Dispositivo motivador de condicionamento físico: 22 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Somos estudantes de engenharia que buscam estar em boa forma física.

Nós sabemos o que é ter aparentemente muito trabalho escolar para sair e fazer exercícios. Para matar dois coelhos com uma cajadada só, decidimos usar um projeto final em uma de nossas aulas de engenharia para fazer leituras básicas do biossensor durante os exercícios. Mais especificamente, este projeto permite ao usuário fazer leituras de um acelerômetro (ACC) e eletromiograma (EMG) enquanto transmite informações de saída para dois LEDs e um pequeno display digital.

Se você gosta de circuitos, Arduino, marcenaria, codificação, engenharia biomédica ou solda, este projeto pode ser para você!

Veja o que você está fazendo

Antes de começar este projeto, por favor, reserve um minuto para ver o que você está fazendo no vídeo acima.

Em essência, este projeto permite combinar várias facetas do que você conhece. Se você for novo em engenharia biomédica (BME) ou biossensores, não há problema. Existem dois sensores primários que são usados neste projeto. Esses sensores são um acelerômetro e um eletromiograma (EMG). Como o nome pode sugerir, um acelerômetro é simplesmente um sensor que mede a aceleração. De forma menos intuitiva, um eletromiograma mede a atividade elétrica no músculo ao qual seus eletrodos correspondentes estão fixados. Neste projeto, três bioeletrodos de gel de superfície foram usados a partir de um cabo elétrico que mede os sinais vindos da panturrilha do sujeito anexado.

Materiais e Ferramentas

Materiais

Para construir este projeto, você precisará do seguinte:

• uma placa Arduino Uno (que pode ser adquirida em
• uma fonte de alimentação de bateria de 9 V (que pode ser adquirida em
• um kit plugado Bitalino (que pode ser adquirido em www.bitalino.com)
• uma tela TFT de 1,8 "e proteção, além de um protoboard perma de meio tamanho (que pode ser adquirido em www.adafruit.com)
• diversos fios de jumpers, LEDs, resistores de 220 Ohm, solda e fluxo (podem ser adquiridos em www.radioshack.com)
• Parafusos de madeira de 1/2 ", pregos de acabamento 5/8", uma peça de 4 "x4" de chapa de aço calibre 28, duas dobradiças pequenas e um mecanismo de trava simples (pode ser adquirido em www.lowes.com)
• cinco pés de tábua de madeira

  Nota: A madeira dura pode ser adquirida em www.lowes.com, mas recomendamos encontrar um serrador local e usar a madeira dessa pessoa. As dimensões da madeira usadas neste projeto não são surpreendentemente comuns, então as chances de encontrar madeira pré-cortada nas dimensões de espessura necessárias são muito pequenas

  Ferramentas

• um ferro de solda (que pode ser adquirido em www.radioshack.com)

• muitas ferramentas para trabalhar madeira, que estão incluídas nas fotos acima e listadas aqui

  • uma serra de esquadria (que pode ser adquirida em www.lowes.com)
  • um Shopmith ou serra de mesa equivalente (que pode ser adquirido em www.shopsmith.com)
  • uma plaina de espessura (que pode ser adquirida em www.sears.com)
  • um martelo, brocas, uma fita métrica e um lápis (podem ser adquiridos em www.lowes.com)
  • uma furadeira sem fio e bateria (podem ser adquiridas em www.sears.com)
  • uma serra de fita (pode ser adquirida em www.grizzly.com)

Ferramentas Opcionais

• um ferro de dessoldar (pode ser adquirido em www.radioshack.com)
• uma plaina de junta (pode ser adquirida em www.sears.com)

Preparação

Embora este não seja o mais desafiador instrutível de empreender, também não é o mais simples. São necessários conhecimentos pré-requisitos em codificação, circuitos de fiação, soldagem e marcenaria. Além disso, o trabalho anterior com Arduino ou Adafruit será útil.

Um simples curso de programação ou experiência prática no assunto deve ser suficiente para o escopo deste instrutível.

Os circuitos de solda e fiação são mais bem aprendidos executando essas ações. Embora um curso teórico de circuitos possa ser útil na compreensão técnica de circuitos, é de pouca utilidade, a menos que você construa alguns circuitos nele! Ao fazer a fiação, tente fazer a fiação o mais direta possível. Evite cruzar fios ou usar fios mais longos do que o necessário, sempre que possível. Isso o ajudará a solucionar o problema do circuito quando ele parecer concluído e não funcionar corretamente. Ao soldar, certifique-se de usar fluxo suficiente para manter a solda fluindo onde você deseja. Usar muito pouco fluxo simplesmente tornará o processo de soldagem mais frustrante do que deveria ser. No entanto, não use muita solda. Quando se trata de soldagem, adicionar muito material de solda geralmente não ajuda a tornar a conexão soldada melhor. Em vez disso, o excesso de solda pode fazer com que sua conexão pareça razoável, mesmo que tenha sido feita de maneira inadequada.

