detección de pisada usando galgas extensométricas.pdf

Proyecto Fin de CarreraIngeniería de Telecomunicación

Formato de Publicación de la Escuela TécnicaSuperior de Ingeniería

Autor: F. Javier Payán Somet

Tutor: Juan José Murillo Fuentes

Dep. Teoría de la Señal y ComunicacionesEscuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2013


Detección de pisada usando galgas extenso-métricas

Autor: Ignacio Iglesias CastroTutor: Francisco Perdigones Sánchez

Dep. Ingeniería ElectrónicaEscuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016


Detección de pisada usando galgasextensométricas

Autor:

Ignacio Iglesias Castro

Tutor:

Francisco Perdigones SánchezAyudante Doctor

Dep. Ingeniería ElectrónicaEscuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de SevillaSevilla, 2016

Proyecto Fin de Carrera: Detección de pisada usando galgas extensométricas

Autor: Ignacio Iglesias CastroTutor: Francisco Perdigones Sánchez

El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores:

Presidente:

Vocal/es:

Secretario:

acuerdan otorgarle la calificación de:

El Secretario del Tribunal

Fecha:

Resumen

En este proyecto se va a diseñar y realizar un sistema de detección del tipo de pisada mediante el uso degalgas extensométricas incorporadas en las zapatillas.

Primero explicaremos las características de las galgas extensométricas. Después, pasaremos a realizar unestudio de los tipos de sistemas que ya existen en el mercado actualmente y algunas aplicaciones concretasque también se encargan del estudio de la pisada. A continuación, procederemos a detallar el diseño y montajede nuestro proyecto para finalmente concluir con los resultados obtenidos y la conclusiones obtenidas.

I

Abstract

In this project we are going to design and implement a foot posture detection system by using strain gaugesplaced in-shoes.First of all, we will explain the features of the strain gauges. Then, we will make a review of which kind of

systems are already exist and some uses of these technology in the foot posture field. Later, we will designour own system and, finally we will talk about the results obtained and the conclusions.

III

Índice Abreviado

Resumen IAbstract IIIÍndice Abreviado V

1. Introducción y objetivos 11.1. Introducción 11.2. Objetivos 2

2. Galgas extensométricas 32.1. Introducción 32.2. Características de una galga extensométrica 32.3. Elementos de un sistema extensométrico 52.4. Tipos de galgas extensométricas 62.5. Puente de Wheatstone. Principio de funcionamiento. 8

3. Estado del arte 113.1. Introducción 113.2. Tecnología de transductores 12

3.3. Tipos de sistemas de medición 143.4. Sensores de presión capacitivos 163.5. Microsoft Kinect 183.6. Sistema de medición y análisis de la presión plantar incorporado en la zapatilla basado en un

conjunto de sensores de presión 193.7. Sensoria:Calcetín con sensores integrados 22

4. Diseño 234.1. Introducción 234.2. Diseño del circuito y elección de componentes 234.3. Layout del circuito 264.4. Elemento procesador y registrador 28

5. Caracterización 295.1. Introducción 295.2. Montaje de prueba 30

6. Integración y montaje 356.1. Introducción 356.2. Fabricación del dispositivo 356.3. Colocación de las galgas en la zapatilla 366.4. Conexión con el dispositivo 37

7. Análisis y resultados 417.1. Metodología 41

V

VI Índice Abreviado

7.2. Pruebas iniciales y solución de problemas 427.3. Realización de pruebas 43

8. Conclusiones y trabajos futuros 478.1. Conclusiones 478.2. Trabajos futuros 48

Apéndice A.Códigos de Arduino 49A.1. Programa para probar el sistema 49A.2. Programa para almacenar los datos en la memoria EEPROM 54A.3. Programa para leer los datos de la EEPROM 57

Apéndice B.Códigos de WinSpice 59B.1. Simulación de puente de Wheatstone 59B.2. Simulación del puente de Wheatstone con amplificador de instrumentación INA122 59

Apéndice C.Códigos de MatLab 61C.1. Representación gráfica de datos extraídos por el sistema 61

Apéndice D.Datasheets 63D.1. Galga extensométrica 63

Índice de Figuras 67Índice de Tablas 69Índice de Códigos 71Bibliografía 73Índice alfabético 75Glosario 75

Índice

Resumen IAbstract IIIÍndice Abreviado V

1. Introducción y objetivos 11.1. Introducción 11.2. Objetivos 2

2. Galgas extensométricas 32.1. Introducción 32.2. Características de una galga extensométrica 3

2.2.1. Limitaciones 42.2.2. Ventajas 52.2.3. Desventajas 5

2.3. Elementos de un sistema extensométrico 52.4. Tipos de galgas extensométricas 6

2.4.1. Galgas metálicas 62.4.2. Galgas semiconductoras 72.4.3. Ventajas e inconvenientes 7

2.5. Puente de Wheatstone. Principio de funcionamiento. 82.5.1. Métodos de medida: 92.5.2. Equilibrio inicial del puente de Wheatstone 9

3. Estado del arte 113.1. Introducción 113.2. Tecnología de transductores 12

3.2.1. Sensores resistivos 123.2.2. Sensores capacitivos 123.2.3. Sensores piezoeléctricos 133.2.4. Sensores piezoresistivos 133.2.5. Hidrocélulas 13

3.3. Tipos de sistemas de medición 143.3.1. Aplicaciones de sistemas cableados 143.3.2. Aplicaciones de sistemas inalámbricos 14

3.4. Sensores de presión capacitivos 163.5. Microsoft Kinect 183.6. Sistema de medición y análisis de la presión plantar incorporado en la zapatilla basado en un

conjunto de sensores de presión 193.7. Sensoria:Calcetín con sensores integrados 22

4. Diseño 234.1. Introducción 23

VII

VIII Índice

4.2. Diseño del circuito y elección de componentes 234.3. Layout del circuito 264.4. Elemento procesador y registrador 28

5. Caracterización 295.1. Introducción 295.2. Montaje de prueba 30

6. Integración y montaje 356.1. Introducción 356.2. Fabricación del dispositivo 35

6.2.1. Layout del dispositivo 366.3. Colocación de las galgas en la zapatilla 366.4. Conexión con el dispositivo 37

7. Análisis y resultados 417.1. Metodología 417.2. Pruebas iniciales y solución de problemas 427.3. Realización de pruebas 43

7.3.1. Sujeto 1: pisada neutra 437.3.2. Sujeto 2: pisada pronadora 447.3.3. Sujeto 3: pisada supinadora 44

8. Conclusiones y trabajos futuros 478.1. Conclusiones 47

8.1.1. Aplicaciones 478.2. Trabajos futuros 48

Apéndice A.Códigos de Arduino 49A.1. Programa para probar el sistema 49A.2. Programa para almacenar los datos en la memoria EEPROM 54A.3. Programa para leer los datos de la EEPROM 57

Apéndice B.Códigos de WinSpice 59B.1. Simulación de puente de Wheatstone 59B.2. Simulación del puente de Wheatstone con amplificador de instrumentación INA122 59

Apéndice C.Códigos de MatLab 61C.1. Representación gráfica de datos extraídos por el sistema 61

Apéndice D.Datasheets 63D.1. Galga extensométrica 63

Índice de Figuras 67Índice de Tablas 69Índice de Códigos 71Bibliografía 73Índice alfabético 75Glosario 75

1 Introducción y objetivos

1.1 Introducción

El trabajo consiste en diseñar e implementar un dispositivo que sea capaz de realizar un primer análisis de lapisada de una persona de manera simple para detectar si éste presenta pronación, supinación o ninguna de lasdos (neutro) mediante el uso de galgas extensométricas.El estudio de la pisada es un campo muy importante en el ámbito de la salud y del deporte. En el campo

de la salud, la pisada es la fase de inicio del movimiento del cuerpo. A partir de ésta se van desarrollandouna serie de movimientos en cadena que hacen que nuestro cuerpo se desplace. Luego, si la pisada presentaalgún tipo de descompensación, esto afectará al resto del cuerpo (rodillas, cadera, espalda) por lo que esconveniente analizar el tipo de pisada para localizar donde puede estar el foco de una determinada dolencia opara prevenirla en un futuro.

En el ámbito deportivo la pisada es un factor muy importante en algunos deportes, en particular, en los quela mayor parte del tiempo el deportista está en movimiento (atletismo, fútbol, baloncesto...). Si el deportistapresenta alguna alteración en la pisada puede repercutir en su rendimiento con una mayor fatiga durante elejercicio o con la aparición de lesiones que tengan su origen en una sobrecarga muscular debida a dichaalteración de la pisada por lo que resulta conveniente detectar estas alteraciones lo antes posible y tratar decorregirlas.

Para corregirlas, en el ámbito deportivo, se recurre a las zapatillas deportivas o a las plantillas. Con éstasse consigue compensar dicha alteración de manera que en la fase del impacto del pie contra el suelo el pesode la persona se reparta de forma correcta por la planta del pie corrigiendo la pronación o la supinación.Vamos a explicar los distintos tipos de pisada posibles que vamos a analizar y que podemos ver en la

Figura 1.1:

• Pisada pronadora: En este tipo de pisada, la parte interna del pie es la que soporta la mayor cargadel peso de la persona. En la fase de apoyo, el pie rota hacia el interior, por lo que esta zona del pieexperimenta mayor tensión y esfuerzo.

• Pisada supinadora: Este es el caso contario al anterior, la mayor parte del peso de la persona sereparte por la zona exterior del pie. Como dijimos antes, en este caso, el pie rota hacia fuera por lo quees la zona exterior la que ahora experimenta mayor tensión y esfuerzo.

• Pisada neutra: Esta pisada no ejerce ningún movimiento hacia dentro ni hacia fuera, por lo que apoyala parte central del pie repartiendo de forma más equitativa el peso por toda la planta del mismo.

Y además vamos a distinguir tres momentos de la pisada en función de la zona del pie implicada:

• Impacto: Es la primera zona de contacto del pie con el suelo. Se realiza con el talón y soporta unagran tensión en el momento del impacto. En función de cómo inicie la pisada ya podemos tener indiciosde la forma de la misma.

• Apoyo: Es la segunda fase. En ella, el pie está completamente apoyado en el suelo y el peso de lapersona se reparte entre el talón y la parte delantera del pie mediante el puente. En esta fase se puedeobservar como el pie rota hacia dentro, hacia fuera o se mantiene en línea recta por lo que esta fasejunto con la anterior será determinante para establecer el tipo de pisada.

1

2 Capítulo 1. Introducción y objetivos

Figura 1.1 Tipo de pisada[7].

• Impulsión: Es la última fase. Aquí, el pie solo presenta la parte delantera en contacto con el suelo, yes cuando tracciona con el suelo para iniciar el movimiento. En esta fase no sacaremos informaciónrelevante para nuestro estudio puesto que el momento de impulsión siempre termina en dirección aldedo pulgar. Hay que ver justo el momento anterior para ver de qué dirección proviene el apoyo.[7]

Figura 1.2 Fases de la pisada[7].

1.2 Objetivos

• Diseño y realización del dispositivo: El primer paso que haremos será el diseño del dispositivomediante herramientas de simulación de circuitos. Después de eso, procederemos a realizar el circuitofísicamente para comprobar que los resultados que hemos obtenido en el simulador concuerdan con laprueba experimental.Una vez veamos que el circuito diseñado funciona, haremos un modelo de prueba del dispositivo pararealizar varios experimentos de forma estática para ver que todo el comportamiento del dispositivo seadapta a nuestras necesidades. Y por último, cuando haya pasado todas las pruebas, diseñaremos elprototipo final para integrarlo en la zapatilla.

• Programación de Arduino Micro: Usaremos una placa de Arduino para el tratamiento de los datosde nuestro circuito. Programaremos el Arduino para que reciba como entradas las señales de las galgasintegradas en el dispositivo, las almacene y luego poder analizar dichos resultados.

• Pruebas y resultados: Una vez tengamos el prototipo final integrado en la zapatilla, realizaremosvarias pruebas para ver que su funcionamiento es correcto y analizaremos los resultados mediantevarios tests.

2 Galgas extensométricas

2.1 Introducción

Para realizar nuestro dispositivo haremos uso de sensores conocidos como extensómetros o galgas extensomé-tricas. Se tratan de sensores que miden la deformación, presión o carga basándose en el efecto piezorresistivo,que es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se lessomete a ciertos esfuerzos y se deforman en los ejes mecánicos.Podemos ver su hoja de características en el apéndice D

Figura 2.1 Galgas extensométricas.

Estos sensores se usan principalmente para conocer el estado tensional de diferentes partes de una máquinao estructura. La complejidad en la forma de muchos elementos y el carácter estocástico de gran parte de lascargas actuantes obliga a la medición experimental para conocer éstas. Los medidores extensométricos, porsu sencillez, pequeñas dimensiones y gran exactitud en las mediciones son de gran ayuda para dicho objetivo.En la actualidad, no solo se usan en la rama de la construcción de máquinas o estructuras, sino que cada

vez son más los equipos electromédicos que usan dispositivos con galgas extensométricas para la mediciónde parámetros biológicos como presión, temperatura y flujo en diferentes órganos y zonas corporales.

2.2 Características de una galga extensométrica

• Longitud de una galga:Corresponde a la región activa sensible al esfuerzo de una galga. Los codos y las almohadillas desoldadura no se consideran sensibles a los esfuerzos, debido a que poseen una gran sección transversaly a que tienen una baja resistencia eléctrica para poder satisfacer las necesidades o requerimientos deanálisis de los esfuerzos. Podemos encontrar longitudes que van desde los 0.2 mm hasta los 100 mm.

• Concentración del esfuerzo:Uno de los factoresmás importantes para determinar un óptimo rendimiento de una galga extensométricaes su longitud. Por ejemplo, cuando se desea determinar las medidas de esfuerzo sobre alguna pieza o

3

4 Capítulo 2. Galgas extensométricas

estructura crítica de una máquina, estas medidas se deben realizar en las partes donde se concentranlos mayores esfuerzos, que generalmente son aquellas que poseen un mayor grado de fatiga.Las galgas extensométricas tienden a integrar o promediar el área cubierta por la grilla, ya que estepromedio, el de la distribución de un esfuerzo no uniforme, es siempre menor que el máximo. Unagalga extensométrica que es más larga que la región de esfuerzo indicará una magnitud de esfuerzomuy bajo.Para tener en cuenta, como regla general y en la medida de lo posible, la longitud de una galga no debeser mayor a la dimensión de la causa del esfuerzo, para que dicha medición sea aceptable. Cuando lacause del esfuerzo es pequeña(del orden de los 13 mm), según la regla general, se deberían usar galgasmuy pequeñas, y puesto que el uso de éstas trae consigo otra serie de problema, se tendría que llegar auna relación de compromiso.

