Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla Autor: Rafael Garrucho Fernández Tutor: Francisco Antonio Perdigones Sánchez Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 iii Trabajo Fin de Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla Autor: Rafael Garrucho Fernández Tutor: Francisco Antonio Perdigones Sánchez Profesor titular Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 v Trabajo Fin de Grado: Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla Autor: Rafael Garrucho Fernández Tutor: Francisco Antonio Perdigones Sánchez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2025 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos Finalizar este Trabajo Fin de Grado no ha sido solo el resultado de esfuerzo personal, sino también de la compañía, el apoyo y la fuerza que me han dado las personas que me rodean. Quiero aprovechar este espacio para agradecerles de todo corazón. A mis padres, Fernando Jesús y Juana María, por enseñarme desde pequeño que la familia es lo primero y el valor del esfuerzo, por su amor incondicional y por estar siempre ahí, en cada paso, en cada caída y en cada logro, celebrando como si fuera suyo cada pequeño avance. A mis amigos, por sus palabras de ánimo, por sacarme una sonrisa cuando más lo necesitaba y por recordarme que siempre hay tiempo para desconectar y volver a empezar con más fuerza. De forma muy especial, a mi hermano Fernando, por ser mi ejemplo, mi pilar y mi mayor motivación. Gracias por estar a mi lado durante todo este camino, por escucharme en los días de agobio, por animarme incluso cuando no se ve la luz al final del túnel, y por enseñarme, sin darte cuenta, que todo es posible si se trabaja con constancia. Y a mi novia Lola, por haberme acompañado en cada momento de este curso, por su paciencia infinita, su cariño inagotable y por creer en mí incluso cuando yo dudaba. Gracias por todo lo que haces sin pedir nada a cambio. También quiero expresar mi sincero agradecimiento a mi tutor, el profesor Don Francisco Antonio Perdigones Sánchez, por su dedicación, por su guía constante durante todo el proceso, y por su cercanía y apoyo en cada duda que ha surgido a lo largo de este trabajo. Quiero cerrar estos agradecimientos con una frase que representa la mentalidad que me ha acompañado durante este camino, de alguien que también sabe lo que significa no rendirse nunca: “El trabajo duro siempre da sus frutos.” — Cristiano Ronaldo Este trabajo no es solo un punto final, sino el comienzo de todo lo que está por venir. Gracias. Rafael Garrucho Fernández Sevilla, 2025 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4-1. Comparación de Sensores Evaluados. 15 Tabla 4-2. Comparación de plataformas evaluadas. 19 Tabla 4-3. Comparación de módulos de comunicación evaluados. 20 Tabla 8-1. Hoja de características técnicas del sistema. 39 Tabla 9-1. Comparativa del sistema propuesto con otros comerciales y de investigación. 44 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Músculos que intervienen en la sentadilla. 2 Figura 1-2. Ejecución de una sentadilla normal y una sentadilla profunda. 4 Figura 1-3. Sentadilla frontal. 4 Figura 1-4. Sentadilla búlgara. 5 Figura 1-5. La sentadilla profunda. 7 Figura 1-6. Tecnología aplicada a diferentes deportes. 8 Figura 2-1. Esquema general del sistema electrónico. 10 Figura 2-2. Ejemplificación del conjunto. 11 Figura 3-1. Uso del Push Band 2.0. 12 Figura 3-2. Uso del Beast Sensor. 13 Figura 3-3. Partes del dispositivo de investigación de (Calderón Peñafiel, 2019). 14 Figura 4-1. Sensores de movimiento evaluados. 15 Figura 4-2. Opciones de placas Arduino. 17 Figura 4-3. Arduino Uno R3. 17 Figura 4-4. MSP-EXP430G2ET. 18 Figura 4-5. ESP32 Dev 38P. 19 Figura 4-6. Módulos de comunicación evaluados. 20 Figura 4-7. Distribución de pines del sensor HC-SR04. 21 Figura 4-8. Distribución de pines del módulo ESP8266. 22 Figura 5-1. Esquemático del HC-SR04. 23 Figura 6-1. Esquema de conexión para Arduino Uno R3. 25 Figura 6-2. Esquema de conexión para MSP-EXP430G2ET. 26 Figura 6-3. Esquema de conexión para ESP32 Dev 38P. 27 Figura 6-4. Diagrama de bloques de programación del sistema. 28 Figura 7-1. Calibración de la distancia de referencia con ayuda del árbitro. 31 Figura 7-2. Activación de la alarma visual al no alcanzar la profundidad mínima. 32 Figura 7-3. Registro de la profundidad máxima alcanzada durante la sentadilla. 32 Figura 7-4. Usuario en posición inicial con monitorización en tiempo real desde el móvil. 33 Figura 7-5. Monitor serie y cliente TCP mostrando mensajes del sistema. 33 Figura 7-6. Gráficas correspondientes a sentadillas con bajo %RM. 35 Figura 7-7. Gráficas correspondientes a sentadillas con medio %RM-simulado. 35 Figura 7-8. Gráficas correspondientes a sentadillas con pausa a 90º. 36 Figura 7-9. Posición del sistema y del usuario en la prueba extra de flexiones. 37 Figura 7-10. Gráfica correspondiente a flexiones al fallo. 37 Figura 10-1. Posible mejora futura de sensor con menor sensibilidad a errores. 45 Figura 10-2. Opciones de alimentación para la placa ESP32 Dev 38P. 46 xxi ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 4-1. Obtención distancia de la sentadilla. 22 Ecuación 6-1. Divisor de tensión para tensión soportable del módulo Wifi. 26 1 INTRODUCCIÓN n este capítulo se explican los motivos por los que se decidió realizar este proyecto basado en el campo del deporte, más concretamente en las sentadillas. Veremos la importancia de este ejercicio como uno de los pilares fundamentales en el entrenamiento de fuerza y su impacto positivo en el desarrollo muscular, la estabilidad articular y la prevención de lesiones. Además, se analizará cómo una técnica inadecuada, especialmente en términos de profundidad y postura, puede generar riesgos para la salud y limitar los beneficios de su práctica. Por ello, se plantea la necesidad de un sistema que permita monitorizar y corregir estos errores en tiempo real, proporcionando retroalimentación inmediata al usuario. Asimismo, se discutirán las ventajas de aplicar tecnología electrónica en el ámbito deportivo, favoreciendo la mejora del rendimiento y la accesibilidad a herramientas de control técnico. 1.1 Importancia del deporte en la sociedad El deporte ocupa un lugar fundamental en la sociedad moderna, no solo como una actividad física, sino también como un fenómeno cultural y social que influye significativamente en la calidad de vida de las personas. A nivel individual, la práctica regular de ejercicio contribuye al desarrollo físico y mental, mejorando aspectos como la salud cardiovascular, la fuerza muscular y la movilidad. Además, está demostrado que el deporte ayuda a reducir el estrés, mejorar el estado de ánimo y fomentar el bienestar emocional, convirtiéndose en una herramienta clave para combatir problemas comunes como el sedentarismo y las enfermedades relacionadas con el estilo de vida. En el ámbito social, el deporte actúa como un vehículo de cohesión, promoviendo valores como la disciplina, el trabajo en equipo y la superación personal. Eventos deportivos, ya sean locales o internacionales, tienen el poder de unir a comunidades, trascendiendo barreras culturales, idiomáticas y sociales. En este sentido, el deporte se convierte en un lenguaje universal que fomenta la inclusión y el respeto entre los individuos. Además, en las últimas décadas, el deporte ha evolucionado más allá de su función recreativa para convertirse en una industria global de gran impacto económico. Las innovaciones tecnológicas han permitido desarrollar métodos avanzados de entrenamiento, sistemas de análisis de datos y dispositivos electrónicos que mejoran el rendimiento deportivo, lo que ha ampliado su alcance y su influencia en diferentes sectores. E "La sentadilla profunda, cuando se realiza con la técnica correcta, no solo mejora la fuerza y el rendimiento, sino que también optimiza la movilidad y estabilidad de las articulaciones, promoviendo un desarrollo muscular más equilibrado y reduciendo el riesgo de lesiones.". - Stuart McGill, experto en biomecánica y entrenamiento de fuerza - Introducción 2 2 Por otro lado, desde una perspectiva educativa, el deporte juega un papel crucial en el desarrollo integral de las personas desde edades tempranas. Ayuda a inculcar hábitos saludables y fortalece habilidades como la resiliencia, la gestión del tiempo y el manejo de la adversidad. Este impacto positivo no solo beneficia a los deportistas, sino también a la sociedad en su conjunto, promoviendo estilos de vida activos y saludables. En conclusión, el deporte no solo es una herramienta para mejorar la salud física, sino también un motor de cambio social que fomenta valores, impulsa economías y fortalece comunidades. Esto subraya la importancia de continuar desarrollando e investigando tecnologías y sistemas que apoyen su práctica segura y eficiente, como el que se plantea en este trabajo (Medina Jimenez, 2002). 1.2 La sentadilla La sentadilla es uno de los ejercicios más completos y versátiles que existen, considerado esencial tanto en el deporte como en la actividad física y la salud. Su capacidad para trabajar múltiples grupos musculares, como los cuádriceps, isquiotibiales, glúteos, gemelos, e incluso el core, la convierte en una herramienta indispensable para mejorar la fuerza, la resistencia y la hipertrofia del tren inferior. Además, este ejercicio favorece la postura y la coordinación motriz, siendo fundamental tanto en el rendimiento deportivo como en la rehabilitación física. Sin embargo, la sentadilla no está exenta de desafíos. Su ejecución requiere un dominio técnico preciso para evitar lesiones en articulaciones clave, como las rodillas, los tobillos y la espalda. Factores como la postura, la flexibilidad, la experiencia del usuario y las características individuales, como la morfología y la condición física, juegan un papel importante para garantizar que los beneficios de este ejercicio se obtengan sin riesgos. A pesar de su grado de dificultad, entrenadores y especialistas la recomiendan debido a sus amplios beneficios. Es un ejercicio que no solo desarrolla fuerza y explosividad, sino que también contribuye a la rehabilitación y la prevención de lesiones, haciendo que quienes lo practican puedan mejorar tanto su salud como su rendimiento. La sentadilla, en definitiva, es mucho más que un movimiento; es una base sólida para un entrenamiento efectivo y un estilo de vida activo y saludable (Sánchez, 2021). En la siguiente figura podemos observar los músculos que intervienen en la sentadilla: Figura 1-1. Músculos que intervienen en la sentadilla. Fuente: www.blogdeculturismo.com Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 3 1.2.1 Beneficios Los principales beneficios que se obtienen de un correcto entrenamiento de sentadilla en cualquiera de sus modalidades son (Gorsuch, Long, Miller, & Primeau, 2012): - Mejoras en la salud: Al ser las sentadillas un ejercicio en el que se está realizando una constante flexión de las piernas, se aumenta la quema de calorías y, de igual manera, ayuda a mejorar los movimientos del tracto intestinal. - Fortalecimiento de los músculos: Las sentadillas son un ejercicio en el que una gran parte de los músculos del tren inferior son ejercitados, unos en mayor medida que otros. Una gran ventaja de este fortalecimiento se da en las pantorrillas y tobillos, ayudando a mejorar la estabilidad de los pies y aumentando el equilibrio de la persona, lo cual resulta más beneficioso conforme se envejece. Esta ventaja es aún mayor con la realización de sentadillas profundas, ya que estas también ayudan a la estabilización lumbo-pélvica. - Mejora de la funcionalidad y prevención de lesiones: El movimiento natural que implica la sentadilla simula actividades cotidianas como sentarse y levantarse, mejorando la funcionalidad del cuerpo en la vida diaria. Además, el fortalecimiento muscular y articular que proporciona este ejercicio ayuda a prevenir lesiones, especialmente en las rodillas, caderas y espalda baja. Esta prevención es clave tanto para personas activas como para aquellas en rehabilitación física. Implementar estrategias específicas de entrenamiento, como trabajar la flexibilidad, especialmente en tobillos, la estabilidad articular y la fuerza en las piernas, contribuye a optimizar la técnica para hacer que dichos beneficios sean visibles lo antes posible (Balsalobre Fernández & Jiménez Reyes, 2014). 