Pr´otesis mioel´ectrica impresa en 3D para extremidades superiores
1.
Descripci´ on General
High Five consiste de una pr´otesis impresa en 3D con tecnolog´ıa mioel´ectrica para amputaciones transradiales. La medici´on de la actividad muscular en la remanencia de la extremidad, complementada con la posibilidad de personalizaci´on del funcionamiento con un sistema de lectura de tags RFID, permiten una soluci´on m´as intuitiva y completa que las pr´otesis mec´anicas tradicionales. Adem´as, su capacidad de ser fabricada utilizando tecnolog´ıa de impresi´on 3D junto con el libre acceso a sus modelos y esquem´aticos permiten una soluci´on de menor costo a los equipos comerciales de caracter´ısticas similares.
1.1.
Caracter´ısticas y Funcionalidades Dimensiones y peso de la pr´otesis comparables a su contraparte org´anica. Dedos de la pr´otesis pueden contraerse hasta 180 grados. Se˜nales de control independientes entre dedos, para realizaci´on de diferentes posturas. Cada dedo es capaz de ejercer una fuerza de m´as de 15N, y tarda alrededor de 1 s en contraerse completamente. Detecci´on de actividad muscular de dos zonas musculares para accionamiento de la pr´otesis. Uso de electrodos met´alicos secos reutilizables para la detecci´on de las se˜nales mioel´ectricas, para ubicarse de manera sencilla sin requerir aplicaci´on de gel conductivo. Feedback sensorial de la fuerza ejercida sobre la pr´otesis. Detecci´on e identificaci´on de tags RFID para personalizar el uso. Considerando el uso de un pack de bater´ıas de 7000mAh, se tiene una duraci´on de la alimentaci´on de al menos 2 horas operando continuamente al nivel de consumo m´as alto. En condiciones nominales, la alimentaci´on tiene una duraci´on esperada del orden de 10 horas.
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1
2.
Componentes Principales
2.1.
Sensor Mioel´ ectrico Gravity: Analog EMG [1]
El sensor Gravity: Analog EMG es un sensor capaz de detectar actividad muscular a trav´es de la captura de se˜nales mioel´ectricas superficiales. La detecci´on se realiza utilizando una placa de electrodos secos que se ubica sobre el grupo muscular respectivo y no requiere el uso de electrodos desechables o la aplicaci´on de gel conductivo. Tambi´en cuenta con una placa de transmisi´on, que amplifica y filtra de manera anal´ogica la se˜nal mioel´ectrica detectada en el m´usculo para entregar una se˜nal de salida procesada para su uso por un controlador. P´agina del producto: https://www.dfrobot.com/wiki/index.php/Analog_EMG_Sensor_by_OYMotion_SKU:SEN0240
2.1.1.
Especificaciones
Rango de detecci´on: ± 1.5mV Voltage de salida: 0 V – 3.0 V Voltage de alimentaci´on: 3.3 V – 5.5 V Tama˜no de placa de detecci´on: 35 mm × 22 mm
2.2.
Actuador Lineal PQ12-P [3]
El actuador lineal PQ12 es un actuador de bajo tama˜no y peso. Su variedad con una reducci´on mec´anica 30:1 es capaz de aplicar fuerzas de hasta 18 N. Su configuraci´on del tipo P incorpora un potenci´ometro para la lectura del desplazamiento del actuador. P´agina del producto: https://www.actuonix.com/Actuonix-PQ12-S-p/pq12-s.htm
2.2.1.
Especificaciones
Desplazamiento m´aximo: 20 mm Potencia m´axima: 15 N a 15 mm/s Fuerza m´axima: 18 N Velocidad m´axima (sin carga): 28 mm/s Voltage de alimentaci´on: 6 V / 12 V www.protesishighfive.cl
2
Corriente m´axima: 550 mA Ruido audible: 55 dB a 45 cm Tama˜no base: 36.5 mm × 21.5 mm × 15 mm
2.3.
Lector RFID ID-12LA [4]
El lector RFID (radio-frequency identification) ID-12LA es un sensor para la detecci´on e identificaci´on a distancia de tags especializados. P´agina del producto: http://www.id-innovations.com/httpdocs/ID-3LA,ID-12LA,ID-20LA.pdf
2.3.1.
Especificaciones
Rango de lectura: 120 mm Frecuencia de lectura: 125 kHz Formato de salida: 9600 baud, 8N1 Formato de tag: EM4001 (o compatible) Encoding: Manchester 64-bit Voltaje de alimentaci´on: 2.8 V – 5.0 V Tama˜no: 25 mm × 26 mm
2.4.
Sensor de Fuerza Resistivo FSR402 [5]
El sensor de fuerza resistivo FSR402 corresponde a una resistencia que var´ıa seg´un la magnitud de la fuerza aplicada sobre su superficie. En esta aplicaci´on se utiliza para detectar si la mano de la pr´otesis est´a en contacto con alg´un objeto. P´agina del producto: https://www.interlinkelectronics.com/fsr-402
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3
2.4.1.