• Galgas cortas:Las galgas extensométricas cuya longitud se encuentra alrededor de los 3 mm, tienden a experimentarun rendimiento un tanto degradado, especialmente en lo relacionado respecto a su máxima elongación,a su estabilidad bajo condiciones de esfuerzo estático y en cuanto a su durabilidad cuando estánsometidas a esfuerzos cíclicos alternativos. Cuando cualquiera de estas condiciones hace que se veadisminuida la precisión de la medición en mayor medida que el promedio del esfuerzo, es necesariousar una galga de mayor longitud.

• Galgas largas:Cuando es necesario usar este tipo de galgas, vale la pena mencionar algunas ventajas que se puedenobtener con su uso.

1. Su manipulación es mucho más fácil y hace que su instalación y cableado sea mucho más rápidoque el de las galgas pequeñas.

2. Las galgas largas tienen un mayor factor de disipación de calor, porque debido a su resistencianominal tienen menor potencia por unidad de área de grilla.

Estas consideraciones pueden ser muy importantes a la hora de realizar trabajos con materiales plásticoso algún otro tipo de material que posea una pobre disipación de calor.

• Promediación del esfuerzo:Unas de las aplicaciones de las galgas extensométricas largas, es la capacidad de poder determinaresfuerzos en materiales no homogéneos. Tomando como ejemplo concreto, en el que podemos encontraruna mezcla de agregados, generalmente piedra, y cemento; cuando mediamos los esfuerzos sobreun material de este tipo es aconsejable utilizar una galga lo suficientemente larga como para abarcarvarias piezas de agregado, con el fin de tomar una muestra representativa de los esfuerzos que se esténgenerando sobre la estructura.Lo que se busca en este tipo de mediciones son los promedios y no los puntos máximos de esfuerzogenerados en la interfaz agregado-cemento. Cuando se desee medir los esfuerzos en este tipo deestructuras no homogéneas, la longitud de la galga debe ser mayor que la longitud de las partículas delmaterial no homogéneo.

2.2.1 Limitaciones

• El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico o también llamado esfuerzo defluencia.

• La deformación de la galga

• El incremento en la galga debe ser en la misma dirección al del soporte para evitar tensiones opuestasen lo que alineación de la galga se refiere, ya que mide en una sola dirección.

• La galga solo proporciona los datos para las direcciones hacia las que la galga ha sido diseñada. Si sequiere medir en las direcciones perpendiculares, se puede poner otra galga igual a 90º de la inicial, porlo tanto, una sola galga puede medir solamente una dirección.

2.3 Elementos de un sistema extensométrico 5

2.2.2 Ventajas

• Pequeño tamaño.

• Pueden ser alimentadas con corriente continua o alterna.

• Tienen una excelente respuesta en frecuencia.

• Son simples y adecuadas en medidas estáticas y dinámicas.

• Compensación de temperatura relativamente fácil, al instalar dos galgas idénticas en brazos adyacenteselimina los efectos de la temperatura en la galga medidora, ya que al tener dos galgas, si se mide ladiferencia de resistencia entre ambas, se descuenta con ello el efecto de la temperatura.

• No son influidas por los campos electromagnéticos.

2.2.3 Desventajas

• La señal de salida es débil.

• Pequeño movimiento de la galga.

• Son afectadas por muchos factores de variación en condiciones ambientales.

• La galga es ultrasensible a las vibraciones.

• Con el tiempo la galga puede perder adhesión al espécimen de prueba.

• Para umbrales pequeños la técnica de construcción es cara.

• Se ven afectadas por el cambio de temperatura porque ésta puede afectar a la resistencia.

• Son afectadas por la presencia de ruido térmico que establece un mínimo para la variación de resistenciadetectable.

• Son poco estables.[9]

2.3 Elementos de un sistema extensométrico

Los sistemas extensométricos de uso común en las mediciones de máquinas y estructuras están formados porlas siguientes partes:

• Elemento sensor

• Elemento transmisor intermedio

• Amplificador

• Elemento registrador

• Elemento procesador

El elemento sensor puede tener diferentes formas, en algunos casos está formado por la propia galgaextensométrica, cuando se trata de medir directamente las deformaciones y las tensiones que se producenen el elemento donde está colocada la misma, en otro casos, cuando se necesita medir alguna magnitudmecánica (fuerza, torque, desplazamiento, presión, aceleración, etc), el elemento sensor consistirá en undispositivo que contenga en su interior la galga.La galga extensométrica tiene que conectarse a un circuito eléctrico (por lo general a un puente de

Wheatstone) que posibilita la captación de la señal eléctrica enviada desde ella y que mediante cables se pasaal amplificador. El puente de Wheatstone puede conformarse con las propias galgas o puede quedar formadopor otros elementos. Esto será el transmisor intermedio. Teniendo en cuenta que, la variación de la resistencia


Figura 2.2 Esquema de puente de Wheatstone[10].

eléctrica que se produce en la galga extensométrica al deformarse ésta, es muy pequeña, la diferencia depotencial que se producirá en la diagonal de salida del puente de Wheatstone es pequeña también, por lo quedicha señal de salida debe ser amplificada.

Dentro de los elementos registradores podemos considerar el osciloscopio, que permite visualizar la señalque se está captando y tener una representación de su comportamiento o cualquier otro sistema de adquisiciónde datos.A través de un convertidor analógico- digital, la señal analógica recibida del sistema se convierte en una

señal digital para su posterior procesamiento.

2.4 Tipos de galgas extensométricas

2.4.1 Galgas metálicas

• Galga de filamento (wire strain gauge)

El elemento sensible es un hilo conductor metálico (aleaciones de níquel con cobre o cromo) conuna sección circular de 0,025mm de diámetro aproximadamente, pegado sobre un soporte aislantede resina epóxica, poliéster , papel o material análogo. El hilo presenta varios repliegues siguiendola disposición que se muestra en la Figura 2.3 con el objetivo de obtener la máxima longitud activadentro de un área reducida.

Figura 2.3 Galga de filamento[10].

• Galga de lámina impresa (foil strain gauge)

El elemento sensible es una película de metal de pocas micras de espesor, se fabrican por un procesode circuito impreso sobre una delgada lámina de constantán.

Dependiendo del tipo de fabricante, y del tipo de extensómetro los espesores de las láminas oscilanentre 0,025 y 0,0125 mm.

La longitud activa de los mismos está bien determinada, pues los bucles y las pistas de conexión sonprácticamente insensible a causa de su anchura.

2.4 Tipos de galgas extensométricas 7

Figura 2.4 Galga de lámina impresa[10].

Los principios de funcionamiento de las galgas extensométricas metálicas, se basa en tres premisas:

1. El valor de la resistencia de un conductor está en función de sus características geométricas.

2. A todo aumento de longitud, corresponde una disminución de la sección transversal.

3. La variación de la resistividad es proporcional a la variación relativa de volumen.

Luego un conductor de longitud l y un diámetro d, tiene una resistencia nominal R, al actuar una fuerzaaxial sobre el mismo, este aumenta o disminuye su longitud en función de si la fuerza es de tracción o decompresión, si la fuerza es de tracción aumenta la longitud del mismo, y disminuye el diámetro de la seccióntransversal, al disminuir esta se producirá un aumento proporcional de la resistencia eléctrica nominal delconductor. Todo ello se obtiene de la ecuación:

∆RR

= k ∗ ∆ll= k ∗ ε (2.1)

Donde:

• R=resistencia eléctrica nominal del conductor

• ∆l=variación de la longitud del conductor

• l=longitud del conductor antes de deformarse

• k=factor de sensibilidad de la galga extensométrica

• ε=incremento de la longitud entre la longitud antes de deformarse (deformación lineal unitaria)

2.4.2 Galgas semiconductoras

El elemento sensible es una banda de cristal semiconductor con cierto grado de dopado. La resistividad delcristal depende de la concentración especifica de portadores y de la orientación cristalográfica respecto alesfuerzo principal (esfuerzo resistivo). Su sensibilidad a los cambios de longitud es de 50 o 60 veces mayorque la de una galga extensométrica metálica, aunque es más sensible a la variación de temperatura.

Es conveniente usarlas para mediciones sin amplificador, durante la medición de deformaciones pequeñasen bases pequeñas y donde no haya variaciones notables de temperatura.

2.4.3 Ventajas e inconvenientes

Las galgas semiconductoras tienen una respuesta dinámica excelente hasta los 10kHz, permiten la medidade deformaciones del orden de 0.001µε , gracias a su alto factor de sensibilidad. Por el contrario, no esconveniente usarlas en trabajos prolongados con variaciones cíclicas de las cargas ya que presentan uncomportamiento peor que las metálicas además de verse afectadas por los cambios de temperatura.

Las galgas de filamento y de lámina impresa son mucho más precisas y puedes ser autocompensadas paracontrarrestar el coeficiente de dilatación lineal de los materiales sometidos a pruebas.Una vez visto los tipos de sensores que existen vamos a ver el elemento transmisor intermedio.


Figura 2.5 Galga semiconductora[10].

2.5 Puente de Wheatstone. Principio de funcionamiento.

Para poder usar un extensómetro de resistencia eléctrica, el mismo debe estar conectado a un circuito capazde medir pequeños cambios de resistencia. El puente de Wheatstone es un circuito eléctrico formado por 4resistencias unidas diagonalmente dos a dos tal como vemos en la figura.Vemos que el puente presenta un instrumento de medición (amperímetro o voltímetro) interconectado

en el puente. De tal forma que si las resistencias del puente son iguales R1 = R2 = R3 = R4 = R el puenteestará balanceado y no circulara corriente por el instrumento de medición marcando el mismo cero.

Si se produce una variación (∆R) de una de las resistencias eléctricas, se producirá circulación de corrientepor el instrumento medidor que será proporcional a la variación de dicha resistencia.

• Condición de equilibrio:

El puente se encuentra equilibrado cuando no aparece ninguna diferencia de potencial en la diagonalmedida, por lo que se tendrá que dar que

V 1 =V 2;V 3 =V 4 (2.2)

Que usando la ley de ohm nos queda:

iaR1 = ibR2; iaR3 = ibR4 (2.3)

Por lo que finalmente nos queda:

R1R3

=R2R4

(2.4)

Por lo tanto cualquier cambio en la relación R1R3 puede ser equilibrado mediante el reajuste de la relación

R2R4 , es decir, actuando sobre las resistencias del lado opuesto.La tensión de desequilibrio viene determinada por la diferencia entre V1 y V2(o entre V3 y V4). Aplicando

Kirchoff se tiene:

V = E(R1

R1+R3− R2

R2+R4) (2.5)

Para pequeñas variaciones de R1, R2, R3 y R4:

V = E[

R1+∆R1R1+∆R1+R3+∆R3

− R2+∆R2R2+∆R2+R4+∆R4

]−[

R1R1+R3

− R2R2+R4

](2.6)

V = E

[R1R3

(R1+R3)2 •∆R1R1− ∆R3

R3

]− R2R4

(R2+R4)2

[∆R2R2− ∆R4

R4

](2.7)

Si se cumple la condición de equilibrio inicial:

V = E • R1R3

(R1+R3)2 •[

∆R1R1− ∆R2

R2− ∆R3

R3+

∆R4R4

](2.8)

De donde deducimos que las resistencias influyen con distinto signo sobre la tensión de salida según larama considerada. La regla de los signos por tanto plantea que, partiendo de una resistencia cualquiera, las

2.5 Puente de Wheatstone. Principio de funcionamiento. 9

resistencias situadas en ramas adyacentes influyen en sentido contrario, mientras que las ramas opuestas lohacen en el mismo sentido.Esta regla tiene gran importancia desde el punto de vista práctico, pues nos indica como tienen que estar

montadas las galgas en cada caso.Si las resistencias de todas las ramas tienen igual valor, la última ecuación queda tal que:

V =E4

[∆R1R1− ∆R2

R2− ∆R3

R3+

∆R4R4

](2.9)

2.5.1 Métodos de medida:

Partiendo del Puente de Wheatstone como circuito fundamental, existen dos vías para medir el desequilibrioque se produce tras la deformación de las galgas: el método directo y el método del cero.

• Método directo:Este método consiste en medir la diferencia de potencial presente en los bornes de salida del puentecon la ayuda de un voltímetro de precisión. Este procedimiento exige la amplificación previa de laseñal y una fuente de excitación muy estable. Este método es el más indicado para la medición demagnitudes dinámicas.

Figura 2.6 Esquema método directo[10].

• Método del cero:En este método el equilibrio del puente se restablece, ya sea introduciendo resistencias en las ramas,o bien una tensión opuesta a la del desequilibrio. En este método la fiabilidad de la medida es in-dependiente de la tensión de alimentación y de las variaciones de ganancia del amplificador, tododepende de la fiabilidad del potenciómetro, que está asociado a un monitor donde se lee directamentelas variaciones de potencia. Como desventaja de este método tenemos, que en el mismo se empleabastante tiempo para restablecer el equilibrio, por ello este método solo se usa para la medición demagnitudes estáticas.

Figura 2.7 Esquema método del cero[10].

2.5.2 Equilibrio inicial del puente de Wheatstone

Son muchos los factores que dificultan lograr el equilibrio inicial del puente. La dispersión en el valor nominalde la resistencia de las galgas o de las resistencia eléctricas colocadas en el puente o la diferencia de longitudde los cables en cada rama.


La forma más común para restablecer el equilibrio en el montaje es el uso de un potenciómetro en una delas ramas del puente, así podemos compensar los factores que influyen en el equilibrio del puente.[10]

3 Estado del arte

3.1 Introducción

Hace más de 150 años que ha existido interés en conocer la distribución del peso del cuerpo sobre el piehumano. Uno de los primeros métodos para conocer la forma de las huellas, consistía en hacer caminar apersona a través de una superficie de yeso y arcilla con el pie descalzo (Beely,1882). Estas huellas identificabanmás la forma de la huella que la distribución de la presión plantar.

Abramson (1927) usó unas bolas pequeñas de acero sobre las que se colocó una plancha delgada de plomo.Poniendo peso sobre la placa de plomo, las bolas de acero hacían unas marcas en dicha placa. La profundidadde las marcas hechas por las bolas era una estimación de la presión que había bajo el pie.Morton (1930) usó una alfombrilla de goma con proyecciones piramidales que se coloca en la parte

superior de un papel. Después de caminar a través de esta alfombrilla, el tamaño de las huellas que dejan lasproyecciones piramidales sobre el papel permite hacer una estimación de la magnitud de las fuerzas que seencuentran bajo el pie.