1.2.2 Rendimiento deportivo y de competición La sentadilla desempeña un papel crucial en el rendimiento deportivo y de competición, siendo un ejercicio clave en el entrenamiento de fuerza para deportistas de élite en diversas disciplinas. Atletas como Usain Bolt, conocido por su explosividad en el atletismo, o LeBron James, destacado en el baloncesto, incorporan sentadillas en sus rutinas para maximizar su potencia y capacidad de salto. Este ejercicio permite desarrollar fuerza explosiva en el tren inferior, un componente esencial en deportes que requieren rapidez, agilidad o cambios de dirección constantes. Al potenciar grandes grupos musculares del cuerpo, la sentadilla favorece el rendimiento principalmente en disciplinas como el atletismo y los deportes de salto. En particular, la sentadilla profunda es especialmente recomendable para deportistas de salto vertical, ya que fortalece de manera más eficaz los movimientos necesarios para esta actividad en comparación con la sentadilla estándar. Además, en disciplinas como el levantamiento de pesas, figuras como Lasha Talakhadze han demostrado cómo la técnica y la carga progresiva en la sentadilla son fundamentales para alcanzar niveles de rendimiento excepcionales. Por su capacidad para mejorar la estabilidad, la coordinación y la resistencia, la sentadilla no solo es un elemento básico en el entrenamiento físico general, sino que también marca la diferencia en el desempeño competitivo de los atletas al más alto nivel (Rippetoe , 2011). En disciplinas como la halterofilia, el entrenamiento con sentadillas mejora el salto vertical en periodos cortos, menos de 3 semanas, con cargas moderadas, entre el 35% y 45% de la fuerza máxima, demostrando su eficacia en el desarrollo de la potencia (Feijoo López, 2014). 1.2.3 Variantes La sentadilla cuenta con múltiples variantes de ejecución, siendo las más destacadas la sentadilla convencional o media y la sentadilla profunda. La principal diferencia entre ambas radica en el nivel de descenso: mientras que la sentadilla convencional se limita a una flexión parcial de las rodillas, la sentadilla profunda requiere un descenso máximo, lo que implica una flexión completa de las rodillas y una considerable flexibilidad en los tobillos. Cada variante demanda una técnica específica, ya que los movimientos implican el reclutamiento de fibras musculares distintas y exponen las articulaciones de los miembros inferiores y superiores, además de Esquema General, Objetivos y Requisitos 10 10 4. Medición de la profundidad: Determinar la profundidad de cada sentadilla mediante un sensor, ayudando al usuario a ajustar su ejecución. 5. Alarma: Notificar al usuario mediante una señal auditiva o visual si no se cumplen ciertos parámetros, como una profundidad mínima. 2.2.2 Requisitos del proyecto En cuanto al desarrollo del trabajo de fin de grado, dicho proyecto contempla los siguientes pasos: 1. Estudio teórico comparativo: Analizar las ventajas y desventajas de las plataformas de desarrollo Arduino Uno R3, MSP-EXP430G2ET y ESP32 Dev 38P, evaluando su capacidad para cumplir con los requisitos propuestos. 2. Prototipado físico: Implementar el sistema en las tres plataformas, comparando su rendimiento y funcionalidad. 3. Estudio de viabilidad: Evaluar la portabilidad y escalabilidad del sistema, considerando aspectos como consumo energético, costo y facilidad de integración en un entorno deportivo real. 2.3 Esquema funcional del sistema El esquema funcional, representado en la siguiente figura, describe los componentes principales del sistema y su interacción: Figura 2-1. Esquema general del sistema electrónico. Fuente: Autoría. A continuación, se procede a explicar cada uno de los componentes del conjunto: • Sensor: Detecta la posición del usuario y mide la distancia desde el sensor hasta el punto más bajo alcanzado en la sentadilla, enviando los datos al microcontrolador. • Microcontrolador: Procesa las señales recibidas del sensor y calcula los parámetros establecidos, como la profundidad y las repeticiones, además de gestionar la activación de la alarma. • Módulo Wifi: Transfiere los datos procesados al ordenador de forma inalámbrica para su análisis y visualización. Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 11 • Ordenador: Visualiza los datos en tiempo real, permitiendo al usuario analizar su rendimiento. • Alarma: Se activa si la sentadilla no alcanza la profundidad deseada o si se detectan irregularidades en la dinámica. 2.4 Figura Representativa En la presentación del TFG, la figura que podemos observar más abajo incluye todos los bloques mencionados, además del usuario realizando la sentadilla, mostrando cómo interactúan entre sí. Este esquema es clave para transmitir la integración y aplicabilidad del sistema. Figura 2-2. Ejemplificación del conjunto. Fuente: Autoría. En la Figura 2-2 se observa una representación práctica del sistema electrónico implementado para el control de la sentadilla profunda. La imagen no solo ilustra al usuario realizando el ejercicio, sino que también ubica el sistema en su contexto operativo, destacando el posicionamiento del sensor en el suelo y el área de procesamiento y transmisión de datos. Hay que tener en cuenta la posición de la alarma, podemos observar como el usuario puede ver dicho sistema de alarma, la cual no estará en el suelo y sí a una vista accesible, para mejorar la técnica mientras realiza el ejercicio, obteniendo así la realimentación que buscamos. Este enfoque gráfico permite visualizar cómo los diferentes componentes del sistema interactúan con el usuario, ofreciendo una herramienta de análisis clara y funcional. Además, la integración de estas tecnologías evidencia la aplicabilidad del sistema tanto en entornos deportivos como en rehabilitación. Estado De La Técnica 12 12 3 ESTADO DE LA TÉCNICA n este capítulo se presenta una revisión de dispositivos y sistemas existentes relacionados con la monitorización de movimientos y el control de la técnica deportiva, especialmente en el ámbito de las sentadillas. El objetivo es analizar tanto dispositivos comerciales como desarrollos de investigación que buscan mejorar el rendimiento deportivo y prevenir lesiones mediante el uso de tecnología. Por un lado, se estudiarán dispositivos comerciales, como sensores de movimiento y plataformas portátiles de evaluación de la técnica deportiva, describiendo sus principales características, ventajas y limitaciones. Por otro lado, se analizarán propuestas en el ámbito de la investigación que utilizan tecnologías avanzadas para el análisis biomecánico y el control del gesto deportivo, muchas de las cuales aún no están disponibles para el público general. Este análisis permitirá situar el sistema propuesto dentro del contexto tecnológico actual, destacando sus diferencias y mejoras con respecto a las soluciones existentes. En particular, el sistema desarrollado en este proyecto busca ofrecer una solución precisa y accesible para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla, integrando un sensor de movimiento, conectividad inalámbrica y retroalimentación en tiempo real. 3.1 Dispositivos comerciales En el mercado actual, existen numerosos dispositivos electrónicos diseñados para el análisis biomecánico y el control del rendimiento deportivo. Estos dispositivos se enfocan en monitorizar parámetros clave como la postura, la fuerza, la velocidad, y la profundidad de ciertos movimientos, con el objetivo de optimizar el entrenamiento y prevenir lesiones. Entre los más destacados en el ámbito del fitness y el control de ejercicios se encuentran: • Push Band 2.0: Este dispositivo es ampliamente utilizado en el entrenamiento de fuerza para medir la velocidad de ejecución de ejercicios en levantamientos olímpicos. Su precio ronda los 350€. Su principal ventaja es la posibilidad de obtener datos en tiempo real sobre la velocidad de cada repetición, permitiendo ajustar la carga y el volumen de entrenamiento en función del rendimiento del atleta. Además, se sincroniza fácilmente con dispositivos móviles para ofrecer un análisis detallado. Según el siguiente artículo: (Orser, Klimstra, Agar-Newman, & Tsai, 2020), donde se evaluó la precisión de la Push Band 2.0 en la medición de la velocidad y la potencia durante saltos de sentadilla, comparándola con una plataforma de fuerza como método de referencia, se llegó a la conclusión de que el error de velocidad media aumenta a velocidades más altas y solo puede considerarse válido a velocidades lentas. Figura 3-1. Uso del Push Band 2.0. Fuente: www.garagegymreviews.com/equipment/push-band-2-0 E Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 13 • Beast Sensor: Similar al Push Band, este dispositivo también mide la velocidad de ejecución, la potencia generada y el nivel de fatiga del deportista. Su precio ronda los 300€. Se coloca en la muñeca o en la barra durante el ejercicio y proporciona información clave para la toma de decisiones en tiempo real. Una de las principales limitaciones del Beast Sensor es su dependencia de la posición exacta en la que se coloca en el cuerpo o en la barra. Una colocación incorrecta puede afectar significativamente la precisión de los datos registrados, especialmente en ejercicios dinámicos y de alta velocidad. Además, su conectividad Bluetooth presenta ciertas restricciones en entornos con alta interferencia electromagnética (Tenllado Vallejo, Beaven, & Hébert-Losier, 2020). Figura 3-2. Uso del Beast Sensor. Fuente: https://thisisbeast.com • GymAware: Considerado uno de los sistemas más avanzados, está diseñado para el análisis de la potencia y el rendimiento en ejercicios de fuerza. Utiliza un sistema de sensores láser para medir desplazamiento y velocidad con alta precisión, aunque su precio elevado (más de 1000€) lo hace más accesible para equipos profesionales y centros de alto rendimiento. GymAware es el transductor posicional lineal estándar de oro para medir el rendimiento, implementar el entrenamiento basado en la velocidad y monitorear la potencia. Durante más de 15 años, este dispositivo ha contado con la confianza de campeones mundiales, atletas olímpicos y profesionales, y de aquellos que los preparan para ganar (GymAware, 2020). “I have said it before and I will say it again, GymAware is the absolute Rolls Royce of VBT (VelocityBased Training) devices. If you want to examine velocity, movement and performance in the weight room, this thing can do it. It’s a game changer for VBT.” DR JAMES BRYAN MANN PhD Aunque estos dispositivos comerciales ofrecen funcionalidades avanzadas y precisión en la monitorización de diversos parámetros, presentan ciertas limitaciones cuando el objetivo es analizar movimientos específicos como la sentadilla profunda con un enfoque más personalizado. Por ejemplo, muchos de estos dispositivos no incluyen una alarma de retroalimentación inmediata ni están diseñados específicamente para el control de la profundidad de la sentadilla, lo que podría suponer una oportunidad para desarrollar sistemas más accesibles y adaptados a las necesidades concretas del usuario. 