Dispositiu de condicionament físic: 22 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Som estudiants d’enginyeria que volem estar en forma físicament.

Sabem com és tenir aparentment massa feina escolar per sortir i fer exercici. Per treure dos ocells d'una sola pedra, vam decidir utilitzar un projecte final en una de les nostres classes d'enginyeria per fer lectures bàsiques de biosensors mentre feia exercici. Més concretament, aquest projecte permet a l'usuari agafar lectures d'un acceleròmetre (ACC) i electromiograma (EMG) mentre transmet informació de sortida a dos LEDs i una petita pantalla digital.

Si us agrada fer circuits, Arduino, treballar la fusta, codificar, enginyeria biomèdica o soldar, aquest projecte pot ser per a vosaltres.

Mireu el que esteu fent

Abans de començar amb aquest projecte, dediqueu-vos un minut a veure què esteu fent al vídeo anterior.

En essència, aquest projecte us permet combinar múltiples facetes del que coneixeu. Si sou novells en enginyeria biomèdica (BME) o en biosensors, no hi ha cap problema. Hi ha dos sensors principals que s’utilitzen en aquest projecte. Aquests sensors són un acceleròmetre i un electromiograma (EMG). Com el nom podria suggerir, un acceleròmetre és simplement un sensor que mesura l’acceleració. De manera menys intuïtiva, un electromiograma mesura l’activitat elèctrica del múscul al qual s’uneixen els seus elèctrodes corresponents. En aquest projecte, es van utilitzar tres bioelectrodes de gel superficial a partir d’un cable elèctric que mesurava els senyals procedents del vedell del subjecte adjunt.

Materials i eines

Materials

Per construir aquest projecte, necessitareu el següent:

• una placa Arduino Uno (que es pot comprar a
• una font d'alimentació de bateria de 9V (que es pot comprar a
• un kit endollat de Bitalino (que es pot comprar a www.bitalino.com)
• una pantalla i un escut Adafruit de 1,8 polzades TFT, a més d'un perma-protoboard de mida mitjana (que es pot comprar a www.adafruit.com)
• cables de pont variats, LEDs, resistències de 220 Ohm, soldadura i flux (es poden comprar a www.radioshack.com)
• Cargols de fusta de 1/2 ", claus d'acabat de 5/8", una peça de 4 "x4" de xapa d'acer de calibre 28, dues frontisses petites i un mecanisme de tancament senzill (es pot comprar a www.lowes.com)

• cinc peus de fusta de tauler

  Nota: es pot comprar fusta dura a www.lowes.com, però us recomanem que busqueu una serradora local i que utilitzeu fusta d’aquesta persona. Les dimensions de la fusta utilitzades en aquest projecte no són increïblement habituals, de manera que les probabilitats de trobar fusta precortada amb les dimensions necessàries del gruix són força reduïdes

  Eines

• un soldador (que es pot comprar a www.radioshack.com)

• moltes eines per treballar la fusta, que s’inclouen a les fotos anteriors i es detallen aquí

  • una serra de mitra (que es pot comprar a www.lowes.com)
  • una serra de taula Shopsmith o equivalent (que es pot comprar a www.shopsmith.com)
  • una planadora de gruix (que es pot comprar a www.sears.com)
  • un martell, broques, una cinta mètrica i un llapis (es pot comprar a www.lowes.com)
  • un trepant i una bateria sense fil (es poden comprar a www.sears.com)
  • una serra de cinta (es pot comprar a www.grizzly.com)

Eines opcionals

• un ferro de soldar (es pot comprar a www.radioshack.com)
• una planadora de juntes (es pot comprar a www.sears.com)

Preparació

Tot i que aquest no és el més difícil d’instruir, tampoc no és el més senzill. Són necessaris coneixements previs en codificació, circuits de cablejat, soldadura i treball de fusta. A més, els treballs previs amb Arduino o Adafruit seran útils.

Un simple curs de programació o experiència pràctica en el tema haurien de ser suficients per a l’abast d’aquest instructiu.

S’aprèn millor els circuits de soldadura i cablejat mitjançant la realització d’aquestes accions. Tot i que un curs de circuits teòrics pot ser útil per a la comprensió tècnica dels circuits, no serveix de res si no hi heu creat alguns circuits. Mentre feu el cablejat, intenteu que el cablejat sigui el més senzill possible. Eviteu creuar cables o utilitzar cables més llargs del necessari, sempre que sigui possible. Això us ajudarà a solucionar problemes del circuit quan sembla que està completat i no funciona correctament. Quan soldeu, assegureu-vos que utilitzeu prou flux perquè la soldadura flueixi allà on vulgueu. Utilitzar massa poc flux simplement farà que el procés de soldadura sigui més frustrant del que ha de ser. Tot i això, no utilitzeu massa soldadura. Quan es tracta de soldar, afegir massa material de soldadura en general no ajuda a millorar la connexió soldada. Més aviat, una massa excessiva de soldadura pot fer que la vostra connexió sembli raonable, fins i tot si es va fer de manera incorrecta.