Carpintaria é uma atividade prática. Definitivamente, requer alguma prática. O histórico nas propriedades dos materiais da madeira ajuda, como o fornecido em Wood por Eric Meier, especialmente se você for fazer mais projetos de marcenaria no futuro. No entanto, isso não é obrigatório. Ter visto um artesão trabalhar madeira ou trabalhar em madeira por conta própria deve ser um amplo pano de fundo para este projeto. Saber se locomover em uma marcenaria também é essencial. Entender quais ferramentas executam determinadas funções o ajudará a concluir o projeto com mais rapidez e segurança do que poderia ser feito de outra forma.

Sites Úteis

• www.github.com; este site ajuda a manipular o código
• www.adafruit.com; este site explica como conectar a tela TFT
• www.fritzing.com; este site ajuda você a desenhar e conceituar circuitos

Segurança

Antes de continuar, precisamos conversar sobre segurança. A segurança precisa permanecer em primeiro lugar ao fazer instrutíveis ou quase qualquer outra coisa na vida, porque se alguém se machucar, não será divertido para ninguém.

Mesmo que este instrutível incorpore biossensores, nem as peças ou o dispositivo montado são um dispositivo médico. Eles não devem ser usados para fins médicos ou manuseados como tal.

Este instrutível envolve o uso de eletricidade, um ferro de solda e ferramentas elétricas. Com negligência ou falta de compreensão, essas coisas podem se tornar perigosas.

A eletricidade é necessária para alimentar o Arduino, a tela Adafruit e os LEDs. É alimentado por bateria de 9V. De modo geral, ao interagir com a eletricidade, é difícil estar muito seguro.

No entanto, seguem algumas dicas úteis de segurança elétrica:

• Mantenha as mãos secas e certifique-se de que a pele delas está intacta.
• Se for necessário passar uma corrente através de você, tente manter os pontos de entrada e saída na mesma extremidade.
• Fornece meios de aterramento, disjuntores e interruptores de falha para todos os circuitos. Isso ajuda a evitar sobrecarga de circuitos ou vazamento de corrente, se algo der errado com o dispositivo ou com o caminho do elétrico.
• Não use dispositivos elétricos durante tempestades ou em outros casos em que os picos de energia tenham uma taxa de incidência maior do que o normal.
• Não mergulhe dispositivos elétricos nem tente usá-los em um ambiente aquoso.
• Modifique os circuitos apenas quando a alimentação estiver desconectada.

Um ferro de solda é um dispositivo elétrico. Aqui, todas as precauções de segurança para dispositivos elétricos se aplicam. No entanto, a ponta do ferro também fica muito quente. Para evitar queimaduras, evite o contato com a ponta do ferro. Segure o ferro e a solda de forma que, se um dos itens escorregar de sua mão, suas mãos não entrarão em contato com a ponta do ferro.

As ferramentas elétricas também requerem eletricidade. Aqui, obedeça às precauções de segurança elétrica mostradas acima. Além disso, saiba que as ferramentas elétricas têm muitas partes móveis. Como tal, mantenha seu corpo e tudo o mais com o qual você se preocupa longe dessas partes quando as ferramentas estiverem em uso. Lembre-se de que a ferramenta não sabe o que está cortando ou usinando. Como operador, você é responsável pela operação segura das ferramentas elétricas. Mantenha as proteções e protetores de segurança no lugar enquanto utiliza ferramentas elétricas.

Dicas e sugestões

As informações a seguir podem ser úteis ao longo deste manual. Nem toda sugestão ou dica se aplica a todas as etapas, mas o bom senso deve ser um guia sobre quais dicas e sugestões se aplicam em cada caso.