3.2 Dispositivos de investigación En este apartado se analizan dispositivos desarrollados en el ámbito de la investigación que buscan mejorar el rendimiento y prevenir lesiones durante la ejecución de ejercicios deportivos. A diferencia de los dispositivos comerciales, estos sistemas suelen estar enfocados en la evaluación biomecánica detallada, incorporando tecnologías avanzadas para el análisis del movimiento. Estado De La Técnica 14 14 Estas investigaciones demuestran la eficacia de estos sistemas en la corrección técnica, aunque muchos aún no están disponibles en el mercado debido a su complejidad de implementación. Una de las investigaciones más destacadas en este campo es el trabajo de (Calderón Peñafiel, 2019), quien desarrolló un sistema electrónico para evaluar la dorsiflexión del tobillo durante la sentadilla profunda, del cual vamos a hablar a continuación: ➢ Sistema de Evaluación de Niveles de Dorsiflexión de Tobillo: La tesis presentada por (Calderón Peñafiel, 2019) describe el desarrollo de un sistema electrónico diseñado para medir la dorsiflexión del tobillo durante la ejecución de la sentadilla profunda, aplicado a deportistas de la Universidad Técnica del Norte, Ibarra, Ecuador. Este sistema surge de la necesidad de identificar y corregir déficits de movilidad en el tobillo, ya que una dorsiflexión limitada puede causar compensaciones biomecánicas que aumentan el riesgo de lesiones en las rodillas, caderas y espalda baja. El sistema cuenta con sensores electrónicos que registran el rango de movimiento del tobillo en tiempo real. Estos datos son procesados para determinar si el deportista presenta una dorsiflexión adecuada durante la sentadilla profunda. La información recopilada permite al entrenador o fisioterapeuta evaluar y corregir la técnica del deportista, reduciendo el riesgo de lesiones y optimizando el rendimiento físico. Entre las principales características del dispositivo, destacan: - Monitorización en tiempo real del ángulo de dorsiflexión del tobillo. - Alerta visual en caso de detectar un rango de movimiento insuficiente. - Orientación preventiva, enfocada en corregir problemas de movilidad antes de que se conviertan en lesiones crónicas. Este Sistema se lleva a cabo a través de una tobillera y un receptor de datos que se puede observar en la siguiente imagen: Figura 3-3. Partes del dispositivo de investigación de (Calderón Peñafiel, 2019). Esta investigación evidencia la importancia del uso de tecnologías electrónicas en el ámbito deportivo para prevenir lesiones y mejorar la técnica. Aunque su enfoque está centrado exclusivamente en la dorsiflexión del tobillo, comparte similitudes con el sistema desarrollado en este TFG en cuanto a la monitorización del movimiento durante la sentadilla profunda, lo que subraya la relevancia de seguir explorando soluciones tecnológicas para el análisis biomecánico. Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 15 4 SISTEMAS PLANTEADOS Y OPCIONES n este capítulo se presentan los distintos componentes electrónicos considerados para el desarrollo del sistema propuesto, evaluando sus características y su integración dentro del diseño final. Para lograr un control preciso de la profundidad de la sentadilla y garantizar una comunicación eficiente de los datos, se han analizado diferentes opciones de sensores, microcontroladores y módulos de comunicación inalámbrica. El objetivo de este apartado es evaluar los componentes que son requisitos para analizar su viabilidad en el proyecto, así como posibles opciones alternativas. Además, se describirá el esquema de conexiones entre los componentes, permitiendo visualizar cómo interactúan dentro del sistema. A continuación, se detallarán las opciones evaluadas en cada categoría y se justificarán las decisiones adoptadas en función de su desempeño y aplicabilidad al proyecto. 4.1 Sensores Una de las principales maneras de adquirir datos numéricos de diferentes movimientos es mediante la utilización de sensores. Estos dispositivos están en constante contacto con el medio, obteniendo datos de diferentes variables de instrumentación, lo que permite analizar con precisión la biomecánica del ejercicio. La elección del sensor adecuado es un aspecto clave en el desarrollo del sistema, ya que debe permitir la medición precisa de la profundidad de la sentadilla de manera no invasiva y en tiempo real. Para ello, se han considerado distintas tecnologías, evaluando sus ventajas y limitaciones en función de la aplicación específica del proyecto. Se han analizado las siguientes opciones de sensores para el estudio dinámico de la profundidad de la sentadilla: Figura 4-1. Sensores de movimiento evaluados. Fuente: Autoría. Para determinar el sensor más adecuado para este sistema, se ha realizado una comparativa que analiza el funcionamiento y las principales características de cada opción evaluada. La siguiente tabla presenta sus ventajas, limitaciones y aplicabilidad al proyecto: Tabla 4-1. Comparación de Sensores Evaluados. Fuentes: HC-SR04, HC-SR501 y A2M12 Datasheets. E Sistemas Planteados y Opciones 16 16 Característica Ultrasónico (HC-SR04) PIR (HC-SR501) LIDAR (A2M12) Principio de funcionamiento Emisión y recepción de ondas ultrasónicas para medir distancia Detección de movimiento basado en la variación de radiación infrarroja Emisión de láser para medir distancias con alta precisión Rango de medición 2-400 cm 3-7 m 0,15-12 m Precisión ±3 mm No mide distancia, solo detecta presencia ±2 % Voltaje de funcionamiento 5 V 4,5-20 V 5 V Consumo de energía 15 mA 170 µA 450 mA Interferencias Sensible a ruido ambiental y objetos con mala reflexión acústica Sensible a fuentes de calor y reflejos de infrarrojos Mínimas, pero puede verse afectado por polvo o lluvia Costo Bajo Bajo Alto Dificultad de integración con el sistema Fácil (compatible con Arduino, ESP32 y MSP430) Fácil (compatible con Arduino, ESP32 y MSP430 Alta (mayor consumo de energía y procesamiento) Aplicabilidad al proyecto Alta, adecuado para medir la profundidad de la sentadilla de manera eficiente Muy baja, no detecta distancias en tiempo real Baja, más costoso y complejo de implementar Como se observa en la tabla, el sensor ultrasónico (HC-SR04) presenta un equilibrio óptimo entre precisión, alcance y facilidad de implementación, lo que lo convierte en la mejor opción para el sistema de control de la profundidad de la sentadilla. 4.2 Plataformas de desarrollo y microcontroladores En el desarrollo de sistemas electrónicos embebidos, la elección del microcontrolador es un aspecto fundamental, ya que determina la capacidad de procesamiento, consumo energético, interfaces de comunicación y compatibilidad con los sensores utilizados. Gracias a la amplia disponibilidad de sistemas embebidos accesibles y de bajo costo, es posible implementar soluciones tecnológicas eficientes y precisas en una gran variedad de aplicaciones, sin restricciones corporativas y con un alto grado de personalización. Para este proyecto, se van a considerar las siguientes tres opciones de plataformas (recordemos que es un requisito del tfg) que son ampliamente utilizados en la industria y en la investigación: Arduino Uno R3, MSPEXP430G2ET y ESP32 Dev 38P. Cada uno de estos presenta ventajas y limitaciones en términos de consumo energético, capacidad de procesamiento y facilidad de implementación. La decisión final sobre cuál utilizar se tomará tras realizar pruebas experimentales para determinar cuál ofrece el mejor desempeño en el estudio dinámico de la profundidad de la sentadilla. A continuación, se realiza una descripción general de cada uno de ellos, junto con una comparativa. Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 17 4.2.1 Arduino Uno R3 El Arduino Uno R3 es una de las placas de desarrollo más populares dentro del ecosistema de Arduino, que es una plataforma de hardware y software de código abierto. Su principal ventaja es la facilidad de uso gracias a su entorno de Desarrollo (Arduino IDE) y la gran cantidad de documentación y soporte disponible. Es una opción ideal para prototipos rápidos y proyectos educativos como este (Arduino, 2025). Existe una gran variedad de placas Arduino cada una creada para ser utilizada en ambientes diferentes, variando principalmente en su tamaño, en su forma, en el número de pines de entradas y salida, voltajes de funcionamiento y velocidad de procesamiento de información. En la siguiente figura se puede ver algunos de ellos: Figura 4-2. Opciones de placas Arduino. Fuente: www.xataka.com A pesar de todas estas opciones, para este proyecto se va a utilizar el Arduino Uno R3, su fácil uso y bajo costo lo convierte en la placa Arduino elegida. El microcontrolador utilizado por dicha plataforma es el ATmega328P. La forma de programación es a través de un conector USB y también puede ser alimentada por una fuente externa sin que cause problemas de funcionamiento. Aquí se observa su apariencia: Figura 4-3. Arduino Uno R3. Fuente: https://store.arduino.cc Sistemas Planteados y Opciones 18 18 4.2.2 MSP-EXP430G2ET La plataforma de desarrollo MSP-EXP430G2ET está basada en la familia MSP430 (MSP quiere decir Mixed Signal Processor) de Texas Instruments, una empresa líder en la fabricación de semiconductores y dispositivos electrónicos con una amplia trayectoria en el desarrollo de microcontroladores de bajo consumo. Texas Instruments es reconocida por diseñar soluciones innovadoras para aplicaciones industriales, de consumo y de telecomunicaciones, destacando en el ámbito de la eficiencia energética y la integración de sistemas embebidos. El MSP-EXP430G2ET, será desarrollado en Energia IDE (por su similitud con Arduino IDE). Dicha placa es compatible con varios modelos de microcontroladores MSP430, basados en la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer), entre ellos el MSP430G2553, que es el microcontrolador elegido para utilizar en esta placa. Se caracteriza por su bajo consumo energético, lo que lo hace ideal para aplicaciones portátiles, como sensores inalámbricos, sistemas de monitoreo y automatización de bajo consumo. Además, su arquitectura optimizada permite un rendimiento eficiente con un consumo mínimo de energía (Texas Instruments, 2025). En la siguiente imagen se puede ver dicha placa: Figura 4-4. MSP-EXP430G2ET. Fuente: es.rs-online.com/web 4.2.3 ESP32 Dev 38P El ESP32 Dev 38P es una de las placas más utilizadas para proyectos que requieren conectividad inalámbrica. Esta Plataforma de desarrollo está fabricada por Seeit, que es una gran sociedad de inversión británica dedicada a inversiones en proyectos de eficiencia energética. Este “LaunchPad” está basado en la familia ESP32 de Espressif, una empresa multinacional especializada en el desarrollo de chipsets de comunicación inalámbrica de bajo consumo, dicha empresa destaca en el sector de AIoT (Artificial Intelligence of Things), proporcionando soluciones innovadoras, eficientes y rentables. La compañía desarrolla tecnologías clave en un ciclo de desarrollo cerrado y garantiza una integración fluida en el ecosistema del Internet de las Cosas. La familia ESP32 contiene muchas opciones de microcontroladores. Pero, la placa que vamos a utilizar está constituida por el módulo ESP32-WROOM-32, un microcontrolador de alto rendimiento que ofrece gran capacidad de procesamiento y un conjunto amplio de periféricos. Además, viene con conectividad Wifi y Bluetooth integrada, lo que lo hace ideal para sistemas de monitoreo remoto (Espressif, 2025). A continuación, se presenta la placa seleccionada: Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 19 Figura 4-5. ESP32 Dev 38P. Fuente: https://hetpro-store.com/esp32-wroom-32-smd/ 4.2.4 Comparativa de las placas Para tener una mayor idea de cada plataforma de desarrollo y su respectivo microcontrolador, se ha realizado la siguiente tabla comparativa: Tabla 4-2. Comparación de plataformas evaluadas. Fuentes: Arduino Uno R3, MSP-EXP430G2ET y ESP32 Dev 38P Datasheets. Característica Arduino Uno R3 MSP-EXP430G2ET ESP32 Dev 38P Microcontrolador ATmega328P MSP430G2553 ESP32-WROOM-32 Arquitectura 8 bits 16 bits 32 bits Frecuencia 16 MHz 16 MHz 2,4 GHz (doble núcleo) Consumo de energía Medio Muy bajo Alto en operación Memoria Flash / RAM 32 KB / 2 KB 16 KB / 4 KB 4 MB / 520 KB Voltaje de Operación 5 V 1,8 V – 3,6 V 3,3 V Pines GPIO 14 digitales (6 PWM) 16 38 Costo Alrededor de 30€ Alrededor de 15€ Alrededor de 15€ Interfaces de comunicación UART, I2C y SPI UART, I2C y SPI UART, I2C, SPI, Wifi y Bluetooth Dificultad de uso Fácil (Arduino IDE) Media (Energia IDE) Fácil (Arduino IDE) A partir de esta comparación, se puede observar que cada plataforma tiene sus propias ventajas y desventajas en función de los requerimientos del sistema. Sin embargo, la elección final de la plataforma de desarrollo no se basará únicamente en sus especificaciones técnicas, sino en su desempeño en pruebas experimentales. Estas pruebas permitirán evaluar el comportamiento real de cada opción en condiciones específicas de medición y procesamiento de datos, lo que otorgará un valor diferencial al presente trabajo. Montaje y Programación del Sistema 26 26 Cabe destacar que en lugar de conectar el módulo ESP8266 directamente a los pines RX (0) y TX (1) del Arduino Uno R3, se ha optado por utilizar los pines digitales 5 y 6 a través de la librería <SoftwareSerial.h>. Esto se debe a que los pines 0 y 1 están reservados por defecto para la comunicación serie del Arduino con el ordenador (USB), utilizada para la carga del programa y para el monitor serie. El uso de SoftwareSerial permite crear un segundo puerto serie por software, evitando conflictos con la transmisión de datos al ordenador y asegurando una comunicación estable con el módulo Wifi. En este proyecto, se ha configurado el pin 6 como TX (transmisión desde Arduino al ESP8266) y el pin 5 como RX (recepción en Arduino desde el ESP8266), permitiendo así gestionar ambos canales de forma independiente y segura. También se puede observar la línea RX del ESP8266 que se ha realizado un divisor de tensión porque este módulo Wifi soporta como máximo 3.3 voltios y el microcontrolador del Arduino opera a 5 V. Se muestran las resistencias utilizadas: 5 𝑉 × 2.2 𝑘Ω 2.2 𝑘Ω + 1 𝑘Ω ≈ 3.3 𝑉 Ecuación 6-1. Divisor de tensión para tensión soportable del módulo Wifi. Fuente: Autoría. 