Un aproximación similar hizo Elftman(1934). Él también usó una alfombrilla con pirámides de goma, peroesta vez se colocó sobre una placa de vidrio con las pirámides haciendo contacto con el cristal. El área decontacto de las pirámides con la placa de vidrio aumentaba en función de la carga aplicada en la alfombrilla.Elftman fue el primer investigador que grabó como se formaba la presión de las huellas grabando con unacámara los cambios en las áreas de contacto de las pirámides con la placa de cristal (72frames/s) para sujetosque caminaban a través de la alfombra de goma.

Varios investigadores mejoraron el trabajo que había desarrollado Elftman. Ellos consiguieron una mejorrepresentación gráfica con una densitometría de color (Miura,1974) y una mayor resolución (Beirlein,1977).Arcan y Brull (1976) introdujeron una señal óptica entre una interfaz de dos capas. Usaron una luz

monocromática que creó unos patrones de interferencia entre las dos capas del sistema. El contacto del piecon las capas se hizo con semiesferas de aluminio. Como resultado se obtuvieron unos anillos de interferenciacirculares. El diámetro de estos anillos aumenta en función de las cargas que haya sobre las semiesferas dealuminio.Usando este dispositivo de medición, Cavanagh and Ae (1980) grabaron con una cámara a 100Hz los

patrones de interferencia de un sujeto mientras caminaba descalzo y saltaba. Cada anillo circular del patrónde interferencia de todas las semiesferas cargadas bajo el pie se pasó al dominio digital para su posterioranálisis. En su publicación, los autores mencionan que esta técnica de medición sería demasiado laboriosapara recopilar datos en aplicaciones clínicas. Para conseguir unas técnicas de grabación y evaluación máseficaces se necesitan unos sensores de fuerza que proporcionan una salida de señal eléctrica.Stokes (1975) utilizó doce galgas extensométricas en paralelo para registrar la distribución de las cargas.

Para generar una matriz de la distribución de la presión de la huella, los participantes tenían que caminar dosveces sobre este conjunto de galgas en ambas direcciones y siempre perpendicular a ellas.

Solo en los últimos años, la disponibilidad de transductores de fuerza de bajo coste y los sistemas deadquisición de datos modernos han hecho que la construcción de los sistemas de medición de la distribuciónde presión ofrezcan buenas resoluciones espaciales y temporales.En 1976, Nicol and Henning introdujeron y patentaron un método de medición para los dispositivos de

distribución de presión basado en una matriz de capacidades. Esta tecnología es aún usada y comercializadapor NOVEL Inc. En su primera zona de medición de presión, los inventores hicieron una matriz de 256

11

12 Capítulo 3. Estado del arte

condensadores usando solapamiento en algunas zonas a partir de dos conjuntos de 16 tiras conductoras endirecciones ortogonales a ambos lados de un elástico. Esta capa, hecha de goma espuma, funciona comoun dieléctrico para los sensores capacitivos. Las características mecánicas del elastómero dieléctrico sonesenciales para determinar la calidad del transductor. Se usaron diversas técnicas de multiplexión paraescanear cada uno de los transductores hasta 100 veces por segundo.

En 1982, Henning informó del uso de materiales piezocerámicos para hacer mediciones de presión plantar.Se construyeron una plantilla piezoeléctrica y una plataforma de distribución de presión con 1000 elementosque fueron usadas en una gran variedad de aplicaciones.

Maalej (1987) describió el uso de resistencias capaces de medir fuerza (FSR) como unos transductores debajo coste para dispositivos de distribución de presión. Las FSR pueden ser muy delgadas y presentan unapintura conductora entre sus electrodos.[3]

3.2 Tecnología de transductores

La presión se calcula como la fuerza partido por el área de contacto en la que se ejerce la fuerza. Se mideen pascales (Pa) (1Pa = 1N/cm2). Los elementos de medición de fuerza son necesarios para determinar lapresión y la distribución de la misma. La mayoría de las tecnologías de medición de fuerza están basadas enel registro de deformación de materiales.

En los transductores de fuerza, cuando se les someten a ciertas cargas mecánicas producen un cambio ensus propiedades eléctricas. Dependiendo del tipo de transductor, las fuerzas pueden crear cargas eléctricas,cambios en las capacidades o modificar la resistencia eléctrica.Las características requeridas de un transductor con fines biomecánicos pueden diferir de los criterios

de calidad de los sensores para aplicaciones de ingeniería. Las mediciones durante la acción de sentarse,tumbarse en la cama o en una zapatilla para correr requieren una matriz de transductores que sea agradableal tacto y flexible para que se adapte a la forma del cuerpo humano sin causar molestias. Sin embargo,estos transductores sólo pueden tener una calidad limitada en cuanto a especificaciones técnicas tales comolinealidad, histéresis, y respuesta de frecuencia.

Hoy en día, se venden muchos sensores de diferentes tecnologías. Muchas de ellas se usan para el análisisde la interacción de los pies con el suelo como las plataformas de presión o las plantillas.Veamos de forma muy genérica algunos de los tipos de sensores que hay en el mercado:

3.2.1 Sensores resistivos

En los transductores resistivos, la resistencia eléctrica cambia por la tensión o compresión del transductor.Antiguamente se solían usar sensores de caucho de silicona, rellenos de plata o de otras partículas conductoras.Con el incremento de la presión, las partículas conductoras estaban más cerca unas de otras, incrementandola superficie de contacto entre las partículas conductoras y reduciendo así la resistencia eléctrica.Los sensores resistivos de contacto funcionan de forma similar a este tipo de sensores de volumen.

Normalmente, son 2 láminas finas hechas de poliéster flexible con electrodos separados por una capa detinta semiconductora entre los contactos eléctricos. Debido a la insuficiente capacidad elástica de algunossensores de contacto, a menudo presentan cierta histéresis

Las resistencias sensibles a la fuerza (FSR) son un buen ejemplo de un sensor resistivo. Cuando se aplicapresión, el sensor mide la resistencia entre dos electrodos. La corriente que circula a través del sensorincrementa a medida que la capa conductora cambia bajo la presión. La Figura 3.1 muestra un sensorresistivo.

3.2.2 Sensores capacitivos

Las capacidades eléctricas tienen normalmente dos placas o láminas conductoras en paralelo con un materialdieléctrico entre ellas. En un transductor de fuerza de capacidad, los cambios en la capacidad van en funciónde la distancia que hay entre las dos superficies conductoras y un cambio en las propiedades del materialdieléctrico. Aplicando una fuerza en el transductor produce un cambio en la distancia entre las dos superficiesconductoras del condensador así como un cambio en la constante dieléctrica del material comprimido entrelos dos electrodos. Este principio permite una fabricación simple con materiales de bajo coste. La Figura 3.2muestra la primera matriz de sensores capacitivos de distribución de presión, basada en principio de medidasla cual fue patentada en Alemania y los Estados Unidos. Estas patentes pertenecen a NOVEL Inc. que es elprincipal fabricante de sistemas de medición de distribución de presión para aplicaciones biomédicas.

3.2 Tecnología de transductores 13

Figura 3.1 Sensor resistivo [1].

Figura 3.2 Primera matriz de capacidades para calcular la distribución de la presión (256 sensores), fabricadaen 1975 [3].

3.2.3 Sensores piezoeléctricos

Los transductores de fuerza de alta precisión a veces usan como material para el sensor el cuarzo. Sin embargo,la carga eléctrica en las superficies de cuarzo es muy baja (2.30 pC/N), por lo que es necesario usar amplifica-dores con elevada ganancia para el procesamiento electrónico. Algunos materiales piezocerámicos tambiéngeneran cargas cuando están comprimidos, que son aproximadamente 100 veces mayor en comparación conla salida eléctrica del cuarzo. Esta alta generación de carga permite el uso de amplificadores de bajo coste ypor lo tanto permite la construcción de dispositivos de distribución de presión de bajo coste.

3.2.4 Sensores piezoresistivos

Estos sensores están hechos de material semiconductor. En el material piezoresistivo la resistividad mayorestá relacionada con la fuerza aplicada, cuando el sensor está descargado, la resistividad es alta y cuando sele aplica una fuerza, ésta disminuye. La Figura 3.4 muestra dicho sensor. Cuando se produce presión en elelemento piezoeléctrico (cristal de cuarzo) produce carga eléctrica desde su superficie. Estas cargas creanuna tensión proporcional a la fuerza aplicada.

3.2.5 Hidrocélulas

Las hidrocélulas consisten en sensores piezoresistivos contenidos en una célula rellena de un fluido. Cuandose aplica una carga en la hidrocélula, la fuerza aplicada produce un incremento de la resistencia con el medioacuático de la hidrocélula. El sensor piezoresistivo junto con la célula generan una carga eléctrica comoresultado del incremento de esta resistencia. [3][6]


Figura 3.3 Sensor piezoeléctrico [1].

Figura 3.4 Sensor piezoresistivo [1].

3.3 Tipos de sistemas de medición

3.3.1 Aplicaciones de sistemas cableados

Desde hace unos años se está incrementando el interés por desarrollar sistemas de detección de presión plantarincorporado en la zapatilla usando cables o sin ellos (inalámbrico). En 2011, se hizo un sistema llamadoFlexiForce (Teksacn,USA) que servía para obtener la identidad de una persona mediante unos sensoresde presión en las plantillas. Estos sensores comparaban la presión de diferentes puntos clave para luegoidentificarlas y clasificarlas usando una máquina de vectores auxiliar en un ordenador. El sistema usa cablepara transferir datos del sensor a la tarjeta de adquisición de datos del ordenador (Figura 3.5)El sistema tieneuna alta fiabilidad en la identificación.Yamakawa también propuso su propio sistema de identificación biométrico incorporado en la zapatilla

basándose en el cambio de la presión de ambos pies y se vio que el sistema podía reconocer 9 de cada 10sujetos. El sistema usaba F-scan (Nitta Corp, Japan) como sensor de presión Figura 3.6.El siguiente sistema se llama "WalkinSense" y consiste en una unidad de procesamiento y adquisición

de datos y ocho sensores individuales. La localización de los sensores se pueden ver en la Figura 3.7. Ladeterminación de colocar los sensores en esas posiciones se hizo tras realizar un estudio previo de la pisadaen condiciones normales a pacientes que presentaba una pisada neutra.Estas aplicaciones descritas arriba tienen una característica en común que es el cableado a la unidad de

procesamiento de datos o al ordenador. Todos ellos presentan ciertos beneficios pero para un sistema cableadola mayor limitación es aplicarlo en el día a día. Los sistemas cableados hacen que la persona que lo usapuedan tener molestias o incluso caerse lo que puede afectar a los patrones normales de caminar.

3.3.2 Aplicaciones de sistemas inalámbricos

Como se mencionó antes, existe una necesidad de crear sistemas para medir la presión plantar que seaninalámbricos, en tiempo real y resultados fiables.El trabajo llevado a cabo por Bamberg (2008) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) podría

decirse que es el sistema inalámbrico incorporado en la zapatilla para el análisis de la marcha más completo

3.3 Tipos de sistemas de medición 15

Figura 3.5 Identificación basada un sistema de identificación de presión plantar dinámica [1].

Figura 3.6 Identificación biométrica basada en los cambios de la huella de presión plantar [1].

Figura 3.7 WalkinSense [1].


que hay hasta la fecha. Se conoce como GaitShoe. En este sistema, los sensores incluyen tres acelerómetrosortogonales, tres giróscopos ortogonales, cuatro sensores de fuerza, dos sensores de flexión bidireccional,dos sensores de presión dinámica y sensores de altura del campo eléctrico.

Los dispositivos fueron capaces de detectar el apoyo del talón, estimar la orientación y posición del pie ydel despegue de los dedos del suelo. El microcontrolador, un módulo RF monolítico, una antena y la fuentede alimentación también están incorporados en la zapatilla. En la Figura 3.8 se muestra el dispositivo contodo el hardware incorporado en la zapatilla.

Figura 3.8 GaitShoe [1].

En 2009, Benocci de la Universidad de Bolonia, Italia desarrolló un sistema inalámbrico para realizaranálisis postural y de la marcha. El sistema usaba 24 hidrocélulas para medir la presión plantar y una unidadde medición inercial (IMU) en cada plantilla de las zapatillas. El IMU se compone de un acelerómetro de 3ejes y un giróscopo digital de 3 ejes. Para control el sistema, se usó un microcontrolador de Texas Instrument(MPS430) y un módulo Bluetooth como receptor. Los datos recogidos por el sensor permiten al usuariodeterminar las diferentes fases de la marcha como darse medio vuelta o pararse, dar pasos y la duración delos mismos, o un doble apoyo. La Figura 3.9 muestra este dispositivo.[1]

Figura 3.9 Sistema de Benocci[1].

A continuación veremos alguna de las aplicaciones ya existentes para lograr algunos de los objetivos delos que se encarga este proyecto:

3.4 Sensores de presión capacitivos

En este caso vamos a ver un sensor de presión capacitivo flexible que se usa para mediciones de presiónplantar en aplicaciones biomédicas.

3.4 Sensores de presión capacitivos 17

Presenta una capa de dieléctrico compuesta de PDMS ya que éste presenta como ventajas una constantedieléctrica alta y una elasticidad ajustable, propiedades que interesan a la hora de aislar el sensor del medio yrealizar el apoyo sobre el sensor. Este sensor se compone de 4 capas: una capa superior, otra inferior, unacapa dieléctrica y una capa de “contacto” (bump layer). Tanto la capa superior e inferior son una películaflexible de circuito impreso y la capa de dieléctrico y la de contacto están hechas de PDMS. De los resultadosobtenidos, el sensor puede medir presión hasta 945 kPa por lo que es adecuado para la medición de presiónplantar en muchas aplicaciones biomédicas tales como la monitorización de la pisada de los diabéticos y elestudio ergonómico de zapatillas.

Figura 3.10 Imagen de las capas [4].

Como vemos en la imagen del sensor, la capa inferior presenta 4 electrodos por uno solo que presenta lacapa superior. La capa de contacto proporciona un punto de unión entre la fuerza aplicada y el sensor paraasí distribuir la presión. La principal función del sensor es medir el cambio de la capacidad para estimarla presión aplicada. Cuando no hay presión aplicada en el sensor, las capacidades están calibradas a cero.Cuando se aplica una presión, la distancia de la capa dieléctrica se reduce y los valores de las capacidadesentre los cuatro electrodos independientes incrementa. Como la deformación de la capa dieléctrica puedeno ser uniforme, se realizan 4 mediciones independientes para así mejorar la precisión en el cálculo de lapresión.En cuanto al PDMS, la constante dieléctrica y elástica de la capa dieléctrica formada por este material

puede influir en la sensibilidad del sensor. La sensibilidad determina las propiedades eléctricas y mecánicasdel microsensor. El sensor está diseñado para trabajar en un enorme rango de presiones.

Figura 3.11 Curvas de presión frente a deformación de los diferentes tipos de PDMS en función de su ratiode mezcla [4].