Especificaciones
Rango de sensitividad: 1 N – 100 N Resistencia a 0 N: > 1 MΩ Resistencia a 100 N: ∼ 250 Ω Forma: Circular Ancho ´area activa: 0.5”
2.5.
Alimentaci´ on
La pr´otesis High Five requiere dos bater´ıas de tama˜no 18650. 2.5.1.
Especificaciones
Voltaje: > 2 × 3.7 V Carga (sugerida): > 2 × 3500 mAh Tama˜no: 18650
2.6.
Placa Controladora High Five
La placa controladora High Five es un sistema embebido para el control de los actuadores de la pr´otesis High Five. Genera las se˜nales de control a partir de la lectura y procesamiento de se˜nales anal´ogicas provenientes de sensores mioel´ectricos y la lectura e identificaci´on de tags RFID. Tambi´en integra divisores resistivos para la lectura de sensores de fuerza resistivos y se˜nales de salida para motores con el objetivo de aplicar realimentaci´on de la fuerza ejercida sobre la pr´otesis. Por u´ltimo, la placa incluye pines de lectura adicionales, con el objetivo de promover el desarrollo de nuevas funcionalidades para la pr´otesis sin requerir una modificaci´on del hardware. 2.6.1.
Especificaciones
Microcontrolador: Atmega2560 Salida control de actuadores lineales: 5 × 2 × PWM (6.0 V / 500mA max.) Salida feedback de fuerza: 2 × PWM (3.0 V) Lectura sensores mioel´ectricos: 2 × ADC (0 V – 5.0 V) Divisor resistivo para lectura de sensores de fuerza resistivos: 2 (10kΩ / 5.0 V) www.protesishighfive.cl
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Lectura desplazamiento actuador lineal: 5 × ADC (0 V – 5.0 V) Comunicaci´on: UART Pines adicionales: 4 × ADC (0 V – 5.0 V) Voltaje de alimentaci´on: > 7.5 V Programaci´on: ICSP (SPI) Tama˜no: 101.6 mm × 53.4 mm 2.6.2.
Shield para placa de desarrollo Arduino Mega
La placa High Five tiene tambi´en una variaci´on que consiste en un shield para utilizar con una placa de desarrollo Arduino Mega. El fin de esta variaci´on es permitir un debug m´as sencillo durante el desarrollo de nuevas funcionalidades a trav´es de la programaci´on m´as sencilla de la placa Arduino Mega y su interfaz serial incorporada, pese a que hardware resulta menos compacto y con un consumo de potencia m´as elevado. El shield trae todas las funcionalidades de la placa est´andar.
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5
3.
Instalaci´ on Circuito El´ ectrico
3.1.
Plano El´ ectrico ANTEBRAZO ANTEBRAZO USUARIO PRÓTESIS
Motor Vibración
PWM (3V)
Motor Vibración
PWM (3V)
ANTEBRAZO MANO PRÓTESIS PRÓTESIS
ICSP (In-Circuit Serial Programming)
Pack de Baterías
Actuador Lineal 5V
Actuador Lineal
7.5V CONTROL ACTUADOR (6V)
Actuador Lineal
Electrodos
Sensor Mioeléctrico
Electrodos
Sensor Mioeléctrico
SEÑAL
POSICIÓN ACTUADOR (0-5V)
5V
High Five Placa Controladora
SEÑAL
High Five Placa Adaptadora para Mano
FEEDBACK FUERZA (0-5V)
5V
RFID
RFID
Sensor Fuerza
Actuador Lineal Actuador Lineal
Sensor Fuerza
Figura 1: Plano el´ectrico de la placa controladora.
ANTEBRAZO ANTEBRAZO USUARIO PRÓTESIS
ANTEBRAZO MANO PRÓTESIS PRÓTESIS
Arduino Mega
Actuador Lineal 5V
Motor Vibración
PWM (3V)
Motor Vibración
PWM (3V)
Pack de Baterías
PWM
ADC
RX 5V
Actuador Lineal
7.5V CONTROL ACTUADORES (6V)
Actuador Lineal
Electrodos
Sensor Mioeléctrico
Electrodos
Sensor Mioeléctrico
SEÑAL 5V SEÑAL
POSICIÓN ACTUADORES (0-5V)
High Five Shield para Arduino Mega
5V
FEEDBACK FUERZA
High Five Placa Adaptadora para Mano
RFID
RFID
Sensor Fuerza
Actuador Lineal Actuador Lineal
Sensor Fuerza
Figura 2: Plano el´ectrico del shield para Arduino Mega.
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6
3.2.