6.1.2 Montaje MSP-EXP430G2ET La siguiente figura presenta el esquema de conexiones del sistema implementado sobre la plataforma MSPEXP430G2ET, utilizando el microcontrolador MSP430G2553. Al igual que en el caso del Arduino Uno R3, se integran los mismos elementos funcionales. Cabe destacar que el esquema ha sido realizado utilizando la versión anterior de la plataforma (MSPEXP430G2) debido a las limitaciones de disponibilidad en la herramienta de diseño (Fritzing). No obstante, ambas versiones comparten la misma distribución de pines para los propósitos de este proyecto, por lo que el esquema resulta completamente funcional y representativo. Figura 6-2. Esquema de conexión para MSP-EXP430G2ET. Fuente: Autoría. Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 27 El montaje ha sido adaptado a las particularidades del hardware de Texas Instruments, utilizando los pines digitales compatibles con la arquitectura del MSP430. Se ha cuidado especialmente el nivel de tensión en la línea de transmisión entre la placa y el módulo ESP8266, debido a que el MSP430 opera a 3.3V no es necesario realizar un divisor de tensión como se hizo en el Arduino. Esta precaución permite preservar la integridad de los componentes y asegurar una comunicación estable con el módulo WiFi. Además, a diferencia del caso de Arduino, donde se emplea la librería SoftwareSerial para la comunicación con el módulo WiFi, el MSP430G2553 no soporta de forma nativa una librería equivalente como la nombrada previamente. Este micro dispone de una sola UART por hardware, accesible mediante los pines RXD y TXD y así ha sido implementado, optimizando el uso de recursos. 6.1.3 Montaje ESP32 Dev 38P La figura siguiente muestra el esquema de conexiones correspondiente al montaje del sistema utilizando la plataforma ESP32 DevKit V1 (versión de 38 pines), equipada con el microcontrolador ESP32-WROOM-32. Figura 6-3. Esquema de conexión para ESP32 Dev 38P. Fuente: Autoría. Como se ha indicado previamente, esta placa incorpora conectividad WiFi de forma nativa, lo que elimina la necesidad de emplear un módulo externo adicional, como el ESP8266 utilizado en los montajes con Arduino UNO R3 y MSP430. Esta integración permite una implementación más compacta y simplificada del sistema, reduciendo tanto el número de componentes como la complejidad del cableado. El resto de los elementos conectados se mantienen inalterados con respecto a las otras plataformas. 6.1.4 Diagrama de bloques de programación A continuación, una vez establecido el montaje físico de las plataformas, se presenta un diagrama de bloques funcional que representa la lógica general del programa implementado en las tres plataformas utilizadas. Este diagrama describe el flujo principal de datos y decisiones del sistema, el cual es común para todas las placas, ya que la funcionalidad programada no varía entre ellas; únicamente se adaptan aspectos específicos como los pines de entrada/salida, el tipo de comunicación serie empleado y otros aspectos clave que pueden consultarse en los códigos completos incluidos en los Anexos A, B y C. Montaje y Programación del Sistema 28 28 Figura 6-4. Diagrama de bloques de programación del sistema. Fuente: Autoría. Este diagrama se basa en una máquina de estados finita (FSM) diseñada para detectar, validar y registrar sentadillas realizadas por el usuario, gestionando las señales del sensor y la interacción con el botón y el módulo Wifi. Cada estado de la máquina representa una fase específica del ejercicio, permitiendo una gestión estructurada y eficiente de las distintas situaciones que pueden producirse durante el entrenamiento. La FSM facilita además una respuesta rápida del sistema ante cambios en la distancia detectada y ante las acciones del usuario. Es importante destacar que la medición de distancia mediante el sensor ultrasónico y la detección de la conexión de un cliente TCP al módulo ESP8266 se realizan fuera de la FSM, en cada iteración del bucle principal (loop()), independientemente del estado en que se encuentre la máquina. Esta estructura garantiza que el sistema esté constantemente leyendo el entorno y preparado para reaccionar de forma inmediata, sin importar en qué fase del ejercicio se encuentre el programa. 6.2 Montaje en Sistema robusto para pruebas Con el objetivo de validar el funcionamiento del sistema completo antes de su integración final, se llevaron a cabo comprobaciones por separado de los principales módulos funcionales. En primer lugar, se verificó que el sensor ultrasónico HC-SR04 ofrecía lecturas estables y precisas de distancia, mediante pruebas simples de medida y visualización en el puerto serie. A continuación, se comprobó que el módulo WiFi ESP8266-01S era capaz de enviar mensajes correctamente a través de una red local, respondiendo a comandos AT y mostrando datos en un cliente conectado. Una vez validado el correcto funcionamiento individual de ambos componentes, se integraron en el sistema completo, permitiendo evaluar el comportamiento conjunto del sistema de control de sentadillas con envío de información en tiempo real. Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 29 Se ha llevado a cabo un montaje robusto de pruebas utilizando una placa de prototipos (breadboard), que ha permitido implementar de manera segura y ordenada el circuito común a las tres plataformas de desarrollo empleadas. El montaje incluyó los siguientes elementos comunes: • Sensor ultrasónico HC-SR04, encargado de medir la distancia de las sentadillas. • Botón pulsador (con su respectiva resistencia pull-down a tierra), que permite registrar la distancia de referencia y gestionar la lógica de control. • LED de aviso (con su resistencia limitadora), utilizado como alarma visual para indicar intentos no válidos. • Módulo WiFi ESP8266-01S, para el envío de los datos al dispositivo receptor. En el caso de la plataforma ESP32, no se utiliza este módulo adicional, ya que incorpora conectividad WiFi nativa. • Cables macho-macho y macho-hembra, utilizados para realizar las conexiones en la protoboard. • Resistencias divisoras de tensión, necesarias para proteger la entrada RX del módulo ESP8266 cuando se utiliza con plataformas de 5 V como el Arduino. Durante las pruebas se prestó especial atención a la estabilidad mecánica del montaje, asegurando que todos los componentes quedaran correctamente conectados y sin falsos contactos. El uso de una placa de prototipos con doble línea de alimentación facilitó la organización del sistema, permitiendo replicar fácilmente la configuración entre las distintas plataformas. Gracias a esta disposición robusta y reutilizable, fue posible realizar pruebas equivalentes en las tres placas de desarrollo, lo que garantizó la portabilidad funcional del código y confirmó que el sistema se comporta de manera coherente con independencia del microcontrolador empleado. 6.3 Situación de los sensores En el montaje final, todos los componentes electrónicos del sistema —incluyendo el microcontrolador, el sensor ultrasónico HC-SR04, el módulo WiFi ESP8266-01S y la placa de prototipos— se han situado sobre el suelo, agrupados en una única base de pruebas. El objetivo es permitir una medición directa y precisa de la distancia entre el suelo y el glúteo del usuario durante la ejecución de una sentadilla. Sin embargo, tras realizar varias pruebas, se observó que tanto el módulo WiFi como el sensor ultrasónico presentaban un comportamiento más fiable cuando se elevaban ligeramente respecto al suelo. En consecuencia, se optó por situarlos sobre una pequeña plataforma estable, a unos 10 cm de altura, asegurando con ello una mejor orientación y calidad de las mediciones. Esta elevación facilita que el sensor ultrasónico quede perfectamente perpendicular al cuerpo del usuario cuando éste se posiciona para iniciar la sentadilla. En concreto, el haz ultrasónico incide directamente sobre la zona de los glúteos, permitiendo registrar con precisión la distancia mínima alcanzada durante el ejercicio. Esta disposición también mejora la línea de visión del módulo ESP8266 con respecto al punto de acceso WiFi, reduciendo interferencias o pérdidas de conexión. La elección de esta configuración garantiza tanto la precisión de los datos adquiridos por el sensor como la fiabilidad de la transmisión inalámbrica, aspectos fundamentales para el correcto funcionamiento del sistema. Pruebas Experimentales y Elección de Plataforma 30 30 7 PRUEBAS EXPERIMENTALES Y ELECCIÓN DE PLATAFORMA n este capítulo se presentan las pruebas experimentales realizadas para evaluar el funcionamiento del sistema de control de profundidad de sentadillas en condiciones reales de uso. Estas pruebas permiten validar el comportamiento del sistema en distintas fases del ejercicio, analizar la respuesta ante diferentes velocidades de ejecución y profundidades, y comprobar el registro y transmisión de los datos mediante comunicación WiFi. Además, se justifica la elección de la plataforma final entre las tres evaluadas (Arduino Uno R3, MSPEXP430G2ET y ESP32 Dev 38P), considerando criterios como la facilidad de implementación, estabilidad del sistema y capacidades de comunicación. Se describe también el conjunto de pruebas prácticas llevadas a cabo para verificar la funcionalidad del sistema, que incluyen diferentes tipos de sentadillas con variaciones en el ritmo, y análisis gráfico de los resultados obtenidos mediante el Serial Monitor y el Serial Plotter. Finalmente, se proponen posibles pruebas complementarias con otros ejercicios, y se deja abierta una línea de trabajo futuro centrada en el estudio del consumo energético de cada plataforma, junto con un estudio de viabilidad para portabilidad. 