Diseño y desarrollo de una prótesis de mano para amputados por debajo del codo

Pág. 1 RESUMEN En el ámbito de las prótesis, las de control mioelectrico son la solución actual más potente que el mercado puede conseguir. Compromiso entre funcionalidad, estética y precio es un objetivo importante que debe ser tenido en cuenta en su desarrollo. Para conseguir el primer objetivo es necesario un riguroso estudio de las posibilidades que pueden ofrecer. Asimismo, el mundo de la impresión 3D jugará un papel imprescindible, proporcionando un abanico inimaginable de posibilidades. En el presente documento se realizará un recorrido por el proceso de creación de un modelo de prótesis mioeléctrica con muchas posibilidades de cumplir todos los objetivos que se expusieron anteriormente. Constará de un control mioelectrico basado en el modelo 3D de la empresa Exiii, electrodos de superficie, un sistema de acondicionamiento EMG y un Arduino. Como resultado se obtiene un modelo que, aunque no es completamente funcional, queda muy cercano a serlo si se aplican las líneas de mejoras reflejadas en el apartado de “Conclusiones y líneas de mejoras”. Palabras clave: Electromiografía, Mano robótica, HACKberry-Hand, Control Mioelectrico, 3D, Arduino, ABSTRACT Powered hand prostheses with many degrees of freedom are moving from research into the market. Usefulness, aesthetics, and price are its main definitions. Compromise between functionality, aesthetics and price is an important objective that must be considered in its development. To achieve the first objective, a rigorous study of the possibilities they can offer is necessary. Likewise, the world of 3D printing will play an essential role, providing an unimaginable range of possibilities. In this paper we will go through the process of creating a myoelectric prosthesis model with many possibilities to meet all the objectives outlined above. It will consist of a myoelectric control based on the 3D model of the company Exiii, surface electrodes, an EMG conditioning system and an Arduino. The outcome shows a myoelectric hand prosthesis even though it is not "full functionality" it was already close to getting it if it is applied improvements as laid down in paragraph "Conclusions and improvements lines". Keywords: Electromyography, Robotic Hands, HACKberry-Hand, Prosthetic Control, 3D, Arduino Pág. 2 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 7 1.1. Justificación y objetivos del TFG ............................................................................... 7 1.2. Tipos de prótesis para la extremidad superior .............................................................. 7 1.3. Electromiograma (EMG) ......................................................................................... 12 1.3.1. Señales bioeléctricas ......................................................................................... 13 1.3.2 electródos ........................................................................................................ 13 1.4. Diagrama temporal de montaje ................................................................................ 15 1.5. Estrategia de desarrollo ............................................................................................ 17 2. DISEÑO Y CONTROL DEL SISTEMA ELECTROMECÁNICO .................................... 20 2.1. Impresión de las piezas ............................................................................................ 20 2.2. Posprocesamiento de materiales imprimibles ............................................................ 22 2.3. Obtención de los materiales no imprimibles .............................................................. 23 2.4. Elementos y dispositivos utilizados .......................................................................... 24 2.5. Piezas diseñadas e 3D para la interconexión ............................................................. 25 2.5.1. Modificación pieza R-T-03 y R-T-06 ................................................................. 25 2.5.2. Nuevos electrodos ............................................................................................ 26 2.5.3. Caja para el Arduino ........................................................................................ 27 2.5.4. Botón............................................................................................................... 28 2.6. Montaje y planos para la implementación de los dedos ............................................. 28 2.6.1. Dedo Pulgar ..................................................................................................... 29 2.6.2 Dedo Índice ..................................................................................................... 30 2.6.3 Dedo Corazón/Anular/Meñique ...................................................................... 31 2.7. Montaje y planos mano completa ............................................................................. 32 2.7.1 palma .............................................................................................................. 32 2.7.2 muñeca ............................................................................................................ 36 2.7.3 antebrazo ......................................................................................................... 37 2.8. Implementación software ......................................................................................... 39 2.8.1. Inicialización de nuestro microcontrolador ........................................................ 40 2.8.2. Primeras pruebas .............................................................................................. 40 2.8.3. Movimiento programado simple ....................................................................... 42 3. DESARROLLO DEL SISTEMA BASADO EN ELECTROMIOGRAFÍA ........................... 47 3.1. Lectura y acondicionamiento de los datos ................................................................ 47 3.1.1. Amplificador de instrumentación ...................................................................... 48 3.1.2. Amplificador y filtro paso alto activo ................................................................. 50 3.1.3. Rectificador de onda completa .......................................................................... 52 Pág. 3 3.1.4. Filtro paso bajo activo con ganancia regulable ................................................... 53 3.2. Pruebas del primer canal con señal sintética .............................................................. 55 3.3. Implementación primer canal................................................................................... 60 3.4. Desarrollo e implementación versión de dos canales ................................................ 65 3.5. Desarrollo e implementación versión alternativa ....................................................... 70 3.6. Codificación y programación de estados ................................................................... 72 3.6.1. Versión dos canales .......................................................................................... 73 3.6.2. Versión alternativa ........................................................................................... 74 3.7. Calibración de ganancia ........................................................................................... 80 3.8. Interconexión de sistemas ........................................................................................ 81 4. PREACONDICIONAMIENTO Y EXPERIMENTACIÓN EN SUJETOS REALES .............. 85 4.1. Protocolo de pruebas ............................................................................................... 85 4.1.1 Sujetos de estudio ............................................................................................. 85 4.1.2 Grupo de músculos empleados para el canal de control y electrodos utilizados .... 85 4.1.3 Procedimiento .................................................................................................. 87 4.2. Resultados pruebas realizadas .................................................................................. 89 4.3. Análisis de resultados de las pruebas ........................................................................ 91 4.4. Test de manejabilidad y satisfacción de los usuarios .................................................. 93 5. CONCLUSIONES Y LINEAS DE MEJORA ............................................................... 96 6. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 98 7. ANEXOS .......................................................................................................... 100 Pág. 4 ÍNDICE DE IMÁGENES Figura 1: Amputación de dedo o mano ............................................................................................... 8 Figura 2: Desarticulación de muñeca ................................................................................................... 8 Figura 3: Amputación de antebrazo ..................................................................................................... 8 Figura 4: Amputación de antebrazo ..................................................................................................... 9 Figura 5: Amputación de brazo ............................................................................................................ 9 Figura 6: Desarticulación de hombro .................................................................................................... 9 Figura 7: Amputación interescapulotorácica .......................................................................................... 9 Figura 8: Prótesis estética ..................................................................................................................... 10 Figura 9: Prótesis mecánica ................................................................................................................... 10 Figura 10: Prótesis eléctrica .................................................................................................................. 10 Figura 11: Prótesis neumática ............................................................................................................... 11 Figura 12: Prótesis mioeléctrica ............................................................................................................ 11 Figura 13: Prótesis híbrida ..................................................................................................................... 11 Figura 14: Diagrama de una unidad motora ......................................................................................... 12 Figura 15: Tabla comparativa de señales bioeléctricas ......................................................................... 13 Figura 16: Descripción electrodos de superficie ................................................................................... 14 Figura 17: Circuito equivalente electrodo-electrolito-piel .................................................................... 14 Figura 18: Diagrama temporal de montaje ........................................................................................... 15 Figura 19: Primera etapa de montaje.................................................................................................... 15 Figura 20: Segunda etapa de montaje .................................................................................................. 16 Figura 21: tercera etapa de montaje ..................................................................................................... 16 Figura 22: cuarta etapa de montaje ...................................................................................................... 16 Figura 23: Última etapa de montaje...................................................................................................... 17 Figura 24: Interfaz CURA ....................................................................................................................... 21 Figura 25: Ejemplo de material posprocesado versus no posprocesado .............................................. 22 Figura 26: Pieza R-O-2 posprocesada versus sin proprocesar ............................................................... 23 Figura 27: características físicas Servomotor ES08MD versus Servomotor SF180M ............................ 25 Figura 28: Pieza R-T-03-Modificada versus pieza R-T-03 ...................................................................... 25 Figura 29: Pieza R-T-06-Modificada versus pieza R-T-06 ...................................................................... 26 Figura 30: Pieza electrodo diferencial ................................................................................................... 26 Figura 31: Pieza electrodo neutro ......................................................................................................... 26 Figura 32: Electrodos de contacto ......................................................................................................... 27 Figura 33: Lugar de la pieza caja para el Arduino .................................................................................. 27 Figura 34: Pieza caja para el Arduino .................................................................................................... 27 Figura 35: Diseño 3D e implementación botón de cambio de modo ................................................... 28 Figura 36: Dedos mano mioeléctrica ..................................................................................................... 28 Figura 37: Planos de montaje Dedo Pulgar ........................................................................................... 29 Figura 38: Planos de montaje Dedo Índice ............................................................................................ 30 Figura 39: Planos de montaje Dedo Corazón/Anular/Índice ................................................................ 31 Figura 40: Planos de montaje Palma ..................................................................................................... 33 Figura 41: Complementos Servomotores .............................................................................................. 34 Figura 42: Pieza auxiliar dedo pulgar .................................................................................................... 34 Figura 43: Pieza auxiliar dedo pulgar en el montaje real ...................................................................... 34 Figura 44: Palma montada .................................................................................................................... 35 Figura 45: Palma y Antebrazo completo ............................................................................................... 35 Figura 46: Planos de montaje de la muñeca ......................................................................................... 36 Figura 47: Planos de montaje del antebrazo ......................................................................................... 38 Figura 48: Antebrazo y muñeca ensamblada ........................................................................................ 38 Pág. 5 Figura 49: Diagrama de pines Arduino Nano ........................................................................................ 39 Figura 50: Señal de control PWM y su respectivo cable ....................................................................... 39 Figura 51: Diagrama de bloques del sistema mioeléctrico de control .................................................. 47 Figura 52: Circuito del Amplificador de Instrumentación ..................................................................... 48 Figura 53: Diagrama de bloques del circuito integrado INA 114 .......................................................... 48 Figura 54: Circuito del Amplificador de Instrumentación ..................................................................... 49 Figura 55: Diagrama de montaje discreto del amplificador de instrumentación ................................. 50 Figura 56: Función de transferencia del HPF ......................................................................................... 50 Figura 57: Diseño segunda etapa .......................................................................................................... 51 Figura 58: Diagrama de montaje discreto del amplificador y filtro HPF ............................................... 52 Figura 59: Diseño rectificador de onda completa ................................................................................. 