sus partes [9]. Este último método es mucho más exacto  
y otorga un mayor control en la adquisición de datos por parte del dispositivo, permitiendo la  
posible adición de más funcionalidades, aunque para implementar el mismo es necesario conocer  
la estructura y funcionamiento de cada uno de los miembros del cuerpo humano en su totalidad.  
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MATERIALES Y MÉTODOS  
Se realizó un estudio fisiológico articular de cada uno de los miembros, tanto inferiores como  
superiores para obtener el conocimiento necesario sobre la estructura y el funcionamiento de los  
mismos. De ello se obtuvo los miembros superiores están compuestos por cuatro partes [10-13]:  
•
•
•
•
Cintura escapular: formada por la clavícula y la escápula.  
Brazo: el cual posee un solo hueso llamado húmero.  
Antebrazo: constituido por el radio y el cúbito.  
Mano: estructurada por tres grupos de huesos, el carpo, los metacarpianos y las falanges,  
todas estas partes unidas por articulaciones.  
Los miembros inferiores están compuestos por: la región glútea, el muslo: el cual tiene un solo  
hueso llamado fémur, la pierna: compuesta por la tibia y el peroné y el pie: compuesto por tres  
grupos de huesos, el tarso, el metatarso y las falanges, todas las partes unidas mediante  
articulaciones. El estudio permitió dirigir el enfoque de acción del sistema hacia los movimientos  
de las partes que se deseaban simular. Para capturar las acciones realizadas por cada uno de los  
miembros, se exponen las variantes de construcción de un dispositivo de interacción humana de  
tipo dispositivo de realidad virtual.  
Diseño y construcción del Modelo 1  
Para lograr una experiencia de inmersión completa es necesario capturar las acciones y  
movimientos de cada uno de los miembros. Teniendo en cuenta que el cuerpo humano tiene dos  
miembros superiores y dos inferiores, además de la cabeza, el torso y la cadera, se divide el  
enfoque de construcción en las partes superior (cabeza, miembros superiores, torso) e inferior  
(cadera, miembros inferiores) del cuerpo.  
Para capturar los movimientos de cada parte, es necesario el empleo de varios sensores [14-16].  
Para obtener los valores de rotación se hace uso de 15 sensores BNO055, el mismo es un sensor  
de tipo IMU (Unidad de Movimiento Inercial) de 9 grados de libertad, contiene un acelerómetro,  
un magnetómetro y un giroscopio. Se utiliza además 10 sensores Flex, estos son utilizados  
normalmente para medir el ángulo de giro de articulaciones para aplicaciones robóticas y está  
diseñado para ser flexionado solo en una dirección. Para un mejor control de los BNO055 se  
emplean 2 multiplexores I2C TCA9548A, estos permiten manejar hasta 8 dispositivos I2C cada  
uno, haciendo uso de un solo puerto I2C en nuestro microcontrolador.  
La distribución y ubicación de sensores en la parte superior se realiza de la siguiente forma:  
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•
•
Un sensor BNO055 fijado a la cabeza y otro a la parte superior del torso para controlar los  
movimientos de los mismos.  
En cada miembro superior tres sensores BNO055, uno fijado en el brazo, uno en el  
antebrazo y otro en la mano.  
•
•
En cada dedo de la mano un sensor Flex para controlar su ángulo de flexión.  
Un multiplexor I2C TCA9548A para controlar los 8 sensores BNO055 de la parte superior  
La distribución y ubicación de sensores en la parte inferior se realiza de la siguiente forma:  
•
•
•
Un sensor BNO055 fijado en la cadera para obtener los movimientos realizados por la  
misma.  
En cada miembro inferior tres sensores BNO055, uno fijado en el muslo, uno en la pierna  
y otro en el pie.  
Un multiplexor I2C TCA9548A para controlar los 7 sensores BNO055 de la parte inferior.  
Tanto los sensores Flex como los multiplexores se conectan a un Arduino Mega 2560, el cual fue  
seleccionado como centro de adquisición de datos debido a que posee una mayor cantidad de  
puertos que el clásico Arduino Uno [17-20]. La conexión se realiza de la siguiente forma:  
Tabla 1. Conexión de sensores Flex.  
Tabla 2. Conexión de Multiplexor I2C TCA9548A.  
Tabla 3. Conexión de BNO055.  
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A continuación, se muestra en la Figura 1 el diagrama de conexión para cada componente:  
Figura 1. Diagrama de conexión de componentes del Modelo 1.  
Con la construcción de este modelo se garantiza una completa proyección de los movimientos del  
cuerpo al espacio virtual, permitiendo una completa libertad de acción y desplazamiento por parte  
del usuario. Para lograr este resultado se hace obligatorio el uso de gran cantidad de  
componentes, por este motivo el costo de producción del dispositivo siguiendo este modelo es  
alto, a continuación, se presenta la relación del costo de cada componente:  
Tabla 4. Análisis de costo del Modelo 1.  
Diseño y Construcción del Modelo 2  
Con la construcción del Modelo 1 se consigue una simulación total en el espacio virtual de los  
movimientos realizados por cada una de las partes del cuerpo. Sin embargo, el costo de  
construcción del mismo se eleva con relación a otros dispositivos que pudieran garantizar las  
mismas características funcionales.  
El Modelo 2 está diseñado para sacrificar algunas de las funcionalidades con el objetivo de reducir  
el costo de construcción y aumentar la accesibilidad al dispositivo por parte de mayor cantidad  
de usuarios.  