7.1 Elección justificada de la Plataforma Una vez finalizadas las fases de diseño, montaje y programación en las tres plataformas seleccionadas (Arduino Uno R3, MSP-EXP430G2ET y ESP32 Dev 38P), se procede a realizar una elección razonada de la plataforma definitiva para llevar a cabo las pruebas experimentales. Esta elección se fundamenta en criterios de facilidad de implementación, estabilidad del sistema y capacidades técnicas, teniendo en cuenta tanto la experiencia práctica durante el desarrollo como las características específicas de cada dispositivo. Tras la evaluación de los tres entornos, se ha optado por emplear la placa ESP32 Dev 38P como plataforma final por los siguientes motivos: • Mayor facilidad de implementación: el ESP32 dispone de conectividad WiFi-integrada, lo que elimina la necesidad de módulos externos como el ESP8266, requeridos en Arduino y MSP430. Esto simplifica significativamente el cableado, reduce el tamaño del montaje y disminuye el riesgo de errores en la comunicación inalámbrica. • Mejoras técnicas y de rendimiento: dicha plataforma cuenta con un microcontrolador más potente, mayor memoria y capacidades de procesamiento superiores frente al MSP430G2553 y al ATmega328P (Arduino Uno). Esto permite un manejo más eficiente de tareas como la conexión TCP, el tratamiento de cadenas de texto y la gestión de datos en tiempo real. • Compatibilidad con variables flotantes: a diferencia del MSP-EXP430G2ET, cuyo microcontrolador presenta limitaciones en el uso de tipos de datos flotantes (float) y puede saturar la memoria al trabajar con ellos, el ESP32 permite representar tiempos con precisión en segundos con decimales (por ejemplo, para el cálculo del intervalo entre repeticiones), lo que facilita el análisis dinámico del movimiento. • Mayor estabilidad en las pruebas reales: en las tres plataformas se implementó el sistema completo, incluyendo sensor ultrasónico, botón de control, led de alarma y visualización de datos por WiFi. En este proceso, se comprobó que la ESP32 fue la plataforma más estable y fiable, sin desconexiones inesperadas, retardos significativos ni bloqueos durante el funcionamiento continuo. • Menor dependencia de recursos externos: el ESP32 incluye múltiples puertos serie por hardware, lo que evita el uso de librerías adicionales. En cambio, el MSP430 no permite comunicación simultánea por WiFi y por USB debido a limitaciones del microcontrolador, y el Arduino necesita SoftwareSerial, más propenso a errores. Esto hace que sea más seguro y fácil de integrar. E Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 31 En base a todos estos criterios, se considera que la plataforma elegida es la opción más adecuada para desarrollar y evaluar el sistema propuesto de forma robusta y eficiente. De cara a posibles mejoras futuras, se plantea realizar un estudio comparativo del consumo energético entre plataformas para reforzar esta elección. No obstante, solo con los aspectos de implementación ya se observa que el ESP32 ofrece claras ventajas frente al resto. 7.2 Pruebas previas Una vez elegida la plataforma final, antes de llevar a cabo las pruebas de funcionamiento completas descritas en el siguiente apartado, se han realizado una serie de pruebas preliminares para verificar que los elementos clave del sistema operan correctamente. Estas pruebas permiten asegurar que el sistema responde adecuadamente a las acciones del usuario y que la comunicación inalámbrica se realiza sin errores. Concretamente, se comprueban los siguientes factores: - El correcto registro de la distancia de referencia al pulsar el botón. - Contador de repeticiones para analizar la dinámica del ejercicio. - La medición de la profundidad en cada repetición realizada en el estado EN_SQUAT. - La transmisión de los mensajes al dispositivo móvil u ordenador mediante el módulo WiFi integrado del ESP32. - El funcionamiento del sistema de alarma visual, que se activa cuando la profundidad de la sentadilla no alcanza el umbral establecido. - La detección del tiempo entre repeticiones como requisito del sistema. Estas pruebas son esenciales para validar el comportamiento básico del sistema antes de someterlo a pruebas más exigentes y repetitivas en el entorno experimental. A continuación, se muestran una serie de imágenes que ilustran el desarrollo de las pruebas previas realizadas con la plataforma ESP32 Dev 38P, todos los mensajes de WiFi y Serial se pueden ver en la figura 7-5: En la primera imagen se observa el proceso de calibración del sistema, en el que se registra la distancia de referencia correspondiente al punto óptimo de la sentadilla (25cm en este ejemplo). Para ello, el usuario adopta la posición deseada, mientras una segunda persona, ya sea un entrenador u otra (en este caso, el árbitro), pulsa el botón físico que guarda dicha referencia en el sistema. Esta acción permite que, en repeticiones posteriores, el sistema pueda determinar si se ha alcanzado o no la profundidad adecuada. Además, se indica por mensaje la distancia de referencia y el comienzo de la serie uno, estos mensajes se mostrarán más adelante en detalle. Figura 7-1. Calibración de la distancia de referencia con ayuda del árbitro. Fuente: Autoría. Pruebas Experimentales y Elección de Plataforma 32 32 En la siguiente imagen se observa el funcionamiento del sistema cuando el usuario realiza una sentadilla sin alcanzar la profundidad mínima previamente calibrada. Al no cumplirse el criterio de validación, el sistema activa la alarma visual mediante el encendido del LED y genera un mensaje de advertencia tanto por el monitor serie como por la interfaz WiFi. Figura 7-2. Activación de la alarma visual al no alcanzar la profundidad mínima. Fuente: Autoría. En esta imagen se muestra cómo el sistema detecta y registra correctamente la profundidad alcanzada por el usuario, incluso si esta es superior (menor distancia) a la referencia previamente calibrada. Aunque la distancia de referencia estaba establecida en 25 cm (en esta prueba), en esta segunda repetición se alcanzaron 16 cm, valor que se imprime automáticamente por monitor serie y por WiFi. Este comportamiento permite analizar de forma precisa la ejecución de cada repetición más allá del umbral mínimo. Figura 7-3. Registro de la profundidad máxima alcanzada durante la sentadilla. Fuente: Autoría. En la imagen inferior se observa al usuario en la posición inicial del ejercicio, correspondiente al estado INICIO de la máquina de estados. Frente a él se encuentra el teléfono móvil, que actúa como dispositivo receptor de los datos enviados por el sistema a través del módulo WiFi. De esta manera, el usuario puede visualizar en tiempo real los mensajes generados por el sistema, como la confirmación de nuevas repeticiones, advertencias de profundidad insuficiente o el tiempo entre repeticiones, lo que facilita un control dinámico y accesible de la ejecución del ejercicio. Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 33 Figura 7-4. Usuario en posición inicial con monitorización en tiempo real desde el móvil. Fuente: Autoría. En esta imagen final se muestran los mensajes generados por el sistema tanto en el monitor serie como en el móvil, a través de la conexión WiFi con un cliente TCP, confirmando el correcto funcionamiento de ambas vías de salida de datos. Figura 7-5. Monitor serie y cliente TCP mostrando mensajes del sistema. Fuente: Autoría. Pruebas Experimentales y Elección de Plataforma 34 34 Se puede observar cómo el sistema primero indica la referencia establecida (25 cm) realizada en la figura 7-1 y el inicio de la Serie 1. En segundo lugar, se muestra un intento fallido donde la profundidad alcanzada no fue suficiente, activando el mensaje de alarma en relación con la figura 7-2. Posteriormente, se registran dos repeticiones válidas. En cada una se indica el número de repetición, la profundidad alcanzada (22 cm en la primera y 16 cm en la segunda), y tras la segunda (mostrada en la figura 73), se muestra también el tiempo transcurrido entre ambas repeticiones (5.78 segundos). Cuando se pulsa dos veces el botón en el estado de reposo (INICIO), el sistema detecta el cierre de la serie, mostrando el mensaje "> Serie finalizada <" y comienza la Serie 2. Finalmente, al mantener el botón pulsado más de dos segundos, el sistema interpreta que se desea terminar el ejercicio, mostrando el mensaje ">>> EJERCICIO FINALIZADO <<<" y quedando nuevamente en estado de calibración, esperando a otro usuario para establecer una nueva referencia. 7.3 Pruebas de funcionamiento Una vez verificado el correcto funcionamiento del sistema mediante las pruebas previas, se procede a realizar una serie de pruebas experimentales con el objetivo de evaluar el comportamiento dinámico del sistema ante diferentes tipos de ejecución del ejercicio de sentadilla. Estas pruebas se centran en analizar cómo varía la profundidad alcanzada y el tiempo de ejecución entre repeticiones en función de la intensidad del esfuerzo (porcentaje de RM "Repetición Máxima", que se refiere al mayor peso que puedes levantar una sola vez con la técnica correcta). Para ello, se realizan tres series de aproximadamente 20 sentadillas cada una, variando la velocidad de ejecución y la técnica: • 1º Serie → Sentadillas rápidas simulando bajo %RM. • 2º Serie → Sentadillas a ritmo moderado simulando medio %RM. • 3º Serie → Sentadillas con pausa mantenida en la fase inferior del movimiento. Además, como posible ampliación, se plantea una prueba adicional en la que el usuario realiza una serie de flexiones al fallo. Esta prueba complementaria permite explorar la adaptabilidad del sistema a otros ejercicios y ampliar su aplicabilidad más allá del entrenamiento de pierna. Las pruebas han sido realizadas por dos usuarios distintos con el objetivo de observar posibles diferencias individuales en la ejecución y en los datos generados por el sistema: - 1º Usuario → Mujer de 170 cm y 60 kilos con 22 años. Distancia referencia de 30 cm. - 2º Usuario → Hombre de 180 cm y 70 kilos con 23 años. Distancia referencia de 27 cm. Durante todas las pruebas, el sistema ha registrado los datos en tiempo real a través del monitor serie, lo que ha permitido posteriormente su análisis y representación gráfica. Para cada usuario se ha generado una gráfica correspondiente a cada serie, utilizando los datos obtenidos por el sistema y procesados mediante hojas de cálculo. La finalidad es identificar patrones o variaciones en el rendimiento que puedan ser detectadas por el sistema, validando así su utilidad como herramienta de análisis del movimiento y seguimiento del entrenamiento. 7.3.1 Sentadilla a bajo %RM En esta primera prueba experimental, se analiza el comportamiento del sistema durante la realización de 20 sentadillas rápidas con los pies fijos durante todo el tiempo, simulando un esfuerzo con una carga submáxima correspondiente a un bajo porcentaje del RM. El objetivo es observar cómo varía la profundidad alcanzada y la velocidad de ejecución cuando el esfuerzo es relativamente bajo y el movimiento se realiza de forma explosiva. A continuación, se presentan las gráficas generadas por cada usuario a partir de los datos recogidos en esta serie, las líneas horizontales de color azul representan la distancia de referencia de cada usuario: Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 35 Figura 7-6. Gráficas correspondientes a sentadillas con bajo %RM. Fuente: Autoría. Como se puede observar, dado que la distancia de referencia es similar entre uno y otro, el Usuario 1 realiza las repeticiones con mayor profundidad media (baja menos) que el Usuario 2, aunque con cierta variabilidad. No obstante, su ejecución es más fluida, ya que el tiempo entre repeticiones se mantiene más bajo y estable en comparación con el Usuario 2, cual ejecución es menos automatizada. Por otro lado, el Usuario 2 presenta una menor profundidad media (baja más) en la mayoría de las repeticiones, pero con tiempos de ejecución más elevados y variables. Esto indica un mayor esfuerzo percibido dado que a mayor distancia bajada, mayor tiempo de subida y bajada es consumido entre repetición, por lo tanto, es lógico el resultado obtenido. Este análisis refleja cómo el sistema es capaz de identificar diferencias individuales en la dinámica del movimiento, incluso bajo condiciones de baja carga. 