• Ao fazer a fiação, a cor do fio não importa. No entanto, pode ser útil estabelecer um esquema de cores e ser consistente com ele em todo o projeto. Por exemplo, usar o fio vermelho para uma tensão positiva fornecida no circuito pode ser útil.
• Os bioeletrodos devem ser colocados em uma parte bem barbeada do corpo. Cabelo leva a ruído excessivo e artefato de movimento nos sinais coletados.
• Os fios ligados aos bioeletrodos devem ser impedidos de se moverem mais do que o necessário para evitar artefatos de movimento. Uma meia de compressão ou fita adesiva funciona bem para prender esses fios.
• Solda apropriadamente. Certifique-se de que cada conexão soldada seja suficiente e verifique essas conexões se o circuito parece estar completo, mas não está funcionando corretamente.
• Ao aplainar, aplaine as peças de material com não menos de 15 centímetros de comprimento. Plainar peças menores que este comprimento pode causar narizes ou recuo excessivo das peças de trabalho.
• Da mesma forma, não fique diretamente na frente da plaina. Em vez disso, fique próximo a ele enquanto as peças de trabalho são alimentadas e recebidas da plaina.
• Ao usar serras, certifique-se de que as peças de trabalho permaneçam contra as proteções ou cercas apropriadas. Isso ajuda a garantir um corte seguro e preciso.
• Fornece orifícios piloto ao apertar com parafusos ou pregos. A broca piloto deve ter um diâmetro menor do que o fixador pretendido, mas não inferior a metade do diâmetro do fixador. Isso ajuda a evitar rachaduras e lascas da madeira sendo fixada, aliviando o estresse excessivo devido à presença do fixador.
• Se fizer orifícios piloto para pregos, tente manter o orifício piloto um oitavo de polegada mais raso do que o comprimento pretendido do prego. Isso ajuda a dar ao prego algo no qual se afundar e proporciona uma fricção ampla para ajudar a mantê-lo no lugar quando é afundado.
• Ao martelar, enfie direto na cabeça do prego com o centro da cabeça do martelo. Considere as oscilações moderadas em oposição às oscilações apenas conservadoras, já que as oscilações conservadoras geralmente não fornecem energia suficiente para impulsionar o prego, mas apenas fornecem energia suficiente para fazer com que o prego tombe e dobre de maneiras indesejadas.
• Use a garra do martelo para remover os pregos que não funcionam como planejado.
• . Mantenha as mãos longe da linha de corte das lâminas de serra. Se algo der errado, você não quer que sua mão seja cortada.
• Para economizar tempo, meça duas vezes e corte uma vez. Não fazer isso fará com que você tenha que fazer algumas peças mais de uma vez.
• Use lâminas afiadas na plaina e serras. Nas serras, as lâminas com contagens de dentes mais altas são boas para fornecer um corte suave próximo da qualidade de acabamento. Ao fazer este projeto, usamos uma lâmina de corte de precisão de 96 dentes e 12 "na serra de esquadria de chanfro duplo Dewalt e uma lâmina com pelo menos 6 dentes por polegada linear na serra de fita.
• Mantenha o motor do Shopsmith na faixa de velocidade recomendada para a configuração da serra de mesa. Certifique-se de que a mesa está ajustada a uma altura adequada, não expondo mais a lâmina do que o necessário para fazer cada corte.

Etapa 1: vamos começar

Construa primeiro o componente do circuito. Comece conectando a energia e o aterramento ao protoboard permanente.

Etapa 2: adicionar os biossensores

Conecte os biossensores ao perma-protoboard e observe qual sensor é qual. Usamos o sinal à esquerda no diagrama como acelerômetro.

Etapa 3: Incluindo LEDs

Em seguida, adicione os LEDs. Lembre-se de que a direção do LED é importante.

Etapa 4: adicionar a tela

Adicione o display digital. Use a fiação fornecida neste site para ajudar:

Etapa 5: tempo de codificação

Como o circuito agora está completo, carregue o código nele. O código anexado é o código que usamos para concluir este projeto. A imagem é um exemplo de como o código deve ficar quando aberto corretamente. É aqui que a solução de problemas pode começar totalmente. Se as coisas estiverem funcionando corretamente, os sinais do acelerômetro são lidos primeiro. Se o sinal estiver abaixo do limite, o LED vermelho acende, o LED verde permanece apagado e a tela exibe "Levante-se!". Enquanto isso, se o sinal do acelerômetro estiver acima do limite, o LED vermelho será apagado, o LED verde acenderá e a tela exibirá "Vamos lá!". Além disso, um sinal EMG é então lido. Se o sinal EMG estiver acima de um limite definido, o display digital exibirá "Ótimo trabalho!" No entanto, se o sinal EMG estiver abaixo do limite, a tela exibirá "Vá em frente!". Isso é repetido ao longo do tempo, e o estado dos LEDs e da tela mudam conforme as entradas do acelerômetro e EMG assim exigem. Os limites definidos para o acelerômetro e EMG devem ser definidos com base na calibração com o assunto específico em mãos durante os estados de repouso e exercício.

Para acessar este código no GitHub, clique AQUI!

Etapa 6: Planejamento

Comece fazendo as caixas para conter o circuito e a bateria.

Observe que todos os desenhos mostrados a seguir têm dimensões especificadas em polegadas, a menos que marcado de outra forma.