52 Figura 60: Curva de transferencia y señal EMG a la salida de un rectificador de onda completa ........ 53 Figura 61: Diagrama de montaje discreto del rectificador de onda completa ..................................... 53 Figura 62: Curva de transferencia de un filtro paso-bajo ...................................................................... 54 Figura 63: Diseño filtro paso bajo activo con ganancia regulable ......................................................... 54 Figura 64: Diagrama de montaje discreto del filtro LPF y amplificador de ganancia programable ...... 55 Figura 65: Diseño divisor de tensión ..................................................................................................... 56 Figura 66: Salida del generador de ondas vs salida del divisor de tensión ........................................... 56 Figura 67: Salida amplificador de instrumentación vs salida segundo amplificador ............................ 57 Figura 68: Señal filtrada vs señal sin filtrar a diferentes frecuencias .................................................... 58 Figura 69: Señal después del filtro paso alto versus señal rectificada de onda completa .................... 59 Figura 70: Señal después del rectificador de onda completa versus señal filtrada de la última etapa 59 Figura 71: Implementación del canal de pruebas en una protoboard .................................................. 60 Figura 72: PCB de soldadura de doble cara universal ........................................................................... 61 Figura 73: Diseño y creación de nuestra PCB de soldadura .................................................................. 61 Figura 74: Diseño circuito acondicionamiento completo EMG en placa PCB de soldadura universal .. 62 Figura 75: Diseño circuito acondicionamiento EMG de cada canal enfocado a cada etapa ................. 63 Figura 76: Diseño del circuito acondicionamiento de cada canal enfocado a la soldadura ................. 63 Figura 77: Plano subterráneo de alimentación ..................................................................................... 64 Figura 78: Diseño plano de alimentación .............................................................................................. 64 Figura 79: Implementación plano de alimentación .............................................................................. 65 Figura 80: Diagrama de bloques del sistema versión de dos canales ................................................... 65 Figura 81: Elementos construidos para implementar nuestro sistema de sistema de control y sistema de acondicionamiento EMG ............................................................................................................... 66 Figura 82: Colocación del sistema de acondicionamiento en la pieza R-SO-01 .................................... 66 Figura 83: Inputs circuito acondicionamiento ....................................................................................... 67 Figura 84: Implementación final circuito de acondicionamiento con dos canales ............................... 67 Figura 85: Diagrama caja negra del sistema acondicionamiento .......................................................... 68 Figura 86: Diagrama de conexiones entre Arduino y Servomotores versión de dos canales ............... 68 Figura 87: PCB soldadura para conexionado Arduino-Servomotores ................................................... 69 Figura 88: Montaje final versión dos canales ........................................................................................ 69 Figura 89: Botón pulsador ..................................................................................................................... 70 Figura 90: Diagrama de bloques versión alternativa ............................................................................ 70 Figura 91 Diagrama de conexiones entre Arduino y Servomotores versión alternativa ...................... 71 Figura 92: Implementación final versión alternativa ............................................................................ 71 Figura 93: Diagrama de estados versión de dos canales ....................................................................... 74 Figura 94: Diagrama de estados versión alternativa ............................................................................. 75 Figura 98: Monitor serie Arduino .......................................................................................................... 80 Figura 99: Calibración de la ganancia .................................................................................................... 81 Pág. 6 Figura 95: Par de conectores Jack Macho y Hembra ............................................................................ 81 Figura 96: Conectores Hembras y Machos especiales para Arduino .................................................... 82 Figura 97: Conexionado final ................................................................................................................. 83 Figura 100: Músculo objeto de estudio ................................................................................................. 86 Figura 101: Disposición de los electrodos en el cubital posterior ......................................................... 86 Figura 102: Disposición de los electrodos en el flexor profundo de los dedos ..................................... 86 Figura 103: Iniciación del protocolo de pruebas ................................................................................... 87 Figura 104: Obtención de la ganancia individual sujeto_05 primer ejercicio ....................................... 87 Figura 105: 4º y 5º ejercicio del protocolo ............................................................................................ 88 Figura 106: Resultados generales del protocolo de pruebas ................................................................ 91 Figura 107: Análisis de los sujetos que utilizan el cubital posterior ...................................................... 92 Figura 108: Análisis de los sujetos que utilizan el flexor profundo de los dedos .................................. 93 Figura 109: Análisis de resultados al test .............................................................................................. 94 Figura 110: Ender 3 Pro ....................................................................................................................... 100 Figura 111: Menú Ender 3 Pro............................................................................................................. 100 Figura 112: Calibración cama caliente................................................................................................. 101 Figura 113: Puntos de calibrado .......................................................................................................... 101 Figura 114: Primera capas ................................................................................................................... 101 Figura 115: Ajustes de impresora ........................................................................................................ 100 Figura 116: CURA custom selection .................................................................................................... 100 Figura 117: Selección del perfil de impresión ..................................................................................... 101 Figura 118: Densidad y patrón de relleno ........................................................................................... 102 Figura 119: pieza con mal ajuste de retracción ................................................................................... 103 Figura 120: Retracción impresora 3D .................................................................................................. 104 Figura 121: Soporte por defecto vs soporte en árbol ......................................................................... 105 Figura 122: Pieza R-H-2 de nuestra Palma .......................................................................................... 105 Figura 123: Pieza R-SO-1 sin lijar versus Pieza R-SO-1 lijada ............................................................... 106 Figura 124: Pieza R-SO-1 con epoxi ..................................................................................................... 106 Figura 125: Pieza R-H-2 con acabado final .......................................................................................... 107 Figura 126: Componentes necesarios para crear el conector tipo Arduino ....................................... 112 Figura 127: Utilización de la Crimpadora ............................................................................................ 113 Figura 128: Ejemplo de implementación ............................................................................................ 113 Pág. 7 1. INTRODUCCIÓN 1.1. JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS DEL TFG Las prótesis son una extensión artificial que reemplaza una parte perdida de nuestro cuerpo debido a un accidente o un defecto genético. Uno de los requisitos indispensables es funcionalidad y la mayor naturalidad posible. Hoy en día la gran mayoría de prótesis son bienes de lujo [22]. Dentro de las accesibles existen los que tienen muy buen aspecto, pero no son nada funcionales o, todo lo contrario, son muy funcionales, pero no son nada estéticas [16][21]. En el presente TFG buscamos un compromiso entre funcionalidad y estética [20]. Dejando al alcance de cualquiera una prótesis lo más ajustada entre ambos requisitos. Un presupuesto menor a 400€ (sin contar la impresora), la mayor naturalidad posible junto a un manejo intuitivo sin necesidad de un gran entrenamiento. Es decir, que casi desde el día uno se pueda usar en las tareas cotidianas del día a día. Aunque el modelo elegido no sea completamente funcional, con unas modificaciones que se indicarán en el apartado “Conclusiones y líneas de mejora” tiene mucho potencial para serlo [15]. Lo primero que se realizó fue observar cual es la tendencia y método utilizado en las prótesis más avanzadas del mercado [17]. Dentro de los principales competidores, la prótesis Bebionic de Ottobock [18] se observó que utilizaba un sistema mioelectrico, medio muy usual en las prótesis más avanzadas. Estos sistemas realizan el control mediante señales musculares desde la extremidad amputada aportando naturalidad al movimiento. La forma de extracción de esa señal es mediante una electromiografía (EMG) o como la denominaremos de ahora en adelante, señales EMG. Los parámetros deseados se introducen en un microcontrolador, lo interpretará y enviará las ordenes pertinentes a los motores para producir el movimiento asociado. Una vez aclarado el tipo de señales de control y el tipo de control, falta averiguar dónde va a alojarse toda la electrónica, tipo de motores y dispositivos a controlar (no es lo mismo controlar cinco motores de continua que tres servomotores). Investigando se encontró un modelo de la marca Exiii, modelo disponible para que todo el mundo que la necesite. Debido a su diseño orientado para impresoras 3D y componentes necesarios, la hacen perfecta para nuestro objetivo. Asimismo, Tiene un GITHUB donde se puede encontrar la documentación más detallada, desde diseños 3D y como ensamblarla a código [1]. Finalmente, se muestra una video presentación de lo que la prótesis construida es capaz de hacer: https://www.youtube.com/watch?v=Csim-_uWHQ4 1.2. TIPOS DE PRÓTESIS PARA LA EXTREMIDAD SUPERIOR A la hora de escoger una prótesis hay que tener en cuenta varios factores: el nivel de amputación, el tipo de displasia, la funcionalidad de esta y las posibilidades económicas del paciente. En resumen, existen dos subdivisiones principales, una por el tipo de amputación y otra por el tipo de funcionalidad acorde al tipo de amputación. Una creencia muy extendida es que una amputación puede estar presente en cualquier sitio. No obstante, hay que tener en cuenta que no puede hacerse de cualquier manera. Por lo que existen varios tipos de longitud de amputación [11]. Pág. 8 AMPUTACIÓN DE DEDO O MANO En caso de una amputación de mano se amputa toda la mano hasta la muñeca. En el caso de amputación de uno o más dedos se habla de amputación de dedo. Se pueden utilizar prótesis parciales de dedo o mano para reproducir la apariencia externa hasta el más mínimo detalle. DESARTICULACIÓN DE MUÑECA Con una desarticulación de muñeca se amputa la mano a la altura de la muñeca, con lo que se pierde la movilidad de la mano. AMPUTACIÓN DE ANTEBRAZO Con una amputación transradial, es decir en el área del antebrazo. Se diferencia entre amputación larga, media, corta o muy corta. Figura 1: Amputación de dedo o mano Figura 2: Desarticulación de muñeca Figura 3: Amputación de antebrazo Pág. 15 a la formación de una doble barrera de cargas en la interfase entre electrodo y electrolito. Si se produce un movimiento del electrodo, la distribución de carga se modifica, produciendo una variación de la diferencia de potencial de la semicélula hasta que se alcanza de nuevo el equilibrio. Análogamente, al utilizar dos electrodos, si uno de ellos se mueve mientras el otro permanece en equilibrio, aparece una variación de la diferencia de potencial entre ellos. Estas variaciones son el origen de los artefactos (ruido) debidos al movimiento [14]. 1.4. DIAGRAMA TEMPORAL DE MONTAJE Figura 18: Diagrama temporal de montaje En la figura 18 se describen los pasos a que se han seguido para realizar el proyecto sin entrar en detalle. Para tener una imagen global. A continuación, realizamos un desglose más específico de cada etapa de desarrollo. Figura 19: Primera etapa de montaje Pág. 16 Figura 20: Segunda etapa de montaje Figura 21: tercera etapa de montaje Figura 22: cuarta etapa de montaje Pág. 17 Figura 23: Última etapa de montaje En este desglose se ve más en detalle cada una de las etapas. El objetivo de este apartado es mostrar los pasos más importantes a realizar. 1.5. ESTRATEGIA DE DESARROLLO Este punto del documento tiene como objetivo servir como referencia de la estrategia seguida a lo largo del proyecto y aportar una idea global de los pasos realizados. 1. Prueba individual de cada uno de los dedos. Comprobar que el ensamblado se realizaba correctamente y averiguar los rangos de movimiento (apartado 2.8.2) 2. Prueba conjunta, movimientos programados (apartado 2.8.3) 3. Generación de la señal de control (apartado 3) 4. Prueba conjunta, movimiento simple sin cambio de estado 5. Prueba final, movimiento programado con cambio de estado Pág. 18 Pág. 19 Pág. 20 2. DISEÑO Y CONTROL DEL SISTEMA ELECTROMECÁNICO Para implementar el sistema electromecánico tenemos dos tipos de componentes diferenciados: los componentes imprimibles y los componentes que vamos a tener que comprar o encontrar en objetos cotidianos. 