Conexiones
Se presenta en las Figs. 3 y 4 c´omo deben conectarse los componentes a la placa controladora High Five y a la placa adaptadora para la mano. La conexi´on entre las placas del controlador y la mano debe realizarse a trav´es de un conector de cable plano. Un extremo de este cable debe soldarse a la placa de la mano como se indica en la Fig. 4. El otro extremo debe conectarse a la placa controladora por medio de un conector IDC. Como gu´ıa, el pin superior izquierdo del conector a la mano en la Fig. 3 debe quedar pareado con el pin superior derecho de la conexi´on al controlador en la Fig. 4. Por u´ltimo, n´otese como los conectores de los actuadores lineales deben insertarse con sus terminales hacia abajo, como se se˜nala en la Fig. 4.
PACK DE BATERÍAS 7.5V
SENSOR MIOELÉCTRICO (INTERIOR ANTEBRAZO) CONECTOR A MANO
SENSOR MIOELÉCTRICO (EXTERIOR ANTEBRAZO)
MOTOR PARA FEEDBACK DE FUERZA MOTOR PARA FEEDBACK DE FUERZA
Figura 3: Conexiones el´ectricas de la placa controladora.
PULGAR
CONECTOR A CONTROLADOR
ÍNDICE
MEDIO
ANULAR
MEÑIQUE
LECTOR SENSORES DE RFID FUERZA RESISTIVOS
Figura 4: Conexiones el´ectricas de placa adaptadora para mano. www.protesishighfive.cl
7
3.3.
Posicionamiento de Sensores Mioel´ ectricos
Las placas de detecci´on de los sensores mioel´ectricos deben ubicarse sobre la remanencia de la extremidad, en l´ınea con el grupo muscular correspondiente. Los electrodos correspondientes al sensor M1 deben situarse sobre la cara interior del antebrazo mientras que los correspondientes al sensor M2 deben situarse sobre la cara exterior. La posici´on sobre la cual debe posicionarse cada placa puede encontrarse realizando la intenci´on de contraer y extender la palma de la mano e identificando el centro del m´usculo correspondiente que se contrae. Es cr´ıtico para el buen funcionamiento de la pr´otesis que los electrodos se ubiquen correctamente. A modo de referencia, se presenta la Fig. 5.
Figura 5: Posicionamiento electrodos [2].
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8
4.
Ensamblaje
Se detalla a continuaci´on el proceso de ensamblaje de la pr´otesis. Como referencia, refi´erase a la Fig. 6, donde adem´as se presenta la enumeraci´on de los componentes utilizada en los pasos que siguen. 1. Introduzca la placa controladora High Five (2) al antebrazo (1) de la pr´otesis y atorn´ıllela a trav´es de sus cuatro orificios. En caso de utilizar la versi´on como shield para Arduino de la placa High Five, introduzca primero la placa de desarrollo Arduino Mega y atorn´ıllela al antebrazo. Luego conecte la placa High Five al Arduino Mega. 2. Inserte el pulgar (4) de la pr´otesis y el resto de los dedos (5) en los zurcos de la mano (3). 3. Ubique los cinco actuadores lineales (6) dentro de la mano de la pr´otesis. 4. Para cada dedo, introduzca un cordel resistente a trav´es de sus orificios, y amarre una punta del cordel al extremo de cada dedo y la otra al extremo del actuador lineal respectivo. Aseg´urese que el cordel amarrado quede tenso al extenderse los dedos de la pr´otesis. 5. Ubique la placa adaptadora (7) para la mano de la pr´otesis. 6. Conecte los actuadores lineales, los sensores de fuerza resistivos y el lector RFID a la placa adaptadora de la mano. 7. Cierre la mano de la pr´otesis con su tapa (8). 8. Alinee el eje del soporte del antebrazo (9) con la banda para el brazo (10). 9. Introduzca los pasadores (11) para el soporte y f´ıjelos en lugar con los seguros (12). 10. Realice las conexiones el´ectricas mencionadas previamente en la Secci´on 3, que incluyen la conexi´on de la placa adaptadora para la mano (a trav´es del orificio del antebrazo), la conexi´on de los sensores mioel´ectricos, los motores para feedback de fuerza, y la alimentaci´on del controlador. 11. Cierre el antebrazo de la pr´otesis con su tapa (13). 12. Introduzca las bater´ıas (14) en el compartimento posterior del antebrazo. 13. Cierre el compartimento de las bater´ıas con su tapa (15). 14. Ensamble la mano (3), antebrazo (1) y soporte (9).
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9
Figura 6: Ensamblaje de componentes.
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5.