En resumen, con este sensor podemos ver que los cambios en los valores de la capacidad pueden representarla presión aplicada. Sin embargo, el PDMS de la capa dieléctrica es un material elástico que tiene uncomportamiento altamente no lineal. El sensor está adaptado para medir la presión plantar gracias a su


Figura 3.12 Gráfica presión frente a capacidad [4].

pequeño tamaño que hace que se integre bien en las zapatillas para obtener un conjunto de datos durante unagran distancia para, posteriormente, poder analizarlos. [4]

3.5 Microsoft Kinect

Kinect es un controlador de juego libre diseñado para la consola de Microsoft Xbox360 y que desde 2011también se puede usar para ordenadores a través de Windows 7 y Windows 8.

Kinect permite a los usuarios controlar e interactuar con la consola sin necesidad de tener contacto físicocon un controlador, mediante una interfaz natural de usuario, reconoce gestos, comandos de voz y objetos eimágenes.En definitiva, es un sistema para que el propio usuario se convierta en el mando del videojuego.

Figura 3.13 Microsoft Kinect [5].

Este sensor es una barra horizontal de unos 23 cm aproximadamente. El dispositivo cuenta con una cámaraRGB, un sensor de profundidad, unmicrófono y un procesador personalizado que ejecuta el software patentado,que proporciona captura de movimiento de todo el cuerpo en 3D, reconocimiento facial y capacidades dereconocimiento de voz.

El sensor de profundidad es un proyector de infrarrojos combinado con un sensor CMOS monocromo quepermite a Kinect ver la habitación en 3D en cualquier condición de luz ambiental.Con esta herramienta se ha logrado evaluar la postura del pie de forma estática.A pesar de existir muchas técnicas diferentes para evaluar la pisada en la metodología clínica, aún existen

discrepancias de que método es el más útil clínicamente hablando. Además, algunos estudios han encontradoresultados contradictorios dependiendo de la técnica empleada en el análisis.

Para hacer frente a estos inconvenientes, Redmond, Crosbie y Ouvrier desarrollaron una medición subjetivade la pisada de forma estática al que llamaron Índice Postural del Pie (FPI).El FPI se compone de un criterio palpable y 5 criterios visuales para determinar si el pie está en una

posición de supinación, neutro o pronación.Varios informes han determinado que el FPI posee una fiabilidad muy alta tanto para los estudios de casos

estáticos como dinámicos. Solo queda encontrar una herramienta para realizar este método que sea barata,portátil y de alta precisión la cual pueda ser implementada en el día a día de cualquier clínica.

3.6 Sistema de medición y análisis de la presión plantar incorporado en la zapatilla basado en un conjunto de sensores de presión 19

La herramienta Microsoft Kinect cumple estos requisitos ya que se trata de un accesorio de videojuegosque es barato y portátil. Recientes informes muestran que el sistema Kinect es capaz de crear un modelo 3Ddel cuerpo humano muy similar a los que se realizar con los complejos sistema de escaneado en 3D.Para comprobar la validez de este sistema, se realizan las mediciones usando el método FPI de manera

visual, con el sistema Kinect y con otro sistema más potente llamado Vicon y así poder comprobar la fiabilidadde Kinect comparado con otros métodos que se consideran adecuados para estas mediciones.

Usando el sistema de análisis Vicon, que consiste en un sistema de análisis motor basado en 8 cámaras quemuestrean a 200Hz que se usan para determinar cada uno de los puntos del FPI necesarios para el análisissalvo el criterio palpable. A continuación, se usó el sistema Kinect y se realizó el mismo análisis para obtenerestos mismos puntos del FPI.Los resultados del análisis indican una correlación entre buena y excelente entre Kinect y Vicon en 4 de

los 6 puntos de medición (ρ = 0.85) y en el resto de puntos restantes presenta una correlación algo menor(ρ = 0.60).

Sin embargo, comparándolo con la inspección visual presenta una baja correlación, por lo que este métodopuede servir para hacer una primera idea del tipo de pisada que presenta un paciente y en función de losresultados obtenidos se procederá a realizar la inspección visual para verificar estos resultados[5]

3.6 Sistema de medición y análisis de la presión plantar incorporado en la zapatillabasado en un conjunto de sensores de presión

En este caso vamos a ver un sistema que presenta como característica común al nuestro: el sistema va integradoen la propia zapatilla.

Este sistema se ha diseñado buscando los siguientes objetivos: primero, tiene que poder estar integrado en lazapatilla para poder realizar mediciones en exteriores no como ocurre con los sistemas basados en plataformas;segundo, los sensores de presión que usaremos tienen que tener la suficiente precisión y durabilidad comopara repetir varios ciclos de prueba; tercero, el equipamiento del sistema(cables, placas, etc.) no debería serincómodo a la persona que esté haciendo uso del sistema para que pueda realizar sus gestos de la maneramás natural posible y así obtener unos resultados con una alta fiabilidad; cuarto, la tecnología inalámbricadebería usarse para evitar la limitación que suponen las conexiones con cables en cuanto a movilidad.Por último destacar que el sistema de adquisición de datos está diseñado de un tamaño pequeño y se

comunicará con el dispositivo integrado en la zapatilla mediante Bluetooth.Vamos a pasar ahora a ver la fabricación del dispositivo.Lin Shu, Tao Hua, Yangyong Wang, Qiao Li, David Dagan Feng and Xiaoming Tao han desarrollado

una familia de sensores muy sensible a la presión, usando elementos de detección basados en tejido textilconductor. El sensor de presión Figura 3.14 ha sido fabricado adhiriendo una tela de detección conductoracon hilos conductores y una capa de conversión tanto arriba como abajo la cual fue realizada con una gomade silicona moldeada.

El sensor está empaquetado en goma de silicona por lo que la humedad y el polvo no afectarán durante suactuación como se muestra en la Figura 3.15. Es muy blando, lo cual es esencial para la comodidad en lazapatilla.

Figura 3.14 Esquema del sensor[8].

Una gran ventaja de estos sensores es su alta sensibilidad. La Figura 3.16 es una curva de resistenciafrente a la presión de este sensor textil de presión


Figura 3.15 Sensor empaquetado[8].

Figura 3.16 Gráfica resistencia-presión[8].

En cuanto a la colocación de los sensores en la suela, esta se puede dividir en 15 áreas: el talón (áreas 1-3),el arco (áreas 4-5), el metatarso (áreas 6-10) y los dedos (áreas 11-15) como se muestra en la Figura 3.17.Estas áreas son las que soportan la mayor parte del peso del cuerpo y ajustan el equilibrio del mismo.

Figura 3.17 Puntos de presión en la planta del pie[8].

Para reducir la complejidad del sistema se escogen 6 posiciones (Figura 3.18) entre el talón y el metatarsoen el primero prototipo porque estas áreas tienen una presión mayor durante la actividad normal de unapersona. La localización de los 6 sensores fue determinada por la huella de una persona con una pisadanormal.En cuanto al sistema de adquisición de datos escogido, fue uno que se pudiera llevar cómodamente

e inalámbrico. En la Figura 3.19 podemos ver el diagrama del sistema con el módulo Bluetooth y elmicrocontrolador PIC18F452. Este presenta 6 entradas a un convertidor analógico digital para recibir las

3.6 Sistema de medición y análisis de la presión plantar incorporado en la zapatilla basado en un conjunto de sensores de presión 21

Figura 3.18 Suela de la zapatilla con los sensores integrados[8].

señales de los sensores.

Figura 3.19 Sistema de adquisición de datos[8].

Los resultados son enviados mediante Bluetooth a un sistema donde se procesaran los datos. Medianteuna interfaz gráfica podemos ver los resultados obtenidos tanto en un ordenador como en un teléfonomóvil(Figura 3.20)

Figura 3.20 Interfaz gráfica en ordenador y móvil[8].

Los resultados de este sistema se compararon con los de un sistema de plataforma y los resultados deambos tests fueron muy similares. Los resultados muestran que usando 6 sensores en los puntos que hemosdicho antes el error cometido respecto al sistema de plataforma es bajo. Si se añadieran más sensores esteerror se podría reducir aún más.

La principal ventaja de este sistema es su bajo coste y la facilidad de uso, lo que hace que cualquier persona


en su actividad diaria que lo necesite pueda usarlo, por ejemplo para comprobar cuanta energía se consumedurante un ejercicio, la habilidad de coordinación de las piernas durante la carrera o el control del equilibrioen determinadas actividades. [8]

3.7 Sensoria:Calcetín con sensores integrados

Figura 3.21 Aspecto de los calcetines Sensoria[2].

Otro de los sistemas diseñados es un calcetín con sensores incorporados en la planta del pie llamadoSensoria. La ventaja de este sistema es que lleva una app para móviles la cual posee una enorme base de datosde zapatillas deportivas que te permitirá monitorizar cada una de ellas para conocer su estado de desgaste ycómo pisas con cada uno.Los calcetines tienen tres sensores de presión, dos en la zona del antepie (exterior e interior) y uno en la

zona del talón. Los datos recogidos por estos sensores van a un emisor inalámbrico Bluetooth con forma demedio anillo que se conecta a uno de los calcetines.

En la siguiente imagen Figura 3.22 podemos ver una imagen de color de la presión en cada zona del pie,lo que te da idea de si estás pisando más por la zona interna o externa del antepie (pronación o supinación) osi haces un apoyo de talón. Puede consultar los datos en tiempo real o analizarlos después de usarlos ya quetodos los datos se almacenan.

Figura 3.22 Huellas de apoyo de talón y de antepie [2].

La aplicación también detecta el tiempo de contacto que está el pie con el suelo para ver la cadencia dezancada.Uno de los problemas de este tipo de sistemas es que al tratarse de unos sensores incorporados en una

prenda de vestir hay que lavarla. La marca que comercializa los calcetines asegura que con más de 150lavados los calcetines siguen funcionando perfectamente. [2]

4 Diseño

4.1 Introducción

En este apartado vamos a seleccionar los elementos que van a componer nuestro circuito y vamos a realizarun primer diseño del sistema que queremos implementar. Para ello, plantearemos un esquemático del circuitoy realizaremos varias simulaciones del mismo para corregir y ajustar su funcionamiento a nuestros requisitos.

Antes de empezar vamos a recordar, como hemos visto en el apartado 2, de que elementos se compone unsistema extensométrico y que componentes hemos escogido para cada uno de ellos:

• Elemento sensor: en nuestro caso serán cada una de las galgas extensométricas que incluyamos enel sistema. Cada galga estará colocada en una determinada zona de la zapatilla que nos indicará lapresión que ejerce el pie en dicha zona.

• Elemento transmisor intermedio: usaremos el puente deWheatstone para poder detectar las pequeñasvariaciones que se produzcan en el sensor.

• Amplificador: necesitamos un amplificador diferencial que nos proporcione un ganancia muy elevadaa la salida, que pueda ser ajustable para que determinemos si nos interesa mayor o menor gananciaen nuestro circuito y que la alimentación del integrado esté dentro del rango de alimentación de todonuestro sistema.

En cuanto al elemento registrador y elemento procesador, usaremos el Arduino Micro pero en esta primerafase de diseño nos centraremos solamente en el circuito que luego conectaremos al Arduino.

4.2 Diseño del circuito y elección de componentes

Lo primero que vamos a hacer es un esquemático del circuito que queremos diseñar en función de lascaracterísticas que buscamos cumplir.

En nuestro caso, el circuito del puente de Wheatstone lo componen cuatro resistencias que tienen que serde valores similares entre si. Como una de ellas será la galga extensométrica que vamos a usar, tomamoscomo valor para todas las resistencias la de dicha galga que presenta un valor nominal de RG = 120Ω

Las especificaciones del fabricante nos indican que la galga presenta una variación respecto a su valornominal de ±0.1Ω lo que implica un valor muy pequeño respecto al valor nominal.Esta pequeña variación hace que tengamos que usar resistencias en el puente de baja tolerancia para que

sean lo más precisas posibles y poder equilibrar el puente correctamente. Como las resistencias que se usaranen el montaje final tendrán una tolerancia como mínimo del 1%, necesitamos algún elemento que nos permitacompensar estas variaciones.

Para ello usaremos un potenciómetro en una de las ramas del puente para poder equilibrarlo. El potenció-metro a usar tiene que ser superior a 120Ω pero lo más bajo posible para que el ajuste sea lo más fino posibleya que las variaciones de 1Ω serán muy significativas. Decidimos escoger uno de 200Ω

Así el montaje del puente de Wheastone queda como en la Figura 4.3Una vez tenemos el diseño del puente pasaremos a realizar una simulación de su funcionamiento con

WinSpice. WinSpice es una potente herramienta de simulación de circuitos electrónicos que nos permite

23

24 Capítulo 4. Diseño

Figura 4.1 Puente de Wheatstone.

Figura 4.2 Puente de Wheatstone con RG = R1 = R2 = R4 = 120Ω.

Figura 4.3 Puente de Wheatstone con potenciómetro.

4.2 Diseño del circuito y elección de componentes 25

simular el comportamiento de circuitos previamente a su montaje. Esto nos ayudará a saber si el circuito secomporta como queremos o por el contrario tenemos que cambiar algunos elementos.

Vamos a simularlo sin el amplificador para ver qué resultados obtenemos a la salida del puente y ver quégrado de amplificación necesitamos para detectar las variaciones en la galga.Así, el fichero para la simulación que usaremos será el que se encuentra en el apéndice: Listing B.1Alimentaremos el circuito a +5 V, y haremos repetidas simulaciones para ver qué nivel de tensión hay entre

los puntos Vout+ y Vout- del puente para varios valores de RG que corresponde al valor de la galga extensomé-trica, en concreto, para RG = 120,RG = 120.001,RG = 120.005,RG = 120.01,RG = 120.05RG = 120.1, esdecir, haciendo que el puente no esté en equilibrio, que equivale a que la galga extensométrica está soportandocierta presión.

Figura 4.4

Los resultados de la Figura 4.4 nos muestran que las variaciones que se producen a la salida son muypequeñas: cuando la galga alcance su valor máximo, la salida presentará una variación de 1 mV. Con estosresultados, necesitamos un amplificador de ganancia entre 1000 y 10000 V/V.

Para conseguir este nivel de ganancia vamos a usar amplificadores de instrumentación (INA). Nos hemosdecantado por el INA122 porque presenta un nivel de ganancia mayor que otros que hemos comparado y estase puede ajustar fácilmente mediante una resistencia como vemos en su datasheet Figura 4.5

Figura 4.5 Valor de ganancia del INA122 en función de la resistencia usada.

El INA122 es un amplificador de instrumentación preciso para tratar señales diferenciales con bajo nivelde ruido. Los dos amplificadores operacionales que lo componen proporcionan un excelente comportamientocon un bajo nivel de corriente y es adecuado para sistemas portátiles y sistemas de adquisición de datos.