7.3.2 Sentadilla a medio %RM-simulado En esta segunda prueba, los usuarios realizan una serie de sentadillas a un ritmo moderado, simulando una carga submáxima correspondiente a un medio porcentaje del RM. El objetivo es observar si existe una variación apreciable en la profundidad alcanzada, el tiempo de ejecución y la dinámica general del movimiento en comparación con la serie anterior de menor intensidad. A continuación, se muestran las gráficas correspondientes a esta serie, una por cada usuario: Figura 7-7. Gráficas correspondientes a sentadillas con medio %RM-simulado. Fuente: Autoría. En estas gráficas se aprecia claramente un aumento en el tiempo medio entre repeticiones respecto a la serie anterior. Mientras que en la serie de bajo %RM el tiempo entre repeticiones oscilaba entre 1,5 y 2 segundos, en esta segunda serie, con mayor control y carga simulada, los tiempos se sitúan entre 2,5 y 3 segundos para ambos usuarios. Conclusiones 42 42 9 CONCLUSIONES n este capítulo se recogen las conclusiones más relevantes obtenidas tras el desarrollo del sistema electrónico de control de sentadillas, así como un análisis comparativo con otras soluciones existentes. Se presenta un resumen general de los objetivos alcanzados, las ventajas y limitaciones del sistema diseñado, y se proponen posibles aplicaciones futuras. El propósito es ofrecer una visión crítica y reflexiva sobre el trabajo realizado, evaluando tanto su viabilidad técnica como su utilidad práctica en el contexto del análisis y corrección del movimiento corporal mediante tecnologías accesibles y personalizables. 9.1 Resumen y evaluación del Sistema desarrollado A lo largo de este trabajo se ha desarrollado un sistema electrónico capaz de monitorizar la profundidad de las sentadillas en tiempo real, con el objetivo de detectar la validez de cada repetición y facilitar su análisis posterior. El sistema se ha implementado en tres plataformas distintas, integrando un sensor ultrasónico HC-SR04, un módulo WiFi para la transmisión de datos para aquellas plataformas que no tienen WiFi integrado, un botón de control y un LED de alarma visual. Además, se ha diseñado una máquina de estados finita (FSM) que permite escalar este proyecto de manera cómoda y registrar la dinámica del ejercicio, marcando los intentos fallidos, validando repeticiones y gestionando series y sesiones completas. Este sistema destaca por su simplicidad, portabilidad y bajo coste, lo que lo convierte en una opción accesible para deportistas, entrenadores o investigadores que necesiten evaluar la profundidad de la sentadilla sin recurrir a sistemas complejos o costosos. Su uso se apoya en plataformas de desarrollo ampliamente utilizadas, lo que facilita su programación, réplica y adaptación. Además, este tipo de sistema resulta especialmente útil en disciplinas como el powerlifting (deporte de fuerza que consiste en levantar el mayor peso posible mediante tres movimientos básicos: peso muerto, sentadilla y press de banca), donde la validez de una sentadilla depende estrictamente de alcanzar una profundidad concreta. Disponer de una herramienta objetiva que verifique este criterio puede ser clave tanto en entrenamiento como en evaluaciones no oficiales, ayudando a evitar errores de percepción y a estandarizar el rango de movimiento requerido. 9.1.1 Ventajas, inconvenientes y limitaciones El sistema propuesto destaca por muchas ventajas como: - Su bajo coste. - Facilidad de montaje - Retroalimentación del ejercicio en tiempo real a través de WiFi y Puerto serie. - Portabilidad entre distintas plataformas - Nula interferencia en la comodidad del usuario. A diferencia de otros sistemas comerciales, no requiere llevar ningún dispositivo sobre el cuerpo ni añadir peso adicional a la barra, lo que resulta especialmente relevante para evitar alteraciones en el entrenamiento o la competición. Sin embargo, el sistema también presenta algunas limitaciones como: - El sensor ultrasónico HC-SR04 puede generar errores puntuales en la medición cuando está en espacios ruidosos o con obstáculos cercanos. - Dicho sensor puede generar lecturas inconsistentes si el objeto a detectar (el glúteo del usuario) no ofrece una superficie uniforme o perpendicular, lo cual es habitual en anatomías reales. Durante las pruebas se comprobó que la detección era muy precisa con superficies completamente planas (como una caja de zapatos), pero algo más irregular con el cuerpo humano, debido a variaciones en el rebote E Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 43 de la señal ultrasónica. - La latencia de comunicación puede afectar en conexiones WiFi inestables. En resumen, la gran ventaja funcional frente a sistemas comerciales es que no afecta a la carga ni a la comodidad del usuario: no se coloca sobre el cuerpo ni sobre la barra, lo que evita problemas como desequilibrios, molestias o alteraciones en la técnica. Esto resulta especialmente importante en contextos de competición o entrenamiento con cargas elevadas, donde incluso 100 gramos pueden marcar diferencias. Siempre teniendo en cuenta sus limitaciones y el contexto de uso. 9.1.2 Evaluación A lo largo del desarrollo del proyecto se han alcanzado satisfactoriamente los objetivos planteados. En cuanto a los objetivos del sistema, se ha logrado: • Conectividad WiFi: El sistema transmite los datos inalámbricamente a un cliente TCP a través del módulo ESP8266 o directamente mediante el ESP32. • Contador de repeticiones: Se ha implementado una máquina de estados que permite contar automáticamente las repeticiones válidas. • Medición del tiempo entre repeticiones: Se calcula el intervalo entre sentadillas utilizando marcas temporales basadas en una función de la librería Arduino (milis()), lo que permite analizar la dinámica del ejercicio. • Medición de la profundidad: El sensor ultrasónico HC-SR04 permite detectar la distancia en tiempo real, determinando la profundidad alcanzada en cada repetición, concretamente se realiza en el estado EN_SQUAT. • Alarma: Se activa una señal visual mediante un LED cuando la sentadilla no alcanza la profundidad mínima definida, junto con un mensaje de error vía WiFi. Respecto a los objetivos del proyecto, también se han cumplido con éxito: • Estudio teórico comparativo: Se ha realizado un análisis detallado de las tres plataformas empleadas, valorando sus ventajas e inconvenientes en este tipo de aplicación. Por eso, se decidió utilizar la placa ESP32 como plataforma final. • Prototipado físico: El sistema se ha implementado de forma funcional sobre Arduino Uno R3, MSPEXP430G2ET y ESP32 Dev 38P. Sus códigos funcionales se pueden ver en el capítulo de Anexos. • Estudio de viabilidad: Se ha comprobado que el sistema es escalable, de bajo consumo, económico y adaptable a entornos reales de entrenamiento. 9.1.3 Otras posibles aplicaciones El sistema, por su estructura modular y sin contacto directo con el cuerpo, puede adaptarse fácilmente a otras disciplinas como: - Control de flexiones: situando el sensor en el suelo para detectar la bajada del pecho. - Entrenamientos de salto: midiendo la altura alcanzada desde una posición inicial. - Ejercicios de movilidad o rehabilitación: donde se requiera asegurar que se alcanzan rangos mínimos de movimiento. - Ejercicios isométricos: definiendo una nueva posición y configuración. En conclusión, este proyecto podría emplearse para analizar cualquier ejercicio que impliquen un cambio de altura del cuerpo o de algún segmento corporal siempre y cuando se hagan las modificaciones oportunas. Conclusiones 44 44 9.2 Análisis comparativo del Sistema propuesto A continuación, se realiza un análisis comparativo entre el sistema desarrollado en este TFG y varios dispositivos existentes en el ámbito deportivo y de investigación. Esta comparación permitirá identificar las diferencias en cuanto a funcionalidades, tecnología utilizada y objetivos específicos. Se han seleccionado dispositivos representativos de diferentes categorías: sistemas comerciales como Push Band 2.0, Beast Sensor y GymAware, además del sistema de evaluación de dorsiflexión del tobillo desarrollado por (Calderón Peñafiel, 2019). La tabla comparativa presentada destaca las características clave de cada uno de estos dispositivos, resaltando cómo el sistema propuesto aporta una solución más específica, cómoda y personalizada para nuestro proyecto. Tabla 9-1. Comparativa del sistema propuesto con otros comerciales y de investigación. Fuente: Autoría. Característica Sistema Propuesto Sistema de Calderón Peñafiel Push Band 2.0 Beast Sensor GymAware Objetivo principal Estudio dinámico y control de la profundidad de la sentadilla Evaluación de niveles de dorsiflexión de tobillo en la sentadilla profunda Medición de velocidad y potencia Medición de velocidad y fatiga Análisis de potencia y rendimiento Tipo de sensor Sensor ultrasónico Sensor de movimiento (goniometría) Acelerómetro Acelerómetro Sensor láser Conectividad Cable + Wifi Wifi Bluetooth Bluetooth Cableada y Wifi Retroalimentación Alarma y datos en pantalla Visual en pantalla Solo datos en App Solo datos en App Datos en pantalla y aplicación Portabilidad Alta Media Alta Alta Baja Grado de influencia Baja, elementos en suelo Alta, sistema rodeando tobillo/gemelo Media, banda en antebrazo Alta, sensor en cinturón/cuerpo Alta, cable conectado al usuario Aplicación específica Sentadilla profunda, flexiones e isométricos Sentadilla profunda Múltiples ejercicios de fuerza Múltiples ejercicios de fuerza Levantamientos olímpicos y fuerza máxima Dicha comparación evidencia que el sistema propuesto se enfoca en el análisis específico de la sentadilla profunda, proporcionando información detallada sobre la profundidad del ejercicio y retroalimentación inmediata para corregir errores. A diferencia de dispositivos comerciales como Push Band 2.0 o Beast Sensor, que están orientados a medir velocidad y potencia en una variedad de ejercicios, el sistema desarrollado se especializa en la monitorización de la técnica y la prevención de lesiones durante la sentadilla profunda, lo que lo convierte en una herramienta útil para entrenadores y deportistas que buscan mejorar su técnica. Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 45 10 MEJORAS PARA EL FUTURO n este capítulo se debate sobre las distintas mejoras a este proyecto para convertirlo en uno mucho mejor. Aunque el sistema desarrollado ha demostrado ser funcional, versátil y adecuado para su propósito, como en cualquier proyecto de ingeniería, siempre existe margen de mejora. Más abajo se propone un estudio de portabilidad y diversas líneas de evolución que permitirían optimizar el rendimiento, la portabilidad y la precisión del sistema en futuras versiones, así como facilitar su adopción en entornos reales de entrenamiento, competición o análisis biomecánico. 