Manual de Uso
1. Introduzca la remanencia de la extremidad al soporte del antebrazo de la pr´otesis. Afirme la pr´otesis ajustando la banda. 2. Ubique los electrodos sobre los grupos musculares correspondientes del antebrazo como se indic´o en la Secci´on 3. 3. Encienda la pr´otesis activando el interruptor de alimentaci´on. 4. Se sugiere realizar una calibraci´on del equipo cada vez que ´este se use. Para ello: 3.1 Extienda el brazo con la pr´otesis y mantenga los m´usculos del antebrazo en reposo. 3.2 Conecte el terminal A10 de la placa controladora o shield al terminal 5V por medio de un interruptor o cable, manteniendo el antebrazo en reposo. 3.3 Pasados unos segundos desconecte el terminal A10 del terminal 5V. 3.4 Pruebe realizar el movimiento de extensi´on y contracci´on de la mu˜neca. Si la pr´otesis no responde, o se comporta de manera err´atica, se sugiere revisar el posicionamiento de los electrodos y luego repetir los pasos 3.1 a 3.3. 5. Los dedos de la pr´otesis se extienden activando los m´usculos exteriores del antebrazo (extensi´on de la mu˜neca) y contraen activando los m´usculos interiores del antebrazo (contracci´on de la mu˜neca). Ante contacto de la palma de la pr´otesis con alg´un objeto, se ejercer´a una realimentaci´on de la fuerza aplicada a trav´es de vibraci´on en el soporte del antebrazo. 6. Si se acerca la palma de la pr´otesis a alg´un tag RFID asociado, la mano de la pr´otesis replicar´a una pose correspondiente y permanecer´a en esta posici´on independiente de la actividad de los m´usculos del antebrazo. Para volver a controlar la pr´otesis a trav´es de se˜nales mioel´ectricas, la palma de la pr´otesis debe acercarse a un tag RFID asociado a este modo de operaci´on. 7. Cuando termine de utilizar la protesis, ap´aguela desactivando el interuptor de alimentaci´on.
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Referencias [1] DFRobot, Gravity: Analog EMG Sensor by OYMotion, 2017. Disponible en: https://www. dfrobot.com/wiki/index.php/Analog_EMG_Sensor_by_OYMotion_SKU:SEN0240. [2] Open Bionics, Muscle Control V1.2, 2018. Disponible en: https://openbionicslabs.com/ obtutorials/muscle-control-v1-2. [3] Actuonix Motion Devices Inc., PQ12-P Linear Actuator with Feedback, 2018. Disponible en: https://www.actuonix.com/Actuonix-PQ-12-P-Linear-Actuator-p/pq12-p.htm. [4] ID-innovations, ID-3LA, ID-12LA, ID-20LA Low Voltage Series Reader Modules, 2015. Disponible en: http://www.id-innovations.com/httpdocs/ID-3LA,ID-12LA,ID-20LA.pdf. R [5] Interlink Electronics Inc., FSR 402, interlinkelectronics.com/fsr-402.
2018.
Disponible
en:
https://www.
[6] Nick Gammon, Atmega bootloader programmer, 2012 (´ultima modificaci´on en 2018). Disponible en: https://www.gammon.com.au/bootloader.
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A. A.1.
Programaci´ on Placa Controladora High Five Bootloader
Se presentan a continuaci´on los pasos requeridos para programar el bootloader del microcontrolador de la placa. Este proceso deber´a realizarse solamente una vez, previo a poder cargar cualquier c´odigo de programa a la placa controladora High Five. En el caso de trabajar con una placa de desarrollo Arduino Mega como controlador principal, no es necesario cargar el bootloader debido a que estas placas suelen traerlo programado de f´abrica. Sin embargo, si el bootloader no funciona correctamente, los siguientes pasos solucionar´an el problema. Los siguientes pasos est´an basados en la gu´ıa por Nick Gammon [6]. 1. Seleccionar una placa de desarrollo para utilizar como programador. Se sugiere utilizar una placa Arduino Uno (o placa de desarrollo equivalente) debido a su bajo costo y accesibilidad. 2. Descargar el sketch de Arduino “Arduino Board Programmer” desarrollado por Nick Gammon, disponible en https://github.com/nickgammon/arduino_sketches. 3. Abrir el sketch anterior en la Arduino IDE y conectar al PC via USB la placa de desarrollo que se utilizar´a como programador. 4. En el men´u “Tools”, seleccionar la placa correspondiente en el sub-men´u “Board”, y el puerto de comunicaci´on en el sub-men´u “Port”. 5. Presionar “Upload” para cargar el c´odigo a la placa de programaci´on. 6. Conectar la placa controladora High Five a la placa de programaci´on, a trav´es de la conexi´on presentada en la Fig. 7. PLACA DE PROGRAMACIÓN SCK MISO
PLACA CONTROLADORA HIGH FIVE
GND MOSI VCC
SS
Figura 7: Conexi´on entre placas para programaci´on via ICSP. www.protesishighfive.cl
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7. En la Arduino IDE, abrir el monitor serial presionando “Serial Monitor”. 8. Seguir los pasos presentados en el monitor. Espec´ıficamente, escribir ‘G’ la el terminal y presionar ‘ENTER’ para programar el bootloader al microcontrolador. 9. Desconectar la placa controladora de la placa de programaci´on
A.2.