El INA122 puede operar con una fuente de tensión en el rango de 2.2V hasta 36V con un nivel de corrientede 60µA. Una resistencia externa fija la ganancia desde los 5V/V hasta lo 10000V/V.

Junto con el circuito que teníamos antes, procedemos a realizar la simulación del circuito usando un ficherode código que simulará el comportamiento del INA122. Éste se encuentra en el apéndice: Listing B.2


Figura 4.6 Esquemático INA122.

Y al igual que antes realizaremos varias simulaciones viendo que obtenemos a la salida del INA variandola resistencia de la ganancia según la tabla de la Figura 4.5 y variando para los diferentes valores de RG. Elresultado es el que se muestra en la Figura 4.7

Figura 4.7

Podemos ver que con una ganancia de 2000 V/V es suficiente para detectar pequeñas variaciones en lagalga RG. Así que, usaremos una resistencia de 100Ω para ajustar el INA122 a esta ganancia.Vemos que ahora el valor máximo que toma la variación de la tensión a la salida del circuito es de 2.5 V

que es un valor que nos sirve para poder analizar los cambios que se produzcan en la galga.Se puede conseguir valores mayores de tensión a la salida pero esto implica una recta con una pendiente

mucho mayor pudiéndose dar el caso de que, sin llegar al valor máximo de resistencia de la galga, la salidadel circuito sature a su valor máximo (5V), por lo que nos quedamos con la configuración anterior.

4.3 Layout del circuito

En este apartado vamos a llevar a cabo el diseño del circuito con los componentes que ya hemos escogido enel apartado anterior para elaborar el layout del circuito y poder más tarde realizar su montaje.

4.3 Layout del circuito 27

Este primer circuito será de prueba, y consistirá en un solo puente de Wheatstone con los componentesque hemos escogido en el apartado anterior y un solo INA. Con este circuito probaremos el comportamientode la galga, como equilibrar el puente con el potenciómetro y veremos si los resultados obtenidos en lassimulaciones se corresponden con la realidad.

Una vez que hayamos determinado el correcto funcionamiento del circuito, pasaremos a hacer tantos comogalgas pensemos colocar en nuestro montaje final para poder realizar un montaje de prueba y comprobar quetodo funciona como queremos.Para ello vamos a usar el programa EAGLE. EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) es un

programa de diseño de diagramas y PCBs con autoenrutador. Usaremos este programa debido a que existenlicencias Freeware y un gran número de bibliotecas de componentes por toda la red.Eligiendo todos los componentes y colocándolos en la zona del esquemático nos queda como en la

Figura 4.8

Figura 4.8 Esquemático del circuito.

Usando la función de autoenrutado y retocando las partes que creamos necesarias nos queda el layout ohuella del circuito como en la Figura 4.9

Figura 4.9 Layout del circuito.

Una vez tengamos el layout del circuito vamos a trasladarlo a una placa de circuito impreso (PCB). Paraello realizaremos los siguientes pasos:

1. Cortamos un trozo de una placa de PCB del tamaño de nuestro circuito. Una vez tengamos la placaretiramos la película protectora del PCB y colocamos sobre ella el layout de nuestro circuito previamenteimpreso en una hoja semitransparente.

2. Colocamos la placa en la insoladora durante dos minutos y medio para activar la resina fotosensibleque protege el cobre de la placa.

3. Llenamos una cubeta de líquido revelador e introducimos la placa en él. Tras unos minutos iránapareciendo las pistas de nuestro circuito de forma muy suave ya que solo se ha eliminado la capaprotectora de la resina fotosensible activada antes.


4. Llenamos otra cubeta con la disolución para eliminar el cobre que no nos interesa de la placa. Dichadisolución consta de una parte de aguafuerte, otra de agua oxigenada y dos partes de agua. Introducimosla placa durante unos minutos hasta que veamos que nuestro circuito ya está definido y la sacamosponiéndola debajo del grifo con agua para parar la reacción química que ataca al cobre.

5. Una vez secada la placa la rociaremos con acetona para eliminar la resina restante que protegía el cobrey ya tenemos la placa de nuestro circuito lista para usar.

Después de esto solo queda realizar los agujeros con un taladro para colocar los componentes y soldarlos ala placa para fijarlos y que hagan contacto.

4.4 Elemento procesador y registrador

Antes de pasar a realizar la caracterización de nuestro circuito, vamos a escoger el último elemento delsistema que nos faltaba que era el elemento procesador y el registrador. En nuestro caso necesitábamos uncontrolador que fuese económico, que dispusiera de una pequeña memoria interna para almacenar datos yuna salida vía USB para trasladar los datos a un ordenador. Hemos escogido un controlador de la familia deArduino, en particular el Micro Arduino, dado que necesitamos que fuese de pequeño tamaño para poderintegrarlo en la zapatilla.

Figura 4.10 Artduino Micro.

El Micro Arduino actuará tanto como elemento registrador, como elemento procesador. Como vemos en lafigura el Micro Arduino tiene varias entradas analógicas que son las que usaremos para cada uno de nuestroscircuitos. En este primer montaje vamos a probar también el correcto funcionamiento del dispositivo.

Figura 4.11 Pins del Micro Arduino.

El código del programa que vamos a usar se encuentra en el apéndice:Listing A.1Esté será el programa que usaremos para probar el correcto funcionamiento de todos los elementos del

sistema que veremos en el próximo apartado.El programa detecta las galgas que están activas y con qué nivel de intensidad lo hacen y en función de eso,

dará una salidas a un conjunto de leds que se iluminaran para indicar el tipo de apoyo que está realizando lapersona que está usando el sistema. Este conjunto de leds son indicativos para este montaje de prueba. En elmontaje de la zapatilla no haremos uso de los leds.

5 Caracterización

5.1 Introducción

En este apartado vamos a caracterizar el sistema que hemos diseñado previamente en el montaje de pruebapara luego trasladarlo al montaje final en la zapatilla con mayor fiabilidad.Primero vamos a comprobar que el circuito diseñado se comporta como esperábamos.Para ello alimentamos el circuito con una fuente de alimentación a +5 V y visualizamos la salida con un

voltímetro.Lo primero que vemos es que la salida es nula o está saturada a 5V. Esto se debe a que el puente está en

desequilibrio por las tolerancias usadas en el montaje del puente y que nuestro puente es muy sensible.Ajustamos el potenciómetro hasta obtener un valor de unos pocos de milivoltios que será el punto en donde

el puente esté en equilibrio pero a punto de salir de él que es lo que queremos.

Figura 5.1 Circuito de prueba para una galga.

Comprobamos que al realizar una deformación o presión en la galga la tensión de salida aumenta de formaproporcional a esa fuerza. Este es el comportamiento deseado y que queremos que realice nuestro sistema.

Pero mientras estábamos probando el circuito se nos presentó un problema: cuando ajustamos los potenció-metros para equilibrar el puente de Wheatstone, vemos que si la placa se mantiene aislada de movimientos ypequeñas perturbaciones (golpes, roces de los componentes con la zapatilla) funciona correctamente, perocomo esta situación no va a ser la de nuestro sistema final tenemos que cambiar algún aspecto del diseño delos componentes que forman el sistema.En concreto, los componentes que nos dan estos problemas son los potenciómetros. Los potenciómetros

usados son analógicos de valor 200Ω y de variación lineal. Usando este tipo de potenciómetros nos damoscuenta de que el ajuste que necesitamos realizar es demasiado fino para este tipo de componente lo que haceque una vez equilibrado el puente, al mínimo movimiento que sufra el potenciómetro, éste variará de formamínima su valor pero lo suficiente para que nuestro sistema deje de estar calibrado.

29

30 Capítulo 5. Caracterización

Así que decidimos usar otro tipo de potenciómetros. Como necesitábamos uno de un ajuste más fino,decidimos usar un potenciómetro de multivuelta en los que existe un tornillo desmultiplicador que es el quevaría la resistencia del mismo. Probando el sistema nuevamente con este tipo de potenciómetros, vemos quemejora su comportamiento frente a perturbaciones externas, pero aun así no es suficiente para cumplir losobjetivos que nos hemos marcado en este proyecto.

Contemplando varias opciones como usar potenciómetros digitales o potenciómetros con mayor precisiónnos incrementa el presupuesto del proyecto así que recurrimos a una solución usando los potenciómetros queya teníamos instalados en la placa de pruebas.

Poniendo en paralelo una resistencia del valor adecuado con el potenciómetro conseguimos que el valornominal del potenciómetro se reduzca y como tenemos el mismo rango para variarlo que antes, esperamosconseguir un ajuste mucho más fino que antes.

En nuestro caso, tenemos un potenciómetro multivuelta de 1000Ω con una resistencia en paralelo de 200Ω

lo que nos da un "nuevo" potenciómetro de valor nominal de 166,66Ω.A la hora de estudiar el comportamiento de este nuevo potenciómetro nos damos cuenta que el comporta-

miento es mucho mejor del esperado como vemos en la siguiente ??

Figura 5.2 Comportamiento del nuevo potenciómetro con resistencia en paralelo.

En el eje X representamos de 0 a 200 el rango de cambio de giro del potenciómetro.Vemos que comparando el comportamiento de este nuevo potenciómetro con el lineal de 200Ω, el nuevo

potenciómetro presenta un comportamiento de variación antilogarítimica, lo que nos facilita notablemente elajuste, y en caso de perturbaciones externas, al presentar un comportamiento más plano es más difícil que elpuente se desequilibre.En la tabla de al lado de la imagen podemos ver los valores que toma el nuevo potenciómetro (Req) en

función del ajuste del potenciómetro lineal de 1000Ω(Rp).Una vez comprobado que el circuito de prueba realizado se comporta como deseamos, esto es, que el valor

de la tensión de salida del circuito varía cuando sometemos a la galga a una presión o a una deformacióndeterminada, vamos a pasar a realizar un montaje con varias galgas para simular el dispositivo final.

5.2 Montaje de prueba

Vamos a realizar un montaje de prueba en el que incluiremos todos los componentes de nuestro montajefinal(INAs, galgas, resistencias, potenciómetros) pero en vez de integrarlo en la propia zapatilla lo montaremosen una superficie que nos facilite la colocación de los circuitos de prueba, las galgas y poder probar sufuncionamiento.Pero antes tenemos que decidir cuantas galgas usaremos para nuestro sistema y su colocación. Como

podemos ver en la Figura 5.3 hemos decidido usar cinco galgas siguiendo los siguientes criterios:

• En la fase de impacto, solo la parte del talón es la que entra en contacto con el suelo, el resto del piepermanece en el aire. En esta fase es importante saber por qué lado se está iniciando el apoyo ya que sies por el interior existirá pronación o, por el contrario, si es por el exterior existirá supinación. En estazona colocaremos dos galgas como se ve en la Figura 5.3. De tal forma que si ambas galgas muestranun valor similar indicaría un inicio de apoyo neutro.

• En la fase de apoyo, el pie está en total contacto con el suelo, tanto el talón como la parte delantera. Elpeso del cuerpo se distribuye entre estas dos zonas a través del puente del pie. Como ya tenemos galgas

5.2 Montaje de prueba 31

Figura 5.3 Situación de las galgas en la zapatilla.

colocadas en la parte trasera, necesitamos colocar ahora galgas en la zona delantera. En este casohemos decidido poner tres galgas en vez de dos ya que el área de apoyo es más ancha. Así comparandolos valores de las tres galgas podremos determinar el tipo de pisada.

• En la fase de impulsión, el pie tracciona con el suelo para realizar el empuje del cuerpo e iniciar eldesplazamiento. En esta fase solo la parte delantera del pie está en contacto con el suelo. Con las galgasque hemos colocado delante nos basta para saber el tipo de pisada, no es necesario colocar ninguna enla zona de los dedos del pie.

Una vez decidido el emplazamiento de las galgas, vamos a ver dónde realizar el montaje de prueba. Hemoselegido una superficie lo suficientemente amplia para poder colocar todos los circuitos y que en la partecentral quede un hueco para colocar las galgas y poder pisar con el pie para simular un comportamiento realdel sistema como podemos ver en la Figura 5.4

Figura 5.4 Superficie del circuito de prueba.


El montaje consiste en cinco circuitos de prueba y cinco galgas extensométricas colocadas y sobre ellacolocaremos una plantilla como puede verse en la Figura 5.5.

Figura 5.5 Circuito de prueba con plantilla.

Una vez realizado el montaje probamos pisando sobre una plantilla colocada sobre las galgas para verqué resultados obtenemos. Midiendo las salidas de los circuitos con unos voltímetros observamos que losvalores de las galgas varían muy poco. Esto se debe a que si bien las galgas cambian su valor debido a lapresión, varían mucho más cuando se deforman y como la superficie donde las tenemos colocadas es rígidapor mucho peso que coloquemos encima, las galgas apenas sufrirán deformación.Para conseguir que la galga se deforme lo suficiente como para notar el impacto del pie hemos recurrido

a una solución extraída del artículo citado en el Estado del Arte. En él, se colocaba una capa de PDMScon forma de semiesfera encima del sensor para que el peso en ese punto se repartiera por todo el área delsensor.[4]De la mismas forma, vamos a realizar semiesferas de PDMS que colocaremos debajo de las galgas para

que cuando realizamos el apoyo del pie, éstas se deformen un poco logrando así una variación mayor quecolocándolas sobre una superficie lisa y más dura.

El tamaño y forma de la semiesfera no tiene por qué ser igual para todas las galgas ya que lo que buscamoses que la respuesta de la galga sea mayor y colocando estas piezas de PDMS conseguimos tener una superficiede apoyo blanda para permitir a la galga deformarse lo suficiente y volver a su estado original cuando cede lapresión.Como las semiesferas de PDMS no son iguales, tendremos que ajustar cada uno de los puentes de

Wheatstone al valor inicial que tome la resistencia de la galga en función de cada una de las semiesferassobre las que estén colocadas. Es decir, dicho valor inicial será un valor de referencia para cada una de lassemiesferas y siempre será el mismo.

Figura 5.6 Semiesferas de PDMS.

Una vez colocadas las semiesferas de PDMS bajo las galgas probamos nuevamente el sistema. Ajustamoscorrectamente los potenciómetros para equilibrar los puentes de Wheatstone y comprobamos nuevamente

5.2 Montaje de prueba 33

mediante el uso de voltímetros que la variación que experimentan las galgas al realizar apoyos con el pieahora es significativa.

A continuación vamos a montar en una placa de pruebas el micro Arduino junto con un conjunto de leds(tres rojos, tres amarillos y tres verdes) para probar el sistema completo con todos los elementos.

Figura 5.7 Sistema completo con LEDS.