La fusta és un negoci pràctic. Definitivament, cal una mica de pràctica. Els antecedents de les propietats materials de la fusta ajuden, com el que proporciona Eric Meier a Wood, especialment si en el futur faràs més projectes de fusta. Tot i això, no és necessari. Després d’haver vist com un artesà treballava la fusta o s’havia treballat alguna cosa amb vosaltres mateixos, hauria de ser un ampli bagatge per a aquest projecte. També és imprescindible conèixer el camí d’una botiga de fusta. Comprendre quines eines realitzen determinades funcions us ajudarà a fer el projecte amb més rapidesa i seguretat del que no es podria fer d’una altra manera.

Llocs útils

• www.github.com; aquest lloc ajuda a manipular el codi
• www.adafruit.com; aquest lloc us indica com connectar la pantalla TFT
• www.fritzing.com; aquest lloc us ajuda a dibuixar i conceptualitzar circuits

Seguretat

Abans de continuar, hem de parlar de seguretat. La seguretat ha de seguir sent la primera cosa important en fer instruccions o gairebé qualsevol cosa a la vida, perquè si algú es fa mal, no és divertit per a ningú.

Tot i que aquest instructiu incorpora biosensors, ni les parts ni el dispositiu muntat són un dispositiu mèdic. No s’han d’utilitzar amb finalitats mèdiques ni manipular-les com a tals.

Aquesta instrucció implica l'ús d'electricitat, un soldador i eines elèctriques. Amb negligència o incomprensió, aquestes coses poden esdevenir perilloses.

Es necessita electricitat per alimentar Arduino, la pantalla Adafruit i els LED. Es subministra amb una bateria de 9V. En termes generals, quan es interactua amb l’electricitat, és difícil ser massa segur.

Tot i això, es donen alguns consells útils de seguretat elèctrica:

• Mantingueu les mans seques i assegureu-vos que la pell d’elles no estigui trencada.
• Si us ha de passar un corrent, intenteu mantenir els punts d’entrada i sortida a la mateixa extremitat.
• Proporcioneu mitjans de connexió a terra, interruptors automàtics i interruptors de fallada per a tots els circuits. Aquests ajuden a evitar la sobrecàrrega de circuits o les fuites de corrent, si alguna cosa surt malament amb el dispositiu o el recorregut de l’electricitat.
• No utilitzeu dispositius elèctrics durant les tempestes o en altres casos en què les sobretensions tinguin una taxa d’incidència més alta del normal.
• No submergiu els dispositius elèctrics ni intenteu utilitzar-los en un entorn aquós.
• Modifiqueu els circuits només quan es desconnecti l'alimentació.

Un soldador és un dispositiu elèctric. En aquest document s’apliquen totes les precaucions de seguretat dels dispositius elèctrics. Tot i això, la punta del ferro també es fa molt calenta. Per evitar cremades, eviteu el contacte amb la punta del ferro. Mantingueu la planxa i la soldadura de manera que si un dels elements es rellisca de la vostra empunyadura, les mans no entraran en contacte amb la punta de la planxa.

Les eines elèctriques també requereixen electricitat. En aquest document, seguiu les precaucions de seguretat elèctrica que es mostren més amunt. A més, sàpiga que les eines elèctriques tenen moltes parts mòbils. Com a tal, mantingueu el cos i qualsevol altra cosa que us importi lluny d’aquestes parts quan s’utilitzen les eines. Recordeu que l'eina no sap què està tallant o mecanitzant. Com a operador, sou responsable del funcionament segur de les eines elèctriques. Mantingueu els protectors de seguretat i els escuts al seu lloc mentre feu funcionar les eines elèctriques.

Consells i consells

La informació següent pot ser útil al llarg d’aquest instructiu. No tots els consells o consells s'apliquen a cada pas, però el sentit comú hauria de ser una guia sobre quins consells i consells s'apliquen en cada cas.