C´ odigo Programa
Se presenta ahora el procedimiento para cargar el c´odigo del programa de control al microcontrolador de la placa. En el caso de trabajar con una placa de desarrollo Arduino Mega como controlador principal, los siguientes pasos tambi´en son aplicables, pero puede resultar m´as sencillo programar la placa directamente a trav´es de la interfaz USB con que cuenta la placa. 1. Abrir la Arduino IDE y conectar al PC via USB la placa de desarrollo que se utilizar´a como programador (se recomienda usar la misma que se utiliz´o para cargar el bootloader en la secci´on anterior). 2. Abrir el c´odigo de ejemplo “ArduinoISP” disponible a trav´es del men´u “File>Examples> 11.ArduinoISP>ArduinoISP”. 3. En el men´u “Tools”, seleccionar la placa correspondiente en el sub-men´u “Board”, y el puerto de comunicaci´on en el sub-men´u “Port”. 4. Presionar “Upload” para cargar el c´odigo a la placa de programaci´on. 5. Conectar la placa controladora High Five a la placa de programaci´on, a trav´es de la conexi´on presentada en la Fig. 7. 6. Abrir el c´odigo de control para la placa High Five. 7. En el men´u “Tools”, seleccionar la placa “Arduino/Genuino Mega or Mega2560” en el submen´u “Board”, y el puerto de comunicaci´on al cual est´a conectada la placa de programaci´on en el sub-men´u “Port”. 8. En el men´u “Tools”, seleccionar la opci´on “Arduino as ISP” en el sub-men´u “Programmer”. 9. En el men´u “Sketch”, seleccionar “Upload Using Programmer” para cargar el c´odigo a la placa controladora High Five. 10. Desconectar la placa controladora ya programada de la placa de programaci´on
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B.
Esquem´ aticos VCC 6V2
OUT
REG_6V2 V_REG_317SMD
900
RADJ_REG62
240
ADJ
240
IN
900
RADJ_REG61
240
REG_6V1 V_REG_317SMD
R_REG62
6V1
OUT ADJ
R_REG61
IN
720
REG_5V V_REG_317SMD RADJ_REG5
10u
5V
OUT ADJ
340
RADJ_REG3
C7
V.SUPPLY-2
IN
240
V.SUPPLY-1
REG_3V V_REG_317SMD
R_REG5
3V
OUT ADJ
R_REG3
IN
D_VIB2
D_VIB1
GND 3V
SpiceOrder 2
C2
10 31 61 80 11 32 62 81
C3
100n 100n 100n GND
22p GND
R_LEDPOWER
R_LED1
C_RESET
1k
10k
RESET
GND
XTAL2 GND
42 41 40 39 38 37 36 35
GND
A15 A14 A13 A12 A11 A10 (forceSensorPin2) A9 (forceSensorPin1) A8
82 83 84 85 86 87 88 89
TX3 RX3
79 69 68 67 66 65 64 63
XTAL1
SV1 6 5 4 3 2 1
5V A13 A12 A11 A10 GND
(A15)PC7 (A14)PC6 (A13)PC5 (A12)PC4 (A11)PC3 (A10)PC2 (A9)PC1 (A8)PC0
5V
LED1
13
1k
5V
LEDPOWER
GND
VCC VCC VCC VCC GND GND GND GND
(pwm2Motor4) (pwm1Motor4) (pwm2Motor3) (pwm1Motor3)
9 8 7 6 TX2 RX2
27 18 17 16 15 14 13 12