Este modelo se enfoca en la adquisición de los datos de la parte superior del cuerpo, permitiendo  
la rotación del cuerpo, pero imposibilitando la capacidad de desplazamiento del mismo en el  
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espacio virtual. Para capturar los datos de rotación se hace uso de 4 sensores BNO055 y de 2  
sensor MPU 6050, este último es un sensor de 6 grados de libertad, está compuesto por un  
acelerómetro y un giroscopio. Para un mejor control de los sensores BNO055 y MPU 6050, se  
emplean 1 multiplexor I2C TCA9548A. Para capturar las acciones relacionadas con las manos  
(tomar y soltar objetos) se hace uso de dos pulsadores (botones).  
La ubicación y distribución de los sensores se realiza de la siguiente forma:  
•
•
Un sensor BNO055 fijado a la cabeza y otro a la parte superior del torso para controlar los  
movimientos de los mismos.  
En cada miembro superior un sensor MPU 6050 fijado al brazo y un sensor BNO055 fijado  
al antebrazo.  
•
•
Un pulsador fijado a la parte interna de cada mano.  
Un multiplexor I2C TCA9548A para controlar los 4 sensores BNO055 y los 2 sensores MPU  
6
050.  
Al igual que en el Modelo 1, los sensores de la cabeza y el torso capturan los movimientos de los  
mismos de forma directa e individual. La diferencia está dada en el modo de obtención de los  
datos de rotación relacionados a los movimientos de los miembros superiores, para esto se realiza  
un estudio fisiológico articular del miembro superior y se determina que es posible garantizar las  
principales funcionalidades del mismo haciendo uso de los sensores especificados. Dejando de  
lado los movimientos de flexión / extensión y desviación radial / cubital de las manos, los grados  
de rotación del miembro superior se reducen a 5, por lo que tomando los 3 grados de rotación  
del BNO055 y los 2 del MPU 6050 es posible la obtención de los datos necesarios para la correcta  
simulación del mismo en el espacio tridimensional. Para las acciones de cada mano se utilizan los  
estados HIGH del pulsador para mano cerrada y LOW para mano abierta.  
La conexión de los componentes se realiza de la siguiente forma:  
Tabla 5. Conexión de Multiplexor I2C TCA9548A  
para el Modelo 2.  
Tabla 6. Conexión de sensor BNO055 para  
Modelo 2.  
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Tabla 7. Conexión de sensor MPU 6050.  
A continuación, se muestra en la Figura 2 el diagrama de conexión para cada componente:  
Figura 2. Diagrama de conexión de componentes del Modelo 2.  
Con la construcción de este modelo se garantizan las principales funcionalidades de la parte  
superior del cuerpo permitiendo, aunque no de forma tan completa como el Modelo 1, la inmersión  
por parte del usuario en el espacio virtual. Debido a que para la construcción de este modelo se  
emplean pocos componentes, el precio de construcción del dispositivo siguiendo este modelo es  
bajo, a continuación, se muestra la relación del costo de cada componente:  
Tabla 9. Análisis de Costo del Modelo 2.  
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN  
Es más económicamente factible la construcción del Modelo 2 debido a que disminuye en gran  
medida el costo de construcción del dispositivo en relación al Modelo 1, sin afectar a grandes  
rasgos la eficiencia y funcionalidades necesarias para lograr una correcta interacción por parte  
del usuario en los entornos tridimensionales.  
Como resultado de la investigación realizada para el diseño del Modelo 2, se determinó que los  
movimientos del miembro superior están dados por la combinación de los movimientos de  
rotación de cada una de las articulaciones, expresando el vector de la forma: Xi (Ɵ1, Ɵ2, Ɵ3, Ɵ4,  
Ɵ5, Ɵ6, Ɵ7), donde i es la parte en cuestión, Xi es el movimiento de la misma, y los Ɵ son los  
valores angulares correspondientes a las articulaciones representadas en la Tabla 1, por lo que  
pueden ser simulados en una computadora mediante la utilización de sensores capaces de  
capturar estos ángulos.  
Tabla 10. Relación movimiento - articulación del miembro superior  
En la construcción de prototipos de hardware en los que no se requiera un excesivo procesamiento  
de datos externos, Arduino constituye una opción más acertada que otras plataformas debido a  
que el mismo es barato y permite la conexión y el control en tiempo real de varios tipos de  
sensores. Utilizándolo como plataforma de control se obtuvo un dispositivo capaz de capturar los  
movimientos de los miembros superiores e inferiores del cuerpo mediante el uso de diferentes  
sensores.  
El sistema es capaz de adquirir los datos para cada articulación sin restringir u obstaculizar los  
movimientos de los miembros, permitiendo la simulación interactiva y la interacción implícita por  
parte del usuario en el espacio tridimensional, cumpliendo con las pautas objetivas de los  
dispositivos de realidad virtual.  
Aunque los modelos presentados están diseñados para realizar una conexión mediante cable, se  
puede convertir la comunicación entre el dispositivo y la computadora en inalámbrica mediante  
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el uso de un módulo de WIFI, Bluetooth o radio frecuencia y realizar la expansión del equipo en  
relación a la adición de un visor y un sistema de audio para garantizar la inmersión sensorial del  
usuario y completar la construcción del dispositivo como sistema integral de realidad virtual.  
CONCLUSIONES  
El estudio fisiológico-articular del miembro superior, demostró que es posible simular en una  
computadora los principales movimientos y acciones desarrolladas por el mismo, mediante la  
utilización de sensores especializados en la obtención de ángulos de rotación, permitiendo la  
optimización en cuanto al uso de componentes para la construcción del dispositivo.  
En un proyecto de construcción de un dispositivo de hardware en el cual no se requiera una gran  
capacidad de procesamiento de datos, la utilización de Arduino constituye una opción más viable  
que el empleo de otras plataformas similares. La construcción de ambos modelos validó la  
posibilidad de construir este tipo de dispositivos mediante el uso de tecnologías libres.  
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