2.1. IMPRESIÓN DE LAS PIEZAS Como componentes imprimibles se va a diferenciar entre: la palma, muñeca y. En la carpeta del proyecto que se puede descargar del GITHUB de la empresa [2] se va a encontrar una carpeta que se denomina “HACKberry_3Dmodel” lugar donde se encontrarán los diferentes formatos de las piezas 3D. En el presente proyecto, para la impresión de las piezas se utilizará la impresora 3D: Ender 3 Pro junto con el programa CURA. Existen diferentes formatos de piezas 3D, de todos los que presenta la compañía, se seleccionará arbitrariamente el formato STL. Dentro del formato seleccionado se ha optado por imprimir una mano derecha, debido a la gran mayoría de personas diestras que existen frente a las zurdas. Dentro de la carpeta STL se presentan cuatro alternativas. “All”, “Common”, “Right” y “Left”. “All” y “Common” son formatos para una impresión de estilo maqueta. Es decir, una sola pieza. Mientras que “Right” y “Left” son modelos disgregados en piezas. Llegados a este punto, se observa que no existen cinco tipos de dedos, sino que solo hay tres diseños diferentes de dedos: “IndexFinger”, “Thumbfinger” y “OtherFinger” Esto es debido a que, en un esfuerzo de ahorrar espacio, agregar dinamismo y estética se ha optado por que los dedos corazón, anular e índice tengan el mismo diseño y posteriormente enlazados mediante un árbol de levas. Su origen surge a raíz de considerar la funcionalidad de esos tres dedos como apoyo a la hora de agarrar objetos. En el día a día y para funciones básicas utilizamos la pinza (unión entre pulgar e índice) para la mayoría de las cosas, el resto de los dedos suelen ser un apoyo para mejorar la sujeción. Está claro que para actividades más específicas como es escribir en el ordenador, tocar el piano…etc esta funcionalidad nos deja un poco limitados. No obstante, hay que tener en cuenta que existen varios factores estrechamente relacionados que limitan los diferentes diseños: dinero, complejidad de entrenamiento, alimentación y tamaño. Una independencia total de los dedos implicaría una mayor complejidad a la hora de controlar la mano y por supuesto un motor asociado a cada dedo, esto obliga a introducir dos motores a mayores, por lo que se tendría una mano más grande además se necesitaría de una batería con mayor potencia para todos los motores, asimismo, mayor potencia implicará más coste y muy seguramente mayor peso y tamaño de esta. Al quitar dos motores, se disminuye el tamaño, la potencia de la batería necesaria y se aumenta la facilidad de aprendizaje, aunque, se pierde funcionalidad. Si se quisiera meter todos los motores en menor espacio para una funcionalidad completa se necesitaría diseños muy específicos y motores pequeños pero potentes lo cual aumenta mucho más el coste perdiendo el sentido del objetivo del TFG. Se observa esta pequeña bajada de funcionalidad, pero todos los pros a raíz de ella y se consideró perfecta para nuestro objetivo. Una vez seleccionadas las piezas que se van a imprimir es muy importante, aparte de tener bien calibrada la impresora 3D [anexo 1] configurar los parámetros de impresión. Una buena configuración de los parámetros de impresión facilitará mucho el posprocesado y montaje final. Pág. 21 Por lo que hay que poner especial cuidado en esta parte. Será necesario diferenciar entre dos tipos de objetos a imprimir: piezas grandes y con poco detalle y piezas pequeñas y mucho detalle. La configuración de los parámetros entre ambas es diferente, porque, aunque se pueda utilizar la configuración de las piezas pequeñas en las grandes esto provocará tiempos de impresión de 16/18h o incluso más. Es bastante probable que se tenga que imprimir más de una vez la misma pieza, se rompe porque no se haya dado el suficiente relleno, las piezas no encajan, se postprocesa mal (este último ha sido el más decisivo en esta situación en particular. Una primera configuración óptima podrá ahorrar mucho tiempo. Figura 24: Interfaz CURA Existen muchos tipos de parámetros a la hora de imprimir como se puede observar en la figura 24. Un total de 83 parámetros a modificar según el perfil de impresión seleccionado. Es verdad que existe un perfil más a nivel usuario en el que solo tienes que modificar la altura de capa, velocidad de impresión…etc, no obstante, este tipo de perfiles son para impresiones sencillas y de bajo nivel. Es necesario conocer y familiarizarse con perfiles más precisos para el tipo de actividad en el que nos encontramos. Una vez realizada la configuración previa [anexo 2] donde se configura la impresora 3D, tipo de material y perfil de impresión (en este caso custom selection) se configuran los siguientes parámetros: • Velocidad de impresión: para figuras que requieran un nivel alto de detalle o complejas se utilizará una velocidad de 25mm/s para piezas grandes como la palma o tapas superiores 50mm/s. • Temperatura: como se utiliza PLA, la mejor configuración es una temperatura de impresión de 200ºC y una temperatura de la cama caliente de 50ºC. Estos parámetros no son universales, el fabricante te da los parámetros que mejor se ajustan al material que compras. • Altura de capa: para piezas pequeñas y de alto detalle se colocará una altura de capa de 0.2 mm para piezas más grandes la máxima posible, en este caso 0.3 mm. • Velocidad de retracción: 25mm/s. • Distancia de retracción: 6.5 mm. • Velocidad de desplazamiento: 150 mm/s. Pág. 22 • Relleno: dependiendo de las piezas si son más pequeñas se elegirá un 70%/100% para una mayor resistencia. Si son piezas grandes se puede elegir un 50% la cual va a dejar piezas bastantes resistentes. • Capa Inicial: siempre se utilizará la máxima, 0.3 mm para una mayor adherencia a la cama caliente • Adherencia de la placa: un error habitual es que las primeras capas no se adhieran a la cama de la impresora y acaben despegándose, destrozando la impresión. Para evitar eso hay que colocar una buena temperatura de cama caliente (si es que la tienes) si no, es bastante útil utilizar el modo de adherencia. De todos los modos de adherencia el más fiable es del de balsa. • Soporte: este es otro de los parámetros más importantes de una impresora 3D, en el momento que se inicia en la impresión de piezas un poco más complicadas, va a ser necesario generar soportes para levantarlas y que no se derrumben. Existe una gran diversidad de soportes, desde unos muy personalizados, con diversas formas y con múltiples rellenos a unos por defecto. Es vital elegir una buena colocación de la pieza respecto a la base, debido a que condicionará a la hora de generar los soportes. Dentro de los soportes automáticos que nos ofrece CURA se puede encontrar la opción de “En todos los lados” y “Desde la base”. La configuración en todos los lados asegurará generar los soportes necesarios si no tienes mucha experiencia imprimiendo. No obstante, es bastante probable que genere soportes innecesarios y se gaste más tiempo y material [4]. Como patrón se ha utilizado el triangular, debido a que es una de las formas geométricas más consistente y que va a gastar una menor cantidad de material. • Expansión horizontal: el PLA tiende a dilatarse o encogerse dependiendo de diversos factores externos. Este parámetro ayuda a encajar piezas. Con expansión negativa se encoge el objeto y con la positiva lo “inflamos”. No hay una configuración precisa para este parámetro. Es posible que haya que imprimir la pieza varias veces hasta encontrar una configuración adecuada. Lo más adecuado, es que cuando haya que imprimir dos piezas que deban ensamblarse y al imprimir no encajen, se mida el tamaño que deberían tener y el tamaño que realmente tienen y aplicar el factor de corrección correspondiente para lograr realizar el ensamblado. En él [anexo 3] se encontrará una explicación más detallada de todos los parámetros mencionados anteriormente. No son configuraciones universales, cada impresora, material y condiciones ambientales va a necesitar un tipo de configuración. 2.2. POSPROCESAMIENTO DE MATERIALES IMPRIMIBLES Uno de los objetivos principales perseguidos es funcionalidad y estética. Para conseguir el último punto es necesario realizar un posprocesamiento. Un tratamiento que se le aplicará a cada una de las piezas para darles un buen acabado. En un mundo ideal, las impresiones en 3D saldrían listas para usar. Pero, como cualquier propietario de una impresora 3D sabe, no siempre es así. Al eliminar elementos de soporte han dejado marcas desagradables en las superficies de los objetos impresos. Este apartado, aunque no sea muy técnico es bastante importante si se quiere obtener una prótesis profesional y que el usuario que la vaya a utilizar esté cómodo. En la figura 25 se puede observar lo que se quiere conseguir posprocesando. Por la forma de impresión, es bastante visible las diferentes capas de las que se Figura 25: Ejemplo de material posprocesado versus no posprocesado Pág. 23 compone el objeto. La idea principal del posprocesado será eliminar las diferentes alturas y suavizar el objeto. Pasos: 1. Limar/lijar la superficie levemente: es posible que la pieza tenga demasiadas imperfecciones por lo que hay que lijar y suavizar la zona antes de aplicar la resina epoxi 2. Aplicar resina epoxi: posteriormente, con la resina epoxi se rellena las diferentes alturas de capa de la pieza alisándola. 3. Limar/Lijar de nuevo: si al aplicar el epoxi han quedado algunas burbujas o zonas con demasiada resina hay que eliminarlas. 4. Rociar con Spray de Imprimación: de esta manera se asegura de que la pintura utilizada se adherirá correctamente 5. Pintar con spray o pintura de cualquier tipo. 6. Aplicar pintura transparente para un acabado final brillante Figura 26: Pieza R-O-2 posprocesada versus sin proprocesar En él [anexo 4] se puede consultar la información completa de materiales necesarios, consejos, errores típicos etc. 2.3. OBTENCIÓN DE LOS MATERIALES NO IMPRIMIBLES Además de los materiales imprimibles, se debe obtener el resto de los componentes. La empresa Exii coloca a disposición del que quiera un documento Excel llamado “HACKberry_BOM_v2.xlsx” en el que proporciona información de todos los materiales no imprimibles que se van a necesitar. Incluso porporciona enlaces de compra para cada uno de ellos. Asimismo, existe la posibilidad de contactar con la empresa y pedirle todos los materiales no imprimibles. En este caso, se ha elegido por comprar cada una de las piezas independientemente. Conjunto Componente Cantida d Descripción Precio Total Enlace Mano Muelle helicoidal 1 Pack de muelles genéricos que luego se cortaron 1.30€ 1.30€ Bazar Muelle de torsión 1 Sacado de una pinza de la ropa pequeña Bolas de acero 1 Esferas de ¼ de diametro 5€ 5€ [E.1] Tornillos (1) 2 Pack de tornillos 9.59€ 19.18€ [E.2] Pasadores Largos 7 16.06 mm Se tomaron unas puntas de acero anchas y se cortaron con la dremen Pasadores Cortos 9 9.00 mm Servomotor (pequeño) (2) 2 23x12x28 mm 12.99€ 25.98€ [E.3] Servomotor (grande) 1 167 x 62 x 39 mm 25.78€ 25.78€ [E.4] Bobina PLA 2 1.75 mm 22.99€ 45.98€ [E.5] Pág. 24 Micro Arduino nano 1 Microprocesador 24€ 24€ [E.6] Elementos adicionales Crimpadora 1 Pack para creación de conexiones seguras 39.99€ Cableado 1 39.99€ [E.7] Conectores macho hembra Arduino 1 Conectores Jack 3.5mm macho 1 Pack de conectores Jack 3.5 mm macho 12.99€ 12.99€ [E.8] Conectores Jack 3.5mm hembra 1 Pack de conectores Jack 3.5 mm hembra 8.49€ 8.49€ [E.9] Conector Jack 3.5 mm Codado 1 Conector para la alimentación del sistema Electromecánico 8.39€ 8.39€ [E.10] Conectores USB 1 Extremo de las alimentaciones del proyecto 6.99€ 6.99€ [E.11] PCB 1 Pack de PCBs de soldadura de diferentes tamaños 19.99€ 19.99€ [E.12] Destornilladores 1 Pack de destornilladores 11.99€ 11.99€ [E.13] Materiales de posprocesado Spray de Iimprimación 2 Spray de imprimación blanco para posprocesado de piezas 8.44€ 16.88€ [E.14] Spray de pintura 2 Botes de pintura 5.20€ 10.40€ [E.15] Resina Epoxi 2 Resina epoxi especial para posprocesao de piezas 3D 19.00€ 38.00€ [E.16] Pinceles 1 Material necesario para posprocesar de forma adecuada 5.89€ 5.89€ [E.17] Disolvente 2 Disolvente para limpiar los pinceles después de usar Epoxi 12.99€ 25.98€ [E.18] Total 353.26€ (1) Existen diversos tamaños de tornillos que se necesitan, se especifican todos en el Excel, en vez de ir comprando cada tamaño, se eligió una caja de tornillos que contenían una gran diversidad de los tornillos que serían necesarios. (2) No se encontró el que proponía la empresa Exiii y se cambió por otro que tuviera dimensiones muy similares Además de los objetos estrictamente necesarios, se compraron otros objetos que facilitaron mucho el trabajo como fue el [E.13]. Muy valorado y utilizado para el apartado 2.5 del documento. 2.4. ELEMENTOS Y DISPOSITIVOS UTILIZADOS Para la realización de la prótesis han sido necesarios elementos adicionales para construir e implementar los diferentes sistemas. 1. Calibre: utilizado para el primer proceso de montaje, calibración de la impresora 3D, calibración de las piezas 3D y medidas para la obtención de las piezas no imprimibles. 2. Multímetro: imprescindible para testeo 3. Destornilladores de estrella pequeños: necesarios para el montaje electromecánico 4. Lija, resina epoxi, spray de imprimación, pinceles, pintura, disolvente, guantes: utilizados en el proceso de posprocesado de las piezas 3D [anexo 4]. 5. Fuente de alimentación: alimentaciones de nuestros circuitos de prueba 6. Estañador y filamento para estañar: utilizado para implementar los circuitos de PCB de soldadura. 7. Fuentes de alimentación portátiles: necesario para alimentar a nuestro sistema al final. 8. Multiherramienta: usado para generar agujeros, cortar PCBs y lijar piezas. 9. Tijeras de electricista: necesario para pelar cables y generar nuevas conexiones. Para esta tarea se puede utilizar también un mechero (dependiendo de la anchura de los cables a eliminar el aislante). Pág. 31 2.6.3 DEDO CORAZÓN/ANULAR/MEÑIQUE Figura 39: Planos de montaje Dedo Corazón/Anular/Índice Pág. 32 2.7. MONTAJE Y PLANOS MANO COMPLETA 2.7.1 PALMA Pág. 33 Figura 40: Planos de montaje Palma Pág. 34 (1) En compra de cualquier servomotor en algunos casos se envían complementos para utilizarlos en los montajes. Estos vienen por defecto tanto en el servomotor SF180M como en el HD3001HB. Figura 42: Pieza auxiliar dedo pulgar (2) Debido a las diferencias de tamaño entre el motor que el fabricante Exii diseñó para el pulgar y el que al final se ha comprado, se ha observado que las piezas no encajaban completamente por lo que se procedió a realizar una pieza extra (figura 42) para un perfecto ensamblaje. Sin esta pieza el ensamblado del dedo pulgar y la pieza R-H-02 no era el adecuado y no se conseguía un ensamblado compacto entre el dedo índice y el pulgar. Figura 1: Complementos Servomotores Figura 2: Pieza auxiliar dedo pulgar en el montaje real Figura 41: Complementos Servomotores Figura 43: Pieza auxiliar dedo pulgar en el montaje real Pág. 35 Figura 44: Palma montada Una vez realizada la palma completa se procede a realizar las primeras pruebas de movimiento. Antes de dejarla completamente terminada serán necesarias pruebas de movimientos independientes. Como puede ser realizar el movimiento del dedo pulgar, el dedo índice y el movimiento de los tres dedos anular/corazón/índice. En esta fase de pruebas fue descubierta la necesidad de una pieza auxiliar debido a las diferencias entre los servomotores SF180M y el ES08MD dimensionalmente. Una vez finalizado el primer bloque se imprime el segundo bloque (muñeca y el antebrazo). Al final del proceso se obtendrá una pieza única en la que se pueda extraer e introducir como accesorio del primer bloque. Figura 45: Palma y Antebrazo completo Pág. 36 2.7.2 MUÑECA Figura 46: Planos de montaje de la muñeca Pág. 37 2.7.3 ANTEBRAZO Pág. 38 Figura 47: Planos de montaje del antebrazo Figura 3: Antebrazo y muñeca ensamblada Figura 48: Antebrazo y muñeca ensamblada Pág. 39 2.8. IMPLEMENTACIÓN SOFTWARE Para implementar la lógica de control a nuestra prótesis utilizaremos el microcontrolador Arduino nano. Cuenta con un total de 22 pines digitales, de los cuales 6 podrán controlar servomotores [6]. Figura 49: Diagrama de pines Arduino Nano Estos 6 pines son especiales para el control de servomotores, pines de control PWM. A diferencia de los motores convencionales de continua los servomotores son dispositivos especiales para control de movimientos precisos. Tanto nuestro servomotor SF180M como nuestro HD3001HB son servomotores. Figura 50: Señal de control PWM y su respectivo cable Pág. 40 Estos funcionan mediante modulación de ancho de pulso (PWM: Pulse Width Modulation). La frecuencia usada para mandar la secuencia de pulsos es de 50 Hz, por lo que cada ciclo dura unos 20ms [7]. Las duraciones de cada pulso se interpretan como comandos de posicionamiento del motor. Sólo se tiene en cuenta su estado en alta, los espacios entre cada pulso son despreciados. Arduino por defecto es un microcontrolador muy orientado a utilizar servomotores y por lo tanto trae una librería llamada <Servo.h> para facilitarnos su control. Como se puede ver en la figura 50. Estos motores presentan 3 cables, alimentación, tierra y señal. El conjunto de cables alimentación y tierra, proveerá alimentación al sistema electromecánico mientras que el cable de señal será la señal PWM del Arduino. 