PL7 PL6 PL5(OC5C) PL4(OC5B) PL3(OC5A) PL2(T5) PL1(ICP5) PL0(ICP4) PK7(ADC15/PCINT23) PK6(ADC14/PCINT22) PK5(ADC13/PCINT21) PK4(ADC12/PCINT20) PK3(ADC11/PCINT19) PK2(ADC10/PCINT18) PK1(ADC9/PCINT17) PK0(ADC8/PCINT16) PJ7 PJ6(PCINT15) PJ5(PCINT14) PJ4(PCINT13) PJ3(PCINT12) PJ2(XCK3/PCINT11) PJ1(TXD3/PCINT10) PJ0(RXD3/PCINT9) PH7(T4) PH6(OC2B) PH5(OC4C) PH4(OC4B) PH3(OC4A) PH2(XCK2) PH1(TXD2) PH0(RXD2)
(T0)PD7 (T1)PD6 (XCK1)PD5 (ICP1)PD4 (TXD1/INT3)PD3 (RXD1/INT2)PD2 (SDA/INT1)PD1 (SCL/INT0)PD0 (CLKO/ICP3/INT7)PE7 (T3/INT6)PE6 (OC3C/INT5)PE5 (OC3B/INT4)PE4 (OC3A/AIN1)PE3 (XCK0/AIN0)PE2 (TXD0)PE1 (RXD0/PCIN8)PE0 (ADC7/TDI)PF7 (ADC6/TDO)PF6 (ADC5/TMS)PF5 (ADC4/TCK)PF4 (ADC3)PF3 (ADC2)PF2 (ADC1)PF1 (ADC0)PF0 (OC0B)PG5 (TOSC1)PG4 (TOSC2)PG3 (ALE)PG2 (RD)PG1 (WR)PG0
GND
60 59 58 57 56 55 54 53 50 49 48 47 46 45 44 43
TX1 (RFID) RX1 (RFID)
GND
3 2 5
90 91 92 93 94 95 96 97
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
(feedbackPosMotor1) (feedbackPosMotor2) (feedbackPosMotor3) (feedbackPosMotor4) (feedbackPosMotor5)
1 29 28 70 52 51
4
(pwm2Motor2)
(pwm2Motor1) (pwm1Motor1) (pwm1Motor2)
NSLEEP AOUT1 AISEN AOUT2 BOUT2 BISEN BOUT1 NFAULT
10u GND
10n 16 15 14 13 12 11 10 9
AIN1 AIN2 VINT GND VM VCP BIN2 BIN1
6 7 GND 9 8 CINT_PH2 CM_PH2
PPAD
>DVR8833
2.2u GND
GND
GND
3 2 1
10u GND
MUSCLE2 A0 5V
3 2 1
A1 5V GND
TX0 (debug) RX0 (debug)
(muscle2) (muscle1)
2.2u GND
CCP_PH2
MUSCLE1
9 8 7 6 5 4 3 2
CINT_PH1 CM_PH1
PUENTE-H2 1 2 3 4 5 6 7 8
M42
5 4
PUENTES H PARA MOTORES restantes meñique y anular van juntos 6V2 6V2
5V
M32 M41
GND
GND
GND
M31
2 3
17*10
400m
RB_PH1
13 (vibrador2) 12 (vibrador1) 11 (pwm1Motor5) 10 (pwm2Motor5) MISO MOSI SCK 53
10n AIN1 AIN2 VINT GND VM VCP BIN2 BIN1
>DVR8833
PPAD
C1
100n GND
(OC0A/OC1C/PCINT7)PB7 (OC1B/PCINT6)PB6 (OC1A/PCINT5)PB5 (OC2A/PCINT4)PB4 (MISO/PCINT3)PB3 (MOSI/PCINT2)PB2 (SCK/PCINT1)PB1 (SS/PCINT0)PB0
26 25 24 23 22 21 20 19
M21
NSLEEP AOUT1 AISEN AOUT2 BOUT2 BISEN BOUT1 NFAULT
16 15 14 13 12 11 10 9
17*10
C_AREF
AREF AVCC AGND
M12 M22
47k
5V
98 100 99
CCP_PH1
400m
AREF
XTAL1
71 72 73 74 75 76 77 78
400m
1M 5V
(AD7)PA7 (AD6)PA6 (AD5)PA5 (AD4)PA4 (AD3)PA3 (AD2)PA2 (AD1)PA1 (AD0)PA0
XTAL2
RSLEEP_PH2
AREF
34
RESET
6V1 6V1 PUENTE-H1 1 2 3 4 5 6 7 8
M11
200m
33
PUENTES H PARA MOTORES pulgar y indice
5V
47k
ICSP
RSLEEP_PH1
2 4 6
5V MOSI
RA_PH1
R_XTAL
2 1
16MHz
X1
22p
GND
RA_PH2
RESET 30
XTAL2
XTAL1
R_RESET
GND GND
U1
22p
C_XTAL2 C_XTAL1
GND
GND
RB_PH2
1k GND
A9 (forceSensorPin2)
SCK MISO
1 3 5
1k
RESET
10k
(vibrador2) 13
T_VIB2 2N2222 R_VIB2
R_FORCE2
T_VIB1 2N2222 R_VIB1
A8 (forceSensorPin1) 10k R_FORCE1
VIBRADOR2
SpiceOrder 1
SpiceOrder 1
VIBRADOR1
(vibrador1) 12
3V
2 1
SpiceOrder 2
2 1
5V 1 M11 3 M12 5 M21 7 M22 9 M31 11 M32 13 M41 15 M42 17 M41 19 M42 21
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
23
GND25
5V A8 A9 A7 A6 A5 A4 A3 5V TX1 RX1 GND
CON1
ATMEGA2560AU
Figura 8: Esquem´atico de placa controladora.