10.1 Sustitución del sensor ultrasónico por sensores de mayor precisión Una de las principales limitaciones observadas ha sido el comportamiento del sensor ultrasónico HC-SR04 frente a superficies no completamente planas. Durante las pruebas se comprobó que la medición era muy estable cuando se utilizaba un objeto de referencia plano (como una caja de zapatos), pero el rendimiento se reducía ligeramente al utilizar el cuerpo humano como superficie reflectante, especialmente en la zona de los glúteos. Este efecto es comprensible debido a la dispersión de la señal ultrasónica sobre superficies curvas o irregulares. Para solventar este inconveniente, una mejora recomendable sería sustituir el sensor ultrasónico por un sensor de tecnología ToF (Time of Flight). Dispositivos como el VL53L0X o el VL53L1X ofrecen una mayor precisión, menor error angular y mejor comportamiento frente a superficies irregulares. Aunque su precio es superior, el aumento de fiabilidad y estabilidad justifica su integración en versiones futuras, especialmente en contextos donde se requiera una medición precisa, como competiciones o análisis clínicos. En la siguiente imagen se puede observar dicho sensor para mejorar el sistema: Figura 10-1. Posible mejora futura de sensor con menor sensibilidad a errores. Fuente: www.amazon.es/M%C3%B3dulo-sensor-distancia-Flight-GY-VL53L0XV2 10.2 Estudio de viabilidad para portabilidad Una vez validado el correcto funcionamiento del sistema en un entorno controlado, se plantea la posibilidad de utilizarlo de forma autónoma y portátil. Este apartado estudia brevemente la viabilidad energética y las opciones de alimentación para el sistema basado en la placa utilizada ESP32 Dev 38 pines. Actualmente, el sistema se alimenta a través del puerto micro-USB de la ESP32 conectado al ordenador, que proporciona una tensión de 5V. Sin embargo, dado que el Sistema manda los datos por WiFi, no es necesario conectarlo al ordenador para ver los resultados; también, el programa queda cargado en la memoria interna del microcontrolador, no es necesario mantener la conexión con el PC tras la carga inicial. Por tanto, se abre la posibilidad de alimentar el sistema mediante otras fuentes de corriente, como las siguientes: E Mejoras para el Futuro 46 46 • Adaptador USB a corriente (enchufe convencional): permite conectar la placa a cualquier toma de corriente estándar, manteniendo la funcionalidad completa sin necesidad de ordenador. • Batería portátil (Power Bank): gracias al bajo consumo de la ESP32 y del resto de componentes (sensor ultrasónico, pulsador y LED), se podría utilizar una batería externa para alimentar el sistema durante varias sesiones sin recarga inmediata. De cara a mejorar la autonomía, se podrían implementar en el futuro mecanismos de ahorro energético como los modos de bajo consumo (Deep Sleep) disponibles en la ESP32, lo cual sería especialmente útil si el sistema permaneciera inactivo durante largos periodos entre sesiones. La siguiente imagen muestra las posibles formas nombradas de alimentar el sistema de manera portátil o fija, ya sea mediante conexión directa a la red eléctrica o a través de una batería portátil. Figura 10-2. Opciones de alimentación para la placa ESP32 Dev 38P. Fuente: Autoría. En resumen, el sistema presenta una alta viabilidad para su funcionamiento autónomo y portátil, sin necesidad de conexión a un ordenador, lo que lo hace ideal para su uso en distintos contextos: entrenamientos en casa, gimnasios o incluso al aire libre. 10.3 Reducción del tamaño y eliminación de cables Actualmente, el sistema está montado sobre una placa de prototipos (breadboard), con cables sueltos y componentes modulares, lo cual es ideal para la fase de desarrollo y validación. Sin embargo, para su utilización real fuera del laboratorio, sería conveniente rediseñar el sistema como un módulo compacto y autónomo. Esto se puede conseguir mediante: • El diseño de una placa PCB personalizada, integrando todos los elementos electrónicos. • La incorporación de una batería recargable (como una batería Li-Po o tipo 18650), que permita su uso sin necesidad de conexión al ordenador, como hemos visto en el estudio previo. • El montaje de todos los elementos en una carcasa impresa en 3D, resistente y ergonómica, que proteja los componentes y facilite su manipulación y transporte. Con estas modificaciones, el sistema se convertiría en una herramienta portátil y lista para su uso en gimnasios, centros deportivos o incluso competiciones. 10.4 Interfaz gráfica Una de las mejoras más interesantes sería el desarrollo de una interfaz gráfica accesible desde el móvil o el ordenador, mediante una aplicación o una página web generada por el propio ESP32. Esta interfaz podría mostrar en tiempo real los datos de cada repetición: profundidad, tiempos, repeticiones válidas o fallidas, y además guardar un historial de sesiones. Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 47 Este tipo de visualización no solo enriquecería la experiencia de usuario, sino que acercaría el sistema al nivel de usabilidad de las herramientas comerciales actuales. 10.5 Adaptación a otros ejercicios Una mejora muy relevante para el futuro sería permitir que el propio usuario seleccione el tipo de ejercicio que desea realizar sin necesidad de volver a cargar el código en el microcontrolador. Para ello, se podría implementar un sistema de configuración dinámica, en el que el usuario pueda elegir el modo de funcionamiento (por ejemplo: sentadilla, flexión, salto vertical, isométrico...) a través de un botón, teclado matricial, pantalla táctil, aplicación móvil o cualquier interfaz de entrada sencilla. El microcontrolador detectaría esta selección y cargaría automáticamente la configuración interna correspondiente a ese ejercicio: ajustes de umbral, FSM específica, validación de rangos de movimiento, etc. Esto permitiría una versatilidad total del sistema, facilitando su uso en múltiples contextos sin necesidad de conocimientos de programación o acceso al entorno de desarrollo. Con esta funcionalidad, el sistema se convertiría en una herramienta multiejercicio, personalizable y accesible, ideal tanto para usuarios domésticos como para entrenadores, centros deportivos o clínicos. 10.6 Síntesis de mejoras propuestas Las mejoras planteadas a lo largo de este capítulo no solo buscan perfeccionar el rendimiento técnico del sistema, sino también sentar las bases para su evolución hacia una herramienta profesional y versátil. Propuestas como la sustitución del sensor ultrasónico por alternativas más precisas, la miniaturización del hardware, la eliminación de cables o la incorporación de configuraciones dinámicas para distintos ejercicios, abren el camino hacia un sistema más compacto, fiable y autónomo. Gracias a su diseño sin contacto corporal y sin interferencia en la carga del entrenamiento, el sistema tiene potencial para consolidarse como referencia en el control del movimiento deportivo, especialmente en disciplinas como el powerlifting, donde la precisión en la ejecución es crítica. Estas propuestas no solo optimizan el prototipo actual, sino que también invitan a futuros desarrolladores a seguir innovando, adaptando esta base funcional a nuevos contextos como el entrenamiento, la fisioterapia o la investigación biomecánica, siempre manteniendo su simplicidad, bajo coste y facilidad de uso. Referencias 48 48 11 REFERENCIAS Arduino. (2025). Arduino. Obtenido de https://www.arduino.cc/ Balsalobre Fernández, C., & Jiménez Reyes, P. (2014). Entrenamiento de fuerza, nuevas perspectivas metodológicas. Bompa , T. (2016). Periodización del entrenamiento deportivo. Paidotribo. Calderón Peñafiel, B. R. (2019). SISTEMA ELECTRÓNICO DE EVALUACIÓN DE NIVELES DE DORSIFLEXIÓN DE TOBILLO DURANTE LA REALIZACIÓN DE SENTADILLA PROFUNDA PARA LA PREVENCIÓN DE LESIONES APLICADO A DEPORTISTAS DEL GIMNASIO DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE. UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE. Cardona Ramírez , L. F., & Avella Chaparro, R. E. (2015). LA SENTADILLA: UN EJERCICIO FUNDAMENTAL EN LA ACTIVIDAD FÍSICA Y EL DEPORTE. Actividad Física y Deporte. Delavier, F. (2012). Guía de los movimientos de musculación. Paidotribo. Espressif. (2025). ESPRESSIF. Obtenido de https://www.espressif.com/en/company/about-espressif Feijoo López, I. (2014). Entrenamiento de fuerza explosiva: Ser fuerte no significa ser rápido. Obtenido de Buenaforma: https://www.buenaforma.org/2014/03/06/entrenamiento-de-fuerza-explosiva-ser-fuerteno-significa-ser-rapido/ García López, J., & Rodriguez Marroyo, J. A. (2019). Innovaciones tecnológicas en el entrenamiento deportivo: aplicaciones y perspectivas futuras. Revista Internacional de Ciencias del Deporte. Gorsuch, J., Long, J., Miller, K., & Primeau, K. (2012). The Effect of Squat Depth on Multiarticular Muscle Activation in Collegiate Cross-Country Runners. GymAware. (2020). Obtenido de https://gymaware.com/ Izquierdo Redín, M. (2008). Biomecánica y Bases Neuromusculares de la Actividad Física y el Deporte. Médica Panamericana. Máximo , Á. (2016). La sentadilla en el desarrollo de habilidades básicas en el proceso de enseñanza de la Unidad Educativa Mayor Horacio Zurita Bayas de Ciudad de Guayaquil. Universidad de Guayaquil. Medina Jimenez, E. (2002). ACTIVIDAD FISICA Y SALUD INTEGRAL. Paidotribo. Méndez, D. (2012). Ergonomía Deportiva. Norris, C. M. (2007). La estabilidad de la espalda. HISPANO EUROPEA. Orser, K., Klimstra, M., Agar-Newman, D., & Tsai, M.-C. (2020). The validity of the Push Band 2.0 to determine speed and power during progressively loaded squat jumps. Sports Biomechanics. Ricard, F. (2003). Tratamiento osteopático de las lumbalgias y lumbociáticas por hernias discales. Médica Panamericana. Rippetoe , M. (2011). Starting Strength: Basic Barbell Training. The Aasgaard Company. Rodríguez García, P. L. (2008). Ejercicio Físico en Salas de Acondicionamiento Muscular. Médica Panamericana. Sánchez, D. (2021). Todo sobre la sentadilla. Obtenido de https://www.sportlife.es/entrenar/fitness/todo-sobrela-sentadilla_195818_102.html Tenllado Vallejo, F., Beaven, C., & Hébert-Losier, K. (2020). Validity and reliability of the Beast TM sensor to measure movement velocity during the back squat exercise. The Journal of Sport and Exercise Science. Texas Instruments. (2025). Texas Instruments. Obtenido de https://www.ti.com/aboutti/company/overview.html Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 49 Thibaudeau, C. (2013). Teoria y Aplicacion de Metodos Modernos de Fuerza y Potencia. Vargas Lucio, D. C., & López Bustamante, G. (2016). Técnica de sentadilla y su incidencia en el rendimiento deportivo de la selección femenina de levantamiento de potencia de la federación deportiva de los Ríos. Babahoyo. Walker, B. (2009). La anatomía de las lesiones deportivas. Paidotribo. Anexos 50 50 12 ANEXOS 12.1 Anexo A. Código de la placa Arduino UNO R3 #include <SoftwareSerial.h> SoftwareSerial esp8266(5, 6); // RX, TX #define TRIG_PIN 8 // Pin digital para Trig #define ECHO_PIN 7 // Pin digital para Echo #define LED_PIN 4 // Pin digital para alarma visual #define BOTON_PIN 2 // Pin digital para el botón #define velocidad_sonido 0.034 // Velocidad del sonido en cm/µs #define filtro_max 300 // Distancia máxima a tener en cuenta int toma_referencia = 0; // Distancia mínima de referencia (se actualizará dinámicamente) int distancia = 0; // Distancia desde el sensor hasta "rebote" int distanciaAnterior = 0; // Distancia previa para ver cuando comienza la bajada int repeticiones = 0; // Contador de repeticiones int series = 1; // Contador de series int profundidadRepeticion = 0; // Detecta la profundidad de cada repetición unsigned long duracion = 0; // Para determinar la duracion que tarda "rebote" unsigned long tiempoUltimaRepeticion = 0; // Marca de tiempo de la última repetición unsigned long tiempoActual = 0; // Marca de tiempo actual float intervaloSegundos = 0; // Para determinar el intervalo de tiempo entre repeticiones bool clienteConectado = false; // Estado de control para avisar de cliente conectado bool intentoFallido = false; // No ha llegado a la referencia String respuestaESP = ""; // Para leer la respuesta del esp8266 String mensajeWifi = ""; // Para enviar datos a traves del esp8266 unsigned long tiempoUltimoClick = 0; // para detectar pulsaciones unsigned int contadorClicks = 0; // Para mirar cuando acaba la repetición bool botonPresionado = false; // Para detectar flanco de subida enum Estado { CALIBRAR, INICIO, BAJANDO, VALIDA, NO_VALIDA, EN_SQUAT, SUBIENDO }; Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 51 Estado estadoActual = CALIBRAR; void setup() { pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT); pinMode(ECHO_PIN, INPUT); pinMode(LED_PIN, OUTPUT); pinMode(BOTON_PIN, INPUT); digitalWrite(LED_PIN, LOW); // LED apagado por defecto Serial.begin(9600); esp8266.begin(9600); // Comunicación con ESP8266 delay(1000); esp8266.println("AT"); delay(1000); esp8266.println("AT+CWMODE=2"); // Para ponerlo en modo AP, crea su propia red WiFi delay(1000); esp8266.println("AT+CWSAP=\"ESP8266\",\"12345678\",3,0"); // Se le asigna una SSDI para que nos podamos conectar a través del móvil/ordenador delay(1000); // El 0 le indica sin encriptación y el 3 es el canal en que trasmitirá esp8266.println("AT+CIPMUX=1"); delay(1000); esp8266.println("AT+CIPSERVER=1,80"); //Activar el servidor ESP8266 delay(1000); } void loop() { // Verifica si se ha conectado o desconectado un cliente if (esp8266.available()) { respuestaESP = esp8266.readString(); if (respuestaESP.indexOf("0,CONNECT") != -1) { clienteConectado = true; Serial.println("-------Cliente conectado-------"); } else if (respuestaESP.indexOf("0,CLOSED") != -1) { clienteConectado = false; Serial.println("-------Cliente desconectado-------"); } } // Medimos distancia digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); // Asegura un estado limpio en el sensor ultrasónico delayMicroseconds(2); // Enviar pulso de 10 microsegundos digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); Anexos 58 58 // FSM - Máquina de Estados switch (estadoActual) { case CALIBRAR: // Verifica si se ha pulsado el botón para actualizar la referencia if (digitalRead(BOTON_PIN) == HIGH) { toma_referencia = distancia; // Guardar la distancia actual como nueva referencia if (clienteConectado) { mensajeWifi = "--> Referencia: " + String(toma_referencia) + " cm\r\n" + "[Serie 1]\r\n"; Serial.print("AT+CIPSEND=0,"); Serial.println(mensajeWifi.length()); delay(200); Serial.println(mensajeWifi); delay(200); } estadoActual = SUBIENDO; } break; case INICIO: tiempoActual = millis(); if (digitalRead(BOTON_PIN) == HIGH) { if (!botonPresionado) { botonPresionado = true; if (tiempoActual - tiempoUltimoClick <= 2000) { // Pasa menos de 2 segundos entre un click y otro contadorClicks++; } else { contadorClicks = 1; // Reinicia si pasó demasiado tiempo } tiempoUltimoClick = tiempoActual; if (contadorClicks == 2) { // Doble click botón para finalizar la serie y reseteamos número de repeticiones series++; repeticiones = 0; if (clienteConectado) { mensajeWifi = "> Serie finalizada <\r\n"; Serial.print("AT+CIPSEND=0,"); Serial.println(mensajeWifi.length()); delay(200); Serial.println(mensajeWifi); delay(200); mensajeWifi = "[Serie " + String(series) + "]\r\n"; Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 59 Serial.print("AT+CIPSEND=0,"); Serial.println(mensajeWifi.length()); delay(200); Serial.println(mensajeWifi); delay(200); } } } else if (tiempoActual - tiempoUltimoClick >= 2000) { // Si dejamos pulsado botón durante 2 segundos, finalizamos ejercicio y volvemos al estado Calibrar repeticiones = 0; // Es como si resetearamos la placa series = 1; if (clienteConectado) { mensajeWifi = ">>> EJERCICIO FINALIZADO <<<\r\n"; Serial.print("AT+CIPSEND=0,"); Serial.println(mensajeWifi.length()); delay(200); Serial.println(mensajeWifi); delay(200); } delay(3000); estadoActual = CALIBRAR; } } else { botonPresionado = false; } if (distancia < distanciaAnterior && distancia < 100) { // Distancia debe ser menor que 100cm para evitar falsos saltos a bajando estando en posicion inicial estadoActual = BAJANDO; } break; case BAJANDO: if (distancia <= toma_referencia) { estadoActual = VALIDA; intentoFallido = false; } else if (distancia < toma_referencia + 10) { // cerca pero no suficiente intentoFallido = true; } else if (intentoFallido && distancia > toma_referencia + 15) { // Si subió sin haber llegado al mínimo estadoActual = NO_VALIDA; } break; Anexos 60 60 case NO_VALIDA: digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // No se alcanzó la profundidad correcta (LED de alarma encendido durante 1 segundo) if (clienteConectado) { mensajeWifi = "¡INTENTO FALLIDO! ¡BAJA MÁS!\r\n"; Serial.print("AT+CIPSEND=0,"); Serial.println(mensajeWifi.length()); delay(200); Serial.println(mensajeWifi); delay(200); } delay(1000); digitalWrite(LED_PIN, LOW); intentoFallido = false; estadoActual = SUBIENDO; break; case VALIDA: repeticiones++; // Cálculo del tiempo entre repeticiones tiempoActual = millis(); // Guardar el momento actual en milisegundos if (repeticiones > 1) { // Evita mostrar tiempo en la primera repetición intervaloMiliSegundos = tiempoActual - tiempoUltimaRepeticion; } tiempoUltimaRepeticion = tiempoActual; // Actualiza el tiempo de referencia estadoActual = EN_SQUAT; break; case EN_SQUAT: if (profundidadRepeticion == 0 || distancia < profundidadRepeticion) { // Se actualiza la profundidad si es 0 o la distancia es menor profundidadRepeticion = distancia; } else if (distancia > toma_referencia) { // Se comienza a subir if (clienteConectado) { mensajeWifi = "* Repetición " + String(repeticiones) + ":\r\n"; mensajeWifi += " - Profundidad " + String(profundidadRepeticion) + " cm\r\n"; Serial.print("AT+CIPSEND=0,"); Serial.println(mensajeWifi.length()); delay(200); Serial.println(mensajeWifi); delay(200); if (repeticiones > 1) { mensajeWifi = " - Tiempo " + String(intervaloMiliSegundos) + " ms\r\n"; Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 61 Serial.print("AT+CIPSEND=0,"); Serial.println(mensajeWifi.length()); delay(200); Serial.println(mensajeWifi); delay(200); } } profundidadRepeticion = 0; estadoActual = SUBIENDO; } break; case SUBIENDO: if (distancia == distanciaAnterior && distancia > 100) { // Nos aseguramos que vuelva a posicion inicial cuando la distancia es mayor a 100cm estadoActual = INICIO; // Así evitamos validar nueva repetición sin subir completamente } break; } distanciaAnterior = distancia; delay(200); // Pequeña pausa para estabilidad } Anexos 62 62 12.3 Anexo C. Código de la placa ESP32 Dev 38P #include <WiFi.h> const char* ssid = "ESP32"; // Nombre de la red const char* password = "12345678"; // Contraseña WiFiServer server(80); WiFiClient client; #define TRIG_PIN 18 // Pin digital para Trig #define ECHO_PIN 19 // Pin digital para Echo #define LED_PIN 5 // Pin digital para alarma visual #define BOTON_PIN 4 // Pin digital para el botón #define velocidad_sonido 0.034 // Velocidad del sonido en cm/µs #define filtro_max 300 // Distancia máxima a tener en cuenta int toma_referencia = 0; // Distancia mínima de referencia (se actualizará dinámicamente) int distancia = 0; // Distancia desde el sensor hasta "rebote" int distanciaAnterior = 0; // Distancia previa para ver cuando comienza la bajada int repeticiones = 0; // Contador de repeticiones int series = 1; // Contador de series int profundidadRepeticion = 0; // Detecta la profundidad de cada repetición unsigned long duracion = 0; // Para determinar la duracion que tarda "rebote" unsigned long tiempoUltimaRepeticion = 0; // Marca de tiempo de la última repetición unsigned long tiempoActual = 0; // Marca de tiempo actual float intervaloSegundos = 0; // Para determinar el intervalo de tiempo entre repeticiones bool intentoFallido = false; // No ha llegado a la referencia unsigned long tiempoUltimoClick = 0; // para detectar pulsaciones unsigned int contadorClicks = 0; // Para mirar cuando acaba la repetición bool botonPresionado = false; // Para detectar flanco de subida enum Estado { CALIBRAR, INICIO, BAJANDO, VALIDA, NO_VALIDA, EN_SQUAT, SUBIENDO }; Estado estadoActual = CALIBRAR; void setup() { Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 63 pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT); pinMode(ECHO_PIN, INPUT); pinMode(LED_PIN, OUTPUT); pinMode(BOTON_PIN, INPUT); digitalWrite(LED_PIN, LOW); // LED apagado por defecto Serial.begin(115200); // Modo punto de acceso WiFi.softAP(ssid, password); server.begin(); } void loop() { // Verifica si se ha conectado o desconectado un cliente if (!client || !client.connected()) { client = server.available(); // Espera a que se conecte un cliente } // Medimos distancia digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); // Asegura un estado limpio en el sensor ultrasónico delayMicroseconds(2); // Enviar pulso de 10 microsegundos digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); // Capturar el tiempo de respuesta duracion = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000); // Timeout de 30 ms // Calcular la distancia (en cm) distancia = duracion * velocidad_sonido / 2; // Filtrar valores anómalos if (distancia > filtro_max || distancia == 0) { return; // Ignorar la lectura si es demasiado alta o cero } // FSM - Máquina de Estados switch (estadoActual) { case CALIBRAR: // Verifica si se ha pulsado el botón para actualizar la referencia if (digitalRead(BOTON_PIN) == HIGH) { toma_referencia = distancia; // Guardar la distancia actual como nueva referencia // Mensaje por Serial Serial.println("--> Referencia: " + String(toma_referencia) + " cm"); Serial.println("[Serie 1]"); Anexos 64 64 // Mensaje por WiFi if (client && client.connected()) { client.println("--> Referencia: " + String(toma_referencia) + " cm"); client.println("[Serie 1]"); } estadoActual = SUBIENDO; } break; case INICIO: tiempoActual = millis(); // Detección de dos pulsaciones rápidas if (digitalRead(BOTON_PIN) == HIGH) { if (!botonPresionado) { botonPresionado = true; if (tiempoActual - tiempoUltimoClick <= 2000) { // Pasa menos de 2 segundos entre un click y otro contadorClicks++; } else { contadorClicks = 1; // Reinicia si pasó demasiado tiempo } tiempoUltimoClick = tiempoActual; if (contadorClicks == 2) { // Doble click botón para finalizar la serie y reseteamos número de repeticiones series++; repeticiones = 0; Serial.println("> Serie finalizada <"); Serial.println("[Serie " + String(series) + "]"); if (client && client.connected()) { client.println("> Serie finalizada <"); client.println("[Serie " + String(series) + "]"); } } } else if (tiempoActual - tiempoUltimoClick >= 2000) { // Si dejamos pulsado botón durante 2 segundos, finalizamos ejercicio y volvemos al estado Calibrar Serial.println(">>> EJERCICIO FINALIZADO <<<"); // Es como si resetearamos la placa repeticiones = 0; series = 1; if (client && client.connected()) { client.println(">>> EJERCICIO FINALIZADO <<<"); } delay(3000); estadoActual = CALIBRAR; } Sistema electrónico con alarma para el estudio dinámico y el control de la profundidad de la sentadilla 65 } else { botonPresionado = false; } if (distancia < distanciaAnterior && distancia < 100) { // Distancia debe ser menor que 100cm para evitar falsos saltos a bajando estando en posicion inicial estadoActual = BAJANDO; } break; case BAJANDO: if (distancia <= toma_referencia) { estadoActual = VALIDA; intentoFallido = false; } else if (distancia < toma_referencia + 10) { // cerca pero no suficiente intentoFallido = true; } else if (intentoFallido && distancia > toma_referencia + 15) { // Si subió sin haber llegado al mínimo estadoActual = NO_VALIDA; } break; case NO_VALIDA: digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // No se alcanzó la profundidad correcta (LED de alarma encendido durante 1 segundo) Serial.println("¡INTENTO FALLIDO! ¡BAJA MÁS!"); if (client && client.connected()) { client.println("¡INTENTO FALLIDO! ¡BAJA MÁS!"); } delay(1000); digitalWrite(LED_PIN, LOW); intentoFallido = false; estadoActual = SUBIENDO; break; case VALIDA: repeticiones++; // Cálculo del tiempo entre repeticiones tiempoActual = millis(); // Guardar el momento actual en milisegundos if (repeticiones > 1) { // Evita mostrar tiempo en la primera repetición intervaloSegundos = (tiempoActual - tiempoUltimaRepeticion) / 1000.0; } tiempoUltimaRepeticion = tiempoActual; // Actualiza el tiempo de referencia estadoActual = EN_SQUAT; break; Anexos 66 66 case EN_SQUAT: if (profundidadRepeticion == 0 || distancia < profundidadRepeticion) { // Se actualiza la profundidad si es 0 o la distancia es menor profundidadRepeticion = distancia; } else if (distancia > toma_referencia) { // Se comienza a subir // Acabamos repetición e imprimimos por pantalla/wifi sus datos Serial.println("* Repetición " + String(repeticiones) + ":"); Serial.println(" - Profundidad " + String(profundidadRepeticion) + " cm"); if (repeticiones > 1) { Serial.println(" - Tiempo " + String(intervaloSegundos) + " s"); } if (client && client.connected()) { client.println("* Repetición " + String(repeticiones) + ":"); client.println(" - Profundidad " + String(profundidadRepeticion) + " cm"); if (repeticiones > 1) { client.println(" - Tiempo " + String(intervaloSegundos) + " s"); } } profundidadRepeticion = 0; estadoActual = SUBIENDO; } break; case SUBIENDO: // Si queremos utilizar este sistema para realizar sentadillas, en la condición, la distancia debe ser mayor a 20cm, en lugar de 100cm if (distancia == distanciaAnterior && distancia > 100) { // Nos aseguramos que vuelva a posicion inicial cuando la distancia es mayor a 100cm estadoActual = INICIO; // Así evitamos validar nueva repetición sin subir completamente } break; } distanciaAnterior = distancia; delay(10); // Pequeña pausa para estabilidad }