El programa que ejecutará el micro Arduino consiste en lo siguiente: el controlador está monitorizando lascinco galgas extensométricas. Mientras que nadie pise sobre la plantilla las luces led de salida permaneceránapagadas.Cuando detecta que alguien pisa, es decir, que una o varias de las galgas superan un valor mínimo de

referencia, el controlador compara los datos obtenidos para ver si el apoyo en la parte trasera del pie o en ladelantera tiende más hacia un lado o al otro o se mantiene neutro.

Figura 5.8 Leds indicadores de la pisada.

En función de eso, el controlador encenderá tres luces led para indicar el tipo de apoyo quedando tal que:

• Tres luces amarillas⇒ Apoyo Neutro

• Dos luces amarillas y una roja⇒ Un poco de supinación

• Dos luces amarillas y una verde⇒ Un poco de pronación

• Una luz amarilla y dos rojas⇒ Supinación

• Una luz amarilla y dos verdes⇒ Pronación

• Tres luces rojas⇒ Supinación excesiva


• Tres luces verdes⇒ Pronación excesiva

Una vez comprobado que el montaje de prueba funciona correctamente, vamos a proceder a la parte finalque consistirá en la integración y montaje del sistema en la zapatilla.

6 Integración y montaje

6.1 Introducción

Una vez que hemos hecho el diseño previo para realizar pruebas de que todo lo llevado a cabo en lassimulaciones, todos los montajes hechos, y los códigos del Arduino funcionan como deseamos, vamos apasar a realizar el montaje final en la zapatilla.

Tenemos que intentar trasladar todo lo que hemos probado en las pruebas a la zapatilla tratando de mantenerla misma configuración para conseguir idénticos resultados.

Usaremos una zapatilla usada de correr a la que haremos dos agujeros (ver la Figura 6.1, marcado en rojo)para conectar el cableado de las galgas que irán dentro de la zapatilla(debajo de la plantilla) hasta la placaque contendrá el resto de elementos del dispositivo.

Figura 6.1 Agujeros para la salida de los cables en la zapatilla.

6.2 Fabricación del dispositivo

Lo primero que vamos a hacer es integrar cada uno de los circuitos independientes que usamos en el modelode prueba en uno solo tratando de minimizar el tamaño del dispositivo final. Este dispositivo contendrá todoslos elementos necesarios para que funcione el sistema salvo las galgas extensométricas que irán en el interiorde la zapatilla y se conectaran al dispositivo a través de cables.

Como el objetivo de diseño marcado es minimizar el tamaño y optimizar el espacio, usaremos resistenciasSMD tanto para el puente de Wheatstone como para la resistencia para fijar la ganancia del INA. Por otraparte, usaremos un PCB de doble cara para poder poner en un lado el plano a tierra y en el otro el plano aalimentación y poder distribuir los componentes por ambas caras.

35

36 Capítulo 6. Integración y montaje

6.2.1 Layout del dispositivo

Esta etapa del proceso de fabricación del dispositivo es muy importante ya que es aquí donde tenemos queminimizar todo lo posible el tamaño que tendrá el circuito. Colocaremos todos los componentes que queremosintegrar en la placa realizando todas las conexiones necesarias entre ellos y cuando tengamos que determinarel lugar exacto de los componentes trataremos de: minimizar el recorrido de las pistas que los interconectan;dejar un hueco libre de componentes que es donde colocaremos el portapilas para alimentar al dispositivosin cables; situar los pines de conexión de las galgas con el dispositivo en la misma zona; y que tanto lospotenciómetros como el puerto USB del Arduino sean fácilmente accesibles.Cumpliendo estos requisitos nos queda un layout del circuito como se ve en la Figura 6.2

Figura 6.2 Layout del circuito.

Una vez tengamos el layout del circuito, realizaremos los mismos pasos que seguimos para conseguir loscircuitos de prueba: revelaremos la placa, realizaremos los agujeros con un taladro y soldaremos todos loscomponentes a la placa. Dando como resultado el circuito de la Figura 6.3 y la Figura 6.4.

Figura 6.3 Dispositivo final:cara superior.

6.3 Colocación de las galgas en la zapatilla

Vamos a colocar cada una de las galgas en las posiciones que comentamos en el apartado anterior y quecomprobamos en el modelo de prueba que respondían correctamente a la presión del pie.Para la colocación de las galgas en la zapatilla seguiremos los siguientes pasos:

6.4 Conexión con el dispositivo 37

Figura 6.4 Dispositivo final:cara inferior.

Figura 6.5 Colocación de las galgas.

1. Mediremos la longitud aproximada de cable que necesitaremos para cada galga hasta el agujero de lazapatilla y soldaremos los cables a las galgas.

2. Fijaremos a la suela de la zapatilla las semiesferas de PDMS. Para ello nos ayudaremos de cinta adhesivade doble cara.

3. Colocaremos las galgas encima de cada semiesfera de PDMS y las fijaremos en esa posición colocandouna tira adhesiva de una sola cara.

4. Llevaremos los cables hacia la zona de salida de la zapatilla intentando que no se superpongan unos aotros para evitar que cuando usemos la zapatilla se note alguna protuberancia molesta en el pie. Nosayudaremos de pequeñas tiras de cinta adhesiva para que los cables no se muevan demasiado.

El resultado final se puede ver en la Figura 6.6 y la Figura 6.7.Finalmente introduciendo la plantilla en la zapatilla y sacando los cables por los agujeros nos queda como

puede verse en la Figura 6.8.

6.4 Conexión con el dispositivo

Ya solo nos queda conectar cada uno de los cables que hemos sacado de la zapatilla a nuestro dispositivo.Fijaremos el dispositivo al zapato con dos gomillas que hagan que no se mueve demasiado mientras loprobamos andando o en carrera.


Figura 6.6 Integración de las galgas en el talón de la zapatilla.

Figura 6.7 Integración de todas las galgas.

Figura 6.8 Zapatilla con las galgas integradas.

6.4 Conexión con el dispositivo 39

Una vez conectado todo el circuito tendremos que equilibrar cada uno de los puentes de Wheatstone usandolos potenciómetros. Para ello conectaremos el dispositivo mediante USB al ordenador para monitorizar lasalida del dispositivo en tiempo real y así poder ajustar el dispositivo.En la Figura 6.9 podemos ver la salida del Arduino y de las respectivas galgas. Vemos que hay algunas

que no están equilibradas (deben presentar valores bajos).

Figura 6.9 Monitorización de la salida del circuito:puente desequilibrado.

Ajustando los potenciómetros conseguimos equilibrar los puentes de Wheatstone para cada galga comovemos en la Figura 6.10.

Figura 6.10 Monitorización de la salida del circuito: puente equilibrado.

Con el dispositivo ya ajustado ya podemos probar la zapatilla. Como el dispositivo está pensado en serinalámbrico (sin cables) irá alimentado por una pila y los resultados que vaya recogiendo el Arduino tendráque almacenarlos en algún sitio.El Micro Arduino tiene una memoria EEPROM de 1KB. Como la función de escritura de la EEPROM

escribe byte a byte, vamos a usar en nuestro programa variables que tengan dicho tamaño (1 Byte). Asítendremos la posibilidad de almacenar 1000 Bytes de datos en la EEPROM. Dividiendo esos Bytes entres lascinco galgas que tenemos nos sale que cada galga almacenará 200 Bytes.


Esto quiere decir que ajustando el tiempo de muestreo correctamente podemos detectar unos 200 pasosaproximadamente, cantidad más que suficiente para detectar el tipo de pisada.Dado que el convertidor analógico-digital del Micro Arduino convierte los datos recogidos a valores

enteros entre 0 y 1024(10 bits de resolución), eso implica que cada entero equivale a: 5 V/1024 = 4.9 mVAl considerar que los datos almacenar tendrán tamaño byte, estamos restringiendo el rango de salida de 0

a 256 (8 bits de resolución).Por lo que vamos a implementar la siguiente modificación a nuestro programa: los datos que lea el

controlador de las galgas les llegaran con 10 bits de resolución. Ese dato, lo dividimos entre 4, o lo que es lomismo nos quedaremos con 8 bits de resolución que es lo que se adapta a nuestra memoria de almacenamiento.A la hora de procesar los datos en el ordenador solo tenemos que volver a multiplicar por 4 los datos

almacenados y ya tendremos los datos originales recogidos por el controlador.

Figura 6.11 Esquema del tratamiento de datos.

Así tendremos que hacer ligeras modificaciones a nuestro programa para que almacene todos los datos ylos guarde en la EEPROM para luego descargarlos en el ordenador y poder analizarlos.El código del programa que vamos a usar se encuentra en el apéndice: Listing A.2En cuanto a la alimentación del sistema, elegimos una pila de 12V, que al instalarla vimos que nos

proporciona el nivel de tensión que necesitábamos pero no la corriente suficiente para alimentar todos loscomponentes del dispositivo. Por lo que descartamos esta opciónDecidimos probar con una pila de petaca de 9V para proporcionar un mayor amperaje al circuito. El

MicroArduino se puede alimentar por USB, por el pin número 5V, o por el pin Vin. Por este último serecomienda alimentarlo entre 7V y 12V.

Alimentando el sistema por este último pin, el propio controlador proporcionará una alimentación de 5Vpor el pin de 5V. Observamos al conectar la pila que los valores que se obtienen de las galgas difieren de losque se obtienen cuando se alimenta por USB.

Realizamos varias mediciones de la tensión que alimenta el circuito en ambas situaciones y vemos que hayuna cierta diferencia: cuando alimentamos por USB, la tensión de alimentación del sistema es 4,9V y cuandoalimentamos el circuito con la pila de 12V la tensión varía a 4,6V.Este efecto que puede parecer que no debería de afectar a nuestro sistema ya que la alimentación de los

INAs está dentro del rango permitido, cuando probamos el dispositivo con ambas alimentaciones vemos quese comporta de manera diferente: los niveles de tensión que se obtienen de las galgas con cada sistema dealimentación cuando el sistema está calibrado son diferentes.Este efecto se debe a que el puente de Wheatstone cuando se equilibra, el nivel de tensión que hay a la

entrada del amplificador es la mitad de la tensión de alimentación, es decir, 2,5V. Si variamos la tensión dealimentación, también variaremos la tensión que hay a la entrada del amplificador, luego hay que intentar quela tensión que alimenta el sistema mediante USB y la fuente externa sea lo más parecida posible.

Decidimos probar con una fuente de alimentación que nos proporcione unos mAh mayor que las anteriores.Usamos 4 pilas AA que nos proporciona 6V de tensión y que al conectarla al controlador proporciona elmismo nivel de tensión que cuando usamos el USB, así que nos decantamos por usar este tipo de fuente dealimentación.

7 Análisis y resultados

7.1 Metodología

Vamos a realizar una serie de pruebas finales para comprobar el funcionamiento del sistema y de analizar losdatos obtenidos. Para ello vamos a probar el sistema andando.

Una vez colocado el dispositivo en la zapatilla vamos a fijarlo con unas gomas elásticas para ajustarlo bieny evitar que se mueva mientras realizamos las pruebas y que pudiese desconectarse alguno de los sensores.

La fuente de alimentación, que en este caso corresponde con las cuatro pilas AA, las vamos a colocar enun lateral de la zapatilla de forma que moleste lo menos posible a la persona que realice las pruebas tal ycomo se muestra en las imágenes de la Figura 7.1 , la Figura 7.2 y la Figura 7.3

Figura 7.1 Montaje listo para probar: vista lateral.

Los resultados que obtengamos tras realizar las diversas pruebas usando el programa que se encuentraen el apéndice: Listing A.2, los pasaremos al ordenador mediante otro programa que se encuentra en elapéndice:Listing A.3 y finalmente, analizaremos los resultados obtenidos.

Para analizar de forma más fácil y rápida los resultados, pasaremos todos los datos obtenidos durante laspruebas a Matlab y representaremos gráficamente los resultados obtenidos para poder detectar de formadirecta y más intuitiva el tipo de pisada.El código usado en Matlab es el que aparece en el apéndice: Listing C.1El programa de MatLab que habíamos pensado implementar consistía en representar gráficamente cada

uno de los apoyos que detectara nuestro sistema de tal forma que variando el tiempo de muestreo, podemosrecoger más o menos datos de cada apoyo y así podemos ver la evolución de la pisada.Pero por simplicidad ala hora de representar los resultados y dado que el proyecto no pretende hacer un estudio exhaustivo de lapisada, hemos decidido recoger cada uno de los datos de las galgas y hacer una media de todos y cada uno delos apoyos dando como resultado un promedio de la pisada.

41

42 Capítulo 7. Análisis y resultados

Figura 7.2 Montaje listo para probar: vista superior.

Figura 7.3 Montaje listo para probar: vista lateral.

7.2 Pruebas iniciales y solución de problemas

En apartados anteriores hemos comprobado que el sistema se comportaba como deseábamos en condicionesestáticas, ahora tenemos que verificar que su comportamiento sigue siendo el deseado en condicionesdinámicas.

Tras realizar la primera prueba andando y analizar los resultados observamos que el programa detecta lossensores del talón y los sensores delanteros. Ahora bien, habíamos establecido un tiempo de muestreo paracapturar una o dos muestras por cada fase de apoyo, es decir, por la fase de impacto y por fase de despegue.A la hora de analizar los resultados, observamos que en algunos apoyos, la fase de despegue recoge más

muestras de las que debiera, activándose solo uno de los sensores, en concreto, el sensor colocado en la zonasuperior izquierda justo detrás del dedo gordo del pie.Analizando dicho comportamiento vemos que le problema radica en un movimiento del pie que no

habíamos tenido en cuenta. A la hora de andar o correr, cuando iniciamos el movimiento del pie para avanzarlo primero que hacemos es levantar la puntera del pie hacia arriba, tirando un poco con los dedos del pie.Esto hace que la zona superior de apoyo del pie presione la zapatilla ligeramente lo que puede activar algunode los sensores dependiendo de si el movimiento es más o menos acentuado. Cuando andamos ese gesto esbastante imperceptible pero a la hora de correr, ese gesto de tirar del tobillo y pie hacia arriba ayudándonosde los dedos es mucho más normal aunque no seamos conscientes de ello.

En la imagen de la Figura 7.4 podemos ver como a la hora de correr ese gesto se hace mucho más visible.

7.3 Realización de pruebas 43

Figura 7.4 Flexión del pie a la hora de correr.

Dicho problema lo hemos corregido mediante software: en el programa teníamos que capturar los datosrecogidos por las galgas cuando al menos una de ellas superara un cierto nivel mínimo de presión. Ahora enla zona delantera hemos puesto otra condición y es que se tengan que activar como mínimo dos galgas a lavez ya que hay tres galgas cuando se realice el apoyo se activará como mínimo la central y una de las laterales(en función de si prona o supina). De esta forma, ahora cuando levantamos el pie y la almohadilla del dedogordo presiona la galga y lo detecta, como la galga de en medio no detecta presión alguna, el controlador nocaptura ningún dato.