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15
VCC 6V2
OUT
REG_6V2 V_REG_317SMD
900
RADJ_REG62
240
ADJ
240
IN
900
RADJ_REG61
REG_6V1 V_REG_317SMD
R_REG62
6V1
OUT ADJ
720
RADJ_REG5
IN
240
REG_5V V_REG_317SMD
R_REG61
5V
OUT ADJ
240
10u
IN
340
C7
V.SUPPLY-2
RADJ_REG3
REG_3V V_REG_317SMD
R_REG5
3V
OUT ADJ
R_REG3
IN
V.SUPPLY-1
5V A13 A12 A11 A10 GND
1
23 GND25
47k
5V TX1 RX1 GND
PPAD
17*10
400m
RB_PH1 M42
GND
5 4 CINT_PH1 CM_PH1 2.2u GND
GND
10u GND
CCP_PH2
47k
400m
RA_PH1 5V A8 A9 A7 A6 A5 A4 A3
2 3 GND
PUENTE-H2 1 2 3 4 5 6 7 8
NSLEEP AOUT1 AISEN AOUT2 BOUT2 BISEN BOUT1 NFAULT
10n 6 7
16 15 14 13 12 11 10 9
AIN1 AIN2 VINT GND VM VCP BIN2 BIN1
GND 9 8 CINT_PH2 CM_PH2
>DVR8833
400m
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
AIN1 AIN2 VINT GND VM VCP BIN2 BIN1
PUENTES H PARA MOTORES restantes meñique y anular van juntos 6V2 6V2
5V
M32 M41 5V 1 M11 3 M12 5 M21 7 M22 9 M31 11 M32 13 M41 15 M42 17 M41 19 M42 21
10n 16 15 14 13 12 11 10 9
>DVR8833
GND
M31
SV1 6 5 4 3 2 1
GND
200m
BOARDPOWER
GND
RA_PH2
BOARDSTRIP3 8 8 (pwm1Motor4) 7 9 (pwm2Motor4) 6 10 (pwm2Motor5) 5 11 (pwm1Motor5) 4 12 (vibrador1) 3 13 (vibrador2) 2 GND
LEDPOWER
LED1
BOARDSTRIP1 8 A7 (feedbackPosMotor1) 7 A6 (feedbackPosMotor2) 6 A5 (feedbackPosMotor3) 5 A4 (feedbackPosMotor4) 4 A3 (feedbackPosMotor5) 3 A2 2 A1 (muscle2) 1 A0 (muscle1)
GND GND 5V
R_LEDPOWER
GND
BOARDSTRIP4 8 0 7 1 6 2 (pwm1Motor1) 5 3 (pwm2Motor1) 4 4 (pwm2Motor2) 3 5 (pwm1Motor2) 2 6 (pwm1Motor3) 1 7 (pwm2Motor3)
6 5 4 3 2 1
5V
1k
13
BOARDSTRIP2 8 A15 7 A14 6 A13 5 A12 4 A11 3 A10 2 A9 (forceSensorPin2) 1 A8 (forceSensorPin1)
1k
BOARDSTRIP5 8 SCL 7 SDA 6 RX1 (RFID) 5 TX1 (RFID) 4 RX2 3 TX2 2 RX3 1 TX3
M21
NSLEEP AOUT1 AISEN AOUT2 BOUT2 BISEN BOUT1 NFAULT
PPAD
GND GND GND
CCP_PH1 PUENTE-H1 1 2 3 4 5 6 7 8
M12 M22
1k GND
6V1 6V1
M11
RSLEEP_PH2
(vibrador2) 13
1k
PUENTES H PARA MOTORES pulgar y indice
5V
17*10
T_VIB2 2N2222 R_VIB2
A9 (forceSensorPin2)
RB_PH2
VIBRADOR2
10k R_FORCE1
R_FORCE2
SpiceOrder 2 SpiceOrder 1
SpiceOrder 2
A8 (forceSensorPin1)
R_LED1
(vibrador1) 12
T_VIB1 2N2222 R_VIB1
SpiceOrder 1
VIBRADOR1
3V
2 1
10k
3V
2 1
RSLEEP_PH1
D_VIB2
D_VIB1
GND
2.2u GND
GND
GND MUSCLE1 3 2 1
CON1
10u GND
MUSCLE2 A0 5V
3 2 1
A1 5V GND
Figura 9: Esquem´atico de shield para Arduino Mega. MOTOR1 5V 1 A8 3 A9 5 A7 7 A6 9 A5 11 A4 13 A3 15
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
17 5V 19 TX1 21 RX1 23 GND25
CON2 1 2 3 4
5V A8 5V A9
FORCE 5V GND TX1 RX1
1 2 3 4
RFID1
5V M11 M12 M21 M22 M31 M32 M41 M42 M51 M52 GND
A7 1 M12 3 GND 5
A6 1 M22 3 GND 5
A5 1 M32 3 GND 5
A4 1 M42 3 GND 5
A3 1 M52 3 GND 5
1 3 5
2 4
1 3 5
2 4
1 3 5
2 4
1 3 5
2 4
1 3 5
2 4
2 4
5V M11
MOTOR2 2 4
5V M21
MOTOR3 2 4
5V M31
MOTOR4 2 4
5V M41
MOTOR5 2 4
5V M51
Figura 10: Esquem´atico de placa adaptadora para mano.