• Quan es fa el cablejat, el color del cable no té importància. Tot i això, pot ser útil establir un esquema de colors i ser-ne coherent durant tot el projecte. Per exemple, pot ser útil fer servir un cable vermell per obtenir una tensió subministrada positiva al circuit.
• Els bioelèctrodes s’han de col·locar en una part del cos ben rapada. El cabell provoca un excés de soroll i artefacte de moviment en els senyals recollits.
• Cal evitar que els cables connectats als bioelectrodes es moguin més del necessari per evitar un artefacte de moviment. Un mitjó o cinta de compressió funciona bé per assegurar aquests cables.
• Soldar adequadament. Assegureu-vos que cada connexió soldada sigui suficient i comproveu aquestes connexions si el circuit sembla estar complet però no funciona correctament.
• Quan planeja, planeja trossos de material de menys de sis polzades de llarg. El planejat de peces inferiors a aquesta longitud pot provocar becins o un rebot excessiu de les peces de treball.
• De la mateixa manera, no us col·loqueu directament davant de la planadora. Més aviat, poseu-vos al costat mentre les peces de treball s’introdueixen i reben de la planadora.
• Quan utilitzeu serres, assegureu-vos que les peces de treball es mantinguin contra les proteccions o tanques adequades. Això ajuda a assegurar un tall segur i precís.
• Proveu forats pilot quan es fixin amb cargols o claus. El bit pilot hauria de tenir un diàmetre menor que el fixador previst, però no menys de la meitat del diàmetre del fixador. Això ajuda a evitar la fissuració i estella de la fusta, alleujant l'estrès excessiu a causa de la presència del fixador.
• Si es perforen forats pilot per a claus, intenteu mantenir el forat pilot una vuitena de polzada més superficial que la longitud prevista de les ungles. Això ajuda a donar a l’ungla alguna cosa per enfonsar-se i proporciona una fricció àmplia per ajudar a mantenir l’ungla al seu lloc quan està enfonsada.
• Quan martilleu, conduïu directament cap al cap de l’ungla amb el centre del cap del martell. Preneu oscil·lacions moderades en lloc de les oscil·lacions exclusivament conservadores, ja que les oscil·lacions conservadores generalment no proporcionen prou energia per conduir l’ungla, sinó que només subministren prou energia per fer que l’ungla es quile i doblegui de manera no desitjada.
• Utilitzeu l’urpa del martell per treure els claus que no condueixen com es volia.
• Mantingueu les mans allunyades de la línia de tall de les fulles de serra. Si alguna cosa no funciona, no voleu que es talli la mà.
• Per estalviar temps, es mesura dues vegades i es talla una vegada. Si no ho feu, haureu de fer algunes peces més d’una vegada.
• Utilitzeu fulles afilades a la planxa de gruix i a les serres. A les serres, les fulles amb un major nombre de dents són bones per proporcionar un tall suau gairebé de qualitat d’acabat. En fer aquest projecte, hem utilitzat una fulla de tall de precisió de 12 dents de 96 "a la serra de doble bisell Dewalt i una fulla amb almenys 6 dents per polzada lineal a la serra de cinta.
• Mantingueu el motor de Shopsmith en el rang de velocitat recomanat per a la configuració de la serra de taula. Assegureu-vos que la taula estigui ajustada a una alçada adequada, sense exposar més de la fulla del necessari per fer cada tall.

Pas 1: Comencem

Construeix primer el component del circuit. Comenceu per cablejar l’alimentació i posar-la a terra fins al protoboard permanent.

Pas 2: Afegir els biosensors

Connecteu els biosensors al protoboard perma i observeu quin sensor és quin. Hem utilitzat el senyal de l’esquerra del diagrama com a acceleròmetre.

Pas 3: Inclou els LED

A continuació, afegiu els LED. Tingueu en compte que la direcció del LED és important.

Pas 4: afegir la pantalla

Afegiu la pantalla digital. Utilitzeu el cablejat que es proporciona en aquest lloc web per ajudar:

Pas 5: temps de codificació

Com que el circuit ja està complet, pengeu-hi el codi. El codi adjunt és el codi que hem utilitzat per completar aquest projecte. La imatge és una mostra de com ha de ser el codi quan s’obre correctament. Aquí és on la resolució de problemes pot començar completament. Si les coses funcionen correctament, primer es llegeixen els senyals de l’acceleròmetre. Si el senyal està per sota del llindar, el LED vermell s'encén, el LED verd roman apagat i la pantalla diu "Aixeca't". Mentrestant, si el senyal de l’acceleròmetre està per sobre del llindar, el LED vermell s’apaga, el LED verd s’encén i la pantalla diu "Vinga!". A més, es llegeix un senyal EMG. Si el senyal EMG supera el llindar establert, a la pantalla digital es diu "Gran treball!" Tanmateix, si el senyal EMG està per sota del llindar, la pantalla diu "Comença!". Això es repeteix amb el pas del temps i l’estat dels LED i de la pantalla canvia a mesura que les entrades de l’acceleròmetre i l’EMG ho requereixen. i fer exercici.

Per accedir a aquest codi a GitHub, feu clic AQUÍ.

Pas 6: planejar

Comenceu a fer les caixes per contenir el circuit i la bateria.

Tingueu en compte que tots els dibuixos que es mostren a continuació tenen unes dimensions especificades en polzades, tret que s’indiqui el contrari.