Por otro lado, estamos usando una zapatilla deportiva usada para integrar todo el sistema en ella. Dado quepresenta un gran desgaste en toda la zona de la suela y la amortiguación inicial de la zapatilla también hadisminuido bastante, habrá zonas de la zapatilla que cedan en mayor o en menor medida a la presión porlo que, aunque nos influirá en cierta medida en la recogida de datos, no nos afectará al resultado final de ladeterminación del tipo de pisada.Por ejemplo: en la zona de la zapatilla superior izquierda, la suela en ese punto está muy desgastada en

comparación con la zona de superior derecha. Luego, cuando presionemos sobre la galga que hay colocadaen ese punto de la zona superior izquierda, ésta se deformará en mayor medida que la que está en la zona dela derecha que presenta un menor desgaste de la suela y conserva una mayor amortiguación.

7.3 Realización de pruebas

A la hora de probar el dispositivo hemos escogido tres personas que sean conscientes del tipo de pisada quepresentan para verificar que los resultados obtenidos con nuestro dispositivo se corresponden con el tipo depisada del individuo.

Por lo tanto, tendremos un sujeto con pisada neutra, otro con pisada supinadora y otro con pisada pronadora.Las gráficas que presentamos a continuación representan la posición en el espacio de las galgas en la

zapatilla (ejes X e Y) y en el eje Z representamos el nivel medio de tensión recogido por el sistema en cadagalga durante toda la prueba.Recordar que los valores obtenidos por el sistema son enteros que provienen de la conversión analógico-

digital de los niveles de tensión a la salida de cada uno de los puentes de Wheatstone de los circuitos. Laconversión era 5mV por unidad.

7.3.1 Sujeto 1: pisada neutra

En la pisada neutra esperamos un comportamiento similar de ambas galgas posteriores y un comportamientopredominante de la galga central en la parte superior.En la imagen de la Figura 7.5 vemos los resultados obtenidos.Observando los resultados obtenidos vemos que en la parte inferior ambas galgas registraron un resultado

similar, y que las galgas superiores registraron un valor mayor de la galga central respecto a las otras dos, yque la galga izquierda registró un valor mayor que la derecha.

44 Capítulo 7. Análisis y resultados

Figura 7.5 Resultados de pisada neutra.

Estos resultados nos indican que en la parte del talón el sujeto 1 entra con un apoyo neutro y que a la horade salir predomina también un apoyo neutro. El hecho de que la galga de la parte izquierda detecte un valorsignificativo se debe a que el apoyo del pie en su fase de salida siempre pasa por esa zona.

7.3.2 Sujeto 2: pisada pronadora

Cuando la pisada es pronadora, el peso del cuerpo se reparte hacia la parte interna del pie. Luego esperamoscomo resultados que las galgas detecten un valor superior por parte de las interiores respecto a los exteriorestanto en la parte delantera de la zapatilla como en la trasera.En la imagen de la Figura 7.6 vemos los resultados obtenidos.En este caso vemos que en la parte posterior existe una pronación predominante, tanto es así que el sensor

de la derecha apenas recibe datos. Este comportamiento era de esperar ya que el sujeto 2 nos indicó que tieneuna gran pronación en el pie derecho (en el que hemos realizado las pruebas). En cuanto a la parte superiorvemos que el comportamiento es muy similar que el del sujeto 1, solo que ahora la galga de la izquierda haaumentado su valor lo que nos puede indicar una cierta pronación.

7.3.3 Sujeto 3: pisada supinadora

Por último, vamos a observar los resultados que se obtienen al realizar un tipo de pisada supinadora. Losresultados que caben esperar son los contrarios a los del sujeto 2, es decir, que el peso del cuerpo se repartahacia la parte externa del pie, detectando un mayor valor las galgas exteriores que los interiores de la zapatilla.

En la imagen de la Figura 7.7 vemos los resultados obtenidos.En este caso vemos como la galga exterior de la parte del talón detecta un mayor valor que la interior,

luego el apoyo de entrada de la pisada en el talón presenta un cierto comportamiento de supinación, es poreso que la galga izquierda también registra datos aunque en menor medida. En cuanto a las galgas superiores,vemos que detectan un mayor valor la galga central respecto a las otras dos y que la galga derecha presenta unmayor valor respecto a la izquierda lo que nos indica un comportamiento de supinación por la parte delanteradel pie.

7.3 Realización de pruebas 45

Figura 7.6 Resultados de pisada pronadora.

Figura 7.7 Resultados de pisada supinadora.

8 Conclusiones y trabajos futuros

8.1 Conclusiones

En el presente proyecto hemos diseñado y fabricado un sistema integrado en una zapatilla para detectar eltipo de pisada de una persona.

Para ello hemos usado como sensores cinco galgas extensométricas que medirán la presión en los diferentespuntos del pie y hemos realizado un dispositivo en una placa PCB el cual contiene el resto de elementos delsistema (amplificadores, controladores, elementos de transmisión, etc).

Todo el trabajo ha sido desarrollado en los laboratorios del Departamento de Electrónica, en concreto, enel área de Microsistemas.

Tras realizar varias pruebas y estudiar los resultados vemos que existen dos zonas diferenciadas a estudiar:la zona inferior y la zona superior del pie.La zona inferior del pie donde tenemos colocadas dos galgas es la zona que más información nos puede

aportar para ver el tipo de pisada que presenta una persona. En los tres casos estudiados vemos que es en estazona donde se distingue claramente el tipo de pisada de cada sujeto.En cuanto a la zona superior, tenemos colocadas tres galgas. En los tres casos estudiados, la galga del

centro siempre presenta un valor alto como cabe esperar, ya que el pie siempre pasa por la zona centraldonde hemos colocado dicha galga. Después observamos que tanto en la pisada neutra como la pronadora elresultado de las galgas de esta zona es muy similar presentando un valor un poco mayor de la galga izquierdacuando se trata de una pisada pronadora. En la pisada supinadora ocurre lo contrario, es la galga de la derechala que presenta un valor mayor.En esta zona somos capaces de distinguir entre una pisada supinadora y una neutra o pronadora, pero no

entre las tres. En la imagen de la Figura 8.1 tenemos los resultados de los tres tipos de pisada a modo deresumen.

Para concluir podemos decir que la zona inferior es la zona relevante de estudio ya que es donde se iniciael apoyo y lo que determinará en gran medida el resto de la evolución de la pisada.

Por otra parte, la zona superior nos proporciona menor información de la pisada que la inferior, pero nospuede ayudar a diferenciar de una pisada con un pequeño comportamiento de supinación de una neutra.Y por último, podemos ver que hemos conseguido realizar los tres objetivos marcados al principio del

presente proyecto que eran:

• El diseño y la realización de un dispositivo para detectar el tipo de pisada.

• La programación del controlador Arduino Micro para tomar la recogida de datos de nuestro sistema.

• La realización de diversas pruebas con su posterior análisis de los resultados.

8.1.1 Aplicaciones

Algunas de las aplicaciones en las que se puede hacer uso este sistema son:

• Determinar el tipo de pisada de una persona a la hora de comprar una zapatilla deportiva.

• Realizar una primera exploración para detectar posibles problemas en la pisada para posteriormenterealizar un estudio más en profundidad sobre su pisada.

47

48 Capítulo 8. Conclusiones y trabajos futuros

Figura 8.1 Resumen del estudio de la pisada.

8.2 Trabajos futuros

Para concluir el proyecto vamos a ver futuras líneas de trabajo que pueden llevarse a cabo a raíz de esteproyecto. Estos desarrollos vienen a mejorar algunos puntos del sistema y a cambiar otros.Algunos de los trabajos que se plantean son:

• Integrar las galgas extensométricas dentro de la plantilla. Esto nos permitiría probar el sistema encualquier zapatilla, y no tener que depender de la misma. Además al integrar las galgas dentro de laplantilla evitaríamos tener que usar las semiesferas de PDMS ya que las galgas estarían recubiertas deun material blando que sería las que las deformaría cuando se presione.

• Incorporar un módulo Bluetooth para poder ver en tiempo real la evolución de la pisada.

• Dado que las galgas presentan un espesor muy fino, otra posible linea de trabajo sería la integraciónde las mismas en un calcetín. Las ventajas que puede presentar este tipo de diseño sería el ajustar lasgalgas mejor a las diferentes zonas del pie simplemente moviendo el calcetín.

• Añadir más sensores para realizar un estudio más completo de la pisada. Con el número de sensoresque hemos usado solo podemos determinar el tipo de pisada de una persona. Si queremos hacer unestudio más en profundidad, tendríamos que añadir más sensores para ver correctamente la distribucióntotal del peso en el pie.

• Minimizar el tamaño del sistema. Esto incluye tanto la placa donde diseñamos el circuito como lafuente de alimentación del sistema.

Apéndice ACódigos de Arduino

A.1 Programa para probar el sistema

Código A.1 Prueba del sistema con leds.

//la funcion analogRead devuelve un valor entre 0 y 1023 (10 bits) luego hay

que convertir los valores de de voltios en enteros sabiendo que

5/1024=0.0049 es decri 4.9mV por unidad. REdondeamos a 5mV.

int Tsam=50;

const int REFoff=20; //Referencia a partir de la cual se considera una galga

activa

const int REFd=60; //REF=0.3 =>0.3/5mV=60 // valor a parti

const int REFi=-60;

const int SUP=200; //SUP=1 => 1/5mV=200 //valor a partir del cual se considera

pronación

const int PRO=-200;

const int SSUP=400; //SSUP=2=> 2/5mV=400 //valor a parti del cual se considera

pronacion alta

const int SPRO=-400;

int i=0;

//Variables donde se almacenan los valores de las galgas

int galgad=0;

int galgai=0;

int galgadup=0;

int galgaiup=0;

int galgamup=0;

//variables que miden la diferencia entre dos galgas para establecer el nivel

de pronación o supinación.

int difupd=0;

int difupi=0;

float difb=0;

void setup()

// put your setup code here, to run once:

//establecemos los pines 4 hasta 12 como salida

49

50 Capítulo A. Códigos de Arduino

pinMode(4,OUTPUT);

pinMode(5,OUTPUT);

pinMode(6,OUTPUT);

pinMode(7,OUTPUT);

pinMode(8,OUTPUT);

pinMode(9,OUTPUT);

pinMode(10,OUTPUT);

pinMode(11,OUTPUT);

pinMode(12,OUTPUT);

void loop()

// put your main code here, to run repeatedly:

//leemos los valores de cada galga

galgad=analogRead(A0);

galgai=analogRead(A1);

galgadup=analogRead(A2);

galgamup=analogRead(A3);

galgaiup=analogRead(A4);

difb=0;

//Si se detecta algun valor en las galgas inferiores, llama al programa leds

if(galgad> REFoff || galgai >REFoff)

leds(i,galgad,galgai);

//Si se detecta algun valor en la galga superior, llama al programa ledsup

else if (galgadup >REFoff|| galgamup> REFoff || galgaiup >REFoff)

ledsup(galgadup,galgamup,galgaiup);

//si no decta ninguna galga, apaga todos los leds

else

digitalWrite(4,LOW);



digitalWrite(7,LOW); //por defecto se apagan todos






//esperac cierto tiempo hata volver a mirar si hay alguna galga activa

delay(Tsam);

void leds(int i, int galgad,int galgai) // pins d4 hasta d12 d4,d5,d6 =leds

verdes; d7,d8,d9=leds amarillos d10,d11,d12 leds rojos

difb= galgad-galgai; //miramos la diferencia entre las dos galgas inferiores

A.1 Programa para probar el sistema 51

if(difb<REFd && difb>REFi) //Si está entre el rango REFd y REFi, es una

pisada neutra




digitalWrite(7,HIGH); //pisada neutra, encendemos los tres leds amarillos

digitalWrite(8,HIGH);





else if(difb>REFd && difb<SUP) //Si está entre el rango REFd y SUP, presenta

cierta supinación




digitalWrite(7,HIGH); //pisada un poco supinadora,encendemos un led verde

ya apagamos uno amarillo, nos desplzamos al hacia el lado verde.






else if(difb>SUP && difb<SSUP) //Si está entre el rango SUP y SSUP, presenta

supinación




digitalWrite(7,HIGH); //pisada supinadora, desplazamos un lugar más hacia

los leds verdes






else if(difb>SSUP) //Si está por encima del valor SSUP, es una pisada muy

supinadora




digitalWrite(7,LOW); //pisada muy supinadora, se encinden los 3 leds

verdes






else if(difb<REFi && difb>PRO)


//analogo a los tres casos anteriores pero para el caso de pronación




digitalWrite(7,LOW); //pisada un poco pronadora, un led rojo y 2

amarilllos






else if(difb<PRO && difb>SPRO)




digitalWrite(7,LOW); //pisada pronadora, dos leds rojos y uno amarillo






else if(difb<SPRO)




digitalWrite(7,LOW); //pisada muy pronadora, tres leds rojos






void ledsup(int galgadup, int galgamup,int galgaiup) // pins d4 hasta d12 d4,

d5,d6 =leds verdes; d7,d8,d9=leds amarillos d10,d11,d12 leds rojos

difupd=galgadup-galgamup;

difupi=galgamup-galgaiup;

//hay que ver cual de las tres tiene mayor valor:

if(galgadup>galgamup) // estamos sobre la derecha:supinacion

if(difupd > REFd && difupd < SUP)




digitalWrite(7,HIGH); //pisada un poco supinadora

A.1 Programa para probar el sistema 53






else if(difupd >SUP && difupd <SSUP)




digitalWrite(7,HIGH); //pisada supinadora






else if(difupd>SSUP)




digitalWrite(7,LOW); //pisada muy supinadora






else if(galgaiup>galgamup)//Estamos sobre la izquierda , pisada pronadora

if(difupi < REFi && difupi > PRO)




digitalWrite(7,LOW); //pisada un poco pronadora






else if(difupi <PRO && difupi>SPRO)




digitalWrite(7,LOW); //pisada pronadora






else if(difupi<SPRO)





digitalWrite(7,LOW); //pisada muy pronadora






else if(galgamup >galgadup && galgamup >galgaiup && difupd<0 && difupi >0)

//si no, será una pisada neutra.




digitalWrite(7,HIGH); //pisada neutra






A.2 Programa para almacenar los datos en la memoria EEPROM

Código A.2 Programa final.