Comece aplainando a madeira necessária para o projeto até a espessura adequada com a plaina de espessura. Cerca de três pés e meio de tábua devem ser aplainados com 1/2 "de espessura. Metade de um pé de tábua deve ser aplainado com 3/8" de espessura. Outra meia base de tábua deve ser aplainada com 1/4 "de espessura. A última meia base de tábua deve ser tal que um canal em U formando o corpo da caixa da bateria possa ser feito conforme descrito em uma etapa posterior.

Etapa 7: Fundo da caixa primária

Faça a parte inferior da caixa primária com as dimensões mostradas e prenda a placa de circuito e o Arduino a ela. Clique na imagem para revelar essas dimensões.

Etapa 8: Extremidades da caixa primária

Faça as extremidades da caixa primária com as dimensões mostradas e prenda-as na parte inferior da caixa primária.

Etapa 9: Lados da caixa primária - lado do sensor

Continue fazendo o lado do sensor da caixa primária com as dimensões mostradas e prenda-o ao resto da caixa com pregos de acabamento.

Etapa 10: Lados da Caixa Primária - Lado da Tela

Faça o lado da tela da caixa primária com as dimensões especificadas e prenda-o ao resto da caixa.

Etapa 11: verifique o que você tem

Neste ponto, verifique se a forma geral da caixa primária é como a mostrada aqui, mesmo que algumas das dimensões devam ser diferentes devido à sua escolha de hardware ou posicionamento do hardware.

Etapa 12: Parte superior da caixa primária

Faça a parte superior da caixa primária conforme mostrado. Clique na imagem mostrada para expandi-la para o tamanho real e ver as dimensões associadas.

Etapa 13: Tudo depende disso

Prenda a parte superior da caixa primária ao resto da caixa primária usando a dobradiça na extremidade com os LEDs. Certifique-se de que a parte superior da caixa esteja alinhada com o resto da caixa antes de prender uma das pequenas dobradiças.

Etapa 14: Trave

Instale uma pequena trava na extremidade frontal da caixa, na extremidade oposta à dobradiça. Isso evita que a caixa primária seja aberta, exceto quando necessário.

Etapa 15: Aperte o cinto

Para ajudar a tornar este dispositivo portátil, dobre a peça fina de chapa de aço ao longo de uma de suas dimensões para que uma correia possa caber entre ela e o fundo da caixa primária. Após dobrar, prenda-o ao fundo da caixa primária com parafusos de madeira.

Etapa 16: Base da caixa da bateria

Agora é hora de fazer a caixa da bateria. Faça a base desta caixa com as dimensões mostradas.

Etapa 17: Extremidades da caixa da bateria

Como fizemos as extremidades da caixa da bateria, usamos material 3/8 . Use as dimensões especificadas para fazer as extremidades e fixe-as na base da caixa da bateria.

Etapa 18: Parte superior da caixa da bateria

Fizemos a parte superior da caixa da bateria cortando um material de 1/4 no comprimento com a serra de esquadria e na largura adequada usando uma serra de fita. Para ver as dimensões clique na imagem para ampliá-la.

Etapa 19: coloque a tampa na caixa da bateria

Usando o mesmo procedimento usado para colocar a tampa na caixa principal, coloque a tampa da caixa da bateria no corpo da caixa da bateria.

Etapa 20: verifique a caixa da bateria

Neste ponto, examine a caixa da bateria para ter certeza de que se parece um pouco com a imagem mostrada aqui. Se não, agora seria um ótimo momento para rever algumas das etapas anteriores!

Etapa 21: prenda a caixa da bateria na caixa principal

Coloque a caixa da bateria em cima da caixa principal. Use parafusos de madeira ou pregos de acabamento para terminar de prender a caixa da bateria à caixa principal.

Etapa 22: Idéias adicionais

Se você seguiu essas etapas, você fez isso! Depois de implementar o hardware e o software, pudemos usar o dispositivo. Em sua forma atual, o dispositivo tem aplicação limitada, mas ainda é uma combinação interessante de diferentes aspectos de design. As saídas fazem tudo o que pretendíamos depois de receber os sinais das entradas do biossensor. Ao todo, o aparelho pesa alguns quilos.

Em versões futuras, seria interessante fazer o dispositivo pesar menos e ocupar menos espaço. Se isso fosse possível, o dispositivo se tornaria mais útil e poderia ser usado com mais facilidade durante o exercício. Para tornar isso possível, recomendamos experimentar o uso de um micro Arduino e imprimir as caixas em 3D. Para ajudar a economizar espaço, seria bom experimentar o uso de uma bateria recarregável que ocupe menos espaço do que uma bateria de 9V simples. O tamanho da caixa da bateria pode ser reduzido de acordo.