2.8.1. INICIALIZACIÓN DE NUESTRO MICROCONTROLADOR Se incluye la librería Servo.h para poder instanciar los objetos tipo Servo asociados a los principales métodos de control. attach(PIN) se utilizará para decidir donde se generará la señal PWM asociada al servo, mientras write(grados) para generar el ciclo de señal PWM necesaria para moverlo a la posición deseada. Inicialmente, se instancia el objeto y se le asigna un PIN de salida. Asimismo, se selecciona la velocidad de salida de datos por el puerto serie. #include <Servo.h> int posicion = 0; //Variable para guardar la posición del servo Servo myservo; //Generamos un objeto tipo servo void setup() { Serial.begin(9600); //Iniciamos la comunicación por el puerto serie a //una velocidad de 9600 Bd myservo.attach(9); // Asociamos el servo a un pin PWM Serial.println("Escribe la posición donde mover el servo (0 - 180)"); //Pedimos por el puerto serie que posición mover el motor } 2.8.2. PRIMERAS PRUEBAS Para el testeo de los servomotores fue implementado el sencillo programa unit_servo.ino. Se encargará de pedir por teclado la posición deseada, recogerá la petición por el puerto serie y generará la señal adecuada. Una vez finalizado esa iteración volverá a pedir su siguiente posición de forma indefinida. Se conectará: • Dedo Índice: D9 • Dedo Corazón/Anular/Meñique: D8 • Dedo Pulgar: D7 Antes de ensamblarlos en la palma se comprobará su correcto funcionamiento para realizar las pruebas pertinentes y averiguar los rangos de movimiento de cada extremidad. Como es natural, no todos los dedos poseen un mismo rango de movimiento, como se menciona anteriormente el Pág. 47 3. DESARROLLO DEL SISTEMA BASADO EN ELECTROMIOGRAFÍA Como base de este sistema EMG se ha tomado el creado en el TFG de “Mejoras en una prótesis mioeléctrica de mano para su uso en rehabilitación” de Víctor Rodríguez González [8]. Esta parte de acondicionamiento de la señal EMG es prácticamente igual, variará un poco las ganancias adaptándolas a los requerimientos del proyecto. Es decir, si se necesita que la señal de control final sea más sensible o menos sensible se variará la ganancia de cada canal de forma oportuna. El objetivo de esta parte es generar una señal continua de tensión proporcional al esfuerzo muscular [19]. El cambio considerable respecto al proyecto de Víctor viene posteriormente, a la hora de implementar el sistema de control, debido a que en este caso no se tienen cinco motores (cuatro de continua y un servomotor) sino, que consta de tres servomotores. Tanto a la hora de realizar el diagrama de estados como a la hora de hacer las conexiones existe un cambio considerable. A continuación, los siguientes apartados se enfocan en detallar como conseguir la señal de control de nuestro sistema. Al final de todo el proceso, se contará con dos señales de control procedentes de dos músculos antagonistas (p.ej. bíceps, tríceps). Asimismo, para cada señal de control se implementará exactamente el mismo circuito. 3.1. LECTURA Y ACONDICIONAMIENTO DE LOS DATOS Para la lectura y acondicionamiento de datos se utilizará un total de cuatro etapas bien diferenciadas (figura 51) con el objetivo obtener una señal de control proporcional al esfuerzo deseado en la última etapa. Para una metodología más eficiente se verificará que funciona correctamente con una señal sintética sacada del generador de señal, comprobando que no se aleja demasiado de los resultados teóricos esperados. Una vez que esté asegurado el correcto funcionamiento, se colocará la señal real. Será de una amplitud mucho menor que lo que puede proporcionar el generador de señal. Por lo que será necesario una corrección de las ganancias de cada etapa. Figura 51: Diagrama de bloques del sistema mioeléctrico de control Pág. 48 3.1.1. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN La señal bioeléctrica que ofrecen los electrodos de forma inmediata es una señal muy baja en amplitud. Por lo que el primer paso es realizar una buena amplificación de la señal. Para esta labor se empleará un amplificador de instrumentación. La señal en cuestión es de microvoltios de amplitud, no son válidos cualquier tipo de amplificador. Existe el ruido de ambiente mezclándose con la señal, por lo que es fundamental obtener un alto rechazo en modo común (CMRR, Common Mode Rejection Ratio). Un amplificador de instrumentación es perfecto para esta tarea debido a que es un conjunto de amplificadores operacionales interconectados (figura 52) y presenta el CMRR necesario para la aplicación. Se decide utilizar el integrado INA 114 (figura 53) para implementar esta etapa, debido a que además de ser el amplificador de instrumentación disponible en el laboratorio, tiene las características necesarias. Figura 53: Diagrama de bloques del circuito integrado INA 114 Un amplificador de instrumentación común como el de la figura 52 presenta un voltaje de salida como muestra la ecuación (1). 𝑉𝐴𝐼 =(𝑣−−𝑣+)(1+2𝑅1 𝑅𝐺)𝑅3 𝑅2 ( 1 ) Es un dispositivo diferencial a la entrada y unipolar a la salida. Esta salida va a venir determinada por la ganancia del dispositivo. Definida como un compendio de los valores de las resistencias (2). 𝐺𝐴𝐼 =(1+2𝑅1 𝑅𝐺)𝑅3 𝑅2 ( 2 ) Figura 52: Circuito del Amplificador de Instrumentación Pág. 49 En el integrado INA 114 esos valores de resistencias ya vienen definidos todos salvo la resistencia RG (3) la cual dependiendo de la ganancia que se desee se le colocará una resistencia discreta u otra. Dependiendo de la ganancia esta afectará al CMRR. 𝐺𝐴𝐼 =1+50𝑘Ω 𝑅𝐺 ( 3 ) Mirando las hojas de especificaciones del dispositivo que se pueden encontrar en el anexo 7, se observan las curvas de ganancia, CMRR vs Frecuencia (figura 54) Figura 54: Circuito del Amplificador de Instrumentación Para elegir una ganancia apropiada es necesario una ganancia constante en el rango de frecuencias de interés, es decir, desde los 50Hz hasta los 500Hz, asimismo, de un CMRR aceptable. Se estudió darle una ganancia entre 20 y 100. En ese rango de ganancia el CMRR es prácticamente el mismo, y para el rango de frecuencias de interés funcionaría de forma aceptable. Finalmente, se decidió implementar una ganancia de 20 para obtener el menor offset posible al circuito. En esa ganancia, el dispositivo nos ofrece una ganancia constante aproximadamente hasta los 30KHz, punto en el cual comienza a decaer y ofrece un rechazo en modo común alrededor de 120dB suficiente para nuestra aplicación. Además, teniendo en cuenta las resistencias discretas de laboratorio y la ganancia deseada se eligió una resistencia RG = 2.7 kΩ (4) 𝐺𝐴𝐼 =1+ 50𝑘Ω 2.7𝑘Ω=19.52 ( 4 ) Pág. 50 Figura 55: Diagrama de montaje discreto del amplificador de instrumentación 3.1.2. AMPLIFICADOR Y FILTRO PASO ALTO ACTIVO Una vez amplificada la señal de interés y separada del ruido de ambiente que afecta en modo común, se debe realizar el acondicionamiento para que nuestra señal final de control a introducir en el microcontrolador tenga un rango de 0V a 5V. Para lograrlo se necesita otra etapa de ganancia. No se ha aumentado la ganancia en la etapa anterior debido a problemas de offset que pudieran aparecer a la salida. Ahora ya no es tan importante el CMRR una vez rechazado el ruido en modo común y como, además, la señal ya no es diferencial, un operacional normal es suficiente. Asimismo, después de amplificar se realizará un filtro paso alto para eliminar el offset de continua resultante de la etapa anterior y la componente de 50Hz de la red. Todas las componentes están en la banda de interés, desde CC hacia arriba (hasta aprox 2kHz, que es hasta donde se extiende el espectro del EMG superficial), pues todas son componentes del EMG y reflejarán la fuerza de la contracción, pero el offset CC proviene principalmente de defectos en la amplificación, no del EMG y los 50Hz también proviene de fuentes externas muy mayoritariamente. Por eso, para que no saturen o molesten en etapas posteriores, se tienen que eliminar. Un filtro paso alta (HPF: High Pass Filter) tiene las características de la figura 56: Figura 56: Función de transferencia del HPF Siendo f0 la frecuencia de corte de nuestro filtro a -3dB, idealmente se tomaría la frecuencia de corte a 50Hz, no obstante, no se eliminaría el ruido de la red a esa frecuencia, por lo que se tomará como frecuencia de corte 100Hz. Se pierde un poco de información del EMG de esa manera, no obstante, Pág. 51 no es un problema en nuestra aplicación, puesto que la información de interés está en la intensidad de la señal, que depende de la potencia integrada en todo su ancho de banda, y aunque se elimina casi toda la potencia por debajo de los 100Hz, aún queda suficiente espectro por encima de esa frecuencia para captar la intensidad de la contracción de forma eficiente. En la figura 57 se muestra el diseño final para esta etapa, donde se realiza inicialmente una nueva amplificación mediante un montaje con AO inversor y después el filtro paso alto. Figura 57: Diseño segunda etapa Resolviendo el segundo operacional llegamos a la ecuación (5) la cual muestra la función de transferencia para el filtro paso alto. 𝐻(ω)=𝑗ω ω𝑐 1+𝑗ω ω𝑐 =1 1+ω𝑐 𝑗ω ( 5 ) Despejando se obtiene que 𝑓0=1 2πRC . Se utiliza como frecuencia de corte (f0) 100 Hz. Se utilizan valores arbitrarios y en función de los componentes del laboratorio se obtiene que R=150kΩ y C=10 nF Se decide utilizar el integrado TL084 para implementar dicha etapa. Dicho integrado consta de cuatro operacionales con una alimentación bipolar común. En el anexo 8 se puede consultar sus hojas de especificaciones. Su alta impedancia de entrada, bajo consumo, velocidad de cambio de voltaje de salida respecto a las variaciones en el voltaje de entrada, lo hacen ideal para el sistema. Se necesitan respuestas rápidas debido a que los periodos de las señales EMG son bastante cortos (3-15ms). Pág. 52 Figura 58: Diagrama de montaje discreto del amplificador y filtro HPF 3.1.3. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA La tercera etapa es un rectificador de onda completa. El objetivo de esta etapa es generar una “una señal rectificada (solo tensiones positivas) a partir de la señal bipolar de la EMG procesada anteriormente. El esquema compensa la no idealidad de los diodos rectificadores en cuanto a su umbral de conducción, lo que posibilita la rectificación de señales de amplitud muy pequeña. Posteriormente, la señal procedente de esta etapa se hará pasar por un filtro paso bajo para obtener una señal de información proporcional a la amplitud promediada de la componente EMG procesada por las etapas anteriores. Es decir, una señal positiva y pseudo-continua que representará el esfuerzo muscular en cada instante. Finalmente se necesitará filtrar para quedarse únicamente con esa componente. Se decide el diseño de la figura 59 para implementar dicha etapa. Figura 59: Diseño rectificador de onda completa A la salida del rectificador se obtendrá algo parecido a lo que se muestra en la figura 60. Las señales positivas no se modifican mientras que las negativas se convierten a positivas Pág. 53 Para su implementación se decide utilizar de nuevo el integrado TL084 junto con diodos de conmutación rápida 1N4148 [Anexo 10] con la tensión umbral de 700mV, la más baja disponible en el laboratorio. Figura 61: Diagrama de montaje discreto del rectificador de onda completa 3.1.4. FILTRO PASO BAJO ACTIVO CON GANANCIA REGULABLE Como última etapa se utilizará un filtro paso bajo (LPF, Low Pass Filter) para eliminar todas las frecuencias que no sean útiles y quedarse exclusivamente con la componente de pseudo-continua que se necesita obtener. Asimismo, se incluye una etapa amplificadora con una resistencia regulable para que la ganancia de esta etapa final pueda ser ajustable. Un LPF tiene una curva de transferencia como en la figura 62, siendo f0 la frecuencia de corte de - 3dB. Figura 60: Curva de transferencia y señal EMG a la salida de un rectificador de onda completa Pág. 54 Figura 62: Curva de transferencia de un filtro paso-bajo Se decide el diseño de la figura 63 para implementar esta etapa. Donde a la salida se obtiene una continua dependiente de la amplitud de la señal EMG. Figura 63: Diseño filtro paso bajo activo con ganancia regulable Si se analiza la salida del primer operacional respecto a su entrada se puede extraer la siguiente curva de transferencia (6). 𝑍1=𝑅1 𝑍2=𝑅2 // 1 jωC=𝑅2 1+𝑗ωCR2 𝐻(𝜔)=−𝑍2 𝑍1=−𝑅2/𝑅1 1+𝑗ωCR2 |𝐻(𝑓 <𝑓0)|≅R2/R1=𝐺 = 3.73 ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) Siendo 𝑓0=1 2πCR2 la frecuencia de corte del filtro. Se buscará una frecuencia de corte muy baja, de unos 0.5 Hz para quedarse solamente con la continua. Se eligen dos valores arbitrarios que nos hagan cumplir la premisa por lo que C=1 μF y R2 = 82 KΩ y una R1 = 22 KΩ 𝐶 𝑅2 𝑅1 Pág. 55 El filtro diseñado además de realizar su principal función proporciona una ganancia de -3.73. Por otro lado, como la ganancia es negativa, invierte la señal, es decir, proporciona un cambio de fase de 90º. La nueva etapa de ganancia programable también es inversora por lo que su fase pasa a ser 180º, quedándose en su fase original. Se podrá modificar la ganancia entre 0 y 100. Dependiendo de la persona que necesite la prótesis será necesaria tener una ganancia u otra en esta etapa. Esto se debe a varios factores como la cantidad de grasa en la piel, la distinta conductividad entre las pieles, desigual distribución de potenciales nerviosos en los músculos… Es importante darse cuenta de la importancia de la etapa de rectificación de onda completa. Sin ella, en la primera etapa se elimina la continua y con el filtro paso bajo desaparecería la señal. Si al final de esta etapa existe señal es debido a que el rectificador de onda completa genera una componente DC dependiente de la amplitud de la señal EMG. Figura 64: Diagrama de montaje discreto del filtro LPF y amplificador de ganancia programable 3.2. PRUEBAS DEL PRIMER CANAL CON SEÑAL SINTÉTICA Para testear nuestro acondicionamiento se utilizará una señal sinusoidal sintética obtenida del generador de ondas. El problema que se va a poder observar en este punto es que la mínima señal obtenida a la salida de forma adecuada es cercana a los 80mV, una señal mucho más grande de lo que posteriormente tendremos. Por ello a la entrada de nuestro circuito se implementa un sencillo circuito divisor de tensión para obtener una señal de unos pocos de mV. Pág. 56 𝑽𝟎=𝑽𝒔𝒊𝒏(𝑹𝟐 𝑹𝟐+𝑹𝟏)=𝑽𝒔𝒊𝒏 𝟒 Para implementar el divisor se utiliza un potenciómetro de 20KΩ. Asimismo, se usam dos condensadores en forma de filtro para extraer la señal lo mas limpia posible y eliminar el ruido de alta frecuencia. La señal que se puede obtener del divisor podría ser mucho más pequeña, pero a partir de 20mVpp el osciloscopio no es capaz de visualizar la señal y perdemos la información necesaria. Tampoco se puede introducir la señal tal cual del generador de ondas puesto que existen tres etapas amplificadoras. Con las dos primeras de ganancia 20 y 15 (en valor absoluto). El sistema entra en saturación y se pierde todo tipo de información. El objetivo de este apartado es comprobar que cada una de las etapas realizan las funciones que se esperan de ellas por lo que con una señal de 20mVpp es una señal más que aceptable para que tras las etapas amplificadoras se obtenga una señal no saturada. Una vez comprobadas las primeras tres etapas se espera obtener una señal de 5Vpp. Para comprobar que el conjunto funciona, asociamos una ganancia unidad a la cuarta etapa (etapa previamente comprobada colocando la señal de entrada directamente y observando la salida) En la primera etapa, la señal debería ser amplificada por un factor de 19.52 teóricamente, además de atenuar el ruido en modo común, en la realidad se obtiene una señal amplificada por un factor de 16.9 bastante cercano al valor teórico. Figura 65: Diseño divisor de tensión Figura 66: Salida del generador de ondas vs salida del divisor de tensión Pág. 63 Se verificó que efectivamente, con un buen diseño y eliminando un integrado podría implementarse el circuito de acondicionamiento en el pequeño espacio designado. En el diseño se omiten las alimentaciones y tierras del circuito, esto es debido a que se aprovechará la doble cara para eso. Se creará un plano subterráneo de tierras y alimentación (figura 77), pero de un tamaño muy inferior al que se necesitaría para implementar un canal completo. Por esta Figura 76: Diseño del circuito acondicionamiento de cada canal enfocado a la soldadura Figura 75: Diseño circuito acondicionamiento EMG de cada canal enfocado a cada etapa Pág. 64 razón es viable la opción de dos planos. A partir de ahí se llevarán cables directamente a cada uno de los integrados. Figura 77: Plano subterráneo de alimentación Es una operación delicada y hay que asegurarse de que no se generan cortocircuitos. Con el fin de evitarlo, se implementarán exclusivamente tres cables desde la placa de alimentación a la PCB que llevarán la alimentación positiva, la alimentación negativa, y la tierra del circuito. Figura 78: Diseño plano de alimentación Pág. 65 Figura 79: Implementación plano de alimentación 3.4. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN VERSIÓN DE DOS CANALES Para obtener una visión global de cómo se realizaría la versión de dos canales se ha generado un diagrama de bloques con sus diferentes componentes (figura 80). Figura 80: Diagrama de bloques del sistema versión de dos canales Posteriormente, se muestran en la figura 81 todos los elementos construidos para implementar el sistema de control y sistema de acondicionamiento EMG. 1. Circuito de conexionado Arduino-Servomotores (figura 86) 2. Circuito de acondicionamiento (figura 74) 3. Conector hembra de alimentación al sistema Arduino-Servomotores 4. Conectores hembras para los electrodos Pág. 66 Figura 81: Elementos construidos para implementar nuestro sistema de sistema de control y sistema de acondicionamiento EMG En la figura 45 de este documento (apartado 2.7) se observan dos partes bien diferenciadas. En la parte del antebrazo (pieza R-SO-01) se colocará el sistema de acondicionamiento junto a la placa de alimentación (figura 82). El cual puesto adecuadamente y en el montaje final se vería como en la figura 84. La alimentación del circuito de acondicionamiento como la de los motores no dispondrán de una misma fuente de alimentación debido a problemas de ruido de los propios servomotores en el circuito de acondicionamiento. Asimismo, para la portabilidad del proyecto y mitigación del ruido de red de 50Hz en el circuito se utilizarán dos baterías externas de teléfonos móviles. La pieza R-SO-01 termina siendo modificada (apartado 4.4.2) con el fin de implantar las entradas a nuestro circuito de acondicionamiento (figura 83). Figura 82: Colocación del sistema de acondicionamiento en la pieza R-SO-01 1 2 3 4 Pág. 67 Entradas diseñadas a partir de un conector jack de 3.5 mm estéreo Figura 83: Inputs circuito acondicionamiento Figura 84: Implementación final circuito de acondicionamiento con dos canales El sistema de adquisición de datos tendrá por lo tanto dos entradas diferenciales (EMG), una entrada de alimentación de 5V proveniente de una batería externa portable que posteriormente convertirá en bipolar de ±5V nuestro convertidor DC/DC y dos salidas de datos que irán directamente al CAD (Convertidor Analógico-Digital) del Arduino. Pág. 68 Figura 85: Diagrama caja negra del sistema acondicionamiento Por otra parte, el Arduino irá en la palma junto a los servomotores. Para ello se diseñó la pieza del apartado 4.4.4. Además, se conectarán a los pines CAD (A1, A3) las dos salidas del circuito de acondicionamiento. Por último, se conectará a cada uno de los motores la alimentación y los pines PWM del Arduino para su control (D9, D8, D7). En la figura 86 se ve en más en detalle cómo realizar las conexiones. Figura 86: Diagrama de conexiones entre Arduino y Servomotores versión de dos canales Pág. 69 Este conexionado se realiza mediante una PCB de soldadura ajustándolo al tamaño disponible en la pieza R-H-02 y a las necesidades del proyecto. Figura 87: PCB soldadura para conexionado Arduino-Servomotores ARDUINO MOTORES ALIMENTACIÓN 2 3 4 1 Figura 88: Montaje final versión dos canales GND VDD D4/D7/D8/D9 Pág. 70 • 1. Se crea el cable de alimentación con un conector jack macho mono de 3.5mm en un extremo y con USB en el extremo contrario (apartado 4.2) • 2. Se conecta la alimentación y la señal de control (en el segundo y cuarto paso se observa que se han establecido en caras opuestas, la señal de control son los cables negros y los cables negros y rojos es la señal de alimentación) • 3. Se conecta el Arduino y los motores asegurando conectarlo con la polaridad adecuada. • 4. Se encaja y se conecta con la batería. Se utiliza el agujero disponible en la pieza R-H-02 para introducir un conector Jack hembra y realizar el conexionado de la alimentación. 3.5. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN VERSIÓN ALTERNATIVA Cerca del final del proyecto, cuando se realizó la prueba final se observó que se producían diafonías entre ambos canales (la señal a la salida quedaba siempre en saturación cuando se ponían en marcha los dos canales a la vez, independientemente funcionaban, pero no en conjunto). Dentro de este contexto, surgió la idea de una versión mejorada que proporcionaría una manejabilidad más natural gracias a la implementación del manejo proporcional. En esta versión se elimina un canal del circuito de acondicionamiento (simplemente quitando los integrados que tenían que ver con ese canal) utilizándolo como señal de control principal y se implementa un botón como señal de control secundaria para cambiar de modo (figura 90). El cambio que experimentará esta versión respecto a la anterior es que la señal del circuito de acondicionamiento será única. Por otro lado, se utilizará un botón pulsador típico utilizado en los montajes Arduino (figura 89). Conectado directamente a un pin digital D4 arbitrariamente, el cual servirá para cambiar de modo. Se seguirá el esquema de la figura 91 [9]. Figura 90: Diagrama de bloques versión alternativa Figura 89: Botón pulsador Pág. 71 Por último se realiza el montaje del diseño de la figura 91 en una PCB (figura 92). Figura 92: Implementación final versión alternativa Figura 91 Diagrama de conexiones entre Arduino y Servomotores versión alternativa Pág. 72 En este montaje se implantó otro conector en la PCB que conecta la tierra de ambos sistemas y de esta manera tengan una misma referencia. Además, para comprobar que se realizó el conexionado adecuadamente se realizó el programa “button.ino”. BUTTON.INO const int buttonPin = 4; // Pin al que vamos a asociar el botón int buttonState = 0; //Variable que va a recoger el estado del botón int estado= 0; //Variable que simula el cambio de estado void setup() { Serial.begin(9600); // Indicamos la velocidad de comunicación con el //puerto Serie pinMode(buttonPin, INPUT); //Asociamos el botón al pin digital indicado //anteriormente Serial.print("EMPEZAMOS"); } void loop() { // Leemos el estado el botón: buttonState = digitalRead(buttonPin); // Comprobamos si el botón ha sido pulsado. Si se ha pulsado como // La configuración instalada es PULL-DOWN cuando se presiona estará en // HIGH if (buttonState == HIGH) { estado++; Serial.print("Estado: "); Serial.println(estado); delay(400); //Observamos si el estado cambia por el puerto serie //Para verificar su funcionamiento } } 3.6. CODIFICACIÓN Y PROGRAMACIÓN DE ESTADOS El diagrama de estados será el mismo para las dos versiones. La diferencia radicará en la obtención de la segunda señal de control. El sistema tendrá dos señales de control: canal1 y canal2. Cada canal proporcionará información diferente. El canal1 obtendrá la información del esfuerzo muscular, es decir, cuanto se quiere agarrar en mayor o menor intensidad y el Canal2 nos proporcionará la información de cómo se va a realizar el agarre. Se diseñarán dos estados principales: • Estado 1 = Agarre total (Cierre de toda la mano) • Estado 2 = Agarre con precisión (Cierre de índice y pulgar) Dentro de cada estado tendremos dos sub-estados: Pág. 79 //En caso contrario lo que queremos es agarrar algo por lo que lo movemos a //la posición de agarre y lo mantenemos }else { //Solo hacemos esta instrucción si el modo actual es manejo if(fijo==0){ Serial.println("modo fijo"); while(pos_thumb_anterior!=pos_thumb){ pos_thumb_anterior--; thumb.write(pos_thumb_anterior); delay(REDUCCION);} while((pos_index_anterior!=pos_index) || (pos_others_anterior!=pos_others)) { if(pos_index_anterior!=pos_index){ pos_index_anterior--; index.write(pos_index_anterior); delay(REDUCCION);} if(pos_others_anterior!=pos_others){ pos_others_anterior--; others.write(pos_others_anterior); delay(REDUCCION);} } fijo=1; //Actualizamos la posición anterior a la última posicion posicion_anterior=posicion; Serial.print("Fijo:"); Serial.println(fijo); } } //Si no estamos en el modo fijo actualizamos la posición anterior if(fijo==0){ posicion_anterior=posicion;} break; //-----------------------------------------------------------------------// case 2: //Modo Pinza //-----------------------------------------------------------------------// //Mismo procedimieto, si estamos en modo fijo y detectamos un esfuerzo en //el rango máximo volvemos a colocar la prótesis en modo manejo if(fijo==1){ if(posicion<=20){ fijo=0; delay(1000); //Volvemos a la posicion inicial y actualizamos la nueva posicion posicion_anterior=UP; while(pos_index_anterior!=UP){ pos_index_anterior++; index.write(pos_index_anterior); delay(REDUCCION);} break; } //Si no estamos apretando puede que queramos cambiar de estado. Si estamos //en modo fijo no queremos que cambie de estado }else if(buttonState == HIGH) { //Pasamos al estado inicial que en este caso vuelve a ser el estado inicial estado=1; posicion_anterior=UP; //Colocamos actualizamos la nueva posicion anterior realizamos el cambio de //estado colocando cada dedo en la posición correspondiente while((pos_thumb_anterior!=UP) || (pos_others_anterior!=UP)) { if(pos_others_anterior!=UP){ pos_others_anterior++; others.write(pos_others_anterior); delay(REDUCCION);} if(pos_thumb_anterior!=UP){ pos_thumb_anterior++; thumb.write(pos_thumb_anterior); delay(REDUCCION);} Pág. 80 } delay(400); break; } //-----------------------------------------------------------------------// //-----------------------------------------------------------------------// // El esfuerzo es inferior al rango máximo, por lo que queremos realizar un movimiento controlado if(posicion>=10){ Serial.println("entro en modo manual"); //Si la posición deseada es mayor que la que queremos if(posicion>=posicion_anterior && fijo==0){while(pos_index_anterior!=pos_index){ pos_index_anterior++; index.write(pos_index_anterior); delay(REDUCCION);} }else { if(posicion<posicion_anterior && fijo==0){while(pos_index_anterior!=pos_index){ pos_index_anterior--; index.write(pos_index_anterior); delay(REDUCCION);}} } //En caso contrario lo que queremos es agarrar algo por lo que lo movemos a //esa posición y lo mantenemos }else { if(fijo==0){ while(pos_index_anterior!=INDEX_DOWN){ pos_index_anterior--; index.write(pos_index_anterior); delay(REDUCCION);} fijo=1; posicion_anterior=INDEX_DOWN; Serial.print("Fijo:"); Serial.println(fijo); } } //Sino estamos en modo fijo actualizamos la posición anterior if(fijo==0){ posicion_anterior=posicion;} break; } } ---------------------------------------------------------------------------------- 3.7. CALIBRACIÓN DE GANANCIA Una vez implementado el sistema es necesario conocer el método de calibrado de ganancia, un proceso bastante sencillo e intuitivo que se necesitará realizar cada vez que se quiera cambiar de usuario. Solo con el programa system_botton_version.ino se realiza la asignación de los terminales del Arduino a los electrodos y se visualiza el puerto serie. Figura 95: Monitor serie Arduino Pág. 81 En la versión alternativa solo hay que preocuparse de calibrar la ganancia del canal1. Mediante la resistencia variable del canal se va girando el tornillo (aumentando o disminuyendo la resistencia provocando cambios en la ganancia) de tal manera que se pueda realizar un control y llegar al máximo sin demasiado esfuerzo, pero sin proporcionar una ganancia excesiva. Se quiere sensibilidad, pero sin que el sistema detecte cualquier leve movimiento como un máximo. El programa mostrará cuando llegues al máximo, en base a eso se ha de realizar el calibrado. Este proceso puede observarse en el video proporcionado en el apartado 1.1 Figura 96: Calibración de la ganancia Una opción sin necesidad de utilizar el Arduino pero no accesible a todo el mundo es mediante la visualización de la señal de salida en un osciloscopio. La técnica es la misma, se colocan los electrodos, se activa el sistema y se visualiza la salida del sistema de acondicionamiento, disminuyes/aumentas la ganancia en base a la sensibilidad que se quiera dar. 3.8. INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS Una parte muy importante en la interconexión de sistemas fue la de realizar conexiones seguras que no fueran permanentes (estañado). Tanto los inputs en el sistema de acondicionamiento como la alimentación de cada sistema, era importante que se realizaran unas buenas conexiones. Para lograrlo se optó por conectores Jack de 3.5mm. Para otro tipo de conexionado como pueden ser las salidas del circuito de alimentación o la creación de cables Jack-USB se utilizó conectores tipo Arduino. La creación de conexiones Jack 3.5mm es bastante sencilla [10]. Figura 97: Par de conectores Jack Macho y Hembra Pág. 82 Si se descubre el cable del Jack macho se observa que dependiendo del modelo dos o tres cables (depende si es estéreo o mono, incluso cuatro en algunas versiones). Cada anilla (4) se corresponde a un cable. En el conector macho superior se encontrarían tres cables y en el de abajo solo dos. En el conector hembra se puede observar que tiene tres patillas. Cuando se realiza la conexión cada patilla estará conectada con cada una de las secciones del cable macho (1,2,3). Jugando con eso se puede llevar de dos a tres conexiones sabiendo esta información. En la creación de conexiones más sencillas se utilizan conectores especiales para Arduino (figura 98) estos cables tienen su versión macho y versión hembra en todas sus combinaciones. Si se observa el Arduino nano. Se puede comprobar que todos sus inputs y outputs son pines con este tipo de formato. Figura 98: Conectores Hembras y Machos especiales para Arduino En el anexo 6 se puede encontrar la forma de crear estas conexiones de forma más detallada. Para el montaje definitivo, una vez realizados los puntos anteriores, queda simplemente generar: • Cable USB-Jack • Cable USB alimentación del sistema de acondicionamiento • Conectores para las salidas del sistema de acondicionamiento. • Conectores Jack hembra con conectores a su salida para poder extraer la placa de acondicionamiento. • Tierra de conexión entre ambos sistemas. Pág. 83 Figura 99: Conexionado final Pág. 84 Pág. 85 4. PREACONDICIONAMIENTO Y EXPERIMENTACIÓN EN SUJETOS REALES La prótesis ha sido diseñada para que cualquier individuo adulto pueda utilizarlo sin importar género alguno. Asimismo, existe el modelo tanto para la mano izquierda como para la mano derecha. Para efectuar el cambio de usuario solo es necesario realizar un ajuste de parámetros, debido a que cada persona posee una estructura muscular diferente. A continuación se explicará el protocolo a seguir para comenzar a usarla. Como versión del sistema se utilizará la alternativa (apartado 4.3.2), control directo y proporcional de apertura y cierre, cambiando el modo de agarre con el botón de la parte superior de la palma. 4.1. PROTOCOLO DE PRUEBAS El objetivo de este protocolo será el de definir las condiciones de las pruebas junto con el procedimiento detallado de realización. 4.1.1 SUJETOS DE ESTUDIO Han participado en este estudio 5 sujetos sin amputación, hubiera sido más interesante haber realizado las pruebas en sujetos amputados, usuario final de la prótesis, no obstante por la dificultad de encontrarlos en la situación geográfica en la que se desarrolló el proyecto se tuvo que realizar con sujetos sin amputación. Los datos principales de los participantes se recogen en la siguiente tabla: ID GÉNERO (1) EDAD (años) ALTURA (cm) PESO (Kg) Sujeto_00 M 24 174 60 Sujeto_01 M 57 174 78 Sujeto_02 F 28 158 50 Sujeto_03 M 50 167 83 Sujeto_04 F 51 160 47 (1) M = Masculino; F = Femenino Todos los sujetos dieron su aprobación para la participación en el experimento, que no conlleva riesgos físicos ni psicológicos de ningún tipo. Asimismo, Todos disfrutan de un estado salud adecuado a su edad y complexión física. 4.1.2 GRUPO DE MÚSCULOS EMPLEADOS PARA EL CANAL DE CONTROL Y ELECTRODOS UTILIZADOS Los grupos musculares utilizados para recoger las señales de EMG que controlarán las operaciones del sistema fueron el cubital posterior en la mayoría de los sujetos y el flexor profundo de los dedos en el caso de los sujetos 01 y 04 (Figura 100). Pág. 86 Figura 100: Músculo objeto de estudio Figura 101: Disposición de los electrodos en el cubital posterior Figura 102: Disposición de los electrodos en el flexor profundo de los dedos El motivo de la elección fue debido a la intensidad de señal capturada. En esos grupos musculares se capturaron niveles de esfuerzos superiores para los mismos niveles de ganancia/esfuerzo que en el resto. Los electrodos fueron de tipo húmedo de cloruro de plata, misma composición que los que se emplean en los registros de ECG infantil (Figura 16). El electrodo de referencia se sitúa en el codo, lejos de señales de acción muscular. ELECTRODO CANAL 1 ELECTRODO DE REFERENCIA ELECTRODO CANAL 1 ELECTRODO DE REFERENCIA Pág. 87 4.1.3 PROCEDIMIENTO Preparación del sistema: se realiza la colocación de los electrodos, así como de la alimentación. Posteriormente se inicia el protocolo de calibración del apartado 4.7. Figura 103: Iniciación del protocolo de pruebas 1. (Act. 1) Prueba de acomodación: entre 30/45 minutos el sujeto utiliza el sistema para recibir realimentación visual de las acciones de la prótesis y acostumbrarse al sistema. Esta prueba sirve para recoger el parámetro de ajuste individual de la ganancia. Hasta no se haya obtenido la ganancia individual adecuada, no se procede a conectar el sistema electromecánico, solo se utiliza la realimentación del programa system_buttom_version.ino o en su defecto la visualización de la señal de salida en un osciloscopio. Cuando el sujeto esté cómodo con la sensibilidad del sistema, se procede a recoger los datos individuales con un multímetro en los pines señalados en la figura 104. Figura 104: Obtención de la ganancia individual sujeto_05 primer ejercicio Pág. 88 2. (Act. 2) Prueba de movimiento proporcional de la prótesis en Agarre fuerte: En esta prueba se evalúa, con un tiempo máximo entre 2/5 minutos, la habilidad o no del sujeto de controlar el movimiento gradual de la mano protésica sin tener como meta sujetar ningún objeto moviendo todos los dedos de la mano para efectuar un agarre total. Se evaluará de 0 a 10 a juicio del ingeniero responsable la habilidad conseguida por el sujeto en este ejercicio y dentro del tiempo límite. 