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16
B.1.
Layout PCB
Figura 11: Layout PCB de placa controladora.
Figura 12: Layout PCB de shield para Arduino Mega.
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17
(a) Mano izquierda.
(b) Mano derecha.
Figura 13: Layout PCB de placa adaptadora para mano.
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18
C.
Listado de Componentes
Se presenta un listado de los componentes requeridos para las placas electr´onicas de la pr´otesis. Para el caso de los componentes gen´ericos tales como condensadores y resistores, los que se presentan a continuaci´on son de ejemplo, y pueden reemplazarse por componentes de otros fabricantes con las mismas especificaciones.
C.1.
Placa Controladora High Five
Componente Microcontrolador Atmega2560 Driver puente-H dual Regulador lineal LM317 Transistor 2N2222A Diodo FM4004 Led Rojo Led Verde Cristal 16 MHz Condensador 10 µF Condensador 2.2 µF Condensador 100 nF Condensador 10 nF Condensador 22 pF Resistor 1 MΩ Resistor 47 kΩ Resistor 10 kΩ Resistor 1 kΩ Resistor 900 Ω Resistor 720 Ω Resistor 340 Ω Resistor 240 Ω Resistor 400 mΩ Resistor 200 mΩ Bloque de terminales 2P Pin header vertical Pin header ´angulo recto Conector IDC 26P (Pin) Conector IDC 26P (Socket)
Cantidad 1 2 4 2 2 1 1 1 3 2 4 2 3 2 2 3 4 2 1 1 4 3 1 1 12 10 1 1
Fabricante Microchip / Atmel Texas Instruments Texas Instruments Central Semiconductor Rectron Kingbright Kingbright Abracon Vishay Vishay Vishay Vishay Vishay Yageo Panasonic Yageo Arcol KOA Speer Vishay Tageo Vishay Yageo TT Electronics Phoenix Contact Molex Molex Harting Harting
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No Fabricante ATmega2560-16AU DRV8833PWP LM317DCYR 2N2222A FM4004-W APTD3216LSURCK APTD3216LCGCK ABL-16.000MHz-B1U TMCMA1C106MTRF VJ1206G225KXQTW1BC VJ1206Y104JXJPW1BC VJ1206Y103JXAMP VJ1206A220JXAPW1BC RT1206FRE071ML ERJ-8ENF4702V RT1206FRE0710KL APC1206B1K00N RN732BTTD9000B25 CRCW1206715RFKEA RT1206FRE07340RL CRCW1206240RFKEAC RL1206FR-070R4L LCS1206-R20FT3 1935161 22-28-4163 22-28-6162 09185266903 09185267803
19
C.2.
Shield para Arduino Mega
Componente Driver puente-H dual Regulador lineal LM317 Transistor 2N2222A Diodo FM4004 Led Rojo Led Verde Condensador 10 µF Condensador 2.2 µF Condensador 10 nF Resistor 47 kΩ Resistor 10 kΩ Resistor 1 kΩ Resistor 900 Ω Resistor 720 Ω Resistor 340 Ω Resistor 240 Ω Resistor 400 mΩ Resistor 200 mΩ Bloque de terminales 2P Pin header vertical Pin header ´angulo recto Conector IDC 26P (Pin) Conector IDC 26P (Socket)
C.3.
Cantidad 2 4 2 2 1 1 3 2 2 2 2 4 2 1 1 4 3 1 1 52 10 1 1
Fabricante Texas Instruments Texas Instruments Central Semiconductor Rectron Kingbright Kingbright Vishay Vishay Vishay / Vitramon Panasonic Yageo Arcol KOA Speer Vishay Yageo Vishay Yageo TT Electronics Phoenix Contact Molex Molex Harting Harting
No Fabricante DRV8833PWP LM317DCYR 2N2222A FM4004-W APTD3216LSURCK APTD3216LCGCK TMCMA1C106MTRF VJ1206G225KXQTW1BC VJ1206Y103JXAMP ERJ-8ENF4702V RT1206FRE0710KL APC1206B1K00N RN732BTTD9000B25 CRCW1206715RFKEA RT1206FRE07340RL CRCW1206240RFKEAC RL1206FR-070R4L LCS1206-R20FT3 1935161 22-28-4163 22-28-6162 09185266903 09185267803
Placa Adaptadora para Mano Componente Conector FFC 5P Pin header ´angulo recto
Cantidad 5 8
Fabricante Amphenol FCI Molex
www.protesishighfive.cl
No Fabricante SLW5R-1C7LF 22-28-6162
20