Comenceu planejant la fusta necessària per al projecte fins al gruix adequat amb la planxa de gruix. S’han de planejar uns tres peus i mig de tauler de 1/2 "de gruix. La meitat d’un peu de tauler s’ha de planejar de 3/8" de gruix. Un altre peu de mig tauler s'ha de planejar a 1/4 "de gruix. L'última meitat de peu de tauler ha de ser tal que es pugui fer un canal en U que formi el cos de la caixa de la bateria tal com es descriu en un pas posterior.

Pas 7: part inferior del quadre principal

Feu la part inferior de la caixa principal a les dimensions mostrades i fixeu-hi la placa de circuits i Arduino. Feu clic a la imatge per mostrar aquestes dimensions.

Pas 8: finals del quadre principal

Feu els extrems del quadre principal a les dimensions que es mostren i fixeu-los a la part inferior del quadre principal.

Pas 9: Costats de la caixa principal: costat del sensor

Continueu fent el costat del sensor de la caixa principal a les dimensions que es mostren i fixeu-lo a la resta de la caixa amb claus d’acabat.

Pas 10: Costats de la caixa principal: costat de la pantalla

Feu que el costat de la pantalla del quadre principal tingui les dimensions especificades i connecteu-lo a la resta del quadre.

Pas 11: comproveu el que teniu

En aquest punt, comproveu que la forma general de la caixa principal sigui la que es mostra aquí, fins i tot si algunes de les dimensions han de diferir a causa de la vostra elecció de maquinari o ubicació del maquinari.

Pas 12: Part superior del quadre principal

Feu la part superior del quadre principal tal com es mostra. Feu clic a la imatge que es mostra per ampliar-la a mida completa i veure les dimensions associades.

Pas 13: Tot depèn d'això

Fixeu la part superior de la caixa principal a la resta de la caixa principal mitjançant la frontissa al final amb els LED. Assegureu-vos que la part superior de la caixa sigui quadrada amb la resta de la caixa abans de fixar una de les petites frontisses.

Pas 14: bloquejar-lo

Instal·leu un petit pestell a l’extrem frontal de la caixa, a l’extrem oposat a la frontissa. Això impedeix que la caixa principal s'obri excepte quan sigui necessari.

Pas 15: sivella

Per ajudar a fer aquest dispositiu portàtil, doblegueu la fina peça de xapa d’acer al llarg d’una de les seves dimensions de manera que hi pugui cabre un cinturó i la part inferior de la caixa principal. Després de doblegar-lo, fixeu-lo a la part inferior de la caixa principal amb cargols de fusta.

Pas 16: base de la caixa de bateries

Ara és hora de fer la caixa de la bateria. Feu la base d’aquest quadre amb les dimensions mostrades.

Pas 17: finals de la caixa de bateries

En fer els extrems de la caixa de la bateria, hem utilitzat material de 3/8 . Utilitzeu les dimensions especificades per fer els extrems i fixeu-los a la base de la caixa de la bateria.

Pas 18: Part superior de la caixa de bateries

Vam fer la part superior de la caixa de la bateria tallant una mica de material de 1/4 de llarg amb la serra de mitra i fins a l'amplada adequada mitjançant una serra de cinta. Per veure les dimensions, feu clic a la imatge per expandir-la.

Pas 19: poseu la tapa a la caixa de la bateria

Mitjançant el mateix procediment utilitzat per posar la tapa a la caixa principal, fixeu la tapa de la caixa de bateries al cos de la caixa de bateries.

Pas 20: comproveu la caixa de la bateria

En aquest moment, mireu per sobre de la caixa de la bateria per assegurar-vos que s’assembli a la imatge que es mostra aquí. Si no és així, ara seria un bon moment per revisar alguns dels passos previs.

Pas 21: fixeu la caixa de la bateria a la caixa principal

Col·loqueu la caixa de la bateria a sobre de la caixa principal. Utilitzeu cargols de fusta o claus d’acabat per acabar de fixar la caixa de la bateria a la caixa principal.

Pas 22: idees addicionals

Si heu seguit aquests passos, ho heu fet. Després d’implementar el maquinari i el programari, vam poder utilitzar el dispositiu. En la seva forma actual, el dispositiu té una aplicació limitada, però continua sent una interessant combinació de diferents aspectes del disseny. Les sortides fan tot el que preteníem després de rebre senyals de les entrades del biosensor. En total, el dispositiu pesa uns quants quilos.

En futures versions, seria interessant fer que el dispositiu pesés menys i ocupés menys espai. Si això fos possible, el dispositiu seria més útil i es podria utilitzar amb més facilitat durant l’exercici. Per aconseguir-ho, es recomana experimentar amb la impressió Arduino micro i en 3D de les caixes. Per ajudar a estalviar espai, seria bo experimentar amb l’ús d’una bateria recarregable que ocupa menys espai que una simple bateria de 9V. Es podria reduir la mida de la caixa de la bateria en conseqüència.