#include <EEPROM.h>

#include <avr/sleep.h>



5/1024=0.0049 es decri 4.9mV por unidad. REdondeamos a 5mV.

int Tsam=100; //tiempo de muestreo

const int REFoff=20;//Valor de referencia minimo para el cual se considera que

por encima de éste la galga se está presionando

const int TAM=200; //Tamaño de las tablas que almacenaran los datos

int i=0;

int galgad=0; //variables que almacenan los valores que leen de las galgas en

cada instante de muestreo.

int galgai=0;

int galgadup=0;

int galgaiup=0;

int galgamup=0;

A.2 Programa para almacenar los datos en la memoria EEPROM 55

// La EEPROM tiene 1KB de memoria, como los datos son de tamaño 2B caben en la

memoria 500 datos.

//Luego dividimos esos datos para cada galga y nos queda 100 datos por galga.

// usando char(1B) podemos escribir mas "pasos" la funcion de escritura en la

EEPROM escribe byte a byte asique usamos char.

unsigned char tgalgad[TAM]; // tabla donde almacenaremos la suma de cada

resultado para luego pasarlo a la EEPROM

unsigned char tgalgai[TAM];

unsigned char tgalgadup[TAM];

unsigned char tgalgamup[TAM];

unsigned char tgalgaiup[TAM];

void setup()


//establecemos los pines del 4 al 12 como salidas para conectar los LEDs

pinMode(4,OUTPUT);

pinMode(5,OUTPUT);

pinMode(6,OUTPUT);

pinMode(7,OUTPUT);

pinMode(8,OUTPUT);

pinMode(9,OUTPUT);

pinMode(10,OUTPUT);

pinMode(11,OUTPUT);

pinMode(12,OUTPUT);

set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);

void loop()


//leemo los valores que hay en cada galga

galgad=analogRead(A0);

galgai=analogRead(A1);

galgadup=analogRead(A2);

galgamup=analogRead(A3);

galgaiup=analogRead(A4);

//Si las tablas aun no estan completas, seguimos llenandolas

if(i<TAM)

//Miramos si alguna de las dos galgas de la parte inferior está registrando

presión

// y si la hay, llamamos al programa "galgasbot"

if(galgad>REFoff || galgai>REFoff)

galgasbot(galgad,galgai);

//Miramos si alguna de las tres galgas superiores está registrando presión

// Al menos siempre habrá dos galgas activas: la de en medio y una lateral


//Si la hay, llamamos al programa "galgasup"

if (galgadup >REFoff && galgamup> REFoff)

galgasup(galgadup,galgamup,galgaiup);

else if(galgamup> REFoff && galgaiup >REFoff)

galgasup(galgadup,galgamup,galgaiup);

//Si ya están las tablas completas:

else

//vuelca los datos a la EEPROM. usamos upadte en vez de write para ahorrar

ciclos(si el dato coincide con uno que ya estuviera no lo modifica)

for(i=0; i<TAM; i++)

EEPROM.update(i,tgalgad[i]);


EEPROM.update(i+200,tgalgai[i]);


EEPROM.update(i+400,tgalgadup[i]);


EEPROM.update(i+600,tgalgamup[i]);


EEPROM.update(i+800,tgalgaiup[i]);

//Cuando termine ponemos el controlador en modo sleep

sleep_mode();

// Esperamos cierto tiempo Tsam para volver a mirar los datos que presentan

las galgas

delay(Tsam);

// Programa que almacena los datos detectados por las galgas inferiores en una

tabla

void galgasbot(int galgad,int galgai)

A.3 Programa para leer los datos de la EEPROM 57

//tenemos un "int galgax" y tenemos que almacenar su valor en un tipo "char"

que es mas pequeño.

// el valor maximo que podemos obtener de una galga es 1000=5 voltios

//luego si dividimos ese valor entre 4, el valor maximo será 250 que es el que

usaremos.

//asi tendremos una precision en vez de 5mv, de 20mV.

tgalgad[i]=(galgad)/4;

tgalgai[i]=(galgai)/4;

i++;

// Programa que almacena los datos detectados por las galgas superiores en

una tabla

void galgasup(int galgadup, int galgamup,int galgaiup)

tgalgadup[i]=(galgadup)/4;

tgalgamup[i]=(galgamup)/4;

tgalgaiup[i]=(galgaiup)/4;

i++;

A.3 Programa para leer los datos de la EEPROM

Código A.3 Programa final.

#include <EEPROM.h>

#include <avr/sleep.h>



5/1024=0.0049 es decir 4.9mV por unidad. Redondeamos a 5mV.

const int TAM=200; //Tamaño de las tablas que almacenaran los datos

int i=0;

int j=0;

int ValD=0; //variables que almacenan los valores que leen de las galgas en

cada instante de muestreo.

int ValI=0;

int ValDU=0;

int ValMU=0;

int ValIU=0;

void setup()


set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);


void loop()


//Imprimimos por pantalla los valores almacenados por la EEPROM separados

entre ";" para poder luego trasladarlos a formato excel más fácilmente

ValD=EEPROM.read(i);

ValI=EEPROM.read(i+200);

ValDU=EEPROM.read(i+400);

ValMU=EEPROM.read(i+600);

ValIU=EEPROM.read(i+800);

if(j==0)

Serial.println("GalgaDer;GalgaIzq;GalgaDerUp;GalgaMidUp;GalgaIzqUp")

;

//Como en el momento de la recogida de datos, dividimos cada dato entre cuatro

para poder almacenarlos en una tabla de variables de tamaño "`char"', ahora

multiplicamos por cuatro cada valor para recuperar el valor original.

Serial.print(ValD*4, DEC);

Serial.print(";");

Serial.print(ValI*4, DEC);

Serial.print(";");

Serial.print(ValDU*4, DEC);

Serial.print(";");

Serial.print(ValMU*4, DEC);

Serial.print(";");

Serial.println(ValIU*4, DEC);

i++;

j++;

//Si las tablas estan completas, manda el controlador a modo sleep

if (i==TAM)

sleep_mode();

Apéndice BCódigos de WinSpice

B.1 Simulación de puente de Wheatstone

Código B.1 Puente de Wheatstone.

Vin 1 0 dc 5v

R1 1 2 120

R2 2 0 120

R4 1 3 120

Rs 3 0 120

.end

B.2 Simulación del puente de Wheatstone con amplificador de instrumentación INA122

Código B.2 Puente de Wheastone con circuito de amplifiacion.

.include INA122.mod

*

*connections | non-inverting input

* | | inverting input

* | | |reference

* | | | | positive supply

* | | | | | negative supply

* | | | | | | gain resistor 1

* | | | | | | | gain resistor 2

59

60 Capítulo B. Códigos de WinSpice

* | | | | | | | | output

*.subckt INA122 inp inn ref vdd vee rg1 rg2 out

*

X2 2 3 0 1 0 6 5 out INA122

Vin 1 0 dc 5v

R1 1 3 120

R2 1 0 120

R4 2 0 120

Rs 3 0 120

Ri 6 5 200

.end

Apéndice CCódigos de MatLab

C.1 Representación gráfica de datos extraídos por el sistema

Código C.1 Representación gráfica de resultados.

x=[0:0.5:100];

y=[0:0.5:250];

k=0;

j=0;

sumgalga=0;

[X,Y]=meshgrid(x,y);

for j=1:200

if(GalgaDer(j)~= 0)

k=k+1;

sumgalga=sumgalga+GalgaDer(j);

end

end

GalgaDerT=sumgalga/k;

k=0;

sumgalga=0;

for j=1:200

if(GalgaIzq(j)~= 0)

k=k+1;

sumgalga=sumgalga+GalgaIzq(j);

end

end

GalgaIzqT=sumgalga/k;

k=0;

sumgalga=0;

for j=1:200

if(GalgaDerUp(j)~= 0)

k=k+1;

sumgalga=sumgalga+GalgaDerUp(j);

end

end

GalgaDerUpT=sumgalga/k;

61

62 Capítulo C. Códigos de MatLab

k=0;

sumgalga=0;

for j=1:200

if(GalgaMidUp(j)~= 0)

k=k+1;

sumgalga=sumgalga+GalgaMidUp(j);

end

end

GalgaMidUpT=sumgalga/k;

k=0;

sumgalga=0;

for j=1:200

if(GalgaIzqUp(j)~= 0)

k=k+1;

sumgalga=sumgalga+GalgaIzqUp(j);

end

end

GalgaIzqUpT=sumgalga/k;

Z=GalgaDerT*(100/1.988)*(1/55)*(1/30)*Y.*exp(-0.05*(X-55).^2-0.0025*(Y-30).^2)

; %GalgaDer

W=GalgaIzqT*(100/2.43)*(1/30)*(1/45)*Y.*exp(-0.05*(X-45).^2-0.0025*(Y-30).^2);

%GalgaIzq

V=GalgaDerUpT*(100/1.62)*(1/175)*(1/60)*Y.*exp(-0.05*(X-60).^2-0.0025*(Y-170)

.^2);%GaldaDerUp

U=GalgaMidUpT*(100/1.993)*(1/185)*(1/50)*Y.*exp(-0.05*(X-50).^2-0.0025*(Y-185)

.^2);%GalgaMidUp

T=GalgaIzqUpT*(100/2.5)*(1/200)*(1/40)*Y.*exp(-0.05*(X-40).^2-0.0025*(Y-200)

.^2);%GalgaIzqUp

figure(1);

mesh(X,Y,Z);

hold on

mesh(X,Y,W);

hold off

figure(2);

mesh(X,Y,V);

hold on

mesh(X,Y,U);

hold on

mesh(X,Y,T);

hold off

Apéndice DDatasheets

D.1 Galga extensométrica

63

Índice de Figuras

1.1. Tipo de pisada[7] 21.2. Fases de la pisada[7] 2

2.1. Galgas extensométricas 32.2. Esquema de puente de Wheatstone[10] 62.3. Galga de filamento[10] 62.4. Galga de lámina impresa[10] 72.5. Galga semiconductora[10] 82.6. Esquema método directo[10] 92.7. Esquema método del cero[10] 9

3.1. Sensor resistivo [1] 133.2. Primera matriz de capacidades para calcular la distribución de la presión (256 sensores), fabricada

en 1975 [3] 133.3. Sensor piezoeléctrico [1] 143.4. Sensor piezoresistivo [1] 143.5. Identificación basada un sistema de identificación de presión plantar dinámica [1] 153.6. Identificación biométrica basada en los cambios de la huella de presión plantar [1] 153.7. WalkinSense [1] 153.8. GaitShoe [1] 163.9. Sistema de Benocci[1] 163.10. Imagen de las capas [4] 173.11. Curvas de presión frente a deformación de los diferentes tipos de PDMS en función de su ratio de

mezcla [4] 173.12. Gráfica presión frente a capacidad [4] 183.13. Microsoft Kinect [5] 183.14. Esquema del sensor[8] 193.15. Sensor empaquetado[8] 203.16. Gráfica resistencia-presión[8] 203.17. Puntos de presión en la planta del pie[8] 203.18. Suela de la zapatilla con los sensores integrados[8] 213.19. Sistema de adquisición de datos[8] 213.20. Interfaz gráfica en ordenador y móvil[8] 213.21. Aspecto de los calcetines Sensoria[2] 223.22. Huellas de apoyo de talón y de antepie [2] 22

4.1. Puente de Wheatstone 244.2. Puente de Wheatstone con RG = R1 = R2 = R4 = 120Ω 244.3. Puente de Wheatstone con potenciómetro 244.4. 254.5. Valor de ganancia del INA122 en función de la resistencia usada 254.6. Esquemático INA122 26

67

68 Índice de Figuras

4.7. 264.8. Esquemático del circuito 274.9. Layout del circuito 274.10. Artduino Micro 284.11. Pins del Micro Arduino 28

5.1. Circuito de prueba para una galga 295.2. Comportamiento del nuevo potenciómetro con resistencia en paralelo 305.3. Situación de las galgas en la zapatilla 315.4. Superficie del circuito de prueba 315.5. Circuito de prueba con plantilla 325.6. Semiesferas de PDMS 325.7. Sistema completo con LEDS 335.8. Leds indicadores de la pisada 33

6.1. Agujeros para la salida de los cables en la zapatilla 356.2. Layout del circuito 366.3. Dispositivo final:cara superior 366.4. Dispositivo final:cara inferior 376.5. Colocación de las galgas 376.6. Integración de las galgas en el talón de la zapatilla 386.7. Integración de todas las galgas 386.8. Zapatilla con las galgas integradas 386.9. Monitorización de la salida del circuito:puente desequilibrado 396.10. Monitorización de la salida del circuito: puente equilibrado 396.11. Esquema del tratamiento de datos 40

7.1. Montaje listo para probar: vista lateral 417.2. Montaje listo para probar: vista superior 427.3. Montaje listo para probar: vista lateral 427.4. Flexión del pie a la hora de correr 437.5. Resultados de pisada neutra 447.6. Resultados de pisada pronadora 457.7. Resultados de pisada supinadora 45

8.1. Resumen del estudio de la pisada 48

Índice de Tablas

69

Índice de Códigos

A.1. Prueba del sistema con leds 49A.2. Programa final 54A.3. Programa final 57

B.1. Puente de Wheatstone 59B.2. Puente de Wheastone con circuito de amplifiacion 59

C.1. Representación gráfica de resultados 61

71

Bibliografía

[1] Abdul Hadi Abdul Razak, Aladin Zayegh, Rezaul K Begg, and Yufridin Wahab, Foot plantar pressuremeasurement system: a review, Sensors 12 (2012), no. 7, 9884–9912.

[2] Francisco Jesús Chico, Sensoria:controla tu pisada en tiempo real, (2015).

[3] Ravindra S Goonetilleke, The science of footwear, CRC Press, 2012.

[4] Kin Fong Lei, Kun-Fei Lee, and Ming-Yih Lee, Development of a flexible pdms capacitive pressuresensor for plantar pressure measurement, Microelectronic Engineering 99 (2012), 1–5.

[5] Benjamin F Mentiplay, Ross A Clark, Alexandra Mullins, Adam L Bryant, Simon Bartold, and KadePaterson, Reliability and validity of the microsoft kinect for evaluating static foot posture, J Foot AnkleRes 6 (2013), no. 1, 14.

[6] Margo N Orlin and Thomas G McPoil, Plantar pressure assessment, Physical therapy 80 (2000), no. 4,399–409.

[7] runners.es, ¿pronador o supinador?, Dec 2012.

[8] Lin Shu, Tao Hua, Yangyong Wang, Qiao Li, David Dagan Feng, and Xiaoming Tao, In-shoe plan-tar pressure measurement and analysis system based on fabric pressure sensing array, InformationTechnology in Biomedicine, IEEE Transactions on 14 (2010), no. 3, 767–775.

[9] Wikipedia.org, Galgas extensométricas, Mar 2012.

[10] RM William and RM WILLIAM, The bonded electrical resistance strain gage: An introduction, 1992.

73

Índice alfabético 75

detección de pisada usando galgas extensométricas.pdf

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