3. (Act. 3) Prueba de movimiento proporcional de la prótesis en Agarre suave (o de precisión): En esta prueba se evalúa, con un tiempo máximo entre 2/5 minutos, la habilidad o no del sujeto de controlar el movimiento gradual de la mano protésica sin tener como meta sujetar ningún objeto moviendo los dedos índice y pulgar de la mano para efectuar un agarre suave. Se evaluará de 0 a 10 a juicio del ingeniero responsable la habilidad conseguida por el sujeto en este ejercicio y dentro del tiempo límite. 4. (Act. 4) Prueba de la prótesis en Agarre fuerte: En esta prueba se evalúa, con un tiempo máximo entre 2/5 minutos, la habilidad o no del sujeto de controlar el movimiento de la mano protésica para sujetar un objeto medianamente grande, en este caso moviendo todos los dedos de la mano para efectuar un agarre total, como ejemplo se utilizará una botella llena de agua de 200ml. Se evaluará de 0 a 10 a juicio del ingeniero responsable la habilidad conseguida por el sujeto en este ejercicio y dentro del tiempo límite. 5. (Act. 5) Prueba de la prótesis en Agarre de precisión: En esta prueba se evalúa, con un tiempo máximo entre 2/5 minutos, la habilidad o no del sujeto de controlar el movimiento de la mano protésica para sujetar un objeto pequeño moviendo los dedos índice y pulgar de la mano para efectuar un agarre suave, como ejemplo se utilizará un destornillador de precisión. Se evaluará de 0 a 10 a juicio del ingeniero responsable la habilidad conseguida por el sujeto en este ejercicio y dentro del tiempo límite (figura 105). Figura 105: 4º y 5º ejercicio del protocolo Los cambios de modo de operación se efectuarán por los participantes a instancias del ingeniero responsable. 5 6 Pág. 95 Pág. 96 5. CONCLUSIONES Y LINEAS DE MEJORA Atendiendo a los resultados del apartado anterior y el test de satisfacción se puede comprobar que se consiguen los objetivos principales del TFG, un compromiso entre precio, amigabilidad y funcionalidad. El gasto total de los materiales no ha sido superior a 400€ como se pretendía. El modelo en general tiene muchas posibilidades, si bien es cierto que la funcionalidad queda un tanto limitada y existen detalles por pulir que el usuario ha detectado, la base puede considerarse bastante consistente. La primera alternativa propuesta es siguiendo la línea del modelo realizado. Si se elimina el ruido de los servomotores en el circuito de acondicionamiento, el sistema quedaría alimentado exclusivamente por una sola batería. Además si se busca un tamaño adecuado se podrá introducir en el interior del compartimento de la pieza R-SO-02. Eliminar las “diafonías” entre los dos canales, ya sea con otro diseño en el que puedan estar más separados o estudiar el origen de las “diafonías” para eliminarlas de raíz y poder emplear así 2 canales EMG (más el botón o no), enriqueciendo las posibilidades del sistema. Por otro lado, es importante destacar la posibilidad de introducir la primera etapa de ganancia del amplificador de instrumentación en los propios electrodos, disminuirá el tamaño de la PCB necesaria y dejará una amplia variedad de posibilidades en cuanto al diseño e implementación del sistema. Un aspecto importante por desarrollar sería la generación de más estados para una mayor versatilidad. Punto complicado de atender debido a que, si se generan más estados el entrenamiento comenzará a ser más complicado de realizar y bajará la amigabilidad del sistema. Sería de objeto de estudio ver si la relación aumento de dificultad el aumento de versatilidad resulta compensado a efectos prácticos, estudio que se sale fuera los objetivos del proyecto. Una pequeña carencia que se observa en el modelo es la obtención de las señales EMG. El electrodo adhesivo mediante parches superficiales, son de usos muy puntuales. La degradación que sufre el adhesivo tras varios intentos de puesta (inicialmente se puede no haber colocado de manera adecuada y hay que probar en varias posiciones) hace de él un dispositivo poco amigable. Una buena mejora seria la búsqueda de una solución definitiva y no necesitar cambios de los parches diariamente. Adquirir la señal de los músculos mediante sensores ópticos o electrodos secos. Esto implicaría muchos cambios en el circuito de acondicionamiento que habría que estudiar más detenidamente. Por último, independiente de la línea de mejora elegida, un aspecto bastante importante a mencionar es la fuerza de la prótesis, uno de sus mayores hándicaps. Los servomotores pequeños tienen poca fuerza, eligiendo otros motores de tamaños similares pero con mayor potencia aumentará muchísimo su funcionalidad. Como se puede observar. El abanico de mejoras que se le pueden implantar a este modelo puede ser tantas como cada usuario pueda imaginarse. Las sugerencias de los usuarios junto a las líneas de mejora podrían ser cruciales a la hora de llevar el prototipo a su fase final de desarrollo, este proyecto es sólo un ejemplo de lo que podría haber sido. Las prótesis de impresión 3D han venido para quedarse y poder dar soporte a todas aquellas personas que lo necesiten, proporcionando las funcionalidades básicas y necesarias sin un precio desorbitado. Pág. 97 Pág. 98 6. 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Una vez realizado eso, se deshabilitan los motores para que se pueda mover libremente el cabezal. Ilustración 2: Ender 3 Pro Ilustración 1: Ender 3 Pro Figura 110: Ender 3 Pro Figura 111: menú Ender 3 Pro Pág. 101 2. CALIBRAR ALTURA La impresora tiene unas 4 ruedas como señalamos en la figura 112. Estas elevan cada extremo de la cama caliente. Con el cabezal en uno de los extremos de la cama y con una hoja de papel entre ambas, se gira la rueda hasta que la hoja pueda colocarse y sacarse con facilidad La idea es que la boquilla esté lo más pegada posible a la superficie de la cama sin que llegue a tocar. Mas o menos una separación de la mitad de la anchura del PLA. Se repite el proceso en los puntos de la figura 113 y se verifica que se puede ir de lado a lado sin rozar. Una vez realizados los pasos 1 y 2, se imprime una pieza de testeo para comprobar que se ha hecho correctamente. Los síntomas de que no se ha realizado una buena nivelación es una mala adherencia a la base de los objetos que se imprimen (seguramente por exceso de altura) o si el filamento sale excesivamente delgado. Primera capa muy pegada Si tu primera capa está muy pegada a la superficie de impresión podrás ocasionar atascos, rallarás la cama, piezas con las dimensiones incorrectas… Primera capa correcta Cuando la primera capa es correcta los hilos depositados por el extrusor se tocan entre ellos y no están demasiado aplastados contra la cama. Primera capa muy separada Una primera capa muy separada se puede notar por los hilos separados. Las piezas que se imprimen así se suelen despegar de la cama o sufrir warping. Ilustración 3: Calibración cama caliente Figura 112: Calibración cama caliente Figura 113: Puntos de calibrado Figura 114: Primera capas Pág. 100 Anexo 2. CONFIGURACIÓN CURA Antes de empezar a imprimir es necesaria una previa configuración. En esta configuración se habilitan los parámetros principales para poder generar los archivos gcode de la forma más precisa posible. 1. CONFIGURACIÓN DE LA IMPRESORA A UTILIZAR Figura 115: Ajustes de impresora Dentro del apartado de preferencias se agrega el modelo de impresora. La razón detrás de esto es que por defecto el CURA trae unos perfiles de impresión que pueden ser utilizados [3]. En nuestro caso, se decidió utilizar un perfil custumizado donde se eligen los principales parámetros que se van a tocar. En el Anexo 3 tienes explicados detalladamente estos parámetros. Figura 116: CURA custom selection Pág. 101 2. ACTIVAR LOS PARÁMETROS PRINCIPALES: dentro de preferecias/ajustes se creó un nuevo perfil denominado custom selection y fueron activados • Calidad: ➢ Altura de capa ➢ Altura de capa inicial ➢ Anchura de línea • Perímetro: ➢ Recuento de líneas de pared ➢ Expansión horizontal • Relleno: ➢ Densidad de relleno ➢ Patrón de relleno • Material: ➢ Temperatura de impresión ➢ Temperatura placa de impresión ➢ Velocidad de retracción ➢ Temperatura en modo espera • Velocidad: ➢ Velocidad de relleno ➢ Velocidad de pared ➢ Velocidad de soporte ➢ Velocidad de desplazamiento ➢ Velocidad de la capa inicial ➢ Velocidad de falda/borde • Desplazamiento: ➢ Habilitar retracción ➢ Distancia de retracción ➢ Velocidad de retracción ➢ Salto en Z en la retracción ➢ Altura del salto en Z • Soporte: ➢ Generar soporte ➢ Ángulo voladizo del soporte ➢ Patrón del soporte ➢ Densidad del soporte ➢ Distancia en Z del soporte ➢ Adherencia de la placa de impresión: ➢ Tipo de adherencia a la placa de la placa de impresión ➢ Margen adicional de la balsa ➢ Cámara de aire de la balsa ➢ Experimental: ➢ Soporte en árbol 3. SELECIONAR EL PERFIL CREADO Una vez agregada la impresora 3D se tiene la opción de seleccionar los perfiles que la impresora trae de fábrica. Para el TFG se realizó el paso número 2 del anexo y posteriormente se seleccionó el perfil generado en la pestaña que se señala en la figura 117 con los parámetros especificados en el apartado 2.1 del documento. Figura 117: Selección del perfil de impresión Pág. 102 Anexo 3. PARÁMETROS DE IMPRESIÓN En esta sección se expondrá cada uno de los parámetros que se han habilitado y el porqué de la configuración elegida de los apartados 2.1 1. Altura de capa: parámetro que determina como de altas van a ser las capas del objeto. El máximo estará determinado por la boquilla del extrusor. Un parámetro de 0,2 mm es una altura estándar y por defecto. Si se quiere precisión bajaríamos a 0.15mm o si se desea imprimir piezas grandes iríamos a 0,3 mm 2. Altura de capa inicial: lo más recomendable para la capa inicial es la altura máxima posible para una mayor adherencia a la cama caliente. 3. Anchura de línea: si antes se ha determinado el alto, ahora podemos determinar el ancho de las líneas que componen nuestro objeto. 4. Recuento de líneas de pared: en este parámetro se programa cuantas líneas de pared se va a querer, es decir, los objetos tienen una pared y luego el relleno con el patrón seleccionado. Se puede aumentar la robustez de los objetos aumentando tanto el grosor de la pared como el porcentaje del relleno. 5. Expansión horizontal: este es un parámetro muy especial cuando se tienen piezas que se quieren encajar unas con otras, este parámetro es crucial. Como se comentaba en el apartado 2.1 del documento. Es un parámetro que permite ajustar piezas para que tengan que encajar y no lo hacen por problemas de dilataciones o contracciones. Lo más acertado es calcular el parámetro a utilizar en base al tamaño que debería tener y lo que realmente tiene. Una expansión negativa nos encoje el objeto y una expansión positiva nos dilata el objeto. 6. Densidad de relleno: permite seleccionar como de macizo será el objeto. Si es una figura decorativa no es necesario que tenga mucha resistencia por lo que un 20% de densidad será más que adecuado. Si en cambio el objeto tiene una funcionalidad es mejor utilizar rellenos más elevados como son el 50/70% o incluso el 100% dependiendo del tamaño. 7. Patrón de relleno: los parámetros 6 y 7 son esenciales para definir la integridad de las piezas, además de elegir el porcentaje de relleno deja elegir como será ese patrón de rellenado. Podemos elegir entre diferentes opciones como se puede observar en la figura 118. Figura 118: Densidad y patrón de relleno Pág. 109 Pág. 110 Pág. 111 Pág. 112 Anexo 6. CREACIÓN CONECTORES TIPO ARDUINO Para generar conexiones sencillas, acortar el cable de los servomotores o para hacer unas conexiones tipo Arduino es necesario los siguientes componentes: • Clavijas Macho-Hembra (1) • Cables de cobre (2) • Crimpadora (3) 1 1 2 2 3 3 Figura 126: Componentes necesarios para crear el conector tipo Arduino Pág. 113 Figura 127: Utilización de la Crimpadora 1. Se elimina el aislante del cable unos cuantos mm. El conector dispone de tres diferentes secciones, la primera es para agarrar el aislante/cable, el segundo para el alambre de cobre y realizar la conexión y la tercera se reserva para la conexión macho-hembra. 2. Se coloca el conector en la pestaña numero 3 (figura 127) y se fija (se cierra la Crimpadora hasta que no se mueva, pero sin deformarla). 3. Introducir el cable hasta la segunda pestaña teniendo en cuenta lo dicho en el primer apartado. 4. Se cierra completamente la Crimpadora. 5. Se introduce el aislante. Figura 128: Ejemplo de implementación Pág. 114 Anexo 7. DATASHEET INA114 ® INA114 1 FEATURES ●LOW OFFSET VOLTAGE: 50µV max ●LOW DRIFT: 0.25µV/°C max ●LOW INPUT BIAS CURRENT: 2nA max ●HIGH COMMON-MODE REJECTION: 115dB min ●INPUT OVER-VOLTAGE PROTECTION: ±40V ●WIDE SUPPLY RANGE: ±2.25 to ±18V ●LOW QUIESCENT CURRENT: 3mA max ●8-PIN PLASTIC AND SOL-16 INA114 DESCRIPTION The INA114 is a low cost, general purpose instrumentation amplifier offering excellent accuracy. Its versatile 3-op amp design and small size make it ideal for a wide range of applications. A single external resistor sets any gain from 1 to 10,000. Internal input protection can withstand up to ±40V without damage. The INA114 is laser trimmed for very low offset voltage (50µV), drift (0.25µV/°C) and high common-mode rejection (115dB at G = 1000). It operates with power supplies as low as ±2.25V, allowing use in battery operated and single 5V supply systems. Quiescent current is 3mA maximum. The INA114 is available in 8-pin plastic and SOL-16 surface-mount packages. Both are specified for the –40°C to +85°C temperature range. APPLICATIONS ●BRIDGE AMPLIFIER ●THERMOCOUPLE AMPLIFIER ●RTD SENSOR AMPLIFIER ●MEDICAL INSTRUMENTATION ●DATA ACQUISITION A 1 A 2 A 3 (12) (11) 6 (10) 25kΩ25kΩ 25kΩ25kΩ (13)7 (7)4 (5) 3 (15) 8 (2) 1 (4) 2 V IN V IN R G V+ V– INA114 DIP (SOIC) Ref DIP Connected Internally V O G = 1 + 50kΩ R G – +5 Over-Voltage Protection 25kΩ 25kΩ Over-Voltage Protection Feedback Precision INSTRUMENTATION AMPLIFIER ® International Airport Industrial Park • Mailing Address: PO Box 11400, Tucson, AZ 85734 • Street Address: 6730 S. Tucson Blvd., Tucson, AZ 85706 • Tel: (520) 746-1111 • Twx: 910-952-1111 Internet: http://www.burr-brown.com/ • FAXLine: (800) 548-6133 (US/Canada Only) • Cable: BBRCORP • Telex: 066-6491 • FAX: (520) 889-1510 • Immediate Product Info: (800) 548-6132 INA114 INA114 ©1992 Burr-Brown Corporation PDS-1142D Printed in U.S.A. March, 1998 SBOS014 ® INA114 2 SPECIFICATIONS ELECTRICAL At TA = +25°C, VS = ±15V, RL = 2kΩ, unless otherwise noted. ✻ Specification same as INA114BP/BU. NOTE: (1) Temperature coefficient of the “50kΩ” term in the gain equation. INA114BP, BU INA114AP, AU PARAMETER CONDITIONS MIN TYP MAX MIN TYP MAX UNITS The information provided herein is believed to be reliable; however, BURR-BROWN assumes no responsibility for inaccuracies or omissions. BURR-BROWN assumes no responsibility for the use of this information, and all use of such information shall be entirely at the user’s own risk. Prices and specifications are subject to change without notice. No patent rights or licenses to any of the circuits described herein are implied or granted to any third party. BURR-BROWN does not authorize or warrant any BURR-BROWN product for use in life support devices and/or systems. INPUT Offset Voltage, RTI Initial TA = +25°C±10 + 20/G ±50 + 100/G ±25 + 30/G ±125 + 500/G µV vs Temperature TA = TMIN to TMAX ±0.1 + 0.5/G ±0.25 + 5/G ±0.25 + 5/G ±1 + 10/G µV/°C vs Power Supply VS = ±2.25V to ±18V 0.5 + 2/G 3 + 10/G ✻✻µV/V Long-Term Stability ±0.2 + 0.5/G ✻µV/mo Impedance, Differential 1010 || 6 ✻Ω || pF Common-Mode 1010 || 6 ✻Ω || pF Input Common-Mode Range ±11 ±13.5 ✻✻ V Safe Input Voltage ±40 ✻V Common-Mode Rejection VCM = ±10V, ∆RS = 1kΩ G = 1 80 96 75 90 dB G = 10 96 115 90 106 dB G = 100 110 120 106 110 dB G = 1000 115 120 106 110 dB BIAS CURRENT ±0.5 ±2✻±5nA vs Temperature ±8✻pA/°C OFFSET CURRENT ±0.5 ±2✻±5nA vs Temperature ±8✻pA/°C NOISE VOLTAGE, RTI G = 1000, RS = 0Ω f = 10Hz 15 ✻nV/√Hz f = 100Hz 11 ✻nV/√Hz f = 1kHz 11 ✻nV/√Hz fB = 0.1Hz to 10Hz 0.4 ✻µVp-p Noise Current f=10Hz 0.4 ✻pA/√Hz f=1kHz 0.2 ✻pA/√Hz fB = 0.1Hz to 10Hz 18 ✻pAp-p GAIN Gain Equation 1 + (50kΩ/RG)✻V/V Range of Gain 1 10000 ✻✻V/V Gain Error G = 1 ±0.01 ±0.05 ✻✻% G = 10 ±0.02 ±0.4 ✻±0.5 % G = 100 ±0.05 ±0.5 ✻±0.7 % G = 1000 ±0.5 ±1✻±2% Gain vs Temperature G = 1 ±2±10 ✻±10 ppm/°C 50kΩ Resistance(1) ±25 ±100 ✻✻ppm/°C Nonlinearity G = 1 ±0.0001 ±0.001 ✻±0.002 % of FSR G = 10 ±0.0005 ±0.002 ✻±0.004 % of FSR G = 100 ±0.0005 ±0.002 ✻±0.004 % of FSR G = 1000 ±0.002 ±0.01 ✻±0.02 % of FSR OUTPUT Voltage IO = 5mA, TMIN to TMAX ±13.5 ±13.7 ✻✻ V V S = ±11.4V, RL = 2kΩ±10 ±10.5 ✻✻ V V S = ±2.25V, RL = 2kΩ±1±1.5 ✻✻ V Load Capacitance Stability 1000 ✻pF Short Circuit Current +20/–15 ✻mA FREQUENCY RESPONSE Bandwidth, –3dB G = 1 1 ✻MHz G = 10 100 ✻kHz G = 100 10 ✻kHz G = 1000 1 ✻kHz Slew Rate VO = ±10V, G = 10 0.3 0.6 ✻✻ V/µs Settling Time, 0.01% G = 1 18 ✻µs G = 10 20 ✻µs G = 100 120 ✻µs G = 1000 1100 ✻µs Overload Recovery 50% Overdrive 20 ✻µs POWER SUPPLY Voltage Range ±2.25 ±15 ±18 ✻✻ ✻V Current VIN = 0V ±2.2 ±3✻✻mA TEMPERATURE RANGE Specification –40 85 ✻✻°C Operating –40 125 ✻✻°C θ JA 80 ✻°C/W ® INA114 3 R G V –IN V +IN V– R G V+ V O Ref 1 2 3 4 8 7 6 5 P Package 8-Pin DIP Top View PIN CONFIGURATIONS ELECTROSTATIC DISCHARGE SENSITIVITY This integrated circuit can be damaged by ESD. Burr-Brown recommends that all integrated circuits be handled with appropriate precautions. Failure to observe proper handling and installation procedures can cause damage. ESD damage can range from subtle performance degradation to complete device failure. Precision integrated circuits may be more susceptible to damage because very small parametric changes could cause the device not to meet its published specifications. NC R G NC V –IN V +IN NC V– NC NC R G NC V+ Feedback V O Ref NC 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 U Package SOL-16 Surface-Mount Top View PACKAGE DRAWING TEMPERATURE PRODUCT PACKAGE NUMBER(1) RANGE INA114AP 8-Pin Plastic DIP 006 –40°C to +85°C INA114BP 8-Pin Plastic DIP 006 –40°C to +85°C INA114AU SOL-16 Surface-Mount 211 –40°C to +85°C INA114BU SOL-16 Surface-Mount 211 –40°C to +85°C NOTE: (1) For detailed drawing and dimension table, please see end of data sheet, or Appendix C of Burr-Brown IC Data Book. PACKAGE/ORDERING INFORMATION Supply Voltage .................................................................................. ±18V Input Voltage Range.......................................................................... ±40V Output Short-Circuit (to ground) .............................................. Continuous Operating Temperature ................................................. –40°C to +125°C Storage Temperature..................................................... –40°C to +125°C Junction Temperature.................................................................... +150°C Lead Temperature (soldering, 10s)............................................... +300°C NOTE: (1) Stresses above these ratings may cause permanent damage. ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS(1) ® INA114 4 INPUT-REFERRED NOISE VOLTAGE vs FREQUENCY Frequency (Hz) Input-Referred Noise Voltage (nV/√ Hz) 110 1k100 1k 100 10 110k G = 1 G = 10 G = 100, 1000 G = 1000 BW Limit NEGATIVE POWER SUPPLY REJECTION vs FREQUENCY Frequency (Hz) Power Supply Rejection (dB) 10 100 10k 1M1k 140 120 100 80 60 40 20 0100k G = 1 G = 10 G = 100 G = 1000 POSITIVE POWER SUPPLY REJECTION vs FREQUENCY Frequency (Hz) Power Supply Rejection (dB) 10 100 10k 1M1k 140 120 100 80 60 40 20 0100k G = 1 G = 10 G = 100 G = 1000 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE RANGE vs OUTPUT VOLTAGE Output Voltage (V) Common-Mode Voltage (V) –15 –10 0 5 15–5 15 10 5 0 –5 –10 –15 10 Limited by A 1 + Output Swing A 3 – Output Swing Limit A 3 + Output Swing Limit Limited by A 2 – Output Swing Limited by A 1 – Output Swing Limited by A 2 + Output Swing V D/2 – + – + VCM VO (Any Gain) V D/2 COMMON-MODE REJECTION vs FREQUENCY Frequency (Hz) Common-Mode Rejection (dB) 10 100 10k 100k 1M1k 140 120 100 80 60 40 20 0 G = 1k G = 100 G = 10 G = 1 G = 100, 1k G = 10 GAIN vs FREQUENCY Frequency (Hz) Gain (V/V) 10 100 10k 100k 1M1k 1k 100 10 1 TYPICAL PERFORMANCE CURVES At T A = +25°C, V S = ±15V, unless otherwise noted. ® INA114 11 FIGURE 8. RTD Temperature Measurement Circuit. SEEBECK ISA COEFFICIENT R2R4 TYPE MATERIAL (µV/°C) (R3 = 100Ω)(R 5 + R6 = 100Ω) E Chromel 58.5 3.48kΩ56.2kΩ Constantan J Iron 50.2 4.12kΩ64.9kΩ Constantan K Chromel 39.4 5.23kΩ80.6kΩ Alumel T Copper 38.0 5.49kΩ84.5kΩ Constantan NOTES: (1) –2.1mV/°C at 200µA. (2) R7 provides down-scale burn-out indication. FIGURE 9. Thermocouple Amplifier With Cold Junction Compensation. INA114 R G Ref V O 100µA V+ V+ R Z RTD 1 2 3 Equal line resistance here creates a small common-mode voltage which is rejected by INA114. Resistance in this line causes a small common-mode voltage which is re j ected b y INA114. V O = 0V at R RTD = R Z REF200 REF102 R 80.6k 4 Ω R 1M 7 Ω R 5.23k 2 Ω R 27k 1 Ω R 100 3 Ω 1N4148 Cu Cu R 50 5 Ω R 100 Zero Adj 6 Ω V+ K 6 10.0V 4 (1) (2) 2 INA114 V O Ref ® INA114 12 INA114 R G V O C 1 0.1µF OPA602 Ref R 1 1MΩ f –3dB = 1 2πR 1 C 1 = 1.59Hz V IN + – FIGURE 10. ECG Amplifier With Right-Leg Drive. FIGURE 12. AC-Coupled Instrumentation Amplifier. INA114 R G/2 V O LA RL RA 10kΩ Ref G = 102.8kΩ 2.8kΩ 1/2 OPA2604 390kΩ 390kΩ 1/2 OPA2604 FIGURE 11. Bridge Transducer Amplifier. INA114 R G 100Ω V O +10V Bridge G = 500 Ref INA114 R G I B R 1 V IN – + A 1 I O Load I O = • G V IN R Ref FIGURE 13. Differential Voltage-to-Current Converter. A1IB Error OPA177 ±1.5nA OPA602 1pA OPA128 75fA PACKAGE OPTION ADDENDUM www.ti.com 11-Apr-2015 Addendum-Page 1 PACKAGING INFORMATION Orderable Device Status (1) Package Type Package Drawing Pins Package Qty Eco Plan (2) Lead/Ball Finish (6) MSL Peak Temp (3) Op Temp (°C) Device Marking (4/5) Samples INA114AP ACTIVE PDIP P 8 50 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU N / A for Pkg Type INA114AP INA114APG4 ACTIVE PDIP P 8 50 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU N / A for Pkg Type INA114AP INA114AU ACTIVE SOIC DW 16 40 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU-DCC Level-3-260C-168 HR -40 to 85 INA114AU INA114AU/1K ACTIVE SOIC DW 16 1000 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU-DCC Level-3-260C-168 HR -40 to 85 INA114AU INA114AU/1KE4 ACTIVE SOIC DW 16 1000 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU-DCC Level-3-260C-168 HR -40 to 85 INA114AU INA114AUE4 ACTIVE SOIC DW 16 40 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU-DCC Level-3-260C-168 HR -40 to 85 INA114AU INA114AUG4 ACTIVE SOIC DW 16 40 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU-DCC Level-3-260C-168 HR -40 to 85 INA114AU INA114BP ACTIVE PDIP P 8 50 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU N / A for Pkg Type INA114BP INA114BPG4 ACTIVE PDIP P 8 50 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU N / A for Pkg Type INA114BP INA114BU ACTIVE SOIC DW 16 40 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU-DCC Level-3-260C-168 HR INA114BU INA114BU/1K ACTIVE SOIC DW 16 1000 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU-DCC Level-3-260C-168 HR INA114BU INA114BU/1KE4 ACTIVE SOIC DW 16 1000 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU-DCC Level-3-260C-168 HR INA114BU (1) The marketing status values are defined as follows: ACTIVE: Product device recommended for new designs. LIFEBUY: TI has announced that the device will be discontinued, and a lifetime-buy period is in effect. NRND: Not recommended for new designs. Device is in production to support existing customers, but TI does not recommend using this part in a new design. PREVIEW: Device has been announced but is not in production. Samples may or may not be available. OBSOLETE: TI has discontinued the production of the device. (2) Eco Plan - The planned eco-friendly classification: Pb-Free (RoHS), Pb-Free (RoHS Exempt), or Green (RoHS & no Sb/Br) - please check http://www.ti.com/productcontent for the latest availability information and additional product content details. TBD: The Pb-Free/Green conversion plan has not been defined. PACKAGE OPTION ADDENDUM www.ti.com 11-Apr-2015 Addendum-Page 2 Pb-Free (RoHS): TI's terms "Lead-Free" or "Pb-Free" mean semiconductor products that are compatible with the current RoHS requirements for all 6 substances, including the requirement that lead not exceed 0.1% by weight in homogeneous materials. Where designed to be soldered at high temperatures, TI Pb-Free products are suitable for use in specified lead-free processes. Pb-Free (RoHS Exempt): This component has a RoHS exemption for either 1) lead-based flip-chip solder bumps used between the die and package, or 2) lead-based die adhesive used between the die and leadframe. The component is otherwise considered Pb-Free (RoHS compatible) as defined above. Green (RoHS & no Sb/Br): TI defines "Green" to mean Pb-Free (RoHS compatible), and free of Bromine (Br) and Antimony (Sb) based flame retardants (Br or Sb do not exceed 0.1% by weight in homogeneous material) (3) MSL, Peak Temp. - The Moisture Sensitivity Level rating according to the JEDEC industry standard classifications, and peak solder temperature. (4) There may be additional marking, which relates to the logo, the lot trace code information, or the environmental category on the device. (5) Multiple Device Markings will be inside parentheses. Only one Device Marking contained in parentheses and separated by a "~" will appear on a device. If a line is indented then it is a continuation of the previous line and the two combined represent the entire Device Marking for that device. (6) Lead/Ball Finish - Orderable Devices may have multiple material finish options. Finish options are separated by a vertical ruled line. Lead/Ball Finish values may wrap to two lines if the finish value exceeds the maximum column width. Important Information and Disclaimer:The information provided on this page represents TI's knowledge and belief as of the date that it is provided. TI bases its knowledge and belief on information provided by third parties, and makes no representation or warranty as to the accuracy of such information. Efforts are underway to better integrate information from third parties. TI has taken and continues to take reasonable steps to provide representative and accurate information but may not have conducted destructive testing or chemical analysis on incoming materials and chemicals. TI and TI suppliers consider certain information to be proprietary, and thus CAS numbers and other limited information may not be available for release. In no event shall TI's liability arising out of such information exceed the total purchase price of the TI part(s) at issue in this document sold by TI to Customer on an annual basis. TAPE AND REEL INFORMATION *All dimensions are nominal Device Package Type Package Drawing Pins SPQ Reel Diameter (mm) Reel Width W1 (mm) A0 (mm) B0 (mm) K0 (mm) P1 (mm) W (mm) Pin1 Quadrant INA114AU/1K SOIC DW 16 1000 330.0 16.4 10.75 10.7 2.7 12.0 16.0 Q1 INA114BU/1K SOIC DW 16 1000 330.0 16.4 10.75 10.7 2.7 12.0 16.0 Q1 PACKAGE MATERIALS INFORMATION www.ti.com 4-Nov-2015 Pack Materials-Page 1 *All dimensions are nominal Device Package Type Package Drawing Pins SPQ Length (mm) Width (mm) Height (mm) INA114AU/1K SOIC DW 16 1000 367.0 367.0 38.0 INA114BU/1K SOIC DW 16 1000 367.0 367.0 38.0 PACKAGE MATERIALS INFORMATION www.ti.com 4-Nov-2015 Pack Materials-Page 2 IMPORTANT NOTICE Texas Instruments Incorporated and its subsidiaries (TI) reserve the right to make corrections, enhancements, improvements and other changes to its semiconductor products and services per JESD46, latest issue, and to discontinue any product or service per JESD48, latest issue. Buyers should obtain the latest relevant information before placing orders and should verify that such information is current and complete. All semiconductor products (also referred to herein as “components”) are sold subject to TI’s terms and conditions of sale supplied at the time of order acknowledgment. TI warrants performance of its components to the specifications applicable at the time of sale, in accordance with the warranty in TI’s terms and conditions of sale of semiconductor products. Testing and other quality control techniques are used to the extent TI deems necessary to support this warranty. Except where mandated by applicable law, testing of all parameters of each component is not necessarily performed. TI assumes no liability for applications assistance or the design of Buyers’ products. Buyers are responsible for their products and applications using TI components. To minimize the risks associated with Buyers’ products and applications, Buyers should provide adequate design and operating safeguards. TI does not warrant or represent that any license, either express or implied, is granted under any patent right, copyright, mask work right, or other intellectual property right relating to any combination, machine, or process in which TI components or services are used. Information published by TI regarding third-party products or services does not constitute a license to use such products or services or a warranty or endorsement thereof. Use of such information may require a license from a third party under the patents or other intellectual property of the third party, or a license from TI under the patents or other intellectual property of TI. Reproduction of significant portions of TI information in TI data books or data sheets is permissible only if reproduction is without alteration and is accompanied by all associated warranties, conditions, limitations, and notices. TI is not responsible or liable for such altered documentation. Information of third parties may be subject to additional restrictions. Resale of TI components or services with statements different from or beyond the parameters stated by TI for that component or service voids all express and any implied warranties for the associated TI component or service and is an unfair and deceptive business practice. TI is not responsible or liable for any such statements. Buyer acknowledges and agrees that it is solely responsible for compliance with all legal, regulatory and safety-related requirements concerning its products, and any use of TI components in its applications, notwithstanding any applications-related information or support that may be provided by TI. Buyer represents and agrees that it has all the necessary expertise to create and implement safeguards which anticipate dangerous consequences of failures, monitor failures and their consequences, lessen the likelihood of failures that might cause harm and take appropriate remedial actions. Buyer will fully indemnify TI and its representatives against any damages arising out of the use of any TI components in safety-critical applications. In some cases, TI components may be promoted specifically to facilitate safety-related applications. With such components, TI’s goal is to help enable customers to design and create their own end-product solutions that meet applicable functional safety standards and requirements. Nonetheless, such components are subject to these terms. No TI components are authorized for use in FDA Class III (or similar life-critical medical equipment) unless authorized officers of the parties have executed a special agreement specifically governing such use. Only those TI components which TI has specifically designated as military grade or “enhanced plastic” are designed and intended for use in military/aerospace applications or environments. Buyer acknowledges and agrees that any military or aerospace use of TI components which have not been so designated is solely at the Buyer's risk, and that Buyer is solely responsible for compliance with all legal and regulatory requirements in connection with such use. TI has specifically designated certain components as meeting ISO/TS16949 requirements, mainly for automotive use. In any case of use of non-designated products, TI will not be responsible for any failure to meet ISO/TS16949. Products Applications Audio www.ti.com/audio Automotive and Transportation www.ti.com/automotive Amplifiers amplifier.ti.com Communications and Telecom www.ti.com/communications Data Converters dataconverter.ti.com Computers and Peripherals www.ti.com/computers DLP® Products www.dlp.com Consumer Electronics www.ti.com/consumer-apps DSP dsp.ti.com Energy and Lighting www.ti.com/energy Clocks and Timers www.ti.com/clocks Industrial www.ti.com/industrial Interface interface.ti.com Medical www.ti.com/medical Logic logic.ti.com Security www.ti.com/security Power Mgmt power.ti.com Space, Avionics and Defense www.ti.com/space-avionics-defense Microcontrollers microcontroller.ti.com Video and Imaging www.ti.com/video RFID www.ti-rfid.com OMAP Applications Processors www.ti.com/omap TI E2E Community e2e.ti.com Wireless Connectivity www.ti.com/wirelessconnectivity Mailing Address: Texas Instruments, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265 Copyright © 2015, Texas Instruments Incorporated Anexo 8. DATASHEET TL084             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 1 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 DLow Power Consumption DWide Common-Mode and Differential Voltage Ranges DLow Input Bias and Offset Currents DOutput Short-Circuit Protection DLow Total Harmonic Distortion . . . 0.003% Typ DHigh Input Impedance . . . JFET-Input Stage DLatch-Up-Free Operation DHigh Slew Rate . . . 13 V/µs Typ DCommon-Mode Input Voltage Range Includes VCC+ description/ordering information The TL08x JFET-input operational amplifier family is designed to offer a wider selection than any previously developed operational amplifier family. Each of these JFET-input operational amplifiers incorporates well-matched, high-voltage JFET and bipolar transistors in a monolithic integrated circuit. The devices feature high slew rates, low input bias and offset currents, and low offset-voltage temperature coefficient. Offset adjustment and external compensation options are available within the TL08x family. The C-suffix devices are characterized for operation from 0°C to 70°C. The I-suffix devices are characterized for operation from −40°C to 85°C. The Q-suffix devices are characterized for operation from −40°C to 125°C. The M-suffix devices are characterized for operation over the full military temperature range of −55°C to 125°C. ORDERING INFORMATION TJVIOmax AT 255CPACKAGE†ORDERABLE PART NUMBER TOP-SIDE MARKING PDIP (P) Tube of 50 TL081CP TL081CP PDIP (P) Tube of 50 TL082CP TL082CP PDIP (N) Tube of 25 TL084CN TL084CN Tube of 75 TL081CD TL081C Reel of 2500 TL081CDR TL081C SOIC (D) Tube of 75 TL082CD TL082C SOIC (D) Reel of 2500 TL082CDR TL082C 0°C to 70°C 15 mV Tube of 50 TL084CD TL084C 0°C to 70°C15 mV Reel of 2500 TL084CDR TL084C SOP (PS) Reel of 2000 TL081CPSR T081 SOP (PS) Reel of 2000 TL082CPSR T082 SOP (NS) Reel of 2000 TL084CNSR TL084 Tube of 150 TL082CPW T082 TSSOP (PW) Reel of 2000 TL082CPWR T082 TSSOP (PW) Tube of 90 TL084CPW T084 Reel of 2000 TL084CPWR T084 †Package drawings, standard packing quantities, thermal data, symbolization, and PCB design guidelines are available at www.ti.com/sc/package. Please be aware that an important notice concerning availability, standard warranty, and use in critical applications o f Texas Instruments semiconductor products and disclaimers thereto appears at the end of this data sheet. Copyright  2004, Texas Instruments Incorporated   ! " #$%! "  &$'(#! )!%* )$#!" # ! "&%##!" &% !+% !%"  %," "!$%!" 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of 2000 TL084ACNSR TL084A PDIP (P) Tube of 50 TL081BCP TL081BCP PDIP (P) Tube of 50 TL082BCP TL082BCP PDIP (N) Tube of 25 TL084BCN TL084BCN Tube of 75 TL081BCD 081BC 3 mV Reel of 2500 TL081BCDR 081BC 3 mV SOIC (D) Tube of 75 TL082BCD 082BC SOIC (D) Reel of 2500 TL082BCDR 082BC Tube of 50 TL084BCD TL084BC Reel of 2500 TL084BCDR TL084BC PDIP (P) Tube of 50 TL081IP TL081IP PDIP (P) Tube of 50 TL082IP TL082IP PDIP (N) Tube of 25 TL084IN TL081IN Tube of 75 TL081ID TL081I −40°C to 85°C 6 mV Reel of 2500 TL081IDR TL081I −40°C to 85°C6 mV SOIC (D) Tube of 75 TL082ID TL082I SOIC (D) Reel of 2500 TL082IDR TL082I Tube of 50 TL084ID TL084I Reel of 2500 TL084IDR TL084I TSSOP (PW) Reel of 2000 TL082IPWR Z082 −40°C to 125°C 9 mV SOIC (D) Tube of 50 TL084QD TL084QD −40°C to 125°C9 mV SOIC (D) Reel of 2500 TL084QDR TL084QD 9 mV CDIP (J) Tube of 25 TL084MJ TL084MJ −55°C to 125°C 9 mV LCCC (FK) Reel of 55 TL084FK TL084FK −55 ° C to 125 ° C 6 mV CDIP (JG) Tube of 50 TL082MJG TL082MJG 6 mV LCCC (FK) Tube of 55 TL082MFK TL082MFK †Package drawings, standard packing quantities, thermal data, symbolization, and PCB design guidelines are available at www.ti.com/sc/package.             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 9 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 TYPICAL CHARACTERISTICS Table of Graphs FIGURE vs Frequency 5, 6, 7 VOM Maximum peak output voltage vs Frequency vs Free-air temperature 5, 6, 7 8 VOM Maximum peak output voltage vs Free-air temperature vs Load resistance vs Supply voltage 8 9 10 vs Load resistance vs Supply voltage 9 10 Large-signal differential voltage amplification vs Free-air temperature 11 AVD Large-signal differential voltage amplification vs Free-air temperature vs Frequency 11 12 AVD Differential voltage amplification vs Frequency with feed-forward compensation 13 PDTotal power dissipation vs Free-air temperature 14 ICC Supply current vs Free-air temperature 15 ICC Supply current vs Free-air temperature vs Supply voltage 15 16 IIB Input bias current vs Free-air temperature 17 Large-signal pulse response vs Time 18 VOOutput voltage vs Elapsed time 19 CMRR Common-mode rejection ratio vs Free-air temperature 20 VnEquivalent input noise voltage vs Frequency 21 THD Total harmonic distortion vs Frequency 22 Figure 5 ±15 ±12.5 ±10 ±7.5 ±5 ±2.5 0 f − Frequency − Hz 1 k 10 k 100 k 1 M 10 M RL = 10 kΩ TA = 25°C See Figure 2 VCC± = ±15 V VCC± = ±10 V VCC± = ±5 V − Maximum Peak Output Voltage − V MAXIMUM PEAK OUTPUT VOLTAGE vs FREQUENCY VOM 100 Figure 6 MAXIMUM PEAK OUTPUT VOLTAGE vs FREQUENCY VCC± = ±5 V VCC± = ±10 V VCC± = ±15 V RL = 2 kΩ TA = 25°C ±15 ±12.5 ±10 ±7.5 ±5 ±2.5 0 f − Frequency − Hz 100 1 k 10 k 1 M 10 M See Figure 2 100 k − Maximum Peak Output Voltage − V VOM             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 10 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 TYPICAL CHARACTERISTICS† Figure 7 0 ±2.5 ±5 ±7.5 ±10 ±12.5 ±15 10 k 40 k 100 k 400 k 1 M 4 M 10 M VCC± = ±15 V RL = 2 kΩ See Figure 2 TA = −55°C TA = 25°C TA = 125°C f − Frequency − Hz MAXIMUM PEAK OUTPUT VOLTAGE vs FREQUENCY − Maximum Peak Output Voltage − V VOM Figure 8 ±12.5 ±10 ±7.5 ±5 ±2.5 MAXIMUM PEAK OUTPUT VOLTAGE vs FREE-AIR TEMPERATURE − 75 − 50 − 25 0 25 50 75 100 125 ±15 0 ÎÎÎÎ ÎÎÎÎ RL = 10 kW ÎÎÎÎ RL = 2 kW VCC±= ±15 V See Figure 2 − Maximum Peak Output Voltage − V VOM TA − Free-Air Temperature − °C Figure 9 0.1 0 RL − Load Resistance − kΩ 10 ±15 ±2.5 ±5 ±7.5 ±10 ±12.5 VCC± = ±15 V TA = 25°C See Figure 2 0.2 0.4 0.7 1 2 4 7 MAXIMUM PEAK OUTPUT VOLTAGE vs LOAD RESISTANCE − Maximum Peak Output Voltage − V VOM Figure 10 0 0 |VCC±| − Supply Voltage − V 16 ±15 2 4 6 8 10 12 14 ±2.5 ±5 ±7.5 ±10 ±12.5 RL = 10 kΩ TA = 25°C MAXIMUM PEAK OUTPUT VOLTAGE vs SUPPLY VOLTAGE − Maximum Peak Output Voltage − V VOM †Data at high and low temperatures are applicable only within the rated operating free-air temperature ranges of the various devices.             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 11 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 TYPICAL CHARACTERISTICS† 700 70 7 −75 1 TA − Free-Air Temperature − °C 125 1000 −50 −25 0 25 50 75 100 2 4 10 20 40 100 200 400 VCC± = ±15 V VO = ±10 V RL = 2 kΩ LARGE-SIGNAL DIFFERENTIAL VOLTAGE AMPLIFICATION vs FREE-AIR TEMPERATURE − Large-Signal Differential AVD Voltage Amplification − V/mV Figure 11 180° 135° 90° 45° 0° Phase Shift (right scale) TA = 25°C RL = 10 kΩ VCC± = ±5 V to ±15 V Differential Voltage Amplification (left scale) 105 104 103 102 101 1 M100 k10 k1 k10010 106 10 M f − Frequency − Hz 11 LARGE-SIGNAL DIFFERENTIAL VOLTAGE AMPLIFICATION vs FREQUENCY − Large-Signal Differential AVD Voltage Amplification − V/mV Phase Shift Figure 12 †Data at high and low temperatures are applicable only within the rated operating free-air temperature ranges of the various devices.             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 12 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 TYPICAL CHARACTERISTICS† Figure 13 See Figure 3 TA = 25°C C2 = 3 pF VCC± = ±15 V 105 104 103 102 10 1 M100 k10 k1 k 106 10 M f − Frequency With Feed-Forward Compensation − Hz 1 100 DIFFERENTIAL VOLTAGE AMPLIFICATION vs FREQUENCY WITH FEED-FORWARD COMPENSATION − Differential Voltage Amplification − V/mVA VD Figure 14 −75 0 − Total Power Dissipation − mW TA − Free-Air Temperature − °C 125 250 −50 −25 0 25 50 75 100 25 50 75 100 125 150 175 200 225 VCC± = ±15 V No Signal No Load TL084, TL085 TL082, TL083 TL081 TOTAL POWER DISSIPATION vs FREE-AIR TEMPERATURE P D Figure 15 − Supply Current − mA −75 0 TA − Free-Air Temperature − °C 125 2.0 −50 −25 0 25 50 75 100 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 VCC± = ±15 V No Signal No Load SUPPLY CURRENT PER AMPLIFIER vs FREE-AIR TEMPERATURE I CC ± Figure 16 0 0 |VCC±| − Supply Voltage − V 16 2.0 2 4 6 8 10 12 14 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 TA = 25°C No Signal No Load SUPPLY CURRENT vs SUPPLY VOLTAGE − Supply Current − mAICC ± †Data at high and low temperatures are applicable only within the rated operating free-air temperature ranges of the various devices.             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 13 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 TYPICAL CHARACTERISTICS† Figure 17 − 50 0.01 − Input Bias Current − nA TA − Free-Air Temperature − °C 125 100 − 25 0 25 50 75 100 0.1 1 10 VCC± = ±15 V INPUT BIAS CURRENT vs FREE-AIR TEMPERATURE IIB Figure 18 VCC± = ±15 V RL = 2 kΩ CL = 100 pF TA = 25°C Output 4 2 0 − 2 − 4 32.521.510.50 6 3.5 t − Time − µs Input and Output Voltages − V − 6 VOLTAGE-FOLLOWER LARGE-SIGNAL PULSE RESPONSE Input Figure 19 − 4 − Output Voltage − mV t − Elapsed Time − µs 1.2 28 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 4 8 12 16 20 24 OUTPUT VOLTAGE vs ELAPSED TIME VO VCC± = ±15 V RL = 2 kΩ CL = 100 pF TA = 25°C See Figure 1 Figure 20 RL = 10 kΩ VCC± = ±15 V 88 87 86 85 84 1007550250− 25− 50 89 125 TA − Free-Air Temperature − °C CMRR − Common-Mode Rejection Ratio − dB 83 − 75 COMMON-MODE REJECTION RATIO vs FREE-AIR TEMPERATURE †Data at high and low temperatures are applicable only within the rated operating free-air temperature ranges of the various devices.             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 14 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 TYPICAL CHARACTERISTICS† Figure 21 10 0 − Equilvalent Input Noise Voltage − f − Frequency − Hz 100 k 50 10 20 30 40 VCC± = ±15 V AVD = 10 RS = 20 Ω TA = 25°C 40 100 400 1 k 4 k 10 k 40 k EQUIVALENT INPUT NOISE VOLTAGE vs FREQUENCY VnnV/ Hz Figure 22 0.001 THD − Total Harmonic Distortion − % 1VCC± = ±15 V AVD = 1 VI(RMS) = 6 V TA = 25°C 40 k10 k4 k1 k400 100 k f − Frequency − Hz 10 0.004 0.01 0.04 0.1 0.4 TOTAL HARMONIC DISTORTION vs FREQUENCY †Data at high and low temperatures are applicable only within the rated operating free-air temperature ranges of the various devices. APPLICATION INFORMATION Figure 23 + − −15 V 15 V Output 1 kΩ 9.1 kΩ 3.3 kΩ CF = 3.3 µF RF = 100 kΩ 3.3 kΩ TL081 f = 2π RF CF 1 Figure 24 + − R1 C1 C2 R3 C3 VCC− VCC+ TL081 OutputInput R2 R1 = R2 = 2(R3) = 1.5 MΩ fo = 2π R1 C1 1= 1 kHz C1 = C2 = = 110 pF C3 2             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 15 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 APPLICATION INFORMATION Input − + + − TL084 Output C Output BTL084 − + VCC+ Output ATL084 − + VCC+ TL084 VCC+ 100 kΩ 100 µF 1 µF 1 MΩ 100 kΩ 100 kΩ100 kΩ VCC+ VCC+ Figure 25. Audio-Distribution Amplifier + − + − 88.4 kΩ 18 pF VCC+ VCC− 18 pF 18 pF 88.4 kΩ 88.4 kΩ 1N4148 1N4148 VCC− VCC+ 1 kΩ − 15 V 6 cos ωt 15 V 18 kΩ (see Note A) 1 kΩ 6 sin ωt 1/2 TL082 1/2 TL082 18 kΩ (see Note A) NOTE A: These resistor values may be adjusted for a symmetrical output. Figure 26. 100-KHz Quadrature Oscillator             SLOS081G − FEBRUARY 1977 − REVISED SEPTEMBER 2004 16 POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265 APPLICATION INFORMATION Output BOutput A + − 1.5 kΩVCC− 43 kΩ 220 pF 43 kΩ VCC+ 30 kΩ VCC+ 43 kΩ VCC− + − 16 kΩ 43 kΩ Input 220 pF 220 pF 16 kΩ + − VCC− VCC+ 30 kΩ VCC+ 43 kΩ 220 pF 43 kΩ VCC− + − 1.5 kΩ 1/4 TL084 2 kHz/div Second-Order Bandpass Filter fo = 100 kHz, Q = 30, GAIN = 4 2 kHz/div Cascaded Bandpass Filter fo = 100 kHz, Q = 69, GAIN = 16 Output A Outpu t B 1/4 TL084 1/4 TL084 1/4 TL084 Figure 27. Positive-Feedback Bandpass Filter IMPORTANT NOTICE Texas Instruments Incorporated and its subsidiaries (TI) reserve the right to make corrections, modifications, enhancements,improvements, and other changes to its products and services at any time and to discontinue any product or service without notice.Customers should obtain the latest relevant information before placing orders and should verify that such information is current andcomplete. All products are sold subject to TI’s terms and conditions of sale supplied at the time of order acknowledgment. TI warrants performance of its hardware products to the specifications applicable at the time of sale in accordance with TI’sstandard warranty. Testing and other quality control techniques are used to the extent TI deems necessary to support thiswarranty. Except where mandated by government requirements, testing of all parameters of each product is not necessarilyperformed. 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Buyers represent that they have all necessary expertise in the safety and regulatory ramificationsof their applications, and acknowledge and agree that they are solely responsible for all legal, regulatory and safety-relatedrequirements concerning their products and any use of TI products in such safety-critical applications, notwithstanding anyapplications-related information or support that may be provided by TI. Further, Buyers must fully indemnify TI and itsrepresentatives against any damages arising out of the use of TI products in such safety-critical applications. TI products are neither designed nor intended for use in military/aerospace applications or environments unless the TI products arespecifically designated by TI as military-grade or "enhanced plastic." Only products designated by TI as military-grade meet militaryspecifications. 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Following are URLs where you can obtain information on other Texas Instruments products and application solutions: Products Applications Amplifiers amplifier.ti.com Audio www.ti.com/audio Data Converters dataconverter.ti.com Automotive www.ti.com/automotive DSP dsp.ti.com Broadband www.ti.com/broadband Interface interface.ti.com Digital Control www.ti.com/digitalcontrol Logic logic.ti.com Military www.ti.com/military Power Mgmt power.ti.com Optical Networking www.ti.com/opticalnetwork Microcontrollers microcontroller.ti.com Security www.ti.com/security Low Power www.ti.com/lpw Telephony www.ti.com/telephonyWireless Video & Imaging www.ti.com/video Wireless www.ti.com/wireless Mailing Address: Texas Instruments, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265Copyright © 2007, Texas Instruments Incorporated PACKAGING INFORMATION Orderable Device Status (1) Package Type Package Drawing Pins Package Qty Eco Plan (2) Lead/Ball Finish MSL Peak Temp (3) 5962-9851501Q2A ACTIVE LCCC FK 20 1 TBD POST-PLATE N / A for Pkg Type 5962-9851501QPA ACTIVE CDIP JG 8 1 TBD A42 SNPB N / A for Pkg Type 5962-9851503Q2A ACTIVE LCCC FK 20 1 TBD POST-PLATE N / A for Pkg Type 5962-9851503QCA ACTIVE CDIP J 14 1 TBD A42 SNPB N / A for Pkg Type TL081ACD ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081ACDE4 ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081ACDG4 ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081ACDR ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081ACDRE4 ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081ACDRG4 ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081ACJG OBSOLETE CDIP JG 8 TBD Call TI Call TI TL081ACP ACTIVE PDIP P 8 50 Pb-Free (RoHS) CU NIPDAU N / A for Pkg Type TL081ACPE4 ACTIVE PDIP P 8 50 Pb-Free (RoHS) CU NIPDAU N / A for Pkg Type TL081BCD ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081BCDE4 ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081BCDG4 ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081BCDR ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081BCDRE4 ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081BCDRG4 ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081BCP ACTIVE PDIP P 8 50 Pb-Free (RoHS) CU NIPDAU N / A for Pkg Type TL081BCPE4 ACTIVE PDIP P 8 50 Pb-Free (RoHS) CU NIPDAU N / A for Pkg Type TL081CD ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081CDE4 ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081CDG4 ACTIVE SOIC D 8 75 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081CDR ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081CDRE4 ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM TL081CDRG4 ACTIVE SOIC D 8 2500 Green (RoHS & no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM PACKAGE OPTION ADDENDUM www.ti.com 23-Apr-2